（水声工程专业论文）单波束测深仪设计与实现.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t a c o u s t i ce c h o s o u n d e ri su s e df o rd e p t hm e a s u r e m e n t so nt h es e a a n di ti s w i d e l ya p p l i e di nt h ef i e l do f t m d e r w a t e ra c o u s t i c s t h u si tp l a y sa k e yr o l ei ns h i p t r a n s p o r t a t i o n , t o p o g r a p h i cm a p p i n ga n dm a r i n ew o r k s t h i sp a p e rd i s c u s s e st h eh i g h - f r e q u e n c ys i n g l e b e a me c h o s o u n d e r , w h i c hi s a c h i e v e db yt h ec s 一6 0 am o n o s t a t i ct r a n s d u c e r ，a n di t sf e a s i b i l i t y i t sw o r k i n g p r i n c i p l e ，b l o c kd i a g r a ma n dp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r sa r ed e m o n s t r a t e di n d e t a i l e i t h e r t h e np a r a m e t e r so f e a c hs l a v e s y s t e ma r eo b t a i n e db ya n a l y z i n gt h ea c t i v e s o n a re q u a t i o n i tm a k e sd e s i g n so ft r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rc i r c u i th o l dw a t e r t h e o r e t i c l y t h em a i nt a s ko ft h i sp a p e ri sh a r d w a r ed e s i g no ft h ee c h o s o u n d e r t h e t r a n s m i t t e ri s c o m p r i s e db yd r i v e rc i r c u i t s ，bp o w e ra m p l i f i e ra n dm a t c h i n g c i r c u i t s i tt r a n s m i t ss i g n a l s t h er e c e i v es y s t e mi sc o n s i s t s o fa m p l i f i e r s ， b a n d p a s sf i l t e rc i r c u i t s ，g a i nc o n t r o lc i r c u i t s ，e n v e l o p ed e t e c t o ra n dt h ei s o l a t i o n c i r c u i t s as i n g l e c h i pd i g i t a lc i r c u i tc o m p o n e n ti sa l s oi n c l u d e di nt h er e c e i v e s y s t e m t h i sr e c e i v es y s t e mi m p l e m e n t ss i g n a lr e c e p t i o n , c o n d i t i o n i n g ，a n ds e r i a l c o m m u n i c a t i o nw i t ht h eh o s tc o m p u t e r i n t e r f a c ec i r c u i t sa n dc h a s s i sa r ed e s i g n f o ri n t e g r i t y t h ep a p e ra l s od e v e l o p sd i s p l a ya n dc o n s o l es o f t w a r ef o rt h e m a s t e r c o m p u t e r t h es o f t w a r ec o n t r o l ss i g n a lt r a n s m i t t i n g r e c e i v i n g ，d a