某型高频成像声呐故障检测与处理

刘铭洲

（中国电子科技集团公司第三研究所，北京 100015）

0 引言

相对于普通的探测声呐，成像声呐能够以实时、直观的图像画面来呈现探测区域的目标信息，不仅可以判断水下目标的有无，还可以提供更高的分辨水平和更丰富的目标细节，在海底地形测绘、堤坝缺陷检测以及水下搜救打捞等国防和民生领域发挥着重要作用[1-4]。成像声呐在发挥作用的同时，由于操作使用不当或长时间工作所引起的故障会给使用者造成一定的困扰[5]，对此，本文分别从高频成像声呐的组成、工作原理、故障原因、检测方法以及维修处置等几方面进行详细说明。

1 高频成像声呐的工作原理及组成

高频成像声呐可以对水下场景、静止及运动目标进行实时成像，并且可以通过得到的声学图像多角度地观察和识别目标，提高潜水员对水下环境的感知能力。高频成像声呐采用主动声呐模式，声呐将编码发射信号通过发射换能器阵列辐射至水中，经过目标发射后，接收换能器阵列将回波信号转换为电信号，经过信号调理后通过A/D（模数）转换，对采集的数据进行实时处理，反导出水下目标图像，将图像结果通过显控屏进行显示。系统的工作原理如图1 所示。

图1 高频成像声呐工作原理图

该系统主要由高频成像声呐主机、水密电缆、目镜以及电池模块4 大部分组成。其中，声呐主机包括收发换能器、功放单元、数字采集模块、控制处理模块以及核心模块等部分，目镜为显示设备，显示处理后的图像。高频成像声呐系统的组成如图2所示。

图2 系统组成框图

2 高频成像声呐硬件及软件系统

2.1 硬件系统

高频成像声呐硬件系统采用现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）作为架构核心。FPGA 实现控制、数据处理、处理结果显示以及存储等功能，并根据需求进行相应的命令下发。硬件系统完成多个通道微弱信号的信号调理以及数据采集，数字端完成波束成型信号处理以及成像信号处理等算法的实现，将图像数据进行存储并通过目镜进行图像显示。硬件系统架构如图3所示。

图3 硬件系统架构

2.2 软件系统

在嵌入式端软件程序架构中，从传感器发射脉冲开始到完成一帧图像结束，为一个工作周期。处理端可通过指令更改参数，必要时进行调整下发。FPGA 的一包数据包括了指令和数据。嵌入式端的软件架构如图4 所示。

图4 嵌入式端软件架构

算法程序架构包括参数控制范围、计算量限制因素以及设备工作参数。算法完成单频或调频信号回波处理。算法程序框如图5 所示。

图5 算法程序框

3 故障检测与维修

针对不同的探测场景和水况条件，通过大量的成像测试实验以及长时间工作与监测，声呐设备出现诸多故障，主要包括声呐开机后出现红屏或绿屏现象，声呐主机无法开机，声呐开机后死机，声呐成像效果弱等故障。一般的故障处理可以通过检测结果定位到相应的板件模块。由于板件更换费用较高，为提高优质的保障力，本章对常见故障问题的检测处置进行说明，并针对常用板件介绍故障检测及维修方法。通过本章故障检测与维修方法的研究，可使维修人员快速掌握解决故障问题的能力。

3.1 开机后出现红屏或绿屏现象

故障现象：将主机、目镜及电池连接，放入水中后加电启动，主机成像图像显示正常。1 h 后目镜显示画面突然变为红色或绿色，有时会出现抖动现象，更换目镜工作1 h 后仍然出现故障。

此时外接显示器测试未发现异常，排除了因板件引起故障的因素。因此故障应定位在高清多媒体接口（High Definition Multimedia Interface，HDMI）线路上。

图6 为HDMI 数据传输接线表，红色、绿色、蓝色传输线分别对应屏幕产生故障的3 种颜色，找到对应故障颜色位置重新焊接，并按照一致顺序将线缆沿根部向上双绞。完成操作后加电测试，此时主机工作正常。确定该故障现象是因HDMI 数据线相互干扰所致，安装设备时应注意线缆位置，不能挤压HDMI 线缆。

