CN111780862A - 一种甚低频自容式压电水听器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种甚低频自容式压电水听器。本发明中信号调理与采集电路包括前置放大器、程控放大电路、模数转换电路，低频压电陶瓷环的信号输出端与所述前置放大器相连，所述前置放大器的输出端连接所述程控放大电路，所述程控放大电路的输出端连接所述模数转换电路，所述模数转换电路信号输出端与微控制器双向连接，大容量存储电路与微处理器双向连接。甚低频自容式压电水听器还包括上位机和水密线缆，微控制器将经过处理的数字量通过所述的信号传输电路以水密线缆的方式传输至所述上位机。本发明的压电水听器的前置放大器具有高输入阻抗和超低噪声特性，解决了传统压电水听器低频相应差的问题，对海洋甚低频声波的探测具有一定的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于海洋甚低频压力波动探测领域，具体涉及一种甚低频自容式压电水听器。
背景技术
在海洋中，传播着各种频率的声波，既有由风浪、海上帆船、水中生物等引起的高频声、中频声以及低频声等水下声波，也存在由海洋运动、地震、海洋内波等引起的甚低频水下声波，其频率可低至0.1Hz以下。这些甚低频声信号由于在水中衰减较小，传播距离较远，逐渐成为远程探测和深海探测的手段。在水声领域，接收声信号的传感器是水听器。目前，对于低频水听器的技术研究已趋于成熟，然而用于甚低频探测的水听器研究较少，仍旧处于起步阶段。
近几年，国内已公开的低频水听器的研究中，大多数其下限频率只到几赫兹。李飞(文献《基于PVDF的低频水听器研究》2013昆明理工大学硕士论文)设计了PVDF水听器和与之匹配的前置放大器，水听器的下限频率为3Hz；于砚廷(文献《海岸工程》，2019(2))等人根据有限元理论研制了一种超低频、高灵敏度声压水听器，在10～1000Hz频段内，灵敏度为-179.64dB；赵欢(2016中国西部声学学术交流会论文集)等人设计的带低噪声前放的压电式水听器在10～10kHz频带内接收灵敏度均大于-170dB。
由于甚低频声波频率非常低，周期在十几秒到几十秒，这时上述文献水听器的输出阻抗通常高达几百兆欧，即使用高输入阻抗的测量放大器也很难实现阻抗匹配，因此测量中不可避免会出现失真。为了拓展低频水听器对甚低频声波的探测能力，常用的方法是增大前置放大器的输入阻抗，通常要求前置放大器的输入阻抗要比水听器的输出阻抗高100倍。但目前常用的测量仪表输入阻抗为1MΩ，就是专门用于前置放大器的产品，其输入阻抗也就100MΩ，亦无法满足甚低频的测量要求。针对这个问题，本发明设计了一种适合探测甚低频声波的前置放大器并考虑了水听器在低频段工作时噪声会明显增加的问题。此外，本发明以探测海洋甚低频声波出发，提供了一个操作简洁、功能强大、集成度高的测量仪器，兼备数据处理与存储的功能，方便了海上测试数据的获取。
发明内容
本发明为满足海洋甚低频压力波动探测方面的需求和针对普通压电水听器的低频响应范围有限，在测量中易产生失真的问题，提出了一种甚低频自容式压电水听器。
本发明解决技术问题所采取的技术方案为：
本发明包括低频压电陶瓷环、信号调理与采集电路、微控制器、信号传输电路、磁性开关电路、大容量存储电路，所述信号调理与采集电路包括前置放大器、程控放大电路、模数转换电路，所述低频压电陶瓷环的信号输出端与所述前置放大器相连，所述前置放大器的输出端连接所述程控放大电路，所述程控放大电路的输出端连接所述模数转换电路，所述模数转换电路信号输出端与所述微控制器双向连接，所述微控制器还与信号传输电路、大容量存储电路连接；所述磁性开关电路用于控制水听器供电系统。
多个低频压电陶瓷并联实现高静态，铜丝屏蔽网将整个压电陶瓷包裹，铜丝屏蔽网周围为聚氨酯透声层，所述低频压电陶瓷环通过双屏蔽线缆连接至所述前置放大器；
所述前置放大器具有高输入阻抗和超低噪声特性，其由第一级放大电路和第二级放大电路组成，所述第一级放大电路由结型场效应管与电阻R1、R2、R3以及电容C1共同组成，JFET管放大采用自给偏压电路。
