基于DFT的声纳换能器动态参数检测仪设计*

马秋平 仲 秋 李耀波 周浩然

(92956部队 大连 116041)



基于DFT的声纳换能器动态参数检测仪设计*

马秋平 仲 秋 李耀波 周浩然

(92956部队 大连 116041)

针对目前舰艇声纳检测维修中无法进行换能器动态参数测量的实际，利用TMS3205509A和ARM7TDMI CPU设计了一种便携式声纳换能器动态参数检测仪。利用ARM7控制信号源生成不同频率的扫频信号激励换能器，通过高速A/D采集信号经预处理后送入TMS3205509A进行DFT处理，之后通过计算得到换能器动态参数。与现有的实验室大型测试设备相比，该仪器集信号产生、检测和计算于一体，携带方便、测试简单，测量精度完全满足随舰测量指标要求。

声纳换能器; 参数测量; 装备维修; 动态参数

Class Number TB52

1 引言

换能器是声纳探测设备的核心部件，承担着信号发射与接收的使命。换能器正常工作是声纳装备可靠运行的重要保证，其参数指标的检测是装备修理及日常维护过程中的重要工作之一。然而舰艇声纳换能器维修检测过程中往往只检测静态参数，而对诸如谐振频率、动态电阻及动态电容等动态参数不做检测，导致对声纳换能器老化、与匹配电路的阻抗匹配、装备发射效率等方面信息无法全面掌握。目前不进行动态参数测量主要有两方面原因： 1) 现有的测试设备基于导纳圆原理，计算复杂，设备体积较大，通常用于换能器出厂前动态参数的测量，无法在空间狭小的舰艇上使用； 2) 电桥法、三电压法等传统的测试方法或测量原理较为复杂，或测量过程较为繁琐，在实验室进行测试尚可，无法适应舰艇上的现场测试。基于此，本文设计了一种简易便携式换能器动态参数自动检测仪。与现有的大型测试系统相比，该仪器具有携带方便、测试简单的特点，测量精度完全满足随舰测量指标要求。

2 换能器等效电路及导纳测量原理

采用机电类比法[1]可将压电换能器的机械振动特性用电学参数表示出来，在换能器共振频率附近，其等效电路如图1所示。图中，C0为静态电容，表示换能器在无激励情况下等效为一纯电容，容性大小与换能器的形状有关。R0为静态电阻，表示换能器的损耗电阻。L1、C1、R1是串联支路动态参数，表示振动时换能器在谐振频率附近的电学特性。这些参数不仅与换能器自身的几何形状和材料有关，还与介质对振动的反作用和压电换能器所受到的力阻抗有关[2]。在串联谐振频率附近很窄的频率范围内，可认为这些等效参数与频率无关。

图1 压电换能器等效电路图

图2 压电换能器测量原理示意图

阻抗测量通常有电桥法、谐振法和矢量电压电流法等方法。电桥法[3]是传统阻抗测量中准确度最高方法，但测量操作繁琐、费时，且测量范围受限。谐振法是用电感和电容组成的串联或并联谐振电路，通过电压表或电流表来确定谐振点进行阻抗测量的一种方法。这种方法常用于测量电抗成分与电阻成分之比很大，并组成串联或并联电路的阻抗。谐振法不能用作高准确度阻抗测量，但谐振法具有宽频带(1kHz～1000MHz)、操作简单，适合于高Q元器件测量。矢量电压电流法[4]是将测试信号电压加到被测件，测量信号电流流过被测件，然后由电压和电流之比计算测试端的阻抗。这种方法可用多端测量结构，在电路中消除残余阻抗的影响，同时测量电路比较简单、量程宽。电桥电路不需要使用通常的平衡控制，所以便于高速测量且操作容易。

采用矢量电压电流法测量换能器导纳特性的原理如图2所示。图中，信号源为频率可控的正弦信号源，R为其内阻；Rm为阻值可调的精密电阻，与压电换能器串联后构成测量系统，该电阻与换能器分压，与换能器的动态电阻越接近越好；U1为加在压电换能器前端的电压信号；U2为经过换能器之后加在精密电阻上的电压信号。由于换能器有静态电容、动态电感、动态电容和动态电阻，其对输入的正弦信号进行相位移动和幅度改变。设U1=U1mej(ωt+φ)，则经过换能器后的电压为U2=U2mej(ωt+φ+θ)。根据电路关系，换能器的阻抗为

(1)

将U1、U2代入并整理可得到：

(2)

故，

(3)

由导纳和阻抗的关系可求得换能器导纳：

(4)

(5)

