CN109946684A - 一种具备大输出动态范围的宽带声呐发射机 - Google Patents

Abstract

本发明属于水声计量校准装置研究领域，具体涉及一种具备大输出动态范围的宽带声呐发射机，由信源模块、信号数模转换器、输入阻抗变换电路、压控编码转换器、可控增益电路模块、驱动放大电路模块、互补功率放大电路、变压器电路、阻抗匹配电路组成，信源模块、信号数模转换器、输入阻抗变换电路、可控增益电路模块、驱动放大电路模块、互补功率放大电路、变压器电路、阻抗匹配电路的前后级输出与输入依次相连，信源模块经压控编码转换器与可控增益电路模块相连。本发明实现了大动态范围功率的输出，可支撑水池小尺度条件下声呐距离量值计量校准过程中大动态范围目标模拟声信号的产生与发射。

Description

一种具备大输出动态范围的宽带声呐发射机

技术领域

本发明属于水声计量校准装置研究领域，具体涉及一种具备大输出动态范围的宽带声呐发射机。

背景技术

探测距离量值是定位声呐、探测声呐计量校准的重要指标，但由于室内水池尺度有限(通常在几米至百米量级，而声呐作用距离从几十米、几百米至几公里，甚至几十公里不等)，无法直接满足声呐大作用距离量值的计量校准需求；而外场测试环境不确定性因素多，如测试平台不稳定、水文条件复杂、环境噪声级高等，难以对距离量值进行准确地计量校准，也无法与室内水池测试平台稳定、测试环境可控以及环境参量可测等优势相比拟，长期以来这个问题在水声计量校准领域已成为一个困扰实际声呐装备距离量值有效、准确计量与校准的难题。为此，发明人提出了室内水池条件下开展声呐探测距离量值计量校准的技术方案，即采用目标声信号模拟的方案实现水池条件下的距离量值计量与校准，即在某一较近距离上发射弱的声波信号来模拟大距离处声呐发射的声波信号，将与各种距离量值相对应的声衰减量值的变化转化为目标模拟声呐辐射声波强度的变化。这就要求计量校准装置的目标模拟声呐发射机具有大的功率输出动态范围，以满足大距离范围内对声呐距离量值进行计量与校准的需求。

为此，本发明提出一种具备大输出动态范围的宽带声呐发射机，打破常规声呐发射机仅输出某一固定功率，仅具备固定增益的技术现状，创新性地提出大输出动态范围的宽带声呐发射机实施方案，特别解决水池条件下声呐距离量值计量校准装置的研制问题，不仅可以实现大距离范围内声呐作用距离量值的计量与校准，而且其宽带特性还可在较宽的频道范围内适用于多种具有不同工作频率的声呐距离量值的计量校准。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具备大输出动态范围的宽带声呐发射机，具有大的输出动态范围，并具备宽带信号输出特性。

一种具备大输出动态范围的宽带声呐发射机，由信源模块、信号数模转换器、输入阻抗变换电路、压控编码转换器、可控增益电路模块、驱动放大电路模块、互补功率放大电路、变压器电路、阻抗匹配电路组成，信源模块、信号数模转换器、输入阻抗变换电路、可控增益电路模块、驱动放大电路模块、互补功率放大电路、变压器电路、阻抗匹配电路的前后级输出与输入依次相连，信源模块经压控编码转换器与可控增益电路模块相连。

所述信源模块具有同步信号输入接口和控制指令输入接口，同步信号输入接口输入正极性同步脉冲信号，控制指令输入接口采用串口或网口，信源模块采用+5VDC供电。

所述可控增益电路模块的引脚In与压控码转换器的输出相连，引脚Out与驱动放大电路模块的输入相连。

所述驱动放大电路模块内有过流保护电路。

所述互补功率放大电路为并联推挽式功率放大电路。

本发明的有益效果在于：

本发明实现了大动态范围功率的输出，可支撑水池小尺度条件下声呐距离量值计量校准过程中大动态范围目标模拟声信号的产生与发射；本发明在宽频带上具备信号发射能力，从而可适用于不同工作频率的声呐进行距离量值的计量校准；本发明具有广阔的应用前景，例如还可应用于大动态范围回波信号模拟器，用于模拟大动态范围宽带水声信号。

