CN105548992A - 一种全数字式主动声纳发射机及声纳发生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全数字式主动声纳发射机，包括一个控制中心和多个功放组件。所述控制中心集成了信号发生器、D类功放控制器、串行通信等模块，具有波形存储、发射功率控制、发射波束形成、PWM波形生成、死区控制等功能。所述功放组件由驱动电路、H桥、低通滤波器、匹配网络组成。本发明利用数字延时线实现发射波束形成，数据通过偏移后与计数器比较，生成PWM波形，并可以在线实时精确调整PWM波形的死区时间。本发明简化了发射机结构的复杂度和调试难度，提高了系统的抗干扰性能和可靠性。

Description

一种全数字式主动声纳发射机及声纳发生方法

技术领域

本发明涉及水声工程领域，特别涉及一种全数字式主动声纳发射机。

背景技术

发射机是主动探测声纳或水下通信设备的重要组成部分，由信号发生器、功率放大器、匹配网络和发射换能器组成。为了达到预期的声源级和发射指向性，几十路甚至上百路换能器构成阵列，相控发射。相控阵发射机电子部分包含多路并行的功率放大器，设备庞大复杂，系统可靠性受到限制。

信号发生器一般处于信号处理机柜中，便于与接收机进行收发同步，与声纳控制计算机通信。信号发生器根据控制计算机的下达的工作参数，读取存储器中的波形数据或实时产生波形，进行发射波束形成，数字信号进行D/A转换，形成多路模拟信号，通过电缆输送给功率放大器。除了模拟信号外，电缆中仍需传输功放控制信号及功放工作状态信号。

在舰艇嘈杂的工作环境中，信号传输过程中容易受到噪声干扰；为了达到预期的发射功率或波束形状，模拟信号高达几十路甚至上百路，模拟信号间、模数信号间容易形成串扰，严重影响信号质量。此外，信号处理机柜与功放机柜之间需要粗笨电缆连接，在狭窄的舱室内不容易安装调试。功放机柜中，模拟信号与比较器进行比较，生成驱动D类功放的PWM信号，这个过程也容易引入噪声干扰，降低系统的性能和可靠性。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种全数字化主动声纳发射机,将信号发生器、D类功放控制器、串行通信等模块集中在FPGA中，简化了发射机结构的复杂度和调试难度，提高了系统的可靠性。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种全数字式主动声纳发射机，包括：

(1)一个控制中心，所述控制中心连接存储器；

(2)多个并行的与所述控制中心连接的功放组件；

其特征在于：所述控制中心在FPGA中集成信号发生器、功放控制器、串行通信模块，用于在FPGA内部利用数字延迟线完成波束形成，由数字波形直接生成PWM波形并实现PWM波形的死区控制；

所述功放组件包括驱动电路、H桥、低通滤波、匹配网络；

所述驱动电路将控制中心产生的PWM信号进行隔离后，送入驱动器，产生场效应管的驱动信号；

所述H桥由大功率场效应管组成，将驱动电路产生的驱动信号变为高电压、大电流信号；

所述低通滤波将高电压大电流的PWM波形低通滤波，产生大功率的发射波形；

所述匹配网络与发射换能器进行阻抗匹配，将大功率波形输送给发射换能器。

进一步的，所述信号发生器包括命令解析模块、波形产生模块、幅度控制模块、波束形成模块；所述D类功放控制器包括PWM产生模块、死区控制模块；

所述串行通信模块与控制计算机进行通信并将接收的信息发送给命令解析模块；

所述命令解析模块将串行通信模块接收到的信息进行解析，解析后的命令传送给波形产生模块、幅度控制模块、波束形成模块；

所述信号产生模块根据解析的命令，读取所述存储器中存取的波形，或者根据解析的命令，利用DDS技术实时产生单频信号或调频信号；

所述幅度控制模块根据解析命令，利用乘法器调整数据的幅度，达到控制发射功率的目的；

所述波束形成模块根据解析指令，利用数字延迟线，将幅度调整后的波形进行发射波束形成，在多个信号通道中选择是否发射信号，对于发射信号的通道计算各信号的延时时间，进行延时发射；