进一步说，还包括与信号传输电路连接的上位机，所述的上位机内部集成数字均衡算法，用于压电水听器的灵敏度修正。数字均衡算法是通过数字滤波器对每一个频段进行滤波并对幅频相应修正。所述数字滤波器由多个零相位滤波器组成。
进一步说，所述上位机是基于PC端的虚拟仪器软件，所述上位机的界面包括参数设置版块、声学测量版块、波形显示版块、性能测试版块、波形和测试保存版块。
进一步说，所述水密线缆包括8芯超五类网线、2根触发信号线和2根电源线，所述8芯超五类网线、2根触发信号线和2根电源线硫化于同一根水密线缆。
进一步说，所述信号传输电路包括以太网芯片、RJ45水晶头和与所述以太网芯片连接的外围电路。
进一步说，所述大容量存储电路包括单片机、接口转换芯片、电源转换芯片、时钟校准芯片和TF卡，所述大容量存储电路通过SPI总线的方式与所述微控制器实现数据通信。
进一步说，所述微控制器包括FPGA芯片和与所述FPGA芯片连接外围电路，所述外围电路包括LED模块、DDR2模块、FLASH模块、时钟模块与DS2411模块。
本发明有益效果在于，本发明的压电水听器的前置放大器具有高输入阻抗和超低噪声特性，解决了传统压电水听器低频相应差的问题，对海洋甚低频声波的探测具有一定的应用价值。
附图说明
图1为本发明一种甚低频自容式压电水听器的一种实施例的结构示意图。
图2为本发明一种甚低频自容式压电水听器的一种实施例的工作原理图。
图3是本发明一种甚低频自容式压电水听器的一种实施例的前置放大器原理图。
图4是本发明一种甚低频自容式压电水听器的一种实施例的大容量存储电路原理图。
图5是本发明一种甚低频自容式压电水听器的前置放大器频率特性仿真结果。
图6是本发明一种甚低频自容式压电水听器的上位机中数字均衡算法的原理图。
图7是本发明一种甚低频自容式压电水听器的放大电路的频率响应特性。
图8是本发明一种甚低频自容式压电水听器的放大电路等效噪声电压谱密度vns。
图9是本发明水听器低频灵敏度测试方法示意图。
图10是不同运动速度下的水听器输出波形。
图11是本发明水听器频率响应特性。
图12是甚低频低噪声水听器本底噪声与海洋环境噪声的对比。
附图标记包括：1-水密线缆；2-大容量存储电路；3-前置放大器；4-电池；5-低频压电陶瓷环；6-屏蔽丝网层；7-聚氨酯透声层；8-双屏蔽线缆；9-电子仓；10-程控放大电路；11-模数转换电路；12-大容量存储电路；13-信号传输电路；14-上位机；15-微控制器；16-磁性开关电路；17-输入级放大电路；18-二级放大电路；19-电源转换芯片；20-时钟校准芯片；21-TF卡；22-单片机；23-接口转换芯片；24-SPI总线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步描述。
参考图1，压电水听器的上部为电子仓9，其内包括了前置放大器3、电池4、大容量存储电路2；电子仓输出电信号通过水密线缆1与上位机连接。水密线缆1包括8芯超五类网线、2根触发信号线和2根电源线，所述8芯超五类网线、2根触发信号线和2根电源线硫化于同一根水密线缆。其中，8芯网线用于与上位机通信，2根触发信号线连接触发源用于计算接收时延与反射时延，两根电源线用于电池充电。压电水听器的下部为敏感单元，敏感单元中存在多个低频压电陶瓷环，利用多个低频压电陶瓷环5并联实现高静态，由于前置放大器输入阻抗高达500MΩ，因此必须在电磁屏蔽方面予以特殊考虑，首先利用铜丝屏蔽网6将整个压电陶瓷包裹，再进行聚氨酯透声层7的灌注，另外，低频压电陶瓷环正负极线被包裹在屏蔽层内，通过带有三屏蔽BNC接头的双屏蔽线缆8连接至前置放大器。
参考图2，本发明的硬件组成有：低频压电陶瓷环5、前置放大器3、程控放大电路10、模数转换电路11、大容量存储电路12、信号传输电路13、水密线缆1、微控制器15、磁性开关电路16。
信号调理与采集电路包括前置放大器3、程控放大电路10、模数转换电路11。所述的低频压电陶瓷环5与前置放大器3相连。由于低频压电陶瓷环5的输出阻抗高达兆欧级别，因此，为拓展压电水听器的低频段需要增加前置放大器3的输入阻抗。甚低频压电水听器除了需要有好的低频特性以外，由于1/f噪声频率越低噪声越严重，与之匹配的前置放大器3在低频范围内工作时噪声会明显增加，因此还需要考虑前置放大器3的本底噪声。
