（水声工程专业论文）声浮标电路研制.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eb u o ys u b s y s t e mi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t so ft h e u n d e r w a t e rt a r g e tm e a s u r e m e ms y s t e m i ts h o l l l d e 馏t h ee x t r e m e l yi m p o r t a n t f u n c t i o ni nt h eu n d e r w a t e rt a r g e te x p e r i m e n t a st h ed r ye n do ft h es y s t e m s i m u l a t i o np a r t , t h eb u o ys i g n a lp r e t r e a t m e n tc i r c u i tc o n n e c t st h es y s t e mw e te n d a n dt h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，p l a y st h ei m p o r t a n tb r i d g er o l e t h i sa r t i c l ef r o m p r o j e c ta p p l i c a t i o na n g l e ，e l a b o r a t e df r o n te n do ft h eb u o ys u b s y s t e ms i m u l a t i o n p a r t , a n dt h es i g n a lp r e t r e a t m e n tc i r c u i t sd e s i g nc o n c e p ta n dc o n c r e t er e a l i z a t i o n t h eb u o ys u b s y s t e ms i g n a lp r e t r e a t m e n tc i r c u i tm a i n l yi sc o m p o s e do f t h r e e m o d u l e s ，i n c l u d i n gt h es i g n a la d j u s t m e n tc i r c u i t ，t h ep o w e rc i r c u i ta sw e l la st h e i n t e r f a c ec i r c u i t t h e r e i n t o ，t h es i g n a la d j u s t m e n tc i r c u i t , t h em a i nb o d yo ft h e s i g n a lp r e t r e a t m e n tc i r c u i t , p e r f o r m sr e c e i v i n g t r a n s d u c e r s o u t p u ts i g n a l e 幽g e m e n t ，f i l t e ra n di s o l a t i o n t h ep o w e rc i r c u i tb a s e sb a t t e r yp o w e rs u p p l y c h a r a c t e r i s t i c a sw e l l 嬲e a c hp a r to fc i r c u i tc h a r a c t e r i s t i c p r o d u c e s t h e m u l t i c h a n n e lp o w e rs o u r c e s , t h ei n t e r f a c ec i r c u i tc o m p l e t e se a c hp a r ts i g n a l i n t r o d u c t i o na n dt r a n s f o r m a t i o n t h ev e c t o rh y d r o p h o n em a ym e 踟e st h es o u n dp r e s s u r ea n dt h ep a r t i c l e v e l o c i t yo fa c o u s t i cf i e l d 。