所述PWM产生模块将波束形成后的各路数字信号与计数器值进行比较，生成PWM波形；

所述死区控制模块将生成的多路PWM波形经过处理，生成互补的PWM波形，同时每对互补波形之间存在一定的死区时间；

更进一步的，所述PWM产生模块包括偏移单元，计数器单元，数字比较器单元；所述偏移单元连接波束形成模块，所述偏移单元，计数器单元连接数字比较器单元。

更进一步的，所述死区控制模块包括2个多路选择器，分别控制多个D触发器，通过CTRL控制字在线调整D触发器的数量，控制死区时间的长度。

进一步的，所述功放组件还包括功放监测模块，所述功放监测模块连接所述控制中心，对H桥的电流和温度进行监测，将工作状态信息送入控制中心。

一种全数字式主动声纳发生方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：通过在FPGA中集成信号发生器、功放控制器、串行通信模块的控制中心，在FPGA内部利用数字延迟线完成波束形成，由数字波形直接生成PWM波形并实现PWM波形的死区控制；PWM波形进入功放组件；

步骤二：功放组件中，通过驱动电路将控制中心产生的PWM信号进行隔离后，送入驱动器，产生场效应管的驱动信号；通过H桥将驱动电路产生的驱动信号变为高电压、大电流信号；通过低通滤波将高电压大电流的PWM波形低通滤波，产生大功率的发射波形；通过匹配网络与发射换能器进行阻抗匹配，将大功率波形输送给发射换能器。

进一步的，步骤一所述利用数字延迟线完成波束形成，延时时间有两种计算方法：

(1)对于阵元排布规则的阵列，阵元坐标表示为pi＝[x_i,y_i,z_i]^T，发射波束指向为a(a为单位方向矢量)，表示为a＝[sinθcosφ,sinθsinφ,cosθ]^T，直接计算出各个阵元的延时时间

其中，c为水中声速；对τ_i进行规整化处理，

(2)对于不规则阵列，通过测量阵列的接收阵列流行矢量，间接得到阵元的延时时间；通过水池或湖上试验得到阵列在方向a时的接收阵列流行矢量υ，

其中ω为测试信号的角频率，为各个阵元接收信号的相位，则每个阵元的延时由接收阵列流行矢量得到阵元接收波束形成的延时时间，进一步对接收延时进行规整化处理，得到发射波束形成的延时时间，

${\mathrm{\τ}}_i=\underset{1\≤j\≤N}{max}\left\{{\mathrm{\τ}}_j\right\}-{\mathrm{\τ}}_i;$

实际延时时间与理论值有一定误差，误差为Δτ_i＝τ_i-kT_s；其中，T_s为采样周期，k＝round(τ_iT_s)，round()表示四舍五入取整，则-T_s2＜Δτ_i＜T_s2，采样频率越高，延时误差Δτ_i越小。

更进一步的，所述采样频率大于发射信号中心频率的10倍。

优选的，步骤一所述由数字波形直接生成PWM波形的方法为：数字波形的幅度为-A/2～A/2，首先进行幅度偏移，偏移量为L/2，L为计数器的进制；偏移后的数字信号与L进制的计数器进行比较，比较结果即PWM波形；PWM波形的最小脉宽为T_c为计数器时钟周期，PWM信号最小占空比为

优选的，步骤一所述实现PWM波形的死区控制的方法为：生成的多路PWM波形经过处理，生成互补的PWM波形，同时每对互补波形之间存在一定的死区时间；通过控制字，在线调整D触发器的数量，控制死区时间的长度，死区时间调整精度为一个时钟周期。