附图说明

图1为具备大输出动态范围的宽带声呐发射机组成及连接示意图；

图2为本发明一个实施例的输入阻抗变换电路原理图；

图3为本发明一个实施例的可控增益电路模块原理图；

图4为本发明一个实施例的驱动放大电路模块原理图；

图5为本发明一个实施例的功率互补放大电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

如图1所示，一种具备大输出动态范围的宽带声呐发射机，包括信源模块、信号数模转换器、输入阻抗变换电路、压控编码转换器、可控增益电路模块、驱动放大电路模块、互补功率放大电路、变压器电路、阻抗匹配电路。信源模块、信号数模转换器、输入阻抗变换电路、可控增益电路模块、驱动放大电路模块、互补功率放大电路、变压器电路、阻抗匹配电路的前后级输出与输入依次相连；信源模块经压控编码转换器与可控增益电路模块相连。

信源模块的功能由FPGA实现，具备同步信号输入接口和控制指令输入接口，信源模块在同步信号触发下周期性产生信源信号，信源模块依据控制指令输出压控编码，经压控编码转换器输出至可控增益电路模块，控制可控增益电路模块实现大动态范围信号的输出。

信号数模转换器将信源模块产生的数字信号转换为模拟信号，输入阻抗变换电路，阻抗变换电路用于提高对后级电路的带载能力。可控增益电路模块在压控编码控制下实现信号电压大动态范围的调节输出，最终决定整个发射机大输出动态范围的实现；驱动放大电路模块为后级产生具备大电流驱动能力的信号，同时也具备信号放大功能；功率互补放大电路为并联推挽式功率放大电路，以双推挽电路确保大功率输出能力；变压器电路实现升压功能，阻抗匹配电路实现发射机与宽带换能器间的阻抗匹配，使发射机最大限度得向宽带换能器输出功率。

下面以一个具体的实施例进行说明：

信源模块的功能由FPGA实现，具备同步信号输入接口(正极性同步脉冲信号)和控制指令输入接口(采用串口，也可采用网口)，信源模块在同步信号触发下周期性产生信源信号，信源模块依据控制指令输出压控编码，经压控编码转换器输出至可控增益电路模块，控制可控增益电路模块实现60dB动态范围信号的输出，FPGA采用+5VDC供电。

信号数模转换器将信源模块产生的数字信号转换为模拟信号，而输入阻抗变换电路用于提高对后级电路的带载能力，该实例中输入阻抗变换电路原理图如图2所示。对于一个提供电压信号的电压源，其输入阻抗越低越好，而对于一个接收电压信号的放大器来说，其输入端的输入阻抗越大越好。本发明利用一个运算放大器，基于电压跟随器原理构造阻抗变换电路，使该部分电路输入阻抗高、输出阻抗低的特性，起到阻抗变换的作用，在信号数模转换器和可控增益电路模块间起匹配、缓冲作用，其中，运算放大器采用±5VDC供电。

可控增益电路模块在压控编码控制下实现信号电压60dB动态范围的调节输出，最终决定整个发射机60dB输出动态范围的实现。该实施例中可控增益电路模块原理图如图3所示，引脚In与压控码转换器的输出相连，引脚Out与驱动放大电路模块相连。该可控增益电路模块可使用低噪声、单端、线性、通用型可变增益放大器AD8336，可以在较大的电源电压范围内工作，压控增益范围为0dB至60dB。它内置一个非专用前置放大器，可用增益范围为6 dB至26dB，绝对增益限制为-26dB至+34dB。当前置放大器增益调整为26dB时，前置放大器与压控增益的合并3dB带宽为25MHz，满足宽带发射机的需求。采用±5VDC供电，最大输出电压为7Vpp。如在高温下工作，通过置位PWRA引脚可将静态功耗限制在安全水平。通过依次设置电阻R1与R2的值为1.9kΩ和100Ω将可控增益电路模块前放增益固定在26dB，从而确定可控增益电路模块整体增益范围为0-60dB。通过FPGA产生控制信号经压控编码转换器(数模转换)传给11引脚GPOS，控制11引脚与12引脚GNEG间的电压差值，可使整个电路的增益在0-60dB内变化，实现设计所需要的大动态范围的要求。