t h et a r g e ta z i m u t he s t i m a t i o nb a s e do nt h ev e c t o r h y d r o p h o n e ss o u n dp r c s s u r ea n dp a r t i c l ev e l o c i t y i ti st h er e q u e s to ft a r g e t a z i m u t he s t i m a t i o nt h a tt h es i g n a la d j u s t m e n tc i r c u i ti m p r o v e si t si n t e r c h a n n e l p h a s ec o h e r e n c e a n a l y z e sa n dd e s i g n sv a r i o u sm e a 舡l r em e a n so fc i r c u i t i n t e r c h a n n e lp h a s ec o h e r e n c ec a ne n s u r et h et a r g e ta z i m u t he s t i m a t i o n t h ew h o l es y s t e mh a sp a s s c dt h r o u g ht h el a b o m t o r i a le x p e r i m e n t t h e r e s u l t so ft h el a b o r a t o r i a le x p e r i m e n th a v ep r i m a r i l ys h o w nt h a tt h ed e s i g no ft h e s i g n a lp r e t r e a t m e n tc i r c u i to f t h eb u o ys u b s y s t e mi sr e a s o n a b l e , r e l i a b l ea sw e l l c o r r e c t n e v e r t h e l e s s ，i ti st h el a k ee x p e r i m e n ta n ds e ae x p e r i m e n tt h a tw i l lf i n a l l y d e c i d ew h e t h e rt h ed e s i g no ft h es i g n a lp r e t r e a t m e n ta sw e l l 嚣t h a to ft h eb u o y s u b s y s t e mi ss u c c e s s f u lo rn o t k e yw o r d s ：b u o ys u b s y s t e m ；c o n d i t i o n a lc i r c u i t ；m e a s u r ep h a s em e a n s 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 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，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) ：整盎堡 日期： 胪7 年3 月侈日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 本章阐明了论文的立题背景和意义，描述了水下目标测量系统及其信号 处理和预处理电路的主要功能和工作原理，概述了水声信号预处理技术的发 展趋势，最后介绍了论文的主要研究内容。 1 1 研究背景 水下目标测量主要依赖于水声测量设备来实现。而浮标测量系统是一种 先进的技术手段。它拓展了观测范围和领域，改进了传统的研究方法。 浮标测量系统摆脱了舰船自噪声的影响，可以获得高信噪比的优质实验 数据，特别是用于海洋环境噪声和船舶噪声的测量、分析和研究，其优越性 尤其显著；由于系统相对较低的成本和布放灵活的特点，可以在一次实验中 多点布放数个浮标接收系统进行同步实验测量，完成声传播、声学层析等研 究工作。 浮标系统本身均可以直接或经改进后推广应用到海洋环境参数的监测、 海洋资源探测、水中目标定位和识别以及建立海洋g p s 系统、海上预警系统 等多种民用、军用领域，在国民经济和国防建设中都有广泛的应用前景和极 大的潜力。 近年来，随着海洋技术开发的应用，业务范围广泛，尤其在浮标技术应 用、海洋工程勘察与论证、海洋环境影响评价、海洋规划与开发、汇演环境 监测、海洋测绘、海洋学基础研究、海洋灾害评估等方面具有相当强的技术 优势。 水下目标一般具有特定的任务，因此对水下目标的设计有很高的要求， 还要有完善的检验手段对水下目标进行鉴定，为此需要建立测量系统，通过 对水下目标运行轨迹进行测量，达到检验目标性能的目的。 1 2 水下目标测量系统简介 1 2 1 系统总体构成 本系统采用被动工作方式，被动式测量系统是使用最方便的一种方式。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 它无须目标合作，被测目标上无须为测试另行加装设备。 本系统主要由浮标信号处理系统、船载电子系统两部分组成。 浮标信号处理系统采用5 元矢量传感器阵。4 个浮标大致布在等半径的 圆上，中心布有一个浮标。中心浮标设有一个二维矢量传感器和一个水听器， 外围4 个浮标各有一个二维矢量传感器。 当目标正在运行过程中，每个浮标实时接收目标航行噪声，并进行初步 解算，然后浮标传送目标方位数据、方位仪数据、压力传感器数据、直达声 与反射声时延差数据以及其他有关的参数，依据这些数据船载信号处理机即 可实时解算运行轨迹并显示在c r t 上。浮标不传送接收的4 路原始信号波形， 而把原始数据存入r a m 中。 船载电子系统由船载无线电通信平台和显控计算机两部分组成。船载无 线电通信平台是整个无线电通信链的指控中心，担负着全系统的指挥调度及 信息传送功能。