相对于现有技术，本发明的优点在于：

(1)本发明提供的全数字化声纳发射机将信号发生器、D类功放控制器、串行通信等模块集中在FPGA中，具有波形存储、发射功率控制、发射波束形成、PWM波形生成、死区控制等功能，并能进行收发同步，监测功放的工作状态。本发明节省了传统发射机中的D/A转换过程，简化了发射机结构的复杂度和调试难度，提高了系统的可靠性。

(2)本发明提供的全数字化声纳发射机在FPGA内部利用数字延时线完成波束形成,提高了发射功率和发射指向性。

(3)本发明提供的全数字化声纳发射机由数字波形直接生成了PWM波形，节省了传统D类功放模拟波形与调制载波比较生成PWM波形的环节，提高的抗干扰性能。

(4)本发明提供的全数字化声纳发射机在FPGA内部实现了PWM波形的死区控制，可以实时在线精确调整PWM波形的死区时间，降低了功放的调试难度。

附图说明

图1为全数字主动声纳发射机的系统结构示意图；

图2为全数字主动声纳发射机控制中心的结构示意图；

图3为全数字主动声纳发射机控制中心产生PWM波形的方法示意图；

图4为全数字主动声纳发射机控制中心调制死区时间的方法示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图对本发明提供的全数字化主动声纳发射机作进一步的详细说明。

1.发射机总体结构和功能

图1为全数字主动声纳发射机的系统结构。发射机安置在功放机柜中，包含控制中心(FPGA)、存储器和多个功放组件，其中每个功放组件包含驱动电路、H桥、低通滤波和匹配网络等模块。FPGA集成了信号发生器、D类功放控制器、串行通信等模块，具有波形存储、发射功率控制、发射波束形成、PWM波形生成、死区控制等功能，并能进行收发同步，监测功放的工作状态。FGPA使用RS485串行通信方式与信号处理机柜交互工作参数和状态信息，并使用时间同步信号与接收机实现收发同步。FPGA生成的PWM波形经过功放组件的驱动电路后，连接至H桥生成大功率数字信号，信号经过低通滤波，模拟波形通过匹配网络输出送给发射换能器。

图2为全数字主动声纳发射机控制中心的结构。FPGA通过串行通信模块接收控制计算机的控制指令，将指令发送给命令解析模块，解析的命令包括信号类型、发射功率、发射方式等内容，分别送给读取波形、幅度控制、波束形成模块。读取波形模块根据信号类型参数读取存储器的发射波形、在时间同步信号有效时，将数据发送给幅度控制模块。幅度控制模块根据发射功率参数，控制乘法器的系数，调整发射信号的幅度。调整幅度后的信号进入波束形成模块，根据发射方式参数，控制多路信号通道中各个通道是否发射信号，发射信号的通道通过数字延时线进行延时发射。波束形成后的多路信号进入PWM产生模块，与计数器的结果进行比较，生成PWM波形。各路PWM波形进入死区控制模块，生成对应的互补的PWM波形，每对PWM信号进行死区时间设置。

2.发射波束形成的实现方法

本发明提出的全数字化主动声纳发射机进行发射波束形成，相控阵发射，目的是提高发射声源级和波束指向性。发射阵列中，阵元个数为N，各阵元坐标表示为p_i＝[x_i,y_i,z_i]^T，发射波束指向为a(a为单位方向矢量)，可以表示为a＝[sinθcosφ,sinθsinφ,cosθ]^T。

对于阵元排布较规则的阵列(直线阵或圆弧阵)，可以通过阵列几何形状得到阵元坐标p_i，直接计算出各个阵元的延时时间τ_i，

${\mathrm{\τ}}_i=\frac{a^T{p}_i}{c}---\left(3\right)$

其中，c为水中声速。对τ_i进行规整化处理，

${\mathrm{\τ}}_i={\mathrm{\τ}}_i-\underset{1\≤j\≤N}{\min }\left\{{\mathrm{\τ}}_j\right\}---\left(4\right)$