参考图3，为满足压电水听器甚低频和低噪声特性，本发明设计了一种具有两级放大的前置放大器3。根据弗里斯公式(1)，对于多级放大电路而言，第一级放大电路噪声性能在降低电路总体噪声性能中占主导地位，相比而言第二级放大电路的噪声要求远低于前者。因此，第一级放大电路低噪声的设计尤为关键。针对低频压电陶瓷环5这类传感器，需要设计高输入阻抗和低噪声型的前置放大器3以实现阻抗变换及微弱信号的放大。
目前，集成FTT输入型的运算放大器有很多，但其等效的输入电源噪声均较分立JFET元件高，尤其是1/f转折频率的噪声更高，由于本发明设计的压电水听器是针对甚低频应用，故第一级采用分立JFET设计前置放大器。图3所示，第一级放大电路为输入级放大电路21由JFET管(型号：IF9030)与R1、R2、R3共同组成，其中R1＝500MΩ，R2＝1kΩ，R3＝150Ω。由于输入级电路是直接与低频压电陶瓷环11相连(图3中的敏感元件即低频压电陶瓷环5的等效电路)，为实现与高阻抗信号源的匹配，得到较小的噪声，以及针对信号源甚低频工作频带，综合考虑电路的性能，输入级放大电路中的有源器件Q1，选择en小、in小、gm高、Cgs小、1/f噪声小的结型场效应管(即JFET管)，该管栅-源之间的电阻可高达107～1012Ω；JFET管放大采用了自给偏压电路，R3为Q1栅-源级提供负偏压使结型场效应管正常工作。R2的阻值与场效应管Q1的跨导共同决定了输入级的放大倍数Au＝gm·R2。同时R2、R3共同决定Q1的工作点，对R2、R3选择合适的值，一方面要使Q1对信号不失真放大，另一方面JFET管的静态工作点ID和VDS的大小对JFET管自身的噪声也有影响。
本发明中JFET管的工作电流选取ID≈5mA，因为此时，en较小，in也略有减小；同时，VDS调节在较低电压的工作状态，最大限度的减少了由于JFET的发热而导致其噪声的增大，VDS≈3V。电阻R1为Q1的栅极漏电阻，用来泄漏掉Q1的栅极电流。它的大小决定了放大器的输入电阻，根据信号源的阻抗大小，本发明中的R1选择采用500MΩ的金属膜电阻，另外电路中的电容、电阻及二极管也采用了低噪声的元件，具体参数见图3所示。
其中Fi表示每一级的噪声系数，Gi代表每一级放大器的增益。
对于前置放大器的第二级放大电路采用集成运放设计，U1选用德州仪器(TI)公司低噪声、高精度单片运算放大器OPA27，该集成运放具有极低的噪声，在1kHz频率下等效输入噪声电压最大仅为
具有优秀的长期电压偏移稳定性，最大输入偏压为100uV。第二级采用集成运放，一方面是因为根据式(1)，第二级电路噪声对整体影响不大，另一方面是使用运算放大器能够减少输入级放大电路的输入电容Cin，从而相应的减小整个前置放大器3的的输入电容Cin，对于无负载的JFET共源放大电路，其Cim的值由下式计算：
Cin＝Cgs+Cgd(1-G1) (2)
式中：Cgs和Cgd分别是场效应管Q1的栅-源极和栅-漏极电容。式(2)的第二项Cgd(1-G1)是由密勒效应(Miller effect)引起的电容Cgd的放大因子。而当第二级放大电路18采用同相放大电路时，式(2)变为
Cin＝Cgs+Cgd (3)
由于运算放大器的反相输入端为虚地，因此消除了电容Cgd的密勒效应，使放大器的输入电容Cin减小。通过噪声分析，当对应的信号源中含有电容时，减小输入电容对降低放大器噪声是很有帮助的。
集成运放U1通过电阻R5与第一级放大电路组成负反馈电路，使放大器整体增益为
通过第二级放大电路18，由输入级28.5dB的增益减小到20dB后输出，虽然损失了一定的放大倍数，但是使放大器在工作频带内的有更稳定的放大能力，同时小型补偿电容C3也有利于进一步增加放大器的稳定性。
参考图5，是利用Multisim软件对本发明设计的放大器进行频率特性仿真的结果，放大器的频率响应在0.04Hz～1kHz范围内保持稳定，增益为20dB。
