主动声探测信号的捕获与回波重构电路设计

张海涛，罗 建，聂宜召，刘亚萍，赵亚磊

（西北工业大学 航海学院，陕西 西安 710072）

0 引言

无论是从水下新型制导武器的研制或是从水声对抗的角度来说，主动声探测信号回波模拟技术都具有重要意义[1]。但快速捕获短暂的大动态范围主动探测脉冲并进行回波重构，要求系统具有较高的实时性。以往研究的自动增益控制（AGC）电路的方向主要集中于大带宽、大动态范围，对灵敏度的研究较少，一般AGC电路的建立时间为0.4 s，对于高实时性的应用延迟较大。为了提高系统的实时性，本文采用多级固定增益放大、多路同步采集的方法可以接近实时地采集微弱信号，较自动增益控制放大电路提高了系统的实时性。同时，由于搭建电路的运放采用一般的运算放大器，与AGC电路对比，本文的方案降低了经济成本。

1 系统工作环境

主动声探测系统依靠目标的反射信号来探测目标，其工作原理如图1所示。本文所设计的系统探测对象就是这种短暂的主动探测脉冲。

图1 主动声探测系统工作原理示意图Fig.1 Schematic diagram of working principle of active sound detection system

主动探测系统在工作时，按一定的周期T,发射一固定脉冲宽度τ的超声信号（频率为f）。当没有目标时，系统只接收到水面的反射回波；当有目标通过时，就会接收到目标的反射回波信号。这一回波信号一般是在水面回波到达之前到达，即引起测距值变短[2]。在实际应用中，τ一般为3～5 ms，f为20～80 kHz，T为 400～600 ms。对此短脉冲信号进行对抗，需要实时存储接收到的波形信号，并且立即做出判断与处理，这对系统的实时性提出很高的要求。

信号通过压电陶瓷换能器获取，通过声电换算，接收到的电压信号大约100 μV左右。采集100 μV的微弱信号需要考虑如何提高系统的信噪比。

对海洋环境噪声的谱级研究从第二次世界大战开始就已进行,并取得了大量实测数据和理论成果,其中Wenz所总结的谱级曲线具有代表性[3]。其谱级大体上可以分成相互覆盖的3段：1）低频段（1～100 Hz）,每倍频程-10～-8 dB 衰减；2）中频段（100～500 Hz）,这一段谱较为平缓,主要来源于远处的行船。这一段谱级的强弱与航运的频繁程度有关；3）高频段（500～25 000 Hz），每倍频程按5～6 dB衰减,主要来源于风动海面。在短脉冲信号采集系统的工作频段内，海洋环境噪声在高频部分（大于20 kHz）对系统影响较小，于是要求短脉冲信号采集系统的滤波器在低频部分具有良好的性能[4]。

2 系统原理

如图2所示，一个完整的主动探测脉冲回波模拟系统主要由信号预处理、信号放大、信号采集与存储、重构回波发射等部分组成。微弱信号首先通过信号预处理电路提高信号的信噪比，由放大电路将信号放大至 AD可采集的范围，由信号采集与存储电路对信号进行采集并存储，通过DSP对采集波形进行波形分析与重构，并将重构回波发射出去。

图2 系统总体框图Fig.2 Overall block diagram of system

信号预处理的目的是提高信号的信噪比。对采集的原始信号进行放大时，虽然同时将噪声放大，但在滤波器输入端，信号已经是一个较大的值，信号通过滤波器后会滤除放大后的带外噪声，可以有效地减小系统的等效输入噪声。此外，由于换能器的输出阻抗很大，为了可以接收更多的信号，需要前级放大器具有较大的输入阻抗，于是前级放大器采用同相放大电路结构。为了改善前级放大器的整体性能，在同相放大器的后级接1个反向放大器，不仅可以弥补同相放大器抗干扰能力差的性质，而且可以灵活地改变前级放大倍数[5]。

主动声探测脉冲信号频带为20～80 kHz，由于信号本身是未知的，所以频带适当的展宽并不会影响系统性能。由于海洋环境噪声集中于低频段，所以滤波器的下边带阻带衰减需要大一些。此外，由于信号在传播过程中发生频带展宽，单频信号会变成窄带信号，为了采集的信号不失真，需要降低带内纹波，因此系统采取巴特沃斯滤波器进行信号滤波[6]。信号预处理电路的总体框图如图3所示。

图3 信号预处理方案Fig.3 Signal preprocessing scheme

针对实时性的需求，本文提出多级固定增益放大多级输出的信号采集方式，如图4所示，信号进入多级放大电路，每一级都输出一定放大倍数的信号，通过4级放大达到10 000倍的总放大倍数，可以将0.1 mV的信号放大至1 V。对于不同幅度的输入信号，通过多级放大的冗余采集，其中必有1路未被限幅并且达到满足AD可采集的范围，将该路采集的信号进行分析即可。将同相放大器与反相放大器交替级联，既可提高系统抗干扰能力，又可改善信号的偏置现象。

