CN103399299A - 一种水下宽带通用型应答器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于水下声信号的检测和应答的水下宽带通用型应答器。水下宽带通用型应答器，包括信号调理模块、数字信号处理模块、功放模块、电源模块和收发合置模块，信号调理模块接收来自换能器的模拟微弱信号，经过对输入信号的放大、滤波、幅度控制后送入数字信号处理模块通过A/D采集变成数字信号，经过DSP处理后将已知信号从DRAM中发送到功放模块，信号经过功放模块放大整形加载到换能器两端发射出去。本发明发在保持带宽不变的情况下，采用长脉冲宽度的信号就可以在增大作用距离的同时，提高测时精度，减小距离测量误差带来的定为误差；以较低的输入功率获得较高的信噪比，增大作用距离；充分利用有效带宽来提高距离分辨力。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于水下声信号的检测和应答的水下宽带通用型应答器。
背景技术
各种水声定位系统不再局限于军事上的应用，而是更加广泛地应用于民品。国外对声学定位系统研究较早的公司是挪威Kongsberg Maritime公司，已有50多年的研究、开发历史。该公司有一系列成熟的产品投入到军用及民用，已经成为该项技术的标准。该公司于1997年推出了世界领先水平的高精度长程超短基线定位系统wHiPAP350，作用距离可达3000m；随后推出HiPAP500，作用水深达4000m；新近推出的HiPAPl00，作用水深达10000m，测距精度优于50cm；HiPAPl00的换能器由50个声学单元组成，采用±7.50的窄波束方式提高了换能器的指向性和信噪比，工作频率13kHz，能同时跟踪5个以上的目标。目前HiPAP系列水下定位系统，同时使用超短基线定位和长基线定位技术，而且在同一工作船上可以安装2个换能器、一套收发系统工作，进一步提高定位精度。HiPAP系列产品的特点是采用了波束形成处理。
法国的Ixsea公司在把OCEANOTech公司兼并之后，公司产品涉及长基线、短基线、超短基线和组合定位系统。其中超短基线产品主要有两款POSIDONIA6000和GAPS（全球声学定位惯性导航系统）。POSIDONIA6000是该公司在1997年推出的远距离超短基线定位系统。我国海洋调查船大洋一号安装了此设备，并在深海进行了试验，据称在7400m深度，船下方60度锥体范围内的虽好定位精度达到斜距的0.2%。GAPS是组合定位系统中最出色的一款产品，是一套勿需标定、便携、即插即用的超短基线声学定位（USBL）惯性导航系统。它将高精度光纤陀螺惯性导航技术与水下声学定位完美结合，并融入GAPS测量技术。可以这么说，GAPS的出现给水声学定位领域带来了一场革命。由于采用高精度传感器，定位精度达到了0.2%斜距。
澳大利亚Nautronixt241于上世纪90年代末研制了ATS II超短基线定位系统。该系统采用线性调频信号，最大作用距离2000m，定位精度可达斜距的0.25%，带内信噪比大于3dB系统就可以工作。后来公司提出了一种声数字扩谱技术（Acoustic Digital Spread Spectrum，简称ADS2），使系统性能得到大大提高：信噪比至少提高了12dB，作用距离可达4500m，最高定位精度可达0.25%斜距。2001年起，美国、法国和德国在全球率先研发出GPS水下目标跟踪系统，不仅可以从水上对水下目标进行跟踪监视和动态定位，还可以用于水下目标导航、水雷对抗、水下搜救和水下哑弹爆破等。法国的ASCA公司已为美海军开发了利用水下全球定位系统（GPS）技术进行搜索与救援以及对抗水雷的系统，它可以利用水下的GPS信号确定目标的经、纬度和深度坐标。该系统可用于跟踪沉在水下的飞机或潜艇中释放的移动黑匣子声波发送器，只需要不到半天的时间就能寻找到目标。系统包括GPS智能浮标、便携式控制站以及32KHz的声波发送器。浮标下悬挂有水听器，浮标通过水面上的三个天线与指挥、控制、通信和情报系统联系。当浮标在黑匣子声波发生器约500米之内时，能精确地探测到目标的声信号。利用目标发射信号与浮标接收信号的时延差得到浮标和目标的相对位置，同时，利用差分GPS接收机能精确测量出浮标的精确位置。
国内对水声定位系统的研究较晚，主要是哈尔滨工程大学、中科院声学所、天津海洋局、杭州715所以及东南大学等。上世纪70年代末，在中国工程院院士杨士莪教授的带领下，哈尔滨工程大学研制成功了洲际弹道导弹落点测量的长基线水声定位系统，这是我国第一套水声定位系统。