参考图2，前置放大器3的输出端与程控放大电路10的左右两通道的信号输入端相连。程控放大电路10可以根据采集到的实际水声信号选用不同的放大倍数，对幅值较小的弱信号使用较大的放大倍数，对幅值较大的强信号使用较小的放大倍数。采用此放大对信号进行放大控制，不但能提高采样精度，还能提升压电水听器测量的整体动态范围，为满足压电水听器动态范围96dB的要求，设置程控放大电路10左右两通道的放大倍数分别为-2dB与30dB。
程控放大器10的输出通过单端转差分电路与模数转换电路11输入相连。由于模数转换电路11的模拟输入为差分信号，因此程控放大器10输出的单端信号需要进行转差分转换。本压电水听器采集的水声信号最高频率为100kHz，因此模数转换电路11采用高性能的24bit的∑-Δ型ADC,最高采样率为256ksps，具有108dB的高动态范围，满足对甚低频水声信号的采集要求。
微控制器15包括FPGA芯片与其外围电路。微控制15的IO与模数转换电路11输出端双向连接。微控制15支持JTAG、AS、PS下载，配有51对LVDS(低电压差分信号)信号与226个用户IO，外围电路还搭载LED模块、DDR2模块、时钟模块与DS2411模块等。
微控制器15的功能是对整个电路系统进行调控，其任务有：模数转换电路11的控制与数据读取，程控放大电路10的放大控制，以及信号传输电路13的数据通信和特定指令发送与接收。FPGA芯片作为微控制器15有以下优点：1、相比于单片机拥有更快的处理速度；2、相比于有限个I/O口的单片机，FPGA拥有数百个I/O，方便连接多个外设；3、一般而言，单片机程序为顺序执行，使用中断系统处理特殊事件，而FPGA可以并行执行多种任务；4、FPGA包含单片机与DSP软核，因此FPGA具备单片机与DSP各自拥有的功能。因此选择FPGA芯片作为微控制器具有优势。
参考图4,大容量存储电路12与微控制器15双向连接，大容量存储电路12是将压电水听器转换后的数字信息进行存储，电路设计的原理是利用FPGA通过SPI总线24实现与大容量存储电路12之间的数据通信。大容量存储电路12包括单片机22、接口转换芯片23、电源转换芯片19、时钟校准芯片20和TF卡21。单片机与微控制器15通过LVDS接口实现数据传输与交互。LVDS作为差分信号能消除电磁干扰，降低波形失真度。对于LVDS接口电路设计，需要使用接口驱动芯片MAX9112与MAX9113，MAX9112将微控制器15发送的SPI_DATA数据转换为低偏移差分信号传输至单片机22，MAX9113将单片机22发送的SPI_SCK等输出信号传输至微控制器15。电源转换芯片用于产生3.3V电压，提供接口转换芯片23使其正常工作。时钟校准芯片20的功能是当单片机22收到校时命令时，微控制器15将当前时间的年月日时分秒数据同时传输给单片机22进行校时，验证是否校时准确。微控制器15每缓冲300KB的数据就通过SPI总线24发送至大容量存储电路12，整个存储过程所需时间为0.2s。大容量存储电路12的最大可支持的存储容量为512GB，采集到的二进制数经过编码后以文本的方式写入TF卡21。TF卡21采用的文件系统是FAT32，FAT32是32位二进制文件管理方式，具有较好的稳定性和兼容性。
参考图2，信号通信电路13包括以太网芯片、RJ45水晶头和与以太网芯片连接的外围电路，以太网芯片实现了将采集到的数据传输到上位机14，上位机14发送的指令通过以太网芯片发送给微控制器15，RJ45水晶头是甚低频自容式压电水听器与上位机14实现通信的端口。
上位机14是基于PC端的虚拟仪器软件，上位机14的界面包括以下组成部分：参数设置版块、声学测量版块、波形显示版块、性能测试版块、波形和测试保存版块。参数设置版块包括设置A/D的功耗模式、抽取率与程控放大器的放大倍数；性能测试版块包括显示所述低噪声的甚低频压电水听器的噪声均值、均方根、动态范围；声学测试版块包括进行水声声压、灵敏度与指向性，波形显示版块包括三个选项卡，选项卡一为时序界面，显示低噪声的甚低频压电水听器传输到虚拟上位机的时域波形图，选项卡二为频域界面，显示将时域波形图经过FFT变换后的频域波形图，选项卡三为测量界面，测量界面显示两部分，部分一显示未经过数字均衡器之前的波形，部分二显示经过数字均衡器之后的波形。