对于不规则阵列，阵元准确坐标难以获得时，可以通过测量阵列的接收阵列流行矢量，间接得到阵元的延时时间。通过水池或湖上试验得到阵列在方向a时的接收阵列流行矢量υ，

其中ω为测试信号的角频率，为各个阵元接收信号的相位，则每个阵元的延时

由接收阵列流行矢量得到阵元接收波束形成的延时时间，进一步对接收延时进行规整化处理，得到发射波束形成的延时时间，

${\mathrm{\τ}}_i=\underset{1\≤j\≤N}{max}\left\{{\mathrm{\τ}}_j\right\}-{\mathrm{\τ}}_i---\left(6\right)$

FPGA实现可控数字延迟线，使用延时法设计发射波形成系统。由于数字延时的离散性，延时量不能做到连续变化，只能是采样周期的整数倍，实际延时时间与理论值将会有一定误差，误差为

Δτ_i＝τ_i-kT_s(7)

其中，T_s为采样周期，k＝round(τ_iT_s)，round()表示四舍五入取整，则-T_s2＜Δτ_i＜T_s2，采样频率越高，延时误差Δτ_i越小。本发明中，设置采样频率大于发射信号中心频率十倍以上，发射波束图和理论波束图的差异可以忽略。

3.PWM波形的实现方法

图3为全数字主动声纳发射机控制中心产生PWM波形的方法。波形数据在存储、幅度调整、波束形成时均是以补码形式存在，进入PWM生成前，幅度为-A/2～A/2。波形首先经过幅度偏移，偏移量为L/2，L为计数器的进制。偏移后的数字信号与L进制的计数器进行比较，比较结果即PWM波形。PWM波形的最小脉宽为T_c为计数器时钟周期，则PWM信号最小占空比为

4.死区时间控制的实现方法

D类放大器一般采用半桥或全桥结构，同一桥臂两个开关管的驱动信号呈互补结构，为了防止开关管发生直通现象，互补的两个驱动信号应存在一定的死区时间。图4为全数字主动声纳发射机控制中心调制死区时间的方法。图4中，CLK为时钟信号，PWM为CLK时钟下产生的数字波形，CTRL调整死区时间的控制字，PQ1和PQ2为互补的两路PWM信号。可以通过CTRL控制字，可以在线调整D触发器的数量，控制死区时间的长度，死区时间调整精度为一个时钟周期。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全数字式主动声纳发射机，包括：

(1)一个控制中心，所述控制中心连接存储器；

(2)多个并行的与所述控制中心连接的功放组件；

其特征在于：所述控制中心在FPGA中集成信号发生器、功放控制器、串行通信模块，用于在FPGA内部利用数字延迟线完成波束形成，由数字波形直接生成PWM波形并实现PWM波形的死区控制；

所述功放组件包括驱动电路、H桥、低通滤波、匹配网络；

所述驱动电路将控制中心产生的PWM信号进行隔离后，送入驱动器，产生场效应管的驱动信号；

所述H桥由大功率场效应管组成，将驱动电路产生的驱动信号变为高电压、大电流信号；

所述低通滤波将高电压大电流的PWM波形低通滤波，产生大功率的发射波形；

所述匹配网络与发射换能器进行阻抗匹配，将大功率波形输送给发射换能器。

2.根据权利要求1所述的一种全数字式主动声纳发射机，其特征在于：所述信号发生器包括命令解析模块、波形产生模块、幅度控制模块、波束形成模块；所述D类功放控制器包括PWM产生模块、死区控制模块；

所述串行通信模块与控制计算机进行通信并将接收的信息发送给命令解析模块；

所述命令解析模块将串行通信模块接收到的信息进行解析，解析后的命令传送给波形产生模块、幅度控制模块、波束形成模块；

所述信号产生模块根据解析的命令，读取所述存储器中存取的波形，或者根据解析的命令，利用DDS技术实时产生单频信号或调频信号；

所述幅度控制模块根据解析命令，利用乘法器调整数据的幅度，达到控制发射功率的目的；

所述波束形成模块根据解析指令，利用数字延迟线，将幅度调整后的波形进行发射波束形成，在多个信号通道中选择是否发射信号，对于发射信号的通道计算各信号的延时时间，进行延时发射；

