一种用于压电陶瓷水听器极性检测的方法

程江林, 李正平

(安徽大学 电子信息工程学院,安徽 合肥 230601)

随着科学技术的发展和应用需求的不断扩大,海洋水声环境和目标探测水声技术获得了越来越广泛的应用[1]。压电陶瓷水听器是把水下声信号转换为电信号的换能器,广泛用于水声采集系统、声呐系统、地震勘探系统等,是海洋水声测量必需的信号采集设备。水下的探测、识别、通信以及海洋环境监测和海洋资源的开发,都离不开水听器[2]。

在水声探测系统中进行数据采集时,水听器既与振动的或压力变化的介质接触,又与数据采集单元相连接。进行作业前,由于在生产组装或者检修过程中的人为疏忽,有可能造成水听器中1只或多只水听器极性相反的情况存在。水听器的极性直接与其输出信号的正反方向相关,如1个正向脉冲信号输入到极性相同的2个不同水听器之后,将会输出与原始信号幅度方向一致的信号;而极性相反的水听器会产生1个正向、1个负向的脉冲信号。因此,仅从水听器输出信号无法准确判断原始波形的正、负方向,从而造成极性相反的水听器影响采集信号的质量,降低水声探测的效果。随着水声探测技术的进步,压电陶瓷水听器使用数量越来越庞大,一个勘探项目使用数万串水听器,而寻找极性相反的水听器比较麻烦。如对海上水声探测而言,受水听器阵列电缆收放困难的制约,水听器极性的检测更加困难[3]。目前在水声信号检测领域中水听器极性检测的方法很少。

针对上述问题,本文提出了一种用于压电陶瓷水听器极性检测的方法。该方法通过计算机控制激励模块产生主动式测试信号源,并配合极性测试算法来分析水听器所采集到的波形信息,进而判断出水听器的极性。该方法简单可靠、操作方便,可广泛应用于水声信号检测领域中。

1 水听器极性检测原理

压电陶瓷水听器是用于测量水声压力的一种传感器件,以输出电压的形式模拟水的压力变换,其输出信号会跟随水声压力的变化而变化[4],压电陶瓷水听器工作频率范围为3～2 000 Hz。当水听器连接极性正确时,其会输出与待测信号相位一致的电信号,如图1a所示;反之,当水听器连接极性错误时,其会输出与待测信号相位相反的电信号,如图1b所示。当待测信号存在多极性时,即存在多个波峰,如果水听器极性相反,会体现在输出信号反向上,那么采集仪器没有办法分辨原始信号的第1个波峰位置到底在哪个时刻,这将会造成数据分析、图像重构时的延迟偏差。在声学探测应用中,信号波峰到达时刻直接与待测目标物体的距离远近相关。延迟的偏差将会直接影响水声探测采集数据的质量,导致重构图像的失真。

图1 水听器极性对输出信号的影响

因此,如果待测的声学信号是一个已知的激励源,利用该已知特性的信号(如固定频率的正弦波)激励2个压电陶瓷水听器,其一为极性连接正确的水听器,另一个为待测极性的水听器,那么通过对比分析这2个水听器输出信号之间的相位关系,即可实现对待测水听器极性的检测[5]。

2 极性检测装置的构建

2.1 系统组成

本文所提出的压电陶瓷水听器极性检测方法所用装置的系统结构如图2所示,分为检测装置和待测设备2个部分。待测水听器为水声采集仪的探头,也可以是由多个水听器探头构成一个探测阵列;检测装置则由激励模块和上位机软件构成。

图2 极性测试系统结构示意图

该检测装置的激励模块内部安装一个发射换能器,其可由受控的电信号推动产生声波信号[6]；并且在该激励模块中,安装一个极性连接正确的参考水听器,与其相连接的处理电路可以实时采集到该参考水听器检测的声学信号,并通过通信通道RS485将采集数据上传给上位机。系统工作时,将激励模块安置在待测水听器的正上方(如图2所示),并打开水声采集仪。此时,操作人员通过上位机软件向激励模块发送控制命令使其进入检测状态,当处理电路接收到该指令时,会启动处理电路的信号源单元DAC驱动发射换能器发射声波,并同时产生一个硬件的同步触发信号发送给水声采集仪,用于触发水声采集仪开始采集来自待测水听器检测到的声学信号,而同时处理电路内部的采集单元ADC也会采集来自参考水听器所检测到的声学信号。

由于待测水听器与参考水听器都放置在发射换能器附近,声波传播到2种水听器的距离近似相等,假设两者距离误差1 cm,按照声波在海水中传播速度1 500 m/s计算,2个水听器接收到的信号延迟误差约为6.7 μs,这远远低于通常水声探测信号数字化采样时间间隔(如1 ms),因此可以认为2种水听器同时采集到了声学激励信号。经过这种同步操作,可保证极性检测装置所采集到的声学信号能够与水声采集仪采集到的信号严格同步。激励模块是一个具有固定物理结构的测试盒,在对待测水听器进行极性检测时,将激励模块放置在待测水听器正上方,保证每个待测水听器与参考水听器接收到的信号差在可忽略的范围,从而便于进行极性的分析。