磁性开关电路16与压电水听器的总供电系统相连(图2中未标注序号)，其功能是控制整个压电水听器供电系统的通断。磁性开电路16由微处理器、霍尔元件、光耦合器和场效应管构成，其固定在压电水听器顶盖通孔的内侧，并在此通孔内灌注环氧树脂。当带有磁性的物件靠近此通孔时，霍尔元件感应到磁通量的变换，总供电系统的开关状态就会发生转变，以此实现压电水听器的工作与关闭。
进一步地，对水声信号进行探测时，灵敏度是压电水听器最重要的指标，影响着声压等多种参数的计算。传统的水听器受材料、制作工艺等因素影响，在工作频带内的不同频点处的灵敏度值是不同的，使得检测信号的幅值受到影响，无法正确反映真实波形。本发明针对这个技术问题，运用音频领域的数字均衡器原理，在上位机14内部集成数字均衡算法，用于压电水听器的灵敏度修正。数字均衡器基本原理是通过数字滤波器对每一个频段进行滤波并对幅频相应修正。常用的数字滤波器由高斯滤波器、贝塞尔滤波器、巴特沃斯滤波器等，但这些滤波器常会带来相移问题，系统带来的相移会使信号中的各频率分量的相位关系发生改变，所合成的时域波形也会产生很大的变化。本发明使用的数字滤波器是零相位滤波器，其能很好的克服相位延迟问题。
参考附图的图6所示，为数字均衡算法的原理图，其编写是建立在零相位滤波器的基础之上，将全频带信号通过带通滤波器分成不同通带宽度的频段。当一正弦波进入数字均衡器时，其会进入对应频段的滤波器通道，幅值也会相应修正。然而实际测试中的水声信号一般不是标准的正弦信号，而是由不同频率的正弦信号组成，且进行水听器灵敏度修正时，也是对多个频点的灵敏度值进行修正。因此，数字均衡器需要由多个零相位滤波器组成，对于修正幅值需要在实际测量中进行修改以达到目标性能。
为了验证本发明的效果，对甚低频自容式压电水听器进行了性能测试实验。包括超低噪声JFET放大器性能测试、甚低频超低噪声声压水听器的性能测试。
参考图7，该图为为测得的放大器的频响特性，放大器的频响范围为0.04Hz-100Hz，放大器中频段增益为20dB，0.04Hz时达到-3dB的下限截止频率。
参考图8，图中实线和虚线分别为配合低阻抗信号源和容抗型信号源时放大器的等效输入噪声电压谱vns。首先假设信号源为低阻抗型，即在(将放大器输入端短路)时，在室温条件下测量0.1Hz～100Hz频率范围内所设计放大器的等效输入噪声电压功率谱密度vns。其中
vns＝vnout/G (4)
式中vnout为放大器的输出端测得的噪声电压功率谱密度，G为频点处放大器的增益。vnout由Hewlett Packard 35670A动态信号分析仪测得。放大器的等效输入噪声vns在频率为0.1Hz时为
频率为1Hz时为
频率为10Hz时为
频率为100Hz时为
然后假设信号源为容抗型，即在(将放大器输入端接入一个Cs＝79nF的电容)时，在室温条件下测量0.1Hz～100Hz时放大器的等效输入噪声电压功率谱密度vns，然后通过式(4)计算得到。信号源为容抗型时，放大器的等效输入噪声vns在频率为0.1Hz时为
频率为1Hz时为
频率为10Hz时为0.9，频率为100Hz时为
参考图9，该图是水听器低频灵敏度测试方法示意图。文献《0.01～1Hz水声声压标准装置的研究》(计量学报,2004(3))，袁文俊设计了一种0.01Hz～1Hz的水声声压校准标准装置，其采用水听器与静水压产生周期性的相对运动的方法，对其频率响应特性进行测量。借鉴此方法，如图9所示，水池上方有精确的三维行走机构，将水听器固定在行走机构的Z轴方向，并静置于水下一定深度处。启动电机，水听器做匀速往复运动，设置运动速度v及往复运动距离，改变往复运动的周期，从而实现水压不同频率的变化。
水下压力的计算公式为
Δp＝ρgΔh (5)
式中ρ为水的密度；g为重力加速度；Δh为水听器运动的距离，单位为mm。
水听器的灵敏度计算公式
式中，Upp为水听器开路电压的幅值，由示波器读取；Δρ为水压的变化量，通过式(5)计算得到。