1991年，哈尔滨工程大学研制成功了某型测量系统。这是一套短基线定位系统，它具有三脉冲和双脉冲两种工作体制，可跟踪五个目标，通常最主要的目标是鱼雷、活动靶和固定靶。系统实现了比较彻底的数字化，涉及到一系列复杂的数字信号处理技术，如：自适应相干累加测频技术、拷贝相关技术和瞬时频率方差检测器。在兼容窄脉冲方面，它还进一步完善了经典的检测技术，尤其利用频率估计识别窄CW脉冲相邻通道串漏干扰是对传统跟踪技术的突出贡献。系统的最大特点是机动、灵活，四个水听器以梯形阵结构固定于船两侧，基阵放下可测，收起即走，充分兼顾了试验海域无岸基依托的环境条件。此后，短基线定位系统得到了不断的完善和发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以发射宽带信号、低功耗、体积小、使用灵活方便的用于水下主动定位的应答器。
本发明的目的是这样实现的：
水下宽带通用型应答器，包括信号调理模块、数字信号处理模块、功放模块、电源模块和收发合置模块，信号调理模块接收来自换能器的模拟微弱信号，经过对输入信号的放大、滤波、幅度控制后送入数字信号处理模块通过A/D采集变成数字信号，经过DSP处理后将已知信号从DRAM中发送到功放模块，信号经过功放模块放大整形加载到换能器两端发射出去。
数字信号处理模块采用以DSP和CPLD为架构，外设包括存储装置FLASH和DARAM，其中DSP与CPLD连接，FLASH、、DARAM、A/D、D/A分别与CPLD连接，数字处理模块前端模数转换电路A/D通过一组数据总线以并行接口方式和CPLD的通用I/O口相连，处理板前端D/A数模转换芯片通过并行数据线和CPLD的通用I/O口连接，DSP通过片内外设EMIF接口的数据总线和CPLD相连，EMIF接口的片选、读写控制线、部分地址线都和CPLD的通用I/O相连。
功放模块采用线性宽带发射，由互补推挽电路结构与变压器耦合实现。
电源模块包括WRB2405LT_3W（20）和WRA2412YMD-6W（21）两个DC/DC模块，将输入的24V电池（11）供电电压转化为+5V和±12V电压输出，为数字信号处理模块上的数字电源芯片以及三端稳压管提供合适而稳定的输入电压，两片TPS767D301（24）和一片TPS7325（25）数字电源芯片，一片7805（22）和7905（23）的三端稳压管，为DSP上的所有模拟数字芯片配置出1.6V、2.5V、3.3V的数字电源以及2.5V、3.3V、±5V的模拟电源。
本发明的有益效果在于：
本发明发射信号采用线性调频脉冲，宽带复杂信号的脉冲宽度与带宽可各自调整。在保持带宽不变的情况下，采用长脉冲宽度的信号就可以在增大作用距离的同时，提高测时精度，减小距离测量误差带来的定为误差；能以较低的输入功率获得较高的信噪比，增大作用距离；充分利用系统的有效带宽来提高距离分辨力。功放的设计采用乙类互补推挽电路，提高能量转换效率，减小了整个硬件电路的体积，应答器更加小型化，便携性更好。
附图说明
图1用于水下宽带通用型应答器结构的原理框图；
图2用于水下宽带应答器信号调理模块原理框图；
图3用于水下宽带应答器数字处理模块原理框图；
图4用于水下宽带应答器功放模块原理框图；
图5用于水下宽带应答器电源模块原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更详细地描述：
一种水下宽带通用型应答器，包括信号调理模块7、数字信号处理模块FLASH（1）、DSP（2）、DARAM（3）、CPLD（4）、A/D（5）、D/A（6）、功放模块（8）、电源模块（10）和收发合置模块（9）几大部分，其主要特征是：信号调理模块（7）负责接收来自换能器的模拟微弱信号，经过信号调理模块（7）处理后送入到数字信号处理模块A/D采集变成数字信号，经过DSP处理后将已知信号从DRAM（3）中发送到功放模块（8），信号经过功放模块（8）放大整形加载到换能器两端发射出去。信号调理模块（7）就是完成对输入信号的放大、滤波、幅度控制使A/D（5）能在有限的动态范围内对输入信号进行采样，同时又滤掉了带外的干扰频率成分。
数字信号处理模块是该系统的核心，采用DSP（2）+CPLD（4）的架构，外设仅存在存储装置FLASH（1）和DARAM（3），组成系统大部分芯片采用低功耗设计、数字处理模块中的核心处理器DSP（2）采用TI公司TMS320C5509A。