t ap r o c e s s i n g a n dr e s u l t sd i s p l a y as o f t e r w a r ed e v e l o p e do nt h es i n g l ec h i pm i c y o c o ( s c m ) e i l a b l e st h er e c e i v e rc o m m u n i c a t ew i t ht h em a s t e rc o m p u t e r t h ea u t o m a t i cg a i n c o n t r o l ( a g c ) i sd e s i g n e do ni te i t h e r f u n c t i o n so ft h es y s t e ma r ev a l i d a t e db y e x p e r i m e n t s r e s u l t sp r o v e t h a tt h es y s t e mm e e t sa l li n d i c e s k e y w o r d s ：e c h o s o u n d e r ；t r a n s m i t t e r ；r e c e i v e r ；d i s p l a ya n dc o n s o l ei n t e r f a c e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：衣村火 日期：妒7 年乡月如日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等7 作者( 签字) ： 导师( 签字) ：引佩惕 日期：年月 日年月 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ii i i i ii i i 第1 章绪论 1 1 论文研究背景及意义 进入2 1 世纪，海洋事业高速发展，海洋科技作为高新技术产业发展的重 要领域，日益成为世界各国科技、经济与军事竞争的焦点。随着地球人口激 增，陆地资源告急，海洋的战略意义越来越明显，人类向海洋进军的步伐正 在加快。海洋不仅蕴藏着丰富的生物、矿产、油气等资源，而且拥有巨大的 海洋环境空间和自然能源，同时也是国际交往的桥梁和纽带。然而人类对海 洋的认识特别是海洋下面的环境、资源等却知之甚少，人类对于海洋的探测 技术和探测手段的发展远落后于其它科学领域的发展1 。测深仪作为海洋开 发、海洋探测重要的仪器之一，日益受到各国的重视并投入大量人力物力进 行开发研制。 近些年的发展使测深仪在测量深度及设计的技术水平上都有了很大的进 步，测量深度可达万米、体积小的便携式测深仪也相继出现。改革开放以来 我国的航海事业得到了突飞猛进的发展，航海电子仪器技术发展逐渐成熟。 在测深仪器上已经有了很大发展，并且取得了一定的成就，但是相对于一些 发达国家仍有不小的差距。针对国内测深仪发展现状，单波束测深仪的研制 有重要的现实意义和良好的应用前景。 我国近海大陆架、沿江及湖泊等浅水区域是主要的经济活动区，海洋开 发和海洋工程如港口建设以及海上采油等都集中在近海闭，而且大部分地区 是浅海( 我国的东海和北海都是水深不足2 0 0 米的浅海) 。随着国民经济的进 一步发展，水利工程、港口码头、桥梁等设施都在不断的建设中；海底地形 测量是海上交通运输、航道疏浚、海底电缆铺设和海底施工等工程所必须的 作业步骤。所以需要一种使用灵活的、低成本、高精度的港口、航道及近海 海底地形测量仪器，尤其是在数据点不多、测量范围比较小的海区或内陆江 河湖泊地区，单波束测深系统就有了用武之地。我国近海测量部门使用的大 都是排水量几百吨的小型船舶，其装备至今仍然主要是低成本、方便快捷的 回声测深仪。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 单波束测深仪的国内外研究状况 测深仪按深度指示形式可划分为数字显示式和模拟记录式两种，数字显 示式具有深度直读、声光报警等功能，体积小耗电省，但由于其水深值无记 录保存，一般只是作为助航或小范围测量用。模拟记录式由于回波记录直观、 可长期保存备查，专业测量单位使用广泛。仪器从早期电子管圆盘记录使用 湿式记录纸到使用干式电火花纸，发展到今天使用无污染热敏纸具有数字化 接口输出，将计算机技术和微处理器技术应用到仪器中，水底自动门跟踪技 术和脉宽选择技术的结合，自动增益控制和时间增益控制进一步完善，实现 了高质量的回波信号采集、传输及信号处理；仪器的小型化、智能化、数字 化趋于成熟。总的来说，测深仪主要经历了模拟、模拟与数字结合及全数字 化三个阶段。我国目前使用的主要还是前面两种。 模拟测深仪存在的主要问题p 1 ： 1 ) 模拟式接收机固有的回波波形失真、海底跟踪能力差，易丢失回波。 输出信号的起伏必然造成后端判读不准，测深精度不高； 2 ) 用电火花式记录纸记录，不能作数字记录，不能回放使数据精确再现， 也不便保存和使用； 3 ) 海底变化陡峭或丢失回波时，人工调整量程及相位、发射功率、接收 增益等旋钮开关复杂，不易快速搜索捕捉回波，操作和使用都极为不便。 