所述PWM产生模块将波束形成后的各路数字信号与计数器值进行比较，生成PWM波形；

所述死区控制模块将生成的多路PWM波形经过处理，生成互补的PWM波形，同时每对互补波形之间存在一定的死区时间。

3.根据权利要求2所述的一种全数字式主动声纳发射机，其特征在于：所述PWM产生模块包括偏移单元，计数器单元，数字比较器单元；所述偏移单元连接波束形成模块，所述偏移单元，计数器单元连接数字比较器单元。

4.根据权利要求2所述的一种全数字式主动声纳发射机，其特征在于：所述死区控制模块包括2个多路选择器，分别控制多个D触发器，通过CTRL控制字在线调整D触发器的数量，控制死区时间的长度。

5.根据权利要求1所述的一种全数字式主动声纳发射机，其特征在于：所述功放组件还包括功放监测模块，所述功放监测模块连接所述控制中心，对H桥的电流和温度进行监测，将工作状态信息送入控制中心。

6.如权利要求1所述一种全数字式主动声纳发射机的声纳发生方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：通过在FPGA中集成信号发生器、功放控制器、串行通信模块的控制中心，在FPGA内部利用数字延迟线完成波束形成，由数字波形直接生成PWM波形并实现PWM波形的死区控制；PWM波形进入功放组件；

步骤二：功放组件中，通过驱动电路将控制中心产生的PWM信号进行隔离后，送入驱动器，产生场效应管的驱动信号；通过H桥将驱动电路产生的驱动信号变为高电压、大电流信号；通过低通滤波将高电压大电流的PWM波形低通滤波，产生大功率的发射波形；通过匹配网络与发射换能器进行阻抗匹配，将大功率波形输送给发射换能器。

7.根据权利要求6所述的一种声纳发生方法，其特征在于，步骤一所述利用数字延迟线完成波束形成，延时时间有两种计算方法：

(1)对于阵元排布规则的阵列，阵元坐标表示为p_i＝[x_i,y_i,z_i]^T，发射波束指向为a(a为单位方向矢量)，表示为a＝[sinθcosφ,sinθsinφ,cosθ]^T，直接计算出各个阵元的延时时间

其中，c为水中声速；对τ_i进行规整化处理，

(1)对于不规则阵列，通过测量阵列的接收阵列流行矢量，间接得到阵元的延时时间；通过水池或湖上试验得到阵列在方向a时的接收阵列流行矢量υ，

其中ω为测试信号的角频率，为各个阵元接收信号的相位，则每个阵元的延时由接收阵列流行矢量得到阵元接收波束形成的延时时间，进一步对接收延时进行规整化处理，得到发射波束形成的延时时间，

实际延时时间与理论值有一定误差，误差为Δτ_i＝τ_i-kT_s；其中，T_s为采样周期，k＝round(τ_i/T_s)，round()表示四舍五入取整，则-T_s/2＜Δτ_i＜T_s/2。

8.根据权利要求7所述的一种声纳发生方法，其特征在于，采样频率1/T_s大于发射信号中心频率的10倍。

9.根据权利要求6所述的一种声纳发生方法，其特征在于，步骤一所述由数字波形直接生成PWM波形的方法为：数字波形的幅度为-A/2～A/2，首先进行幅度偏移，偏移量为L/2，L为计数器的进制；偏移后的数字信号与L进制的计数器进行比较，比较结果即PWM波形；PWM波形的最小脉宽为T_c为计数器时钟周期，PWM信号最小占空比为

10.根据权利要求6所述的一种声纳发生方法，其特征在于，步骤一所述实现PWM波形的死区控制的方法为：生成的多路PWM波形经过处理，生成互补的PWM波形，同时每对互补波形之间存在一定的死区时间；通过控制字，在线调整D触发器的数量，控制死区时间的长度，死区时间调整精度为一个时钟周期。