显控分系统负责显示测量参数并监控全系统的工作状态 当目标运行结束后，无线电通信链依次逐个呼叫浮标，此时传送r a m 中的原始信号波形。然后进行优化的信号处理，得到更精确的目标运行轨迹。 1 2 2 主要功能 测量目标原位大地坐标及目标船航迹，用于目标声引信鉴定或科研 试验。 测量目标运行三维轨迹。 与海指中心接口，在c r t 上现场快速显示三维运行轨迹。 存储原始数据并能回放。 测量击水点大地坐标。 1 2 3 主要技术指标 值班时间： 2 4 小时。 连续工作时间：芝8 小时。 采用锂电池( 充电次数 5 0 0 次) 。 与海指中心接口。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 全系统具有自检功能。 测量船具有d g p s 航迹测量功能。 工作环境温度：o 4 5 。 布放及回收操作方便可靠。 可靠性：m t b f _ _ 5 0 0 h ，m t t r _ r l ，那么r 2 于r 1 得分压值近似为电源电压值v c c 。由于电源电压v c c 大 于参考电压v r e f ，电压比较器u 1 输出高电平。如果浮标出现漏水时，传感 器的等效电阻值可低至几百欧姆左右。这时r 2 ， ( 5 - 3 ) ( 5 。1 ) 式是时域的平均声强流算法，( 5 - 2 ) 式是频域算法，( 5 3 ) 式中的 符号 ，表示在频域取加权平均。在理想条件下频域算法和时域算法是等价 的，但频域算法容易补偿工程误差，也容易按各频率的信噪比加权，但计算 量较大。本系统信号的解算采用了两片数字信号处理器5 5 0 9 ，运算速度很 快，因此对于方位的算法，本系统还是采用运算量较大的频域算法。 5 2 影响矢量传感器测向精度的因素 由式( 5 - 2 ) 可以看出声压p ，振速u ，振速v ，的指向正交性、声压与振速 相位差的变化特性是矢量传感器的测向精度的保证，是目标轨迹测量精度的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 关键问题。 首先对于矢量水听器自身来说，矢量水听器的声压与振速相位差有频率 特性。同一个矢量传感器的声压和振速灵敏度是不同的，并且振速灵敏度随 频率而变化。因此对于每个矢量传感器声压与振速相位差的频域特性须在水 池中精测，并在软件中补偿。 图5 1 分别是角度补偿前后圪和k ，的指向性对比。 o 图5 i 角度补偿前后圪、k ，的指向性对比图 另外一个方面是水听器的声压与振速信号通过信号调理电路时，由于通 道间的不一致，会引起声压与振速以及振速与振速之间的差。这种差包括幅 度不一致差和相位不一致差。其中相位不一致差对目标水平方位护影响较 大。因此信号调理电路的设计要尽量减小通道之间的相位差。 对于通道之间引起的相位不一致的差，要作精确的测量，通过测量通道 之间不同频率上的差值，建立起通道频率差值表，然后在解算水平方位p 时 在软件中预于补偿。 在软件中需建立矢量传感器指向性角度补偿表。这样矢量传感器测向工 程误差可通过修正补偿表修正。 矢量传感器测得的目标方位必须转换到真方位( 大地坐标中的方位) 。方 位姿态仪提供了矢量水听器实时方位信息。方位姿态仪是和矢量传感器封装 一体的。它的误差也影响目标转换后的真方位。方位仪姿态仪采用高精度的 方位姿态仪。所以总的方位测量误差盯为： o m + 盯2 ( 盯村+ ) 2 ( 5 - 4 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 上式中： o m 方位姿态仪方位误差， 一矢量传感器测向误差，它包括理论误差和经补偿后剩 留的工程误差。 5 3 测量通道间相位差的方法 电路通道间相位差测量是把信号源产生的正弦信号输入到每一个通道 的输入端，然后以一个通道的输出端信号作参考，其他通道输出信号和它作 比较求相位差值。改变信号源的频率，然后测量不同频率下的相位差值。 5 3 1 相位计法 相位计是一种测量信号之间相位差的仪器。通常它能测量信号之间幅度 差和相位差。幅度差以分贝表示。相位差是以度表示。它的输入需选择信号 输入的频率和幅度范围。 这种方法直观，精度高，反应快。是最方便理想的测量方法。缺点是需 专业的测量仪器，仪器价格比较高。 5 3 2 示波器法 示波器是使用较为广泛的电子仪器。利用示波器，可以测定各种电信号 的电压、电流、周期、频率、相位、失真度等参量。下面我们讨论用示波器 测量相位差。 5 3 2 1 双踪法 通常用示波器双踪法测量波形相位差有两种方法 ( 1 ) 在线性扫描的情况下，利用双踪示波器可以在荧光屏上直接显示类 似图5 2 的图形。 图5 2 直接法测量波形相位差 5 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a 下 读出t 和t ，则两个信号相位差是：伊= 二x 3 6 0 。 ( 5 5 ) 上式中： 驴一一两个信号之间的相位差 a t 两个信号之间的时间差 r 一一信号的周期 由于普通示波器荧光屏边缘的线性度差和光迹线条不可能很细等原因， 用这种方法一般测不准约5 0 以下的小相位差。 ( 2 ) 把两个相位关系不相同的正弦波分别加在示波器的x ，y 通道，可 以得到李萨育图形如图5 3 所示： 图5 3 李萨育图形法测量波形相位差 设u x ( t ) 司。