水下近程低速目标主动超声阵列探测技术研究

水下近程低速目标主动超声阵列探测技术研究刘志凯，隋超，李杰1.北京理工大学机电工程学院,北京（100081）E-mail：[e-mail]摘要：本文研究的是适用于浅海环境水下近程低速目标主动声探测系统，通过分析水下主动超声探测的工作原理，提出适合于水下近程低速目标主动超声探测的系统构成。该系统可以完成对水下近距离低速目标的探测、目标识别、精确定距、定向、判决等功能。本文在对整体技术方案分析后，将此系统划分为两大模块组成：超声探测模块和数字信息处理模块。其中超声探测模块由声发射器、水声阵列、功率放大、阵列回波预处理部分等组成。它主要完成超声波的发射、目标回波信号的接收及其预处理功能；本文对该超声探测模块中的关键技术、研究思路等进行了深入的研究，并提出了相应的解决途径。关键词:超声波;多普勒;探测;回波信号中图分类号:U6661引言声探测可分为主动声探测和被动声探测。被动型声探测利用目标的辐射噪声来检测目标，在水雷、鱼雷上已经有了应用，但随着现代潜艇加强了声控技术的研究，采用了一系列技术降低潜艇噪声，如采用消声瓦等，此时海洋中的环境噪声基本接近于潜艇辐射噪声，采用被动声探测越来越困难。而主动声探测是主动地发出声波，利用目标的声回波特性检测目标，主动声探测可以实现对目标方位、速度和距离的探测，可以进行炸点控制，实现炸点昀佳起爆原理，昀终有效提高水下兵器的作战效能。2水中近程目标主动超声探测系统设计水中近程目标主动超声探测系统采用主动超声探测技术，主动向周围水中发射声波，经过在水中传播并被目标反射后，探测系统就会接收到反射声波信号（即为回波信号），对接收的回波信号进行数据采集后，根据算法处理对目标特征进行识别，进而实现主动超声探测系统对水中运动目标的探测与识别功能。水中近程目标主动超声探测系统方案组成框图如图1所示：信息处理模块目标识别声发射器目标超声探测模块水声阵列目标定位逻辑控制阵列预处理波束形成功率放大信号发生数字滤波图1水中近程目标主动超声探测系统框图1水中近程目标主动超声探测系统主要由两大模块组成：超声探测模块和信息处理模块。其中超声探测模块主要由声发射器、水声阵列、功率放大、阵列回波预处理部分等组成。它主要完成超声波的发射、目标回波信号的接收及其预处理功能；目标识别模块主要由信号发生、逻辑控制、数字滤波、波束形成、目标识别和目标定位等部分组成。它主要完成所需调幅信号的发生和目标回波特征识别的功能。3阵列换能器在对水中近距目标主动超声探测系统的设计中，超声波的发射及接收采用水声换能器。由于市场上现有的换能器不能满足本系统的设计要求，因此必须自行设计。下面针对本系统提出了水声换能器的设计方案，其示意图如图2：图2阵列换能器示意图在上图中，采用的是一种单点发射、多点接收的全向换能器，是收发异置的水声换能器。其中发射换能器采用全向单点发射，换能器的压电晶片的发射敏感面是前侧向，也可以是侧向发射的。而压电晶片的接收敏感面采用侧向接收，这样做的好处是换能器的指向性更好，指向性是换能器的发送响应随着发送声波方向的变化特性。前向可做为引信触发作用，因此不需要进行波束照射。而侧向为声引信近炸作用区，因此需要使波束向侧向照射，提高近炸作用的探测距离和作用范围。换能器应尽量使旁瓣级昀大，而前向级的发送响应尽可能的小，这样做可以使换能器的能量尽可能的沿着波束方向角方向发射出去，避免过多能量向换能器前向发射，这样可以增大换能器的方向指向性，扩大换能器的搜索范围，避免对目标探测的遗漏。[2]4全向发射模块设计主动声纳发射机在主动声纳中起着产生具有特定形式的大功率电信号的作用，这种特定2形式的调制方式及脉冲长度的声波信号，然后经过匹配网络提高发射机输出效率，再经过换能器将电信号能量转换成声信号能量辐射到水介质中去。发射模块的设计主要包含两个问题：其一是声波发射器与换能器匹配问题；其二是发射模块与数字处理模块的隔离问题。声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个昀佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成昀佳负载，也即阻抗变换作用；二是通过匹配使发生器输出效率昀高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的昀大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。[1]因为CW脉冲[1]来自DSP的输出，而发射模块的变压器匹配网络又是较强的干扰源，所以在二者之间拟采用光电隔离，防止数字电路和模拟电路之间的串扰。声探测发射模块设计如图3所示。DSP输出的CW脉冲光电耦合功率放大匹配发射换能器发射超声波图3发射模块设计图4发射电路如图4所示使用了高速光藕6N137芯片实现数字电路与模拟电路的隔离。由信号产生电路产生的发射信号功率有限，要想将该信号发射出去，必须通过功率放大电路进行放大，从而尽量提高回波信号的强度。发射电路由功率放大电路和阻抗匹配电路组成。阻抗匹配电路主要考虑换能器的匹配问题，换能器常表现为容性负载，为了进行阻抗匹配，首先在换能器两端并联电感L，使其与换能器组成谐振回路，这样次级回路负载就等于3换能器的阻抗，然后设计变压器变比，使初级回路的等效负载与电源内阻相等即完成阻抗匹配。如图4所示，发射信号通过控制两个MOS管的交替导通，从而控制变压器的工作，考虑到化学电池的容量有限，发射瞬间不能提供足够大的电流，故采用电容E1在发射瞬间为发射电路提供能量，同时为了在发射时不影响其它电路的正常工作，采用电阻R1进行限流。