CN108337007B - 水声发射系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开水声发射系统，在进行功率放大之前，将信号发生模块的输出信号进行放大、抗混叠滤波，去除混叠频率分量，再进行加法乘法调制，提高输出信噪比，减小低谐波失真，再进行整形、隔直和限宽，获取无震荡和尖峰的信号，防止直流成分常开、频繁开关功率放大电路中使用到的场效应管，第一信号调理模块、调制模块、第二信号调理模块的设置，保证有用信号能顺利进行功率放大和匹配，为提高发射效率提供基础，还保证功率放大电路的正常运行，提高了系统的稳定性。

Description

水声发射系统

技术领域

本发明涉及水下通信、水下探测领域，具体涉及水声发射系统。

背景技术

全潜式观光潜水艇、潜船、机器鱼等装置在水下作业，需使用水声发射系统向其它水下作业装置或者向水面的接收系统发送信号反馈信息。现有技术中，水声发射系统在发射效率、系统稳定性方面有待提高。现有技术着重于提高功率放大效果、提高转换器的转换效率来提升发射效率，而对水声发射的前端处理关注度较低。

发明内容

本发明提供水声发射系统，解决现有技术存在的未能从前端信号处理上提高发射效率、电路稳定性的问题。

本发明通过以下技术方案解决上述问题：

水声发射系统，包括信号发生模块、第一信号调理模块、调制模块、第二信号调理模块、数字信号处理模块、功率放大模块、匹配模块以及换能模块；所述第一信号调理模块包括放大电路、抗混叠滤波电路；所述调制模块包括加法器、量化器、反相器以及积分器；所述第二信号调理模块包括整形电路、限宽电路和隔直电路；所述信号发生模块的输出信号经放大电路、抗混叠滤波电路后，输出至调制模块中的加法器的一路输入端；所述加法器的输出信号经量化器、反相器、积分器之后输入至加法器的另一路输入端，所述反相器的输出端与第二信号调理模块中整形电路相连；所述整形电路的输出信号经限宽电路、隔直电路输入至数字信号处理模块中，所述整形电路的输出信号经限宽电路、隔直电路输入至功率放大模块中；所述数字信号处理模块向匹配模块发出控制信号，所述数字信号处理模块的输出信号经功率放大模块、匹配模块连接至换能模块。

进一步地，所述功率放大模块包括逻辑保护电路、电压放大电路、功率放大电路；所述逻辑保护电路的输入端与数字信号处理模块连接，所述逻辑保护电路的输入端还与第二信号调理模块的隔直电路的输出端连接，所述逻辑保护电路的输出端与电压放大电路的输入端连接；所述电压放大电路的输出端与功率放大电路的输入端连接；所述功率放大电路的输出端与匹配模块的输入端连接。

进一步地，所述匹配模块包括继电器电路、输入选择开关电路、串联谐振电路、并联谐振电路、混合谐振电路、输出选择开关电路；所述继电器电路接收数字信号处理模块的控制信号，接通或断开功率放大模块与匹配模块的连接；所述继电器电路的输出端与输入选择开关电路的输入端连接，所述输入选择开关电路有三路输出，这三路输出分别与串联谐振电路、并联谐振电路、混合谐振电路的输入端连接；所述串联谐振电路的输出端经输出选择开关电路与换能模块连接；所述并联谐振电路的输出端经输出选择开关电路与换能模块连接；所述混合谐振电路的输出端经输出选择开关电路与换能模块连接。

进一步地，所述功率放大电路为D类推挽式放大电路。

进一步地，所述换能模块包括FIR滤波器、数模转换器、功率放大器以及声学组件，所述匹配模块的输出信号经FIR滤波器、数模转换器、功率放大器后输入至声学组件中，所述声学组件将信号转换为声音辐射至外部水中。

与现有技术相比，具有如下特点：

1、在进行功率放大之前，将信号发生模块的输出信号进行放大、抗混叠滤波，去除混叠频率分量，再进行加法乘法调制，提高输出信噪比，减小低谐波失真，再进行整形、隔直和限宽，获取无震荡和尖峰的信号，，防止直流成分常开、频繁开关功率放大电路中使用到的场效应管，第一信号调理模块、调制模块、第二信号调理模块的设置，保证有用信号能顺利进行功率放大和匹配，为提高发射效率提供基础，还保证功率放大电路的正常运行，提高了系统的稳定性；

2、在功率放大模块设置逻辑保护，并进行电压放大之后再进行功率放大，既保护数字信号处理模块又进行多级放大，在保证电路稳定的情况下有效提高放大性能；

3、在匹配模块设置继电器电路，由数字信号处理模块控制功率放大模块与匹配模块的连接，功率放大模块输出的信号可选择串联、并联、混合谐振电路中的1路谐振电路进行匹配，可实现匹配结构的选择，为选择合适的匹配方式提供结构基础。