可见，只要测出各个频率下换能器两路信号的幅度比和相位差，即可测得换能器的电导和电纳。

3 总体设计

检测仪以ARM7系列芯片LPC2132为控制核心，其原理框图如图3所示。一方面，控制信号产生模块产生特定频率的扫频信号，经预处理形成所需激励信号，将高速AD采集的小信号激励下的换能器响应送DSP进行DFT处理，解算出信号的幅度和相位差，通过数据处理算法求得相关动态参数；另一方面，通过串行总线将运算结果送LPC2132并控制LCD对测量结果进行显示。利用独立式键盘输入相应操作命令，进行整个测量过程的控制，实现了友好的人机交互。通过I2C总线对测量数据进行保存，在需要查看时可方便的回调查看；此外，主控模块利用USB串行总线将测量结果上传到计算机，方便测量数据的据分析、处理。

图3 检测系统原理框图

4 硬件设计

4.1 主控模块

兼顾系统要求和经济成本，选用内核为ARM7TDMI CPU的微控制器[5]LPC2132作为主控芯片。其片内集成60K静态RAM，64K高速Flash存储器。片内晶体振荡电路支持频率为1MHz～30MHz，通过片内PLL可实现最大为60MHz的CPU操作频率。具有2个32位定时器，49路GPIO口，包含UART、I2C、SPI及SSP多种串行接口，8路高速10位A/D模块，同时集成看门狗、专用复位电路及外部掉电检测电路等功能[6]。32位定时器可以满足系统计时功能的要求。选用LPC2132作为主控芯片，开发过程中易于进行程序修改，具有价格便宜、开发周期短的优点，且可以满足运算量、精度及实时性要求。

4.2 信号产生模块

信号产生的方法主要有反馈型LC振荡器、集成振荡器[7]、直接频率合成[8]、锁相频率合成[9]、直接数字频率合成(DDS)等。DDS系统的核心是相位累加器，它由一个加法器和一个N位相位寄存器组成。它类似一个计数器，每来一个时钟信号，相位累加器的输出就增加一个步长K的相位增加量，其大小由频率控制字确定。相位寄存器的输出与相位控制字相加，然后输入到正弦查询表地址上。从查询表中读出相位累加器输出相位信号值对应的幅度数据，通过DAC将该数据转换成所需的模拟信号波形输出。

检测仪采用AD公司的DDS集成芯片AD9850，该集成芯片能够产生一个频谱纯净、频率和相位都可编程控制的模拟正弦波。产生的波形稳定、电路简单且程控调节方便，在125MHz时钟下，输出频率分辨率为0.029Hz，频率范围为0.1Hz～40MHz，幅值范围为0.2V～1V。AD9850接口控制简单，可以用8位并行口或串行口直接输入频率、相位的32位频率控制字。为减少IO资源占用，系统利用LPC2132作为控制核心，通过串行方式向AD9850发送控制字。

DDS产生的正弦信号需要经过调理才能送入测量网络。信号产生模块形成的信号送入信号调理模块(AGC)，以便根据换能器测量的需要对扫频信号进行适当地放大或衰减。

4.3 DSP模块

硬件电路实现的仅是对两路信号的A/D转换采集，即两路正弦信号的一系列离散点。为了得到两路信号的幅度和相位需要对采样所得数据进行处理。常用的处理方法有数字相关法、快速傅立叶变换法以及正弦曲线参数拟合法等。在此，采用快速傅立叶变换法。

4.3.1 DFT获取正弦信号幅度和相位原理

设采集正弦信号得到的离散序列为x(n),n=1,2,…,N。则该序列的离散傅立叶变换为

=Re[X(k)]+Im[X(k)]

(6)

其中，k=1,2,…,N

其初始相位为：

(7)

其中，fs为信号的采样频率，N为采样长度。

在对时域离散序列进行傅立叶变换之后，可以得到其离散的幅度谱和相位谱，在幅度谱和相位谱中找到对应时域波形的频率的谱线就可以得到时域的正弦波形的幅值和相位信息，最终求得换能器的电导和电纳。

4.3.2 利用导纳曲线求换能器等效参数原理

传统计算换能器等效参数方法是利用求得的电导、电纳拟合导纳圆[10]，通过导纳圆解算各动态参数。一般来说，在空气中测得的导纳曲线不一定很圆(如图4)，而在水中测得的小圆更为严重不圆。图5为某换能器的实测导纳圆。

图4 换能器实际导纳曲线

图5 某换能器的实测导纳圆

实际测量时常常根据换能器的谐振频率点的大约值选择适当的测量频率范围，根据这些频率范围的测量值拟合导纳圆。显然这对工程分析的精度势必带来很大的影响。为此，根据电导G(ω)特性曲线和电纳B(ω)特性曲线的数学分析来确定压电换能器等效电路中的各参数。

当介质为空气，相当于短路的无负载情况，根据电路分析可知[11]：

(8)

(9)

将式(9)代入式(8)可得：

(10)

从上式可以看出，G1在0～1/R1之间连续变化，这种变化的快慢由机械品质因数Qm决定，Qm越大，G1的值在串联谐振频率附近变化得越快。根据G1max可以确定串联谐振角频率ωs和等效电阻R1。