图4 放大电路方案Fig.4 Amplifying circuit scheme

如图5所示，信号采集与触发的主要目的是将经过信号调理后的信号进行 AD采集并以数字形式存储。对于只能采集单边信号的单极性 ADC，在本系统中需要电位提升等辅助电路将其搬移到正半周，在本文中采用加法器。为了使 DSP明确何时处理数据以及处理哪路数据，系统需要通过包络检波对各路信号进行检波，当某一路ADC检测到具有一定宽度与幅度的脉冲信号后，即可判断主动声探测脉冲信号是否来临以及哪一路的信号适合处理。

图5 信号采集与触发方案Fig.5 Signal acquisition and trigger scheme

DSP信号采集电路工作原理如图6所示，通过4路AD同时采集，采集结束后将信号发送至DSP。选用具有菊花链的AD采集芯片可以将各个AD进行级联，用单一的数据链路传输数据。整个信号采集电路利用I2S的时钟信号作为采样AD的启动转换脉冲，同时触发4路AD进行转换，转换结束时，将级联的4路AD的转换数据通过SPI串口读取并存储，DSP提取出合适通道的采集数据进行分析。

依据系统原理，采集主动探测脉冲的时间与所选器件的响应时间成正相关，采集电路基本可以达到信号的无延迟采集。因此，系统的实时性主要取决于 DSP的数据处理能力。而在算法层面，回波重构采用波形存储重发技术，耗时较少，基于以上设计方案，系统可以达到较高的实时性。而且，由于系统采用冗余设计，增加了廉价器件的使用，总体具有较高的经济优势。

图6 信号采集方案Fig.6 Signal acquisition scheme

3 硬件设计

硬件系统由 STM32F103单片机作为控制芯片，由TMS320C5535作为信号处理器，由低噪放NE5532作为放大器，由AD8058作为有源滤波器的运放，由AD5512作为波形输出的DA转换器，由ADS8860作为信号采集的AD转换器。

信号预处理电路包括低噪前放与滤波器，低噪前放采用NE5532，它的增益带宽积为10 MHz，输入噪声为适合作为系统的前级运放[7]。有源滤波器运放选型为 AD8058，其输入噪声为压摆率为1 000 V/μs，并且具有低失真的特性。低噪前放采用同相放大器，提高系统的输入阻抗。滤波器采用2级滤波器级联的方式，第1级为高通滤波器，第2级为低通滤波器，因为噪声主要集中在低频段，这样可以有效降低输入噪声。

信号放大电路采用4级级联的方式，4级放大器同相反相交替级联，采用电容进行级间耦合，避免级间直流偏置，降低系统设计难度。信号采集辅助电路包括检波电路与信号提升电路，检波电路采用二极管包络检波，信号提升电路采用同相加法器。

STM32F103通过AD采集包络检波后的信号，判断脉冲信号是否到来，通过串行端口发送触发信号到 DSP，触发相应通道进行波形分析与重构。DSP解算并重构回波后，通过DA转换器将重构后的信号波形发射出去，由AD5512构成的DA转换器具有双极型输出的功能，通过加接运放，可以驱动60 kΩ的负载[8]。

4 测试验证

对安装调试完成的电路进行了各模块的功能测试。表1给出了分级测试的结果，总放大倍数为：10 229.118，可以将0.1 mV的信号放大至1 V，满足系统设计的要求。

表1 放大器输出信号Table 1 Output signal of amplifier

采用点频法测试了滤波器的幅频响应特性曲线，如图7所示。由幅频响应曲线可知，滤波器的响应在带内逐渐增加且分段恒定，故取两者的中间值作为滤波器的带内响应幅值，取2.17 V。所以滤波器的-3 dB点为19 kHz与92 kHz，高通的阻带衰减为18.4 dB，低通的阻带衰减为20.4 dB，带内纹波为2.3 dB，满足滤除带外噪声的要求。

图7 滤波器幅频响应特性曲线Fig.7 Amplitude-frequency response characteristic curve of filter

单片机利用ADC采集包络检波后的幅值，来判断是否符合采集的条件。为了测试单片机，采用可变电位器将2.5 V的直流电压进行分压逐级调整。对于2.5 V的电压，设置3个阈值：小于0.5 V、大于0.5 V而小于2.0 V、大于2.0 V而小于2.5 V。通过测试，数据发送时间约为0.1 ms，基本满足实时性的要求。

5 结束语

论文讨论了主动脉冲信号的捕获与回波重构电路模块的设计，分析了系统硬件结构设计方法以及芯片选型与应用，完成了信号捕获与回波重构系统的硬件设计。采用STM32控制系统的信号采集与数据交互。完成了电路设计、硬件调试以及功能测试，测试结果表明此方案可以应用于主动脉冲信号的捕获与回波重构，具有重要的参考价值。