功放模块（8）采用线性宽带发射，利用互补推挽电路结构与变压器耦合的方式，优点是提高能量转换效率，能滤除低频噪声，同时实现阻抗变换，增强带负载能力。实际接换能器时还需进行阻抗匹配，使得负载趋于纯阻性，提高电声转化效率。
电源模块（10）为该系统的其它模块提供稳定且相对隔离的供电，该电源模块使用了WRB2405LT_3W（20）和WRA2412YMD-6W（21）两个DC/DC模块。通过将输入的24V电池（11）供电电压转化为+5V和±12V电压输出。为后面数字信号处理模块上的数字电源芯片以及三端稳压管提供合适而稳定的输入电压。使用了两片TPS767D301（24）和一片TPS7325（25）数字电源芯片，同时还用到了一片7805（22）和7905（23）的三端稳压管，为整个DSP板上的所有模拟数字芯片如各种运放、A/D（5）、D/A（6）、MAX274（14）、CPLD（4）、DSP（2）、FLASH（1）、DARAM（3）等配置出了1.6V、2.5V、3.3V的数字电源以及2.5V、3.3V、±5V的模拟电源。数字和模拟芯片分开供电可以有效的避免数字部分给模拟部分带来的干扰。
收发合置模块（9）将信号的发射电路和接收电路有效的隔离开来，实现通过一个换能器达到既能发射信号又能接收信号的性能而且尽可能避免发射信号串入接收端同时使接收信号尽可能多的被接收端接收。
该平台的核心处理DSP（2）芯片是TMS320VC5509A,主要负责数字信号的读入、处理以及信号的产生和读出，同时还利用其多通道缓冲串McBSP0配置成控制端口，控制PGA113（13）的放大倍数。外设包括SST39VF100FLASH（1）、HY57V641620DARAM（3）。CPLD（4）选用EPM240GT100C5，主要负责数字信号处理模块的逻辑控制。数字处理模块前端模数转换电路A/D（5）通过一组数据总线以并行接口方式和CPLD（4）的通用I/O口相连，处理板前端D/A（6）数模转换芯片通过并行数据线和CPLD（4）的通用I/O口连接，DSP（2）通过片内外设EMIF接口的数据总线和CPLD（4）相连，EMIF接口的片选、读写控制线、部分地址线都和CPLD（4）的通用I/O相连。信号调理模块（7）按照前置放大—滤波—后置放大的顺序设计，滤波器采用MAX274（14）配置为有源的Chebyshev带通滤波器。功放模块（8）采用乙类互补推挽电路，耦合方式为变压器耦合，采用收发合置实现同一换能器对信号的接收和发射。
本发明还可以包括：
1、DSP（2）的外部包括：调试接口JTAG，通过DSP（2）的专用数据总线和地址总线连接的一片DARAM（3）外部动态存储器和一片FLASH（1）。DARAM（3）用于存储运算数据，FLASH（1）芯片的主要功能就是为了完成对DSP（2）的程序引导。因为DSP（2）的内部RAM容量为32K而实际编译后的程序容量大于32K，故无法用DSP（2）内部固化的Bootloader将FLASH（1）中存储的引导表加载到DSP（2）中，本设计中通过编写Bootloader程序，采用二次加载来完成。
2、所述信号调理模块（7）中采用MAX274（14）配置滤波器，信号先经过其中两个二阶节滤波后再经过PGA113（13）进行放大，然后进入剩下的两个二阶节进行滤波，PGA113（13）与DSP（2）的McBSP0相连接，通过DSP（2）控制PGA113（13）放大量。
3、所述的CPLD（4）内部和外部包括：模数采集电路的控制逻辑、数模转换电路的控制逻辑以及对时钟信号分频为A/D（5）提供精确稳定的采样频率。
4、功放模块（8）中间级采用乙类互补推挽放大（17），通过在基极加上二极管调节静态偏置电压，从而消除交越失真。功放输出采用变压器（19）耦合，通过串联电感并联电容对换能器进行匹配。
5、电源模块使用了WRB2405LT_3W（20）和WRA2412YMD_6W（21）两个DC/DC模块。将数字供电电压与模拟供电电压分开。数字部分功耗较低用WRB2405LT_3W（20）供电，模拟部分功耗较高用WRA2412YMD_6W（21）供电。
6、信号采用线性调频信号，利用DSP（2）中的DMA控制器对接收的数据进行读取，采用乒乓模式对接收的数据进行处理，利用拷贝相关算法求相关峰值，拷贝相关是通过傅立叶变换在频域内实现的。利用变门限检测，应答信号通过调用函数生成并固化在DSP（2）的内部ROM中。