图6 介质为空气时电导频率特性曲线

图7 介质为水时电导频率特性曲线

如果考虑换能器的静态损耗R0，则G=1/R0+G1，此时G(ω)的变化曲线如图6所示，全部特性曲线向上平移1/R0，Gmin=1/R0，Gmax=1/R0+1/R1，根据Gmin可以确定静态损耗电阻R0，根据Gmax可以确定串联谐振角频率ωs和换能器动态损耗电阻R1。

按照同样的思路，对电纳进行分析，可以利用电纳B(ω)特性曲线B(ωs)=ωsC0求出静态电容C0，并进而求出曲线B1(ω)=B(ω)-ωC0，根据B1(ω)曲线的两个极值求出半功率点频率ω1、ω2和R1、Rd。再回到电导G(ω)特性曲线的半功率点频率ω1、ω2，按前述思想便能求出R1、Rd、R0以及L1、C1、Qm等参数[11]。

4.3.3 电路设计

DSP模块是检测仪的核心，模块主要功能由软件实现。该模块硬件电路完成对换能器响应信号的采集并送入DSP。对数据的处理和参数解算由TMSVC5509A内部的软件数据处理程序模块实现。根据欧姆定律，当换能器阻抗变小时，流经换能器的信号电流将变大，导致信号输出功率增加，影响测量精度。为适应不同输入信号频率时被测换能器阻抗的变化，需减小信号源输出阻抗，同时对输出信号源进行一定衰减，设计的小阻抗测量改进电路如图8所示。

图8 DSP模块电路原理图

5 测量误差分析

检测仪的误差主要由两部分产生：导纳测量误差、参数解算误差。

5.1 导纳测量误差

由第2节可以知道，导纳误差主要是在DFT处理过程中产生的。通过傅里叶变换可以只提取基波参数，因此谐波的存在并不影响基波成分，所以谐波的存在对应用这种方法测量相位差几乎没有影响；对于噪声干扰，只有当高斯白噪声接近基波的频率分量时才会影响到基波的相位，所以应用DFT法测量相位差也能有效地抑制高斯白噪声干扰。但是，实际上信号是连续的无限长的序列，用DFT对其进行谱分析时，必须截短形成有限长序列，再进行周期延拓，这样就不可避免地造成信号频谱的泄漏，由此便产生了相位差测量误差[12]。误差现象主要是：混叠现象、栅栏效应和截断效应。要想减小相位差测量误差，就必须提高谱分辨率。在检测仪的设计中，采用提高采样频率的方法，同时DFT处理算法中增加采样数据长度来提高谱分辨率，进而达到减小相位差测量误差的目的。

5.2 参数解算误差

6 软件设计

系统的软件部分采用模块化结构设计，各个子功能子模块独立。采用C语言编写程序，具有调试灵活、可移植性好、变成效率高等优点。DSP模块的数据处理算法是软件设计的核心，用来对采集数据的DFT处理，解算出换能器的电导和电纳，通过参数解算算法得到相关动态参数。系统软件主程序流程如图9所示。

图9 主程序流程图

7 结语

本文通过对换能器内部机理的分析，利用现代电子技术，设计了一种便携式动态参数自动检测仪。通过与已有的模拟导纳仪、数字式导纳仪和进口的4294A阻抗分析仪的测量结果对比得出：相对于国内模拟式、数字式导纳圆测量仪，本系统具有测量精度高、测量范围宽的优点，并克服了模拟式导纳仪不能进行低频区域测量的缺点，能延伸到低频进行测量。相对于4294A阻抗分析仪，精度上还有一定的差距。

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Design of Sonar Transducer Dynamic Parameters Detecter Based on DFT

MA Qiuping ZHONG Qiu LI Yaobo ZHOU Haoran

(No. 92956 Troops of PLA, Dalian 116041)

In order to solve the problems that the shipboard sonar transducer dynamic parameter cannot be measured in maintenance support, a portable detector of sonar transducer dynamic parameters is designed by using of TMS3205509A and ARM7TDMI CPU. Signal source is controlled by ARM7 and different frequency sweep signal is generated. The DFT calculation is done by TMS3205509A after high-speed A/D acquisition signal. Then the transducer dynamic parameters is obtained by calculation. Compared with the existing laboratory large-scale test equipment, the detector has the advantages of portability and usability, and the measuring accuracy completely satisfy with the requirement.

sonar transducer, parameter measurement, equipment maintenance, dynamic parameter

2016年5月10日,

2016年6月27日

马秋平，男，工程师，研究方向：电子装备综合保障。仲秋，男，工程师，研究方向：电子装备综合保障。李耀波，男，博士，工程师，研究方向：水声工程、声纳装备维修。周浩然，男，助理工程师，研究方向：电子测量、声纳装备维修。

TB52

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.031