s i n ( c o t + g o ) ，u r ( t ) = u r m s i n c o t 调x 和y 位移，使椭圆的中心 与荧光屏坐标原点对正。则两个信号之间的相位差妒为： l ， y 妒= a r c s 酬；孚) = a r c s i n 兰旦 ( 5 - 6 ) 2 五。2 y 由于示波器的光迹聚焦不可能非常细，读数、垂直通道、水平通道均存 在一定误差特别是当被观测波形间的相位差较小时误差更为显著由于延迟 时间的存在而产生系统误差，因而不适合频率较高的波形但在频率很低时 延迟时间带来的影响很小，一般可忽略或通过计算予以消除。 李萨育图形法可测最小相位角差约为4 0 - 5 0 ，且不能判断相位差口的极 性。但是李萨育图形法是用示波器测量相位相对简单直观的测量方法。 图5 4 是频率相同时不同相位差的李萨育图。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 水串，审 夺_ 矿或蛳( 研串朝。域帅f c ) 6 哪或：档 图5 4 频率相同时不同相位差的李萨育图 5 3 2 2 小相角的和差法 设需测定小相角差目的两电压信号分别为： 岣p ) = u 。s i n ( a t ) ，u z ( t ) = u 2 。s i n ( o t 一0 ) 。 容易调节使u 。= 。= 参考正弦函数公式： s i n 口一s i n e ：2 s i n 旦 卫c o s a _ + p ( 5 7 ) 做一个“。o ) 、1 1 2 0 的差信号( f ) ，将有： “o ) ：地( f ) - 1 2 ( r ) = 2 u , , s i n o g o $ ( a t 一二) 0 ( 5 8 ) 由于当日很小时有：， s i i l 旦旦，( c o t - c o s ( 0 2 8 旦1 c o s 耐 ( 5 9 ) s m 一一，一l c o s 研 l 3 - y j 22z 故此条件下“o ) 可改写为u ( t ) = u , o c o s c o t 。 如果将“p ) 作示波器的y 轴输入、屿( r ) 加到x 轴，则示波器荧光屏上 会出现一个水平的椭圆渊，见图5 5 所示。 图5 5 测量小相角的和差法示波器图 若对应于图5 5 所视水平椭圆图形，示波器x 通道和y 通道的偏转灵敏 度分别为s x ( v e m ) 与s y ( v c m ) ，那么椭圆长半轴( e r a ) 和短半轴所代表电 压就分别为& 靠= 和j ，= 乩口 于是便有： 护：墨垃0 a d ) 或伊：5 7 3 xs y y m ( 。) ( 5 1 0 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 电压信号的和差运算，很容易借助附加的运算放大器电路来实现。图 5 6 是实现观测小相位差的电路原理示意图。 图5 6 实现观测小相角差的电路原理示意图 经实验表明，此法可测量低到零点几度的小相位差。但是由于示波器偏 转的非线性和、的读取误差等的限制其测量准确度也达不到很高， 相对误差大致在4 - 1 0 左右，准确度能满足一般测量的要求。 5 3 3h i l b e r t 变换法 5 3 3 1h i l b e r t 变换法测量相位差的原理 h i l b e r t 变换可以巧妙地应用解析表达式中的实部与虚部的正弦和余弦 关系，定义出任意时刻的瞬时频率、瞬时相位及瞬时幅度，从而解决了信号中的 瞬时参数的定义及计算问题。 实函数，( ，) 的h i l b e r t 变换定义为： 即： 研邝) 】：三坐 万二t 一7 冬、 1 儿) 2 厂( d i ( 5 1 1 ) ( 5 1 2 ) 符号知) 表示f ( t ) 的h 变换，h 表示h i l b e r t 变换。因此，h i l b e n 变换相当于信号 通过一个冲激响应h ( d = 二的线性网络。 ， 贝j j h ( t ) 的傅立叶变换日( 国) 为： 月( 国) = 一，s g n ( 彩) = 1 日( 国) i p 伸国 ( 5 1 3 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 则：幅度频谱1 日 ) l = 1 。相位频谱妒( ) = i 训叫 一三 0 2 ( 5 1 4 ) 三国 - - j 过程样本头的样本，求a o ( k ) 的平均： 一a o ( k ) = 而1 。耋，的( 式中： n ：样本个数 m ：学习过程中样本头的个数 图5 1 6 是用m a t l a b 仿真两路信号 s l = c o s ( 2 + p i + f 0 + t 1 5 7 3 ) + o 1 + r a n d n ( 1 ，l e n ) s 2 = e o s ( 2 + p i + f o + t - 2 5 7 3 ) + o 1 + r a n d n ( 1 ，l e n ) 的自适应n o t e h 滤波器计算相位图 ( 5 3 7 ) ( 5 3 8 ) ( 5 3 9 ) 图5 1 6 两路信号的自适应n o t c h 滤波器计算相位图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 从图5 1 6 可以看出两路信号相位差是1 0 3 6 3 。1 9 8 0 7 0 = - 0 9 4 4 4 0 ，理论 值是1 。 