模拟测深仪有着固有的不精确、不灵活、自动化程度差的缺陷。八十年 代后期，随着集成电路技术，特别是微处理器技术的迅速发展，带来了一场 全球性的数字化大革命。国外的厂商如美国的o d o m 、挪威的s i m r a d 、丹麦 的m a r i m a t e c h 等公司都不断推出了自己的数字化测深仪。 数字测深仪的最重要技术特点有h ： 1 ) 计算机从整体上统一控制信号的增益、底跟踪、深度判别、数据记录 和输出等环节，做到各部分的协调配合； 2 ) 可以精确的采样、保存和处理回波信号，从而得到精确的深度信息； 3 1 ) 可以采用复杂的底跟踪技术； 4 ) 可以方便地引入涌浪、潮汐、环境噪声以及g p s 数据，并根据声速 曲线对深度进行校正； 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 皇i ii i 一一 一 i 薯宣昌；置置宣置宣暑宣誓 5 ) 测量数据可以存入光盘或移动存储设备进行保存，以用于后置处理。 在民用上，目前国内在独立研究可实时大屏幕液晶显示河床形状的高精 度回声测深仪上还处于非常落后的水平。而挪威、美国等西方国家在这方面 的技术己经日趋成熟。市场上有一些中外合力研制的测深仪，但价格不菲。 实际上，在技术水平以及加工水平等方面，我国和发达国家还是存在着一定 的差距。我国的船用通信导航设备、自动化设备等目前己形成中低档产品以 本国企业为主，高中档产品以外资企业为主的局面。大中型工程项目还是要 依靠国外设备，中小型工程项目则选用国内的产品，但国产设备装船率还比 较低。在军事应用方面，测深仪在我海军中是一种广泛装备的设备，同时也 是必不可少的设备。我军现役的测深仪系统普遍存在技术落后、可靠性低、 集成度低、功能单一、抗干扰性能差以及自动化程度低等问题。这就要求有 更多适合各水域情况，性能优良的测深仪投放市场。 目前随着科学的发展，单波束测深技术已经十分成熟。各种设备运用很 广泛，国内外同类产品也很多。 ( 1 ) 国内常见产品p 1 国内对测深仪的研究很普遍，有很多厂家生产，型号也多种多样。已成 型号的，有无锡海鹰的h y l 6 0 0 系列测深仪、s d h 1 3 d 浅水测深仪，河南黄 河水文科技有限公司的o d e c b a t h y 1 5 0 0 双频回声测深仪、b a t h y 系列测深 仪、e s e 系列测深仪、i s e 1 0 助航回声测深仪，上海地海仪器有限公司的 h t l 0 0 便携式数字化测深仪、h y d r ot r a c 精密单频测深仪、e c h o t r a cc v m 便携式测深仪等等。国内科研院所，大专院校都对测深仪的研制投入人力物 力，掴内的7 2 6 所、哈尔滨工程大学也一直从事于测深仪研究。 衾1 1 国内工作在低频段回波测深仪产品简介 2 0 k h z2 4 k h z 3 0 k h z4 8 k h z 5 0 k h z 产地广州无锡上海上海上海 型号h d - 2 8h v l 5 2s d h 4 bs d h 一6 c s z a ( 2 ) 国外常见产品 国外测深仪的研制比较早，型号产品很多，性能也相当不错。例如加拿 大k n u d s e ns e d e se c h o s o u n d e r s 的s o u n d e r l 6 0 0 系列、c h i r p 3 2 0 0 系列、3 2 0 m 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i ii i 系列、3 2 0 b 系列单频测深仪，k o n g s b e r gm a r i t i m e 的e m 3 0 0 0 系列、e m 2 0 0 0 系列、e m 7 1 0 系列，s p e r r y 的m a r i n ee s 5 1 0 0 ，h y d r o 的b r o a d b a n dm u l t i - b e a m 回声测深仪等。 表1 2 国内外测深仪型号产品比较 发射功率工作频率量程测量精度 国别型号 ( w )( k h z ) ( m )( c m ) 中国d h 1 3 d5 02 0 81 2 35 中国h y l 6 0 01 0 02 0 83 0 01 中国h y l 7 0 01 0 02 0 81 0 0 l 中国 h d 2 7 t 3 5 02 0 06 0 0 1 加拿大 3 2 0 m j r1 0 0 03 5 2 1 01 0 0 01 美国 n a v i s o u n d1 2 0 01 5 6 0 06 4 0 2 1 3 论文主要研究内容 本论文主要研究内容是结合c s 6 0 a 型收发合置换能器设计量程为 1 5 0 m 、频率为2 1 8 k h z 的高频单波束测深系统，并对其进行制作及安装调试。 论文第一章介绍了课题研究背景及单波束测深仪的国内外研究状况。 第二章主要介绍了单波束测仪系统框图及理论基础。