本发明的工作原理：应答器上的换能器接收信号后通过收发合置模块（9）将声信号转换为电信号送入信号调理模块（7）完成对输入信号的放大、滤波、幅度控制使A/D（5）能在有限的动态范围内对输入信号进行采样，同时又滤掉了带外的干扰频率成分。数字信号处理模块前端采用高精度低噪声的A/D（5）模数转换芯片AD7643，它通过并行方式连接到DSP（2）的数据总线上。DSP（2）读取缓存上的数据进行拷贝相关处理和门限判决，检测结果大于门限则将存储于DSP（2）内部ROM里预先造好的信号读取并通过功放驱动换能器发射信号。信号形式为线性调频信号。
该应答器的优点在于：
1、系统选用的TMS320C55x系列中的5509A是一款高性能的DSP。通过增加功能单元，相较C54x系列增强了DSP的运算能力，而且性能更好，功耗更低，是目前TMS320家族中最省电的芯片。其支持最高时钟频率200MHz，具有64K-Bytes的DARAM空间和192K-Bytes的SARAM空间，支持外部存储器接口（EMIF）。些特性使之更适合在数据速率高，运算量大，又要求功耗低的水声应用系统，大大延长设备在水下连续工作的时间。
2、发射信号采用线性调频脉冲，宽带复杂信号的脉冲宽度与带宽可各自调整。在保持带宽不变的情况下，采用长脉冲宽度的信号就可以在增大作用距离的同时，提高测时精度，减小距离测量误差带来的定为误差；能以较低的输入功率获得较高的信噪比，增大作用距离；充分利用系统的有效带宽来提高距离分辨力。
3、通过调用DSP的库函数在频域实现拷贝相关的算法，有效利用TMS320VC5509A的硬件资源实现高效解算；利用DMA搬移数据，并采用乒乓模式存储和处理数据，实现对采样数据进行实时连续的处理；采用变门限检测，降低虚警概率。
4、功放的设计采用乙类互补推挽（17）电路，提高能量转换效率，减小了整个硬件电路的体积，应答器更加小型化，便携性更好。
结合图1，换能器接收的信号进入信号调理模块（7），信号调理模块（7）主要完成对信号的放大、滤波并将单端信号转换为差分信号供A/D（5）采样；数字信号处理模块是信号处理的核心，对接收信号进行检测、判决，并根据判决结果决定是否做出应答；如果检测结果大于门限则应答器会发射一个应答信号，通过调取由函数生成的信号数据，并经过D/A（6）转换后送到功放模块（8）输入端，信号经过功放放大后驱动换能器将电信号转换成声信号，完成对询问信号的应答。
结合图2，换能器将接收到的声信号转换为电信号在送到数字信号处理模块前还需要经过信号调理电路后再进行A/D（5）转换。信号调理部分就是完成对输入信号的放大、滤波、幅度控制使A/D（5）能在有限的动态范围内对输入信号进行采样，同时又滤掉了带外的干扰频率成分。信号调理模块（7）分为前置放大、带通滤波、后置放大等部分。
我们使用的换能器输出端的开路电压一般在μV-mV级，因此放大电路总的放大倍数通常要在60dB以上。
实际应用中第一级增益通常要低于100倍，否则会引起电路的自激。放大电路第一级的输入阻抗要大，输入电容要小。所以第一级选用高输入阻抗，低输入电压信号的仪表放大器INA128（12）。信号采用差分输入模式，抑制共模干扰。并用二极管对输入信号进行限幅。
第二级采用程控放大芯片PGA113（13）对信号幅度进行增益控制。通过DSP（2）向PGA113（13）相应的引脚写入16位的串行数据可以设置PGA113（13）的放大倍数为1、2、5、10、20、50、100、200。
第三级为MAX274（14）有源滤波器。MAX274（14）是包含四个互相独立的二阶的高效集成芯片。通过调整外接的几个电阻，可以组成各种高阶有源低通、高通、带通滤波器，如Butterworth、Chebyshev、Bessel和椭圆函数型等。采用MAX274（14）设计高阶的带通滤波器，对于相同设计指标，Chebyshev和椭圆函数型滤波器所需二阶节数少于Butterworth、Bessel型。由于MAX274（14）不支持椭圆函数型带通滤波器结构，所以选择设计了高阶Chebyshev带通滤波器结构。
利用两片AD8021（15）将MAX274（14）单端输出的信号转为差分信号。先用一级AD8021（15）构成射随电路，射随电路的输出阻抗较小，因此可增强带负载能力。这级的输出进入A/D（5）的正相输入端，同时也输入到下一级AD8021（15）的反相输入端，第二级AD8021（15）的输出进入A/D（5）的反相输入端。