参考附图的图10，现以频率分别在0.06Hz、0.1Hz、1Hz为例，压电水听器的往复运动距离均设置在200mm，改变不同的运动速度，利用示波器测量读取在不同频率下的压电水听器的开路电压的幅值。表1所示，为静水压力的变化频率分别在0.06Hz、0.08Hz、0.1Hz、1Hz时，在行走机构上设置的运动距离Δh、压电水听器上下往复的运动速度v以及用示波器测量读取的压电水听器的开路电压幅值Upp。
表1水听器开路电压的幅值
将上述结果代入式(6)计算得水听器在不同频率时的灵敏度，其结果如图11所示，水听器灵敏度在0.06Hz为-168dB，在0.1Hz为-167dB，在1Hz为-166dB。
参考图11，该图实线为水听器实际测量的等效噪声压谱级，实验测量水听器固有噪声时，首先选择在背景噪声较低的时段(夜晚)，将水听器进行柔性悬挂，静置一段时间，待水听器不再有明显摆动后进行测量，由频谱分析仪测得水听器等效噪声电压级LU，则水听器的等效噪声声压由式计算得到
Lps＝LU-Meff (7)
LU为带宽内由频谱分析仪测得的噪声电压，Meff为该频率处测得的水听器灵敏度。由图11得水听器等效输入噪声声压在频率为0.1Hz时为150dB，在1Hz时为80dB，在频率为10Hz时为78dB。
参考图12，虚线为Wake岛附近实测海洋环境噪声，实线为水听器等效噪声电压。从图12可以看出，本发明设计的甚低频压电水听器的噪声声压实际测量结果在0.1Hz～6Hz范围内比Wake岛附近实测海洋环境噪声低。
综上所述，经性能测试该甚低频压电水听器的频率响应下限达到了0.06Hz，灵敏度为-166dB，其等效噪声声压级在0.1Hz达到了150dB，低于甚低频段的海洋环境噪声。
对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，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。
Claims (7)
1.一种甚低频自容式压电水听器，包括低频压电陶瓷环、信号调理与采集电路、微控制器、信号传输电路、磁性开关电路、大容量存储电路，所述信号调理与采集电路包括前置放大器、程控放大电路、模数转换电路，所述低频压电陶瓷环的信号输出端与所述前置放大器相连，所述前置放大器的输出端连接所述程控放大电路，所述程控放大电路的输出端连接所述模数转换电路，所述模数转换电路信号输出端与所述微控制器双向连接，所述微控制器还与信号传输电路、大容量存储电路连接；所述磁性开关电路用于控制水听器供电系统，其特征在于：
多个低频压电陶瓷并联实现高静态，铜丝屏蔽网将整个压电陶瓷包裹，铜丝屏蔽网周围为聚氨酯透声层，所述低频压电陶瓷环通过双屏蔽线缆连接至所述前置放大器；
所述前置放大器具有高输入阻抗和超低噪声特性，其由第一级放大电路和第二级放大电路组成，所述第一级放大电路由结型场效应管与电阻R1、R2、R3以及电容C1共同组成，JFET管放大采用自给偏压电路。
2.根据权利要求1所述的一种甚低频自容式压电水听器，其特征在于：还包括与信号传输电路连接的上位机，所述的上位机内部集成数字均衡算法，用于压电水听器的灵敏度修正；数字均衡算法是通过数字滤波器对每一个频段进行滤波并对幅频相应修正，所述数字滤波器由多个零相位滤波器组成。
3.根据权利要求2所述的一种甚低频自容式压电水听器，其特征在于：所述上位机是基于PC端的虚拟仪器软件，所述上位机的界面包括参数设置版块、声学测量版块、波形显示版块、性能测试版块、波形和测试保存版块。
4.根据权利要求1所述的一种甚低频自容式压电水听器，其特征在于：所述水密线缆包括8芯超五类网线、2根触发信号线和2根电源线，所述8芯超五类网线、2根触发信号线和2根电源线硫化于同一根水密线缆。
5.根据权利要求1所述的一种甚低频自容式压电水听器，其特征在于：所述信号传输电路包括以太网芯片、RJ45水晶头和与所述以太网芯片连接的外围电路。
6.根据权利要求1所述的一种甚低频自容式压电水听器，其特征在于：所述大容量存储电路包括单片机、接口转换芯片、电源转换芯片、时钟校准芯片和TF卡，所述大容量存储电路通过SPI总线的方式与所述微控制器实现数据通信。