驱动放大电路模块为后级产生具备大电流驱动能力的信号，同时也具备信号放大功能，如图4所示，功率放大电路的驱动电路模块选用单片式高电压、大电流运算放大器OPA541 为核心芯片，其工作电压可达±40V，本实例采用±35VDC供电，其可连续输出5A大电流 (峰值电流可达10A)，且内有过流保护电路。本模块通过设置增益电阻R1、R2的阻值，将前级电路模块送过来的电压放大4倍。电容C1、C2与C3、C4组成电源退耦电路以消除电源噪声。OPA541还具有过流保护功能，限流值由外接过流取样电阻R_CL的阻值决定。

功率互补放大电路为并联推挽式功率放大电路，以双推挽电路确保大功率输出能力，如图5所示，NPN三极管Q1和PNP三极管Q3是一对特性相同的互补对称功率管，实例选用的三极管分别为2SC6011A和2SA2151A，Q1和Q3的基极连接在一起，作为交流信号的输入端，Q1和Q3的发射极相互联结在一起，作为信号的输出端Out，与负载相连，同样，另一组对管Q2和Q4连接方式相同，并且也均采用±35V供电。每组功率对管的最大输出电流可达15A，两组并联的功率对管的最大输出电流则可达30A。功率放大电路追求在电源电压固定的情况下输出功率尽可能地大，本发明旨在结构简单的原则下高效率地满足大功率输出的技术要求。乙类功放转换效率高，但存在交越失真，不过可通过施加偏置电压来减小交越失真，为此，本次发明在两对对管输入级分别引入两对二极管D1、D2和D3、D4，通过施加偏置电压实现抑制交越失真的目的。

变压器电路实现升压功能，阻抗匹配电路实现发射机与宽带换能器间的阻抗匹配，使发射机最大限度得向宽带换能器输出功率。

该发射机的主要技术指标为：

(1)工作频率范围：18～50kHz

(2)电源电压：±35VDC、±5VDC、+5VDC

(3)输出动态范围：60dB

本发明公开了一种具备大输出动态范围的宽带声呐发射机，包括信源模块、信号数模转换器、输入阻抗变换电路、压控编码转换器、可控增益电路模块、驱动放大电路模块、互补功率放大电路、变压器电路、阻抗匹配电路。在同步信号触发下，信源模块根据控制指令产生信源信号，信源信号经信号数模转换器转变为模拟信号后经输入阻抗变换电路输入可控增益电路模块，同时，信源模块根据控制指令产生压控编码控制可控增益电路模块输出大动态范围驱动信号，该信号依次经驱动放大电路模块、互补功率放大电路、变压器电路以及阻抗匹配电路产生大功率信号驱动宽带换能器发射。本发明的有益效果是该发射机可在大动态范围上具备发射宽带水声信号的能力，可支撑基于目标声信号模拟方法的声呐距离量值计量校准工作。

一种具备大输出动态范围的宽带声呐发射机，包括信源模块、信号数模转换器、输入阻抗变换电路、压控编码转换器、可控增益电路模块、驱动放大电路模块、互补功率放大电路、变压器电路、阻抗匹配电路。信源模块、信号数模转换器、输入阻抗变换电路、可控增益电路模块、驱动放大电路模块、互补功率放大电路、变压器电路、阻抗匹配电路的前后级输出与输入依次相连；信源模块经压控编码转换器与可控增益电路模块相连。

根据权利要求1所述的一种具备大输出动态范围的宽带声呐发射机，所述的信源模块的功能由FPGA实现，具备同步信号输入接口和控制指令输入接口，信源模块在同步信号触发下周期性产生信源信号，信源模块依据控制指令输出压控编码，经压控编码转换器输出至可控增益电路模块，控制可控增益电路模块实现大动态范围信号的输出。