对影响测深因素进 行定性分析，并对测深仪系统主要参数进行分析推导计算。 第三章详细介绍了测深仪硬件部分的电路设计。主要阐述了发射机、接 收机硬件电路的设计过程及单片机程序的设计。 第四章介绍了测深仪显控软件的设计及相关信号处理方法。 论文最后介绍了所用换能器的测试及测深系统的水池试验，并对结果进 行分析。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章单波束测深仪的理论分析及系统方案论证 2 1 单波束测深仪工作原理及系统框图 2 1 1 测深仪工作原理 回声测深仪的工作原理是利用换能器在水中发出声波，当声波遇到障碍 物而反射回换能器时，根据声波往返的时间和所测水域中声波传播的速度， 就可以求得障碍物与换能器之间的距离。 换能器在水中发出声波，声波遇到目标物如海底会发生反射现象，当发 射波到达换能器时，根据接收回波与发射脉冲间的时间差就可以得到测量点 深度，设在船底安装换能器彳和b ，两换能器间隔为s ，m 为a b 中点，船 底到海底的垂直距离为h ，船舶吃水为d ，水深为日，见图2 1 。 由图可知，水深应为： 图2 1 回声测深原理图 h = d 4 - h ( 2 1 ) 船吃水d 已知，只要确定h 就可以求得水深日。水中的传播速度t 2 为常量， 近似取为1 5 0 0 m s ，声信号从换能器彳发射后沿路径a o 传播到海底，经0 点 反射后沿路径b o 回到接收换能器b 的往返时间为，由图可知： h = m o = ( 么d ) 2 一( 彳m ) 2 - - 4 ( c t 2 ) 2 - ( s 2 ) 2 ( 2 2 ) 若为收发合置换能器，s 值为0 ，公式( 2 - 2 ) 可以简化为： h = e l l 2 ( 2 3 ) 由公式可知，回声测深仪测得的是船底到海底深度矗，通过测量声波返 i 哈尔滨工程大学硕士学位论文 回时间就可以计算得到船的深度，由于深度在一定范围内声速c 随外界温度、 盐度等因素影响变化不大，理论计算时可以近似取为1 5 0 0 m s ，但如果声速c 受外界影响较大时需要计入补偿。 2 1 2 测深仪系统框图 单波束回波测深仪是根据c s 6 0 a 收发合置换能器指标设计的低成本浅 水测深仪，主要用于内陆地区湖泊、河道、水库及浅海水下地形测绘。针对 用户特点，本系统设计的指导思想是在满足基本需求的前提下，尽量简化系 统结构，系统设计的技术性能尽量扩展，组成一个完整的水下测深系统。 经过详细考虑，确定回声测深仪由三部分组成：收发系统、上位机和接 口电路组成。系统基本组成框图及主仪器框图如图2 2 、2 3 所示。 图2 ，2 回声测深系统框图 r 一1 图2 3 测深仪主仪器框图 信号先是由上位机显控界面控制，设定信号参数( 频率、脉宽、幅度、 6 外回 显 接 部 波 控 隧 l a 口 j 接处 处 r 叫 电 、广1 口理理 路 收发系统上位机 哈尔滨工程大学硕士学位论文 重复周期等) ，由2 0 1 0d a 发送信号给发射机，发送到收发合置换能器；回 波信号又通过换能器进入接收机进行信号调理，输出信号经过2 0 1 0a d 进行 信号采集并存储到上位机硬盘里，上位机通过显控界面进行处理显示。其中， 发射机、接收机信号的发射与接收通过接口电路与上位机连接。 系统显控软件设计最终实现在p x i 硬件平台及l a b w m d o w s 软件平台上， 是能够实现信号发射、接收、处理、显示、g p s 定位接收等的测量系统。当 接收数据采集低于门限时，系统软件能够根据测量的结果调整发射信号的功 率；当接收数据处理的效果比较差时，混响干扰比较严重，系统能够控制发 射信号的脉宽。处理流程如图2 4 所示。 图2 4 系统工作流程 。 系统可以调整发射信号的形式、脉宽、重复周期等参数，接收机接收到 回波信号后，经过前放、自动增益控制、滤波放大后传输给信号处理平台， 完成对回波信号的匹配相关处理及绘出深度曲线。 2 2 测深仪系统参数的确定 2 2 1 主动声纳方程 声纳方程可以确定声纳性能，把整个声纳系统的参数( 包括：声纳自身 及其平台的参数，目标与环境参数等) 联系起来，还可以用于预测已有设计 的性能以及根据给定的性能去设计声纳。 根据是否主动发射信号，声纳方程可以分为主动声纳方程和被动声纳方 程。对于主动声纳，其工作流程如图2 5 所示。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 宣毒昌im l 墨 iti l l i 薯；i 昌看暑；暑宣；宣i 置宣i i i 置i 宣i 宣昌；葺置暑i ；宣暑葺暑；i 置高暑暑i 宣宣譬暑宣 d t 图2 5 主动声纳工作流程图 当噪声起主导干扰作用时，主动声纳方程可以表示为： s z - 2 + 儿+ z s 一( n l 一1 9 1 ) = d t ( 2 4 ) 混响起主导干扰作用时，就应该用等效平面波混响级r l 替代各向同性背景干 扰( n l d i ) ，此时主动声纳方程可以表示为： s l 一2 枣t l + t s r 三= d t ( 2 - 5 ) 应用主动声纳方程时，首先要判断声纳背景干扰的类型，可以通过比较 回声级、混响掩蔽级、噪声掩蔽级随距离的变化曲线来进行比较嘲。