附图说明

图1为本发明结构原理框图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于这些实施例。

水声发射系统，包括信号发生模块、第一信号调理模块、调制模块、第二信号调理模块、数字信号处理模块、功率放大模块、匹配模块以及换能模块；所述第一信号调理模块包括放大电路、抗混叠滤波电路；所述调制模块包括加法器、量化器、反相器以及积分器；所述第二信号调理模块包括整形电路、限宽电路和隔直电路；所述信号发生模块的输出信号经放大电路、抗混叠滤波电路后，输出至调制模块中的加法器的一路输入端；所述加法器的输出信号经量化器、反相器、积分器之后输入至加法器的另一路输入端，所述反相器的输出端与第二信号调理模块中整形电路相连；所述整形电路的输出信号经限宽电路、隔直电路输入至数字信号处理模块中，所述整形电路的输出信号经限宽电路、隔直电路输入至功率放大模块中；所述数字信号处理模块向匹配模块发出控制信号，所述数字信号处理模块的输出信号经功率放大模块、匹配模块连接至换能模块。

信号发生模块的输出端与放大电路的输入端连接，放大电路的输出端与抗混叠滤波电路的输入端连接，抗混叠滤波电路的输出端与加法器的一路输入端连接，加法器的输出端与量化器的输入端连接，量化器的输出端与反相器的输入端连接，反相器的一路输出端与积分器的输入端连接，积分器的输出端与加法器的另一路输入端连接，反相器的另一路输出端与整形电路的输入端连接，整流电路的输出端与限宽电路的输入端连接，限宽电路的输出端与隔直电路的输入端连接，隔直电路的一路输出端与数字信号处理模块连接，隔直电路的另一路输出端与功率放大模块的一路输入端连接，功率放大模块的另一路输入端与数字信号处理模块连接，功率放大模块的输出端与匹配模块的输入端连接，匹配模块的控制端与数字信号处理模块连接，匹配模块的输出端与换能模块的输入端连接。

信号发生模块主要包括单片机、时序控制电路、锁相环回路、数字频率合成电路、DA转换电路、调制电路，单片机根据用户设置产生相应的预置参数信号和控制信号，传递给时序控制电路，时序控制电路根据预置参数信号和控制信号生成代表相应脉冲宽度、周期和调制方式的控制信号，输入至频率合成电路中，由频率合成电路产生相应的波形信号，信号经DA转换电路处理之后输入至调制电路中，经调制的信号输出至第一信号调理模块中，锁相环回路为时序控制电路和数字频率合成电路提供寻址频率信号。信号发生模块用于产生不同频率、幅度、相位的信号，产生的信号频率稳定性高、失真度小且连续可调。

第一信号调理模块包括放大电路、抗混叠滤波电路。放大电路对信号发生模块输出的低功率信号进行放大，增大输出功率，放大电路主要包括TL082运算放大器，具有较低的输入偏置电压和偏移电流，输出设有短路保护，同时输入端具有较高的输入阻抗，内建频率补偿电路和较高的压摆率。抗混叠滤波电路为巴特沃斯低通滤波器，具体为MAX7421。

调制模块为一阶ΣΔ调制器，包括有加法器、量化器、反相器以及积分器。加法器接收第一信号调理模块和积分器输出的信号，进行加法运算后输入至量化器，量化器将加法器的输出信号转换为数字信号，由反相器进行反向处理后输入至第二信号调理模块中，反向器的输出信号经积分器进行积分后作为加法器的另一路输入信号。调制模块对第一信号调理模块的输出信号进行ΣΔ调制，输出信噪比高、失谐小的信号。

第二信号调理模块对调制模块的输出信号进行整形、隔直、限宽，采用高速施密特反相器对信号进行整形，获取边沿陡峭，且无震荡和尖峰的信号，使用高通滤波器防止直流成分引起功率放大模块中功率管长时间开启，对长宽度的信号进行限宽，避免功率放大模块中的功率管频繁、持续处于开关状态，引起电路损坏，维持了功率放大模块的稳定性。

所述功率放大模块包括逻辑保护电路、电压放大电路、功率放大电路；所述逻辑保护电路的输入端与数字信号处理模块连接，所述逻辑保护电路的输入端还与第二信号调理模块的隔直电路的输出端连接，所述逻辑保护电路的输出端与电压放大电路的输入端连接；所述电压放大电路的输出端与功率放大电路的输入端连接；所述功率放大电路的输出端与匹配模块的输入端连接。

发射机在长期工作当中,不可避免的会出现一些意外情况,而任何一个意外情况都可能会对系统造成不可挽回的损失,浪费了时间和精力,而发射机所用到的电子器件当中,最为脆弱的就是功率管,因此，本发明设置逻辑保护电路来避免发生误触发。逻辑保护电路对数字信号处理模块的信号进行逻辑运算，防止尖刺和不稳定信号影响本系统的稳定性。