结合图3，复杂可编程逻辑器件CPLD（4）是处理板的各个功能模块电路的连接结点，主要完成各个功能模块逻辑控制，它有丰富的片上资源和I/O管脚，起到互联电路和存储控制的作用。信号为35-45KHz的线性调频信号，A/D配置的采样率为250KHz，转换精度为16bit。DSP（2）主要完成信号处理算法的实现包括拷贝相关、峰值检测、门限判决以及应答信号的生成。FLASH（1）主要功能就是为了完成对DSP（2）的程序引导,DARAM（3）里存储着DSP（2）运算生成的数据，DSP（2）中程序将造好的波形数据译码后通过CPLD缓冲传递给D/A（6）输出。由于对输出信号没有太高的精度要求，但需要高的转换速率，同时考虑到价格因素，D/A（6）选用DAC904作为数模转换芯片。它拥有165MSPS的转换速率，转换精度为14bit。
结合图4，单端信号由进入第一级单端转差分放大电路（16）后转为差分信号，第二级为乙类互补推挽电路（17）。差分信号经过的上下两路电路特性及参数完全一致。乙类互补推挽电路（17）提高功率转换效率并为后级的大功率管提供合适的静态电压和驱动电流。经过乙类互补推挽电路（17）后，上下两路信号均只剩下半个周期。
大功率管（18）选择MJ802，其最大工作频率为2MHz，最大工作温度为150度，集电极和发射级间最大电压为90V,最大直流电集电极电流为30A，功率输出可达100W。由于上下两路为差分信号，经过大功率管（18）放大后，两个半个周期的波形正好叠加为一个完整的信号波形。采用变压器（19）耦合的方式驱动换能器负载，优点是能滤除低频噪声，同时实现阻抗变换，增强带负载能力。实际接换能器时还需进行阻抗匹配，使得负载趋于纯阻性，提高电声转化效率。
结合图5，电源模块由24V电池（11）供电，由两个DC/DC模块WRB2405LT_3W（20）和WRA2412YMD_6W（21）分别为数字电路部分和模拟电路部分供电，WRB2405LT_3W（20）将24V转换为5V，WRA2412YMD_6W（2）将24V转换为±12V。7805（22）再将+12V转换为+5V，7905（23）将-12V转换为-5V，TPS767D301（24）和TPS7325（25）是为具体的芯片配置更精确稳定的电压。
Claims (4)
1.一种水下宽带通用型应答器，包括信号调理模块（7）、数字信号处理模块、功放模块（8）、电源模块（10）和收发合置模块（9），其特征在于：信号调理模块（7）接收来自换能器的模拟微弱信号，经过对输入信号的放大、滤波、幅度控制后送入数字信号处理模块通过A/D采集变成数字信号，经过DSP处理后将已知信号从DRAM（3）中发送到功放模块（8），信号经过功放模块放大整形加载到换能器两端发射出去。
2.根据权利要求1所述的一种水下宽带通用型应答器，其特征在于：所述的数字信号处理模块采用以DSP（2）和CPLD（4）为架构，外设包括存储装置FLASH（1）和DARAM（3），其中DSP与CPLD连接，FLASH、、DARAM、A/D、D/A分别与CPLD连接，数字处理模块前端模数转换电路A/D通过一组数据总线以并行接口方式和CPLD的通用I/O口相连，处理板前端D/A数模转换芯片通过并行数据线和CPLD的通用I/O口连接，DSP通过片内外设EMIF接口的数据总线和CPLD相连，EMIF接口的片选、读写控制线、部分地址线都和CPLD的通用I/O相连。
3.根据权利要求1或2所述的一种水下宽带通用型应答器，其特征在于：所述的功放模块采用线性宽带发射，由互补推挽电路结构与变压器耦合实现。
4.根据权利要求3所述的一种水下宽带通用型应答器，其特征在于：所述的电源模块包括WRB2405LT_3W（20）和WRA2412YMD-6W（21）两个DC/DC模块，将输入的24V电池（11）供电电压转化为+5V和±12V电压输出，为数字信号处理模块上的数字电源芯片以及三端稳压管提供合适而稳定的输入电压，两片TPS767D301（24）和一片TPS7325（25）数字电源芯片，一片7805（22）和7905（23）的三端稳压管，为DSP上的所有模拟数字芯片配置出1.6V、2.5V、3.3V的数字电源以及2.5V、3.3V、±5V的模拟电源。
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