如图2 6 所示。 一恭三_ ： i ：i 一 图2 6 回声级、混响掩蔽级、噪声掩蔽级随距离变化曲线 对于噪声掩蔽级i 来说，r r b 时，声纳设备就不能正 常工作，此时声纳作用距离受混响限制i ；当噪声掩蔽级由i 变为i i 时，噪声 限制距离将由兄变为砭，则r 力的活塞式换能器指向性指数公 式： d t = 优：1 “华丫( 2 - 9 ) 以 可以计算出发射指向性指数m 。 ( 2 ) 传播损失 由于海水是不均匀的非理想介质，并且由于介质本身的吸收、声传播过 程中波阵面的扩展及海水中各种不均匀散射等原因，声波在传播过程中，声 波传播方向上的声强度将会逐渐减弱的现象称其为传播损失t l 。 根据尤立克水声原理中t h r o p 饥公式： 似等+ 焉鲁_ i _ 2 7 5 1 0 - 4 * f 2 + 一( 2 - 1 0 ) 7 5 1 uu uu34 1 0 0f 口d = + _ = i - 。+ 1 + +2 可以计算出工作频率处的衰减系数，其中口d 是以分贝千码为单位的衰减系 数，厂以千赫为单位的频率，这一表达式适用于温度4 c 和约3 0 0 0 英尺的海 水深度。深度每增加1 0 0 0 英尺，海水中的声吸收减少约2 ，经过换算，能 够得到浅海的海水吸收系数。从而可以得到声纳方程中的传播损失为： 。 2 * t l = 4 0 * l g r + 2 * a ：掌r + 1 2 0 ( 2 1 1 ) ( 3 ) 噪声 对于主动声纳来说，来自声源以外的混响使噪声加大，而信号则主要是 来自目标的回波。对于噪声干扰，要考虑的主要有三种噪声源嘲：热噪声、 海洋环境噪声、舰船噪声。在3 0 k h z 频率以上的频段工作时，海洋热噪声才 能成为声纳主要背景干扰，而在高于1 0 0 k h z 的实用频段上，热噪声强度与2 级海况( s s 2 ) 下的海洋环境噪声相当。热噪声可由下式计算： n l = 一1 5 + 2 0 木l g f - d i - l o l g e ( 2 1 2 ) 这里舭为参考声压l l 上p a 时对应的声强，以( 1 b 为单位，e 为水听器效率，频 率以k h z 为单位。 在实际工作环境中，海洋环境噪声及舰船噪声都会对回波信号有不同程 度的影响，本系统暂时不对其做以分析。此外，实际系统中存在电串漏噪声、 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 接收机自噪声等其他噪声影响。 ( 4 ) 反射损失 测深仪发射的声波波束很窄，掠射角很大，近似为垂直入射，这种情况 下，声反射很强。反射系数r 定义为两种介质分界面上的反射平面波与入射 平面波的幅度之比，是表示海底对声传播影响的一个重要度量，它与海底沉 积物的波速、密度和衰减系数有关，取分贝单位： b l = 一l 0 枣l gi rr ( 2 1 3 ) 平面波垂直入射到两种介质平面分界面上( 假设第二介质是无吸收的) ：在边 界处，声压与垂直振速具有连续性，则： r ：旦出：z 2 一z i ( 2 1 钔 p # 。七p 、c 。z 2 + z i 、| 通过上式可以看到，反射系数与海底介质的特性关系密切。孔隙度与物 质密度和波速的关系比较简单，即孔隙度越低，密度越大，波速也越高。海 底压缩波速是在所有掠射角下都对海底损失有影响的重要参数，压缩波速越 低，引起的损失就越大，尤其是在小掠射角情况下。密度参数在接近垂直入 射时很重要，但对于临界角以下的掠射角，它对海底损失的影响可以忽略。 表2 1 不同底质海底的散射强度和反射损失 海底底质泥土沙土砂砾岩石 散射强度( d b ) 2 271 05 反射强度( d b ) 1 4974 2 2 4 系统参数分析及确定 ( 1 ) 佰号彤式 经论证，系统以发c w 脉冲射信号为主，线性调频信号为辅，下面简单 介绍一下。 c w 信号的时间函数： s ( d = 彳p ：哪f 【0 ，r 】 ( 2 1 5 ) c w 信号的频谱函数： s q ) = a r 些糟 ( 2 - 1 6 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 l f m 信号时间函数：= a e x p j ( 2 0 f i 栅舻舭叫曩班。( 2 - 1 7 ) 厣 l f m 信号的时间函数：i s ( f ) l 么寺其中( i 厂一f o - ( q + 马：旱+ 盈 ( 2 - 2 2 ) 以 j o c o 其中j 厶为工作频率，q 为换能器的品质因数，z 。是换能器在传播方向的长 度，为水中自由场声速。 2 ) 脉冲宽度还受到水域尺寸的制约，为了避免来自边界反射声的影响， 避免直达声与反射声重叠，脉冲宽度在水中的行程要小于直达声与最近反射 物的反射声之间的声程差。即： f s r r ( 2 - 2 3 ) 其中，f 为脉冲宽度，c 。为水中自由场声速，r 为最近反射物到接收换能器 的声程，为直达波的声程。 经过计算得出发射脉宽的范围：o 1 6 m s r 1 0 m s 。 ( 5 ) 接收机增益 设接收机放大倍数为k ，输出电压幅度，接收机增益川定义为 g = 2 0 l g k ，则： g = 2 0 1 9 一皿一& ( 2 2 4 ) 其中s e 为换能器灵敏度，e l 为回声级。 耻2 g ( 警 p 2 5 ， e l = 1 0 l o g 锄 其中i 。为发射声强，k r 为参考声强，e 0 为接收点回波声压，为参考声 压，最。，= 1 , u p a 。 系统设计工作深度为15 0 m ，计算得接收机增益为g = 8 0 d b 。对测深仪其 它性能应有如下要求： 1 ) 处理速度要求。测深时，两测量点之间时间间隔很小，发射、接收和 处理要求在l 2 s 内实现。 2 ) 测量精度要求。测深仪必须能够适应不同深度情况，测量范围在l m 1 5 0 m ，误差应小于o 5 m ，尽量提高测量精度。 3 ) 测量频率要求。换能器的中心频率在2 18 k h z ，因此测量系统工作频 率也在2 1 8 k h z ，属于高频范围，d a 和a d 转换的采样率要求较高。 2 3 本章小结 本章主要介绍了单波束测深仪的测深原理、系统框图以及理论基础。从 声纳方程入手，描述了测深仪系统的声学特性，对影响因素进行定性分析， 并对测深仪系统主要参数进行推导计算，论证了系统的可行性并给出测深仪 技术指标。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章单波束测深仪系统硬件电路设计 测深仪的各项性能指标都是基于各个模块的，离不开硬件平台的支持。 水声收发机的主要任务是接收并处理水声信号，其硬件电路设计性能的好坏 对整个系统有重大的影响。下面给出单波束测深仪的硬件电路框图。 广臣却 发射机 厂： 。i 一。1 。厂二= = 一l 。i j 。l 接 1 ”1 厂，1 r 1 = ：= ：二r 1 7 l = ：= = 三：厂7 l ”i 南一甏馨 l - - - - - - _ j i 口 1 包络检波| 一、 l 一 卜_ 枷( s 0 1 0 ) _ 一 电 _ 一三缓放大i - - i 带通滤波 1 = 缓放大i - i 自动增益卜| 1 一缓放大一 路 删口2h 。i t 。r li i i r qf 上位机 高接收机 图3 1 测深仪硬件电路框图 3 1 水声接收机设计 水声接收机的主要任务是接收和处理来自换能器的信号，并将结果送至 终端，以便显示和处理。接收机的性能将直接影响到实验数据的接收与处理， 是测深系统的关键。 3 1 1 接收机设计要求及结构框图 3 1 1 1 接收机技术指标 接收机主要性能指标： ( 1 ) 接收机灵敏度：2 0 t v ( 2 ) 整机放大量的： ，8 0 d b ( 3 ) 本机噪声：1 0 b t v ( 4 ) 滤波器频带宽度：1 5 k h z ( 5 ) 增益控制范围：8 0 d b ( 6 ) 供电方式：1 2 v 1 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 7 ) 动态范围：8 0 d b 除上述指标外，可靠性、可维修性以及稳定性也是发射机的重要指标。 3 1 1 2 接收机电路组成及结构框图 接收机通过收发转换电路与换能器连接，接收到的信号经过前置运算放 大器放大后，通过自动增益控制对信号进行衰减，然后通过二级放大、带通 滤波器、三级放大及包络检波，最后由上位机控制对包络信号及原频信号通 过采集卡进行采样。上位机对采集到的信号进行运算、判断得到增益码，通 过单片机控制给到数控衰减芯片以达到压缩信号动态范围的目的。 因此，接收机由模拟调理电路、数字控制电路及上位机采集控制电路组 成。电路组成及结构构框图如图3 2 所示。 图3 2 接收机电路组成及结构框图 3 1 2 接收机硬件电路设计 3 1 2 1 主要芯片器件的选择 水声接收机的主要任务接收并处理微弱的水声信号，并将结果送至显示 终端以供观察分析。接收机由各个单元模块组成，因此芯片的选择将对接收 机性能产生重要影响。其中，芯片的工作范围、供电、功耗、稳定性是必须 考虑的主要指标。下面列表给出接收机各单元模块的芯片选用。 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表3 1 接收机各单元模块芯片的选用 汰 芯片型号供电电压 功耗 工作范围 功能模块 ( m a x ) 运算放大电路o p 3 7 g5 v 2 2 v1 4 0 m w 5 倍 带通滤波电路 m a x 2 7 55 v8 0 0 m w3 0 0 k h z 增益控制电路 a d 7 1 1 1+ 5 v1 0 0 0 m w8 8 5 d b 射随电路 l m 3 l o5 v 1 8 v5 0 0 m w0 。c 。7 0 。c 单片机数字电路 m s p 4 3 0 f 1 4 9+ 1 8 v + 3 6 vlm w 串口电路 队x 3 2 3 2+ 3 、， 斗5 v5 7 1m w2 5 v + 2 5 v 3 1 2 2 接收机模拟调理电路的设计与分析 ( 1 ) 运算放大电路 运算放大器是模拟电路设计中的基本功能单元，它可用来实现对信号的 加减、比例、乘除、微分和积分等运算，也能用于对电信号的处理，如信号 幅度的比较和选择，信号滤波等。