电压放大电路通过6个耐高压三极管对接收的信号进行升压，升压后的信号输入至功率放大电路中进行功率放大。其中，所述功率放大电路为电压开关型D类推挽式放大电路。由于功率放大模块发射功率大，该部分增加过热保护电路，为功率放大电路的功率管散热，维持功率放大模块的正常运行。

匹配模块包括继电器电路、输入选择开关电路、串联谐振电路、并联谐振电路、混合谐振电路、输出选择开关电路；所述继电器电路接收数字信号处理模块的控制信号，接通或断开功率放大模块与匹配模块的连接；所述继电器电路的输出端与输入选择开关电路的输入端连接，所述输入选择开关电路有三路输出，这三路输出分别与串联谐振电路、并联谐振电路、混合谐振电路的输入端连接；所述串联谐振电路的输出端经输出选择开关电路与换能模块连接；所述并联谐振电路的输出端经输出选择开关电路与换能模块连接；所述混合谐振电路的输出端经输出选择开关电路与换能模块连接。

数字信号处理模块主要包含DSP芯片，向继电器电路发送控制信号，接通或断开功率放大模块与匹配模块的连接。功率放大电路输出的信号经继电器电路输入至输入选择开关电路中，输入选择开关电路为3选1的开关导通其中1路谐振电路，信号经串联谐振电路、并联谐振电路、混合谐振电路中的其中1路后，经输出选择开关输出至换能模块中。本发明可在数字信号处理模块的控制下，选择其中1路谐振电路进行匹配，为获得最佳的匹配网络结构提供了可能。

换能模块主要包括FIR滤波器、数模转换器、功率放大器、声学组件，所述匹配模块的输出信号经FIR滤波器、数模转换器、功率放大器后输入至声学组件中。换能模块接收匹配模块的信号后进行FIR滤波器，进行响应平坦度的补偿，滤波后的信号经数模转换器后输入至功率放大器，进行动态范围的控制和功率放大，功率放大器输出的信号直接输入至声学组件，转换为声信号辐射至水中。

Claims (3)

1.水声发射系统，其特征在于：

包括信号发生模块、第一信号调理模块、调制模块、第二信号调理模块、数字信号处理模块、功率放大模块、匹配模块以及换能模块；

所述第一信号调理模块包括放大电路、抗混叠滤波电路；所述调制模块包括加法器、量化器、反相器以及积分器；所述第二信号调理模块包括整形电路、限宽电路和隔直电路；

所述信号发生模块的输出信号经放大电路、抗混叠滤波电路后，输出至调制模块中的加法器的一路输入端；所述加法器的输出信号经量化器、反相器、积分器之后输入至加法器的另一路输入端，所述反相器的输出端与第二信号调理模块中整形电路相连；所述整形电路的输出信号经限宽电路、隔直电路输入至数字信号处理模块中，所述整形电路的输出信号经限宽电路、隔直电路输入至功率放大模块中；所述数字信号处理模块向匹配模块发出控制信号，所述数字信号处理模块的输出信号经功率放大模块、匹配模块连接至换能模块；所述放大电路主要包括运算放大器，所述抗混叠滤波电路为巴特沃斯低通滤波器；

所述功率放大模块包括逻辑保护电路、电压放大电路、功率放大电路；所述逻辑保护电路的输入端与数字信号处理模块连接，所述逻辑保护电路的输入端还与第二信号调理模块的隔直电路的输出端连接，所述逻辑保护电路的输出端与电压放大电路的输入端连接；所述电压放大电路的输出端与功率放大电路的输入端连接；所述功率放大电路的输出端与匹配模块的输入端连接；

所述匹配模块包括继电器电路、输入选择开关电路、串联谐振电路、并联谐振电路、混合谐振电路、输出选择开关电路；

所述继电器电路接收数字信号处理模块的控制信号，接通或断开功率放大模块与匹配模块的连接；

所述继电器电路的输出端与输入选择开关电路的输入端连接，所述输入选择开关电路有三路输出，这三路输出分别与串联谐振电路、并联谐振电路、混合谐振电路的输入端连接；所述串联谐振电路的输出端经输出选择开关电路与换能模块连接；所述并联谐振电路的输出端经输出选择开关电路与换能模块连接；所述混合谐振电路的输出端经输出选择开关电路与换能模块连接。

2.根据权利要求1所述的水声发射系统，其特征在于：所述功率放大电路为D类推挽式放大电路。

3.根据权利要求1所述的水声发射系统，其特征在于：

所述换能模块包括FIR滤波器、数模转换器、功率放大器以及声学组件，所述匹配模块的输出信号经FIR滤波器、数模转换器、功率放大器后输入至声学组件中，所述声学组件将信号转换为声音辐射至外部水中。