电容E1和电阻R1可按照下式进行取值：⎩⎨⎧=−=ETRvvEπρτ2/)/(22221(1)其中⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧=======限流电流电阻的阻R储能电容的容值；E；两个发射脉冲时间间隔T；储能电容发射后的电压v；储能电容发射前的电压v发射脉冲长度；τ发射瞬间功率；ρ21当msTVvVvmsW30,24,25,1,121=====τρ时，求出uFE8.40=，实际取电容值，电阻，实际取值uFE47=Ω=7.101RΩ=100R。5单路接收模块设计由于回波信号是微弱信号，并且受到混响和噪声的干扰，所以要对回波信号进行滤波预处理，进而得到比较理想的波形。单路接收电路设计如图5所示，由于目标和探测系统处于相对运动状态，回波信号会出现较大起伏，因此在接收机中使用增益控制技术。输出到DSP处理器的信号共有两路：第一路是经过抗混叠低通滤波处理进入DSP；第二路是经过混频和低通滤波器模拟处理方法得出多普勒频差信号，输出到DSP中。在DSP中可以通过数字滤波、波束形成目标识别与定位等算法对这两路信号作进一步处理，昀终实现目标的识别与定位。4自动增益控制电路采用数字式可编程精密电压分压器与运算放大器可组成增益编程的放大器，其与微控制器结合可实现增益自动控制放大电路。MAX5420及MAX5421是两种数字式可编程精密分压器IC，是专门为增益可编程放大器（PGA）设计的。它由4选1译码器、电子模拟开关、、分压器电阻及匹配电阻（仅MAX5421有）组成。与同相放大器一起组成增益为1、2、4、8的增益可编程放大器。增益由D0、D1的逻辑电平来控制。5.2检波及门限调节电路5检波电路回波信号经过适当放大后进行检波，如图7经过二极管检波电路输出包络信号。在比较电路通过调节可调电位器设置阈值，设置合适的阈值可以减小噪声的干扰。比较电路输出触发信号触发中断。5.3混频电路从信号与系统的角度可知，时域的相乘等于在频域上进行频谱搬移，如式（3）所示，两正弦信号相乘完毕后得到两个余弦信号相加。)]2(2cos2[cos21)(2sin2sinffftffftΔ±−Δ=Δ±⋅ππππ（2）图8混频电路本方案采用MC1496实现模拟乘法功能，MC1496是一种平衡调制/解调器，该器件可用于典型应用包括抑制载波和调幅、同步检波、调频检测、鉴相和斩波。当本振信号频率与发射声波频率相同时，将本振信号和回波信号作为模拟乘法器的输入，则模拟乘法器的输出有高频和低频两种信号，后接低通滤波器MAX292能够滤去高频信号，多普勒频移偏量fYΔ=π2cos21即可得到。6五阶连续时间低噪声低通椭圆滤波器，适合用作抗混叠滤波器、平滑或再建滤波器以及通信滤波器等。根据奈奎斯特抽样定理，要想抽样后能够不失真的还原出原信号，则抽样频率必须大于两倍信号的昀高频率（）。这里在抽样前使用LTC1560-1作为抗混叠滤波器，可以有效的滤除掉高于的分量，减小抽样后的频谱混叠。hsQQ22/sQ6测距原理超声测距昀常用的方法是回声探测法，即在声速已知的情况下，通过测量超声波回波所经历的时间来获取距离。超声填充波延迟时间图10测距原理假设水下声速为v，脉冲从发射（经目标发射）到接收回波之间的延时时间为t，则探测器与目标之间的距离可以表示为：vts21=(3)7控制程序流程图程序开始先进性初始化，然后将回波标志清零，启动发射和计时；在发射启动后的500us内中断是关闭的，防止发射后引起的混响影响。中断处理程序中将定时器关闭，并将其计数值读出，解算出延时时间t，根据上述的测距公式（3）可以得到目标的相对距离。当幅值满足要求后，即启动采集程序及相应的定位算法。昀后延时30ms后进行下一次发射。8结论本文对浅海环境水下近程低速目标主动声探测系统中的关键技术、实现方法等进行了深入的研究，完成了超声波的发射、目标回波信号的接收及其预处理功能，对浅海环境下近程目标的探测提供了一种完整新颖的实用技术手段。参考文献：[1]田坦，刘国枝，孙大军．声纳技术[M]．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2000。8[2]张峰．深水炸弹新型复合引信声探测技术及其装定技术研究[D]．北京：北京理工大学，2003。ResearchonUltrasonicDetectingTechnologyofUnderwaterShort-RangeLowSpeedMovingObjectLiuZhikai1，SuiChao1，LiJie11DepartmentofMechatronicEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing,china,（100081）AbstractThispaperresearchonactiveultrasonicdetectingsystemthatapplicationinlow-speedmovingobjectofshort-rangeinshallowseasurroundings.Afteranalyzingthetheoryofunderwateractiveultrasonicdetectingthispaperproduceadetectingsystemstructurethatfitforactiveultrasonicdetectingoflow-speedunderwatershort-rangemovingobject.Thesystemcouldachievethefunctionthatsuchasdetectin