随着电子技术的发展，运算放大器都已制 成集成电路，具有体积小、性能稳定，应用灵活等优点，在模拟计算机，自 动控系统及各种测量装置中有着广泛的应用。 在水声收发机中，由于信号收发时较小，需要经过放大后才能进行处理， 所以放大电路起着至关重要的作用。电路设计中如果合理设计和使用反馈， 可以达到减少非线性失真、抑制干扰、扩展通频带、增加输入阻抗和减少输 出阻抗0 1 1 的作用。经过分析比较，精密运算放大器o p 3 7 具有超低的噪声和高 的转换速度，是一款适用于小信号精密运放的集成运算放大器。 本系统采用o p 3 7 g t l 2 1 构成负反馈放大电路，采用三级放大，同相、反向 交替输入，总增益为8 0 d b ，o p 3 7 管脚及连接图如图3 3 所示。 v o s l r i m n + l n v 一 图3 3o p 3 7 管脚及电路连接图 1 7 聃m m 惦 离一 哈尔溟工程大学硕士学位论文 宣嗣宣i i 薯宣暑葺宣昌葺鼍置薯宣宣备i 薯宣i i 宣i 宣暑；i i 暑i 宣i i r a li 置宣i 宣暑暑i i 暑毫 在设计放大电路时，有几个问题需要注意： 1 ) 电阻的选择。应尽量选择金属膜而非碳膜电阻，因为金属膜电阻温度 特性较碳膜电阻好，热噪声也小，对频率不敏感。 2 ) 滤出电源噪声。在电源处添加o 1 | lf 和l o uf 的滤波电容，分别滤 出低频干扰和高频干扰，同时对地去藕电阻可以防止后级信号耦合进电源。 3 ) 采用负反馈电路。在电路中设计时引入负反馈，可以达到减少非线性 失真、抑制干扰、扩展通频带、增加输入阻抗和减少输出阻抗的作用。 4 ) 同相反相信号交替输入。为防止自激，各放大级间信号同相反相交替 出现。反相输入时输出信号与输入信号反相，输入阻抗较低，共模抑制比 ( c m r r ) 较好。 ( 2 ) 带通滤波电路 由于信号从发射到接收，经过水声信道，必然会引入噪声干扰，信号幅 度减小，信噪比降低。为提高信号信噪比，增加信号检测能力，本系统采用 有源滤波器对载频为2 1 8 k h z 的c w 脉冲信号进行带通滤波。带通滤波器设 计调节的好坏将直接影响到信号的接收与检测，是接收机的核心部分。 常见的现代滤波器类型有：巴特沃兹( b u t t e r w o r t h ) 滤波器、切比雪夫 ( c h e b y s h e b ) 滤波器、考尔( c a u e r ) ( 即椭圆函数) 滤波器等。下面给出几 种滤波器特性的简单比较。 表3 2 滤波器性能比较 通带阻带 过渡带 时延性 最大平坦段、相频衰减很慢， 巴特沃兹光滑且单调递减 特性接近直线 6 nd b 倍频程 切比雪夫等纹波震荡光滑且单调递减较差 考尔滤波器 等纹波震荡 等纹波震荡较差 下面根据实际型号对有源滤波器进行说明。 m a x 2 7 5 u 3 1 是美国m a x i m 公司生产的通用型有源滤波器。每片m a x 2 7 5 内含两个独立的二阶有源滤波电路，每个二阶节的中心频率截至频率、品质 因数、放大倍数都由四个外部电阻确定，不需要外接电容，因而高频时受分 布电容影响小，稳定性较好，而且结构简单，参数调整方便，因此与开关电 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 容滤波器相比，其噪声更低，动态特性更好。通过改变电阻值，m a x 2 7 5 可 以实现巴特沃兹、切比雪夫及贝塞尔型的低通、带通滤波器，也可通过级联 方式形成更高阶的有源滤波器，广泛应用于各种精密测试设备、通信设备、 医疗仪器和数据采集系统。 为方便开发，m a x i m 公司还为舭7 4 尉嗽2 7 5 配备了相应开发设计 软件，使用非常方便。设计时只需输入相应参数，如滤波器类型、阶数、带 内、带外衰减分贝等，就可以得到相对应的每个二阶节所需的四个外围电阻、 q 值和需要阶数等。 弱 柚 喜弘 善那 o 嫡触i 噱a 秉瑚f 瓤嘲l e l i c t q m i l l 州 l 一【n 氍 曲蛐 巢 氏q h 脚 ：l 、i1 l 1 w 11 01 0 0 瑚 f 秘柚 图3 4m a x 2 7 5 芯片原理图 图3 5q 值随r 的变化曲线 设计滤波器时应注意的问题： 1 ) q 值的选取 由于运放本身有限的驱动能力和增益带宽，f o q 值的范围会受到限制。 其值必须在可实现的区域，如图3 5 所示r 和q 的选取必须在可利用的范围 之内n 4 1 ，即f 0 与q 的交叉点必须在曲线的左侧。q 值及f o 的选取如图3 5 所 示。q 值过高，带宽过窄，会导致较长的滤波延时，设计时必须考虑。 2 ) 元器件的选取 电阻i 也和r 4 决定中心频率的大小，应选取精确度至少为1 的精密电 阻，调试时需按计算值做适当的调整，以保证中心频率的精确。另外因为运 算放大器有限的驱动能力，电阻的选取应不低于5 k e 2 ，同时为避免造成过大 的f o q 误差，也不能大于4 m q 。 