该检测装置的软件部分为极性测试软件,工作于上位机。极性测试软件可实现对激励单元硬件系统的控制及信号的采集,从而完成对待测水听器信号和激励模块参考水听器信号波形的对比分析和显示[7]。

为了保证待测水听器极性检测的准确性,提高信噪比,需要对激励模块所产生的信号做一定的处理。当激励模块接收到上位机软件发送的控制信号后,其内部的处理电路将控制发射换能器先产生一个频率为300 Hz、30个周期长度振幅较小的正弦波信号,紧接着再产生一个频率为300 Hz、10个周期长度振幅较大的正弦波信号。其中,小信号用于让发射换能器稳定起振,大信号用于检测待测水听器极性,激励模块输出的信号波形如图3所示。

图3 激励模块输出信号波形

极性测试软件对采集的待测水听器信号和激励模块参考水听器信号进行分析处理,在激励模块信号中先找到大信号的范围,并从中找出最大的10个正尖峰和最小的10个负尖峰,然后通过比较第1个峰值的正负性来判断待测水听器的连接是正接还是反接[8]。若正负性一致(即待测水听器极性连接方式与参考水听器的一致),则水听器极性为正;若正负性相反(即待测水听器极性连接方式与参考水听器的相反),则水听器极性为负。

2.2 硬件设计部分

由2.1节分析可知,激励模块是整个极性检测装置的核心,激励模块用于检测待测水听器极性是否正确,其作用主要有2个方面:① 给待测水听器和其内部参考水听器提供激励声学源;② 通过数据传输模块上传其内部参考水听器所采集的信号至上位机。

激励模块结构如图4所示,由水听器、发射换能器、单片机、传输模块、电源模块和锂电池组成。

图4 激励模块示意图

极性测试软件控制单片机内DAC模块产生固定频率的音频信号,并由功放进行信号放大后带动发射换能器发声,以此来完成振源的作用[9]。此时内部水听器检测发射换能器发出的信号,并通过ADC模块进行信号采集,再将该信号通过数据传输模块以RS485信号上传给上位机软件做进一步处理。

2.3 软件设计部分

极性测试软件主要完成对水听器和激励模块采集数据的分析和处理,并将测试结果使用红、蓝标识符进行标识,通过波形显示模块进行对比显示,检测人员可通过波形对比快速判断待测水听器的极性。上位机程序使用Qt5进行开发,采用多进程来实现特定的功能。

软件主程序流程如图5所示。

在数据处理中,首先判断待测通道的信号质量,若信号有干扰且信号质量有问题,则此时软件界面显示信号弱,并结束测试。在信号质量没有问题的前提下,将待测水听器和激励模块中参考水听器采集的信号去直流并归一到相应电压值下。因为根据设置阈值或其他方法直接判断第1个峰值的位置,可能会存在误判的情况,所以通过主程序先定位待测水听器和参考水听器接收的信号中10个周期长度的正弦波大信号范围,再从大信号范围内分别找出最大的10个正尖峰和最小的10个负尖峰。记录这20个尖峰中第1个尖峰的峰值,并判断水听器和激励模块第1个峰值的正负性是否一致。若正负性一致,则待测水听器正接;若正负性不一致,则待测水听器反接。

图5 软件主程序流程

3 测试及分析

为了测试和验证水听器极性检测方法的有效性,本文通过对水听器正接、反接以及移除激励模块(测试盒)3种测试方式,验证软件是否能正确判断出正接、反接、信号弱3类情况。

3种测试方式波形对比如图6所示。

图6 3种测试方式波形对比

首先按照测试系统结构完成实验平台的搭建;再正确连接待测水听器和水声采集仪,将激励模块放到待测水听器的上方;上电之后,使用极性测试软件检测水听器极性，并通过波形显示模块显示对比波形。

由图6可知，当待测水听器正接水声采集仪时,水听器和激励模块输出信号的第1个峰值正负性一致;当反接水声采集仪时,水听器和激励模块输出信号的第1个峰值正负性相反;当移除测试盒时,水听器输出的信号弱,此时无法判断水听器极性。

4 结 论

本文提出了一种用于压电陶瓷陶瓷水听器极性检测的方法，并对该方法的有效性进行了测试。测试结果表明,本文方法能够有效地检测实际连接在系统中的水听器极性,由于有了最直接的波形数据,操作人员可以很容易地对当前水听器极性做出快速判断。在测试过程中发现,当测试环境发生变化时,如水听器摆放位置变化、水听器下方是否放置垫子等,实验结果会受到一定的影响[10],因此在测试前,应确保实验环境的稳定。