所述的信号数模转换器将信源模块产生的数字信号转换为模拟信号，输入阻抗变换电路，阻抗变换电路用于提高对后级电路的带载能力。所述的可控增益电路模块在压控编码控制下实现信号电压大动态范围的调节输出，最终决定整个发射机大输出动态范围的实现。所述的驱动放大电路模块为后级产生具备大电流驱动能力的信号，同时也具备信号放大功能；所述的功率互补放大电路为并联推挽式功率放大电路，以双推挽电路确保大功率输出能力；所述的变压器电路实现升压功能，阻抗匹配电路实现发射机与宽带换能器间的阻抗匹配，使发射机最大限度得向宽带换能器输出功率。

探测距离量值是定位声呐、探测声呐计量校准的重要指标，但由于室内水池尺度有限(通常在几米至百米量级，而声呐作用距离从几十米、几百米至几公里，甚至几十公里不等)，无法直接满足声呐大作用距离量值的计量校准需求；而外场测试环境不确定性因素多，如测试平台不稳定、水文条件复杂、环境噪声级高等，难以对距离量值进行准确地计量校准，也无法与室内水池测试平台稳定、测试环境可控以及环境参量可测等优势相比拟，长期以来这个问题在水声计量校准领域已成为一个困扰实际声呐装备距离量值有效、准确计量与校准的难题。为此，发明人提出了室内水池条件下开展声呐探测距离量值计量校准的技术方案，即采用目标声信号模拟的方案实现水池条件下的距离量值计量与校准，即在某一较近距离上发射弱的声波信号来模拟大距离处声呐发射的声波信号，将与各种距离量值相对应的声衰减量值的变化转化为目标模拟声呐辐射声波强度的变化。这就要求计量校准装置的目标模拟声呐发射机具有大的功率输出动态范围，以满足大距离范围内对声呐距离量值进行计量与校准的需求。

为此，本发明提出一种具备大输出动态范围的宽带声呐发射机，打破常规声呐发射机仅输出某一固定功率，仅具备固定增益的技术现状，创新性地提出大输出动态范围的宽带声呐发射机实施方案，特别解决水池条件下声呐距离量值计量校准装置的研制问题，不仅可以实现大距离范围内声呐作用距离量值的计量与校准，而且其宽带特性还可在较宽的频道范围内适用于多种具有不同工作频率的声呐距离量值的计量校准。

本发明实现了大动态范围功率的输出，可支撑水池小尺度条件下声呐距离量值计量校准过程中大动态范围目标模拟声信号的产生与发射；本发明在宽频带上具备信号发射能力，从而可适用于不同工作频率的声呐进行距离量值的计量校准；本发明具有广阔的应用前景，例如还可应用于大动态范围回波信号模拟器，用于模拟大动态范围宽带水声信号。

Claims (5)

1.一种具备大输出动态范围的宽带声呐发射机，由信源模块、信号数模转换器、输入阻抗变换电路、压控编码转换器、可控增益电路模块、驱动放大电路模块、互补功率放大电路、变压器电路、阻抗匹配电路组成，其特征在于，信源模块、信号数模转换器、输入阻抗变换电路、可控增益电路模块、驱动放大电路模块、互补功率放大电路、变压器电路、阻抗匹配电路的前后级输出与输入依次相连，信源模块经压控编码转换器与可控增益电路模块相连。

2.根据权利要求1所述的一种具备大输出动态范围的宽带声呐发射机，其特征在于，所述信源模块具有同步信号输入接口和控制指令输入接口，同步信号输入接口输入正极性同步脉冲信号，控制指令输入接口采用串口或网口，信源模块采用+5VDC供电。

3.根据权利要求1所述的一种具备大输出动态范围的宽带声呐发射机，其特征在于，所述可控增益电路模块的引脚In与压控码转换器的输出相连，引脚Out与驱动放大电路模块的输入相连。

4.根据权利要求1所述的一种具备大输出动态范围的宽带声呐发射机，其特征在于，所述驱动放大电路模块内有过流保护电路。

5.根据权利要求1所述的一种具备大输出动态范围的宽带声呐发射机，其特征在于，所述互补功率放大电路为并联推挽式功率放大电路。