带通滤波器的设计原则是通带内的信号要以同比例通过，而信号频带外 要尽可能的抑制掉。因此，要求通带内滤波器频响曲线要尽量平坦，过渡带 尽量窄。e hl - n 分析可知，巴特沃兹滤波器带内最平坦，在其截止频率内纹 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 皇皇暑宣i 昌暑i ；i 暑宣置i i 葺置宣葺暑i 暑暑i i i i 宣高i 暑i i 罩暑宣i i 暑寓ij iii i 宣 波起伏最小；但其缺点是品质因数很难做高，滤波器增益做得不能太大。当 需要较小过渡带时，衰减很快又允许通带内有一定纹波起伏的情况下，可以 考虑用切比雪夫滤波器u 5 1 。 根据系统工作在中心频率2 1 8 k h z ，带宽1 0 k h z 等要求，综合考虑后本 系统采用4 片m a x 2 7 5 级联构成1 6 阶巴特沃兹有源带通滤波器，设计带宽 为1 5 k h z ，带内纹波抑n d , 于l d b ，过渡带2 0 k h z ，带外抑制能力大于4 0 d b ， 滤波器每个二阶节的q 值及其对应的中心频率、外围电阻如表3 3 所示。 表3 3 滤波器各个二阶节参数的确定 _ q 0qqqqq姨q 5 1 4 21 8 5 0 1 2 0 51 0 2 11 0 2 l1 2 0 51 8 5 05 1 4 2 f o ( k h z ) 2 2 8 9 2 0 7 2 92 0 9 1 42 1 2 0 4 2 1 5 8 92 2 0 1 42 2 4 1 32 2 7 2 4 3 墨( x n ) 1 9 3 l 1 9 1 7 1 8 9 01 8 5 7 1 8 2 1 1 7 8 81 7 6 41 7 5 l 恐( k q ) 9 6 3 9 5 69 4 3 9 2 69 0 9 8 9 28 8 08 7 4 r 3 ( k q ) 9 9 0 93 4 5 32 2 7 41 8 9 31 8 5 72 1 5 23 1 7 88 9 8 5 墨( k q ) 4 6 34 5 64 4 34 2 64 0 93 9 23 8 03 7 4 其中，电阻r l 、r 3 用来调整滤波器增益，电阻r 2 、r 4 调节每个二阶 节中心频率。 实际设计时，电阻r 1 、r 2 、r 3 、r 4 每个电阻均由两个电阻串联构成： 一个固定电阻，一个滑动变阻器( 大小约为固定电阻的1 0 ) 。这样设计更 加方便调试，不需要频繁更换固定电阻，调节好后封住滑动变阻器即可。调 节过程中，为了防止自激先调节q 值小的、频率较低的二阶节珐，然后是幺， 顺序依次为q 3 ，q ，q 2 ，q ，q 1 ，q 6 ，q o ，q 7 。调节时，每个二阶节单 独调节，断开其它二阶节，调节r 2 r 4 至本节中心频率后调节r 1 r 3 ，保证 信号不自激，最好是输入输出等幅度，调节好每个二阶节后便可以级联。本 人调节时发送线性调频信号，起始频率1 9 8 k h z ，截至频率2 3 8 k h z ，扫频周 兰銮鎏三蛋銮：氅圭：垩兰銮 期l s ，信号幅度f k - - 2 0 0 m v 。线性调频信号经过带通滤波器后信号如图3 6 所示。 储存 嘲 ，一+ 罾蠡 图3 6 线性调频信号经过滤波器后的输出信号 ( 3 ) 增益控制电路 在水声接收系统中，接收机接收到信号的大小变化范围很大，从微伏到 毫伏量级，相差几十分贝。因此，希望接收机对于强接收信号有较小的增益， 对于微弱的接收信号有很高的增益，即保障输入端最强与最弱信号在接收机 输出端能达到或接近等幅的信号输出以利于后面检波门限的选取及a d 的采 集，所以本系统采用了时闻增益控制( t o c ) 。 美国a d 公司的a d 7 1 1 1 旧是以集成电路为核心的器件，可以方便的实现 信号强度多级程控功能。自动增益控制范围达到8 8 5 d b ，而且可靠性比较好， 功耗也低。该集成芯片最直接的应用是衰减器，要用于自动增益控制，电路 的最大增益应由专门的放大电路实现，通过反馈控制芯片的衰减实现自动增 益控制。 a d 7 1 1 1 集成芯片是一种c m 0 8 乘法型的对数d a 转换器”，单5 v 供 电。耗电电流不超过l m a 。采用快速数字接口，透明锁存，提高了转换速度 和工作的可靠性。芯片内部设有八位数据寄存器，通过片选端c s 和写入端 w r 把引脚上的数据写入来控制信号衰减量的大小，数据每增加1 ，信号衰 减0 3 7 5 d b ，衰减范围从0 到8 8 5 d b 。 a d t l l l 是对数转换器，由译码逻辑电路、控制逻辑电路以及c m o sd a 转换器构成，其功能如图3 7 所示。在控制信号c 8 ( 逻辑“0 ”有效) 、w r ( 边沿触发信号有效) 的作用下，8 b i t 数字信号d t n d 0 经过译码变成为1 7 位码，送达d a c 网络，实现对模拟输入信号v m 的衰减。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 v 曲v 埘 髓 图3 7a d t l l l 内部结构图及典