测量过程也要首先要用数据采集器把四路信号进行采集，存入计算机。 然后，用m a t l a b 编写上述算法软件。即可求得四路信号之间得平均相位 差。 经检验上述的自适应n o t c h 滤波器是可实现的，它便具有固定参数滤波 器所不具备的优点。它对输入信号的变化具有某种跟踪的趋向。即不管输入 信号的特性如何变化，它总是试图调整其自身，使输出的均方误差最小。 表5 1 给出了用h i l b e r t 变换法实测3 号板的通道间相位差表。 表5 1 实测通道问相位差表 频率( h z ) f l 丘6矗6蟊竹矗6 通道间 p p 6o 2- o 20 2一o 1- o 2_ 0 1- 0 1o 1- o 1 相位差v x p 6o 3 - o 3- o 3 0 3- o 3- o 2o 20 2- o 2 on p 60 10 10 1- o 10 10000 频率，h 曲 r i of l lf 1 2f i 3f 1 4f i sf i 6f i 7f i s 通道间p p 6 o0oo 1o 1o 1 0 20 20 3 相位差v p p 6- 0 1- o 1- o 1o- o 1oo 1o 10 1 op v p 60 1 0 1o 10 2o 2 0 30 30 3o 3 5 4 本章小结 浮标分系统实时解算出目标的水平方位0 。并把这个信息经无线电通讯 连传送给船载系统。 目标的水平方位口信息是浮标系统解算中主要的参数信息。需高精度的 测量计算。本章首先根据矢量传感器测量目标方位的原理开始，探讨了影响 目标方位的各因素，其中一个因素是信号调理电路通道之间相位的一致性。 最后讨论测量信号调理电路通道之间相位差的方法。对各种测量方法的 原理进行了分析，然后在实际测量中检验了各种方法，并给出了用h i l b e r t 变换法测量相位差的实测3 号板的通道间相位差表。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 结论 浮标分系统是水下目标测量系统的重要组成部分之一，在水下武器试验 中担负着极其重要的职能。作为系统干端的模拟前端部分，浮标分系统预处 理电路将系统输入和数字信号处理连接起来，起到了重要的桥梁作用。 作为水声信号处理中不可或缺的环节，水声信号预处理技术在水声设备 数字化的今天仍然占有相当重要的地位。传统的信号预处理通常指的是对接 收信号进行的放大、滤波等调理工作。考虑到浮标分系统的具体组成，将信 号预处理这一概念加以扩展，把模拟信号调理电路、电源电路和接口电路一 并纳入预处理电路的范畴。 浮标分系统信号预处理服务于水下目标测量系统。因此，系统性能指标 是信号预处理电路设计的主要依据。从水下目标测量系统的需求系统性 能指标入手，提出信号预处理电路的设计思想，并从低噪声设计、低功耗、 器件的选型、电路结构的选择、电源设计和接口设计等若干方面对该设计思 想进行论证，这对电路的硬件设计与实现具有极强的实际指导意义。 模拟信号调理是浮标分系统预处理电路的主体部分，是信号处理的模拟 前端，其性能的优劣与否将直接影响信号处理乃至整个系统的性能。放大电 路和滤波电路是模拟接收电路的核心。选用低噪声集成运放构成前后级放大 电路，保证了整机的噪声水平；采用低功耗集成运放，降低了功耗，通过选 择高精度外围分立元器件和对器件的仔细筛选，保证了各通道的一致性。差 分- 单端转换电路、单端差分转换电路是模拟接收电路的特色。 电源电路是系统设计的重要指标，电源电路质量的好坏是电子系统性能 优劣的决定性因素之一，可靠的独立供电降低了电源之间的相互干扰。高效 可控的电源转换电路提高了电池使用效率。 接口电路对于浮标分系统而言同样是不可或缺的。正确的器件型号和合 理的电路结构为各种信号的引入提供了硬件保障。 整个系统经历了实验室联调，结果已经初步证明了浮标分系统系统预处 理电路设计的正确性。然而，包括预处理电路在内的水下目标测量系统设计 的成功与否，还需要通过湖上、海上试验的最终检验。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 出于对工程项目的进度和风险的考虑，浮标分系统预处理电路的各模块 电路均采用成熟、可靠的设计。但是，随和模拟可编程技术的发展，使用集 成芯片几乎可以完成所有的信号预处理功能，这样将大大简化信号处理系统 的设计，降低设备的成本，提高整机的可靠性。这一点是非常值得我们去尝 试的。 6 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 参考文献 褚振勇，翁木云编著f p g a 设计及应用西安电子科技大学出版社， 2 0 0 4 ：1 - 2 4 页 c y c l o n ed e v i c eh a n d b o o ki n t r o d u c t i o n 2 0 0 3 苏涛，吴顺君高性能数字信号处理器与高速实时信号处理西安电 子科技大学出版社，1 9 9 9 ：5 - 2 9 页 胡庆钟，李小刚，吴钰泞等编著t m s 3 2 0 c 5 5 xd s p 原理、应用和设 计机械工业出版社，2 0 0 6 ：1 - 6 页 张雄伟d s p 芯片的原理与开发应用电子工业出版社，1 9 9 7 ：1 1 7 3 页 张林生，和迎春大型可编程模拟电路阵列f p a a 的应用开发电子 产品世界2 0 0 3 年第2 期：7 2 7 3 页，7 7