图6 HDMI 数据传输接线结构图

3.2 主机无法开机

对于主机加电后黑屏无显示问题，有4 个部件可能导致该故障，即电池、目镜、控制处理模块及功放单元，应分别对这些部件进行检测。检测电池时，用万用表测量电压应≥24 V；检测目镜时，对目镜加电，目镜应正常显示图像；检测控制模块时，输入24 V 电压，模块可开机工作且画面显示正常；检测功放单元时，用万用表测量输入端电压应为24 V，输出端电压应为5 V，用示波器检测功放单元发射电压应≥500 V。若以上检测情况均为正常，说明该设备工作正常，可正常开机。如果出现故障，应按照由易到难的顺序进行检测。

3.3 开机后死机现象

故障现象：主机、目镜及电池连接后，放入水中加电启动，主机工作正常。30 min 后，主机出现死机现象。

有3 个部件可能导致该故障出现，分别是控制处理模块、核心模块及数字采集模块。检测控制模块时，输入24 V 电压，应可开机工作且画面显示正常；检测核心模块时，主要测量FPGA 程序是否运行正常；检测数字采集模块时，用万用表测量输出端应有5 V 电压，数字采集模块上的网络集成电路应运转正常。以上检测情况均为正常，说明该设备工作正常。

3.4 成像效果弱

主机开机后图像显示较暗，说明主机成像效果弱。有2 个部件可能导致该故障出现，应分别对核心模块和功放单元进行检测，检测方法按照3.2 及3.3 章节的方法进行检测。根据经验，故障经常出现在功放单元，由于功放单元发射功率低导致成像效果弱。

3.5 功放单元故障维修

功放单元主要提供核心模块、数字采集模块、模拟板供电功能以及提供发射功率放大等作用，常见的故障有加电后无电压输出、无发射功率或功率低等现象。功放单元的检测环境如图7 所示。

图7 功放单元检测环境

3.5.1 无电压输出

若功放单元无电压输出，首先用万用表检测输入端的24 V 电压是否正常，其次分别对功放单元 5 V，24 V，30 V 等测试点电压进行测量，如发现异常，分别对M1，M2，R11～R15，V6，V7 等元器件进行测量，更换损坏的元器件，功放单元即可正常工作。

3.5.2 无功率输出

若功放单元无功率输出，首先搭建好测试环境，用计算机测试软件设置增益、发射信号形式、发射信号频率、发射脉冲宽度等参数。设置完成后点击发射，用示波器测量功放单元发射端是否有 500 V 电压输出信号，如检测发现无输出或输出信号小等问题，需更换K73L 模块，更换后功放单元即可正常工作。

3.6 控制处理模块故障维修

控制处理模块主要完成图像处理、显示、数据存储以及数据回放等任务，常见的故障主要有无法连接网络、HDMI 接显示器无输出等。

3.6.1 设备无法连接网络

设备无法连接网络的问题一般由控制处理模块故障导致，首先应检查LAN1 模块和LAN2 模块是否正常。这两个器件一般会有烧坏现象，更换后网络即可正常连接。图8 为控制处理模块正面图，图中箭头所指为烧坏的LAN2 模块。

图8 控制处理模块正面

3.6.2 HDMI 接显示器无输出

设备HDMI 接显示器无输出故障一般由控制处理模块故障导致，此时需测量HDMI 信号DDI2_TX0_DP/DN，DDI2_TX1_DP/DN 以及CPU 等器件。更换损坏的器件后，控制处理模块即可正常工作。图9 为控制处理模块背面图，箭头所指为需要检查的器件。

图9 控制处理模块背面

3.7 数字采集模块故障维修

数字采集模块主要提供核心模块供电电压，实现核心模块与控制处理模块间的通信任务，在使用中可能出现无法供电的故障。处理故障时，首先检测5 V 输入端电压是否正常，如出现异常应将故障定位到功放单元，其次检测输出端3.3 V 和2.5 V 电压是否正常，如出现异常应检测更换，更换后数字采集模块可正常工作。数字采集模块如图10 所示。

图10 数字采集模块

4 结语

本文介绍了高频成像声呐的组成及原理，并详细介绍了高频成像声呐的故障检测与维修方法。通过研究故障检测与维修方法，可使维修人员快速掌握故障排除能力，有效提高了保障能力。