7.根据权利要求1至6任一项所述的一种甚低频自容式压电水听器，其特征在于：所述微控制器包括FPGA芯片和与所述FPGA芯片连接外围电路，所述外围电路包括LED模块、DDR2模块、FLASH模块、时钟模块与DS2411模块。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115615535A (zh) * | 2022-09-30 | 2023-01-17 | 湘潭市神钜机电科技有限公司 | 一种低频声波传感器 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN201269776Y (zh) * | 2008-10-14 | 2009-07-08 | 中国船舶重工集团公司第七一五研究所 | 一种带屏蔽及柔性连接的球形水听器 |
| CN107132570A (zh) * | 2017-05-25 | 2017-09-05 | 嘉兴易声电子科技有限公司 | 数字水听器系统 |
| US20180020656A1 (en) * | 2013-12-06 | 2018-01-25 | Airmar Technology Corporation | Acoustic Projector with Source Level Monitoring and Control |
| US10001574B2 (en) * | 2015-02-24 | 2018-06-19 | Amphenol (Maryland), Inc. | Hermetically sealed hydrophones with very low acceleration sensitivity |
| CN109708741A (zh) * | 2018-12-04 | 2019-05-03 | 中船重工海声科技有限公司 | 一种适用于大规模基阵信号系统的水听器前置放大电路 |
| CN110686766A (zh) * | 2019-10-28 | 2020-01-14 | 海鹰企业集团有限责任公司 | 一种自容式水听器装置及系统 |
-
2020
- 2020-07-20 CN CN202010696415.2A patent/CN111780862A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN201269776Y (zh) * | 2008-10-14 | 2009-07-08 | 中国船舶重工集团公司第七一五研究所 | 一种带屏蔽及柔性连接的球形水听器 |
| US20180020656A1 (en) * | 2013-12-06 | 2018-01-25 | Airmar Technology Corporation | Acoustic Projector with Source Level Monitoring and Control |
| US10001574B2 (en) * | 2015-02-24 | 2018-06-19 | Amphenol (Maryland), Inc. | Hermetically sealed hydrophones with very low acceleration sensitivity |
| CN107132570A (zh) * | 2017-05-25 | 2017-09-05 | 嘉兴易声电子科技有限公司 | 数字水听器系统 |
| CN109708741A (zh) * | 2018-12-04 | 2019-05-03 | 中船重工海声科技有限公司 | 一种适用于大规模基阵信号系统的水听器前置放大电路 |
| CN110686766A (zh) * | 2019-10-28 | 2020-01-14 | 海鹰企业集团有限责任公司 | 一种自容式水听器装置及系统 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| R.J.鲍伯: "《水下电声测量》", 31 January 1997, 北京：国防工业出版社 * |
| 冯民昌: "《模拟集成电路基础 第2版》", 31 March 1991, 北京：中国铁道出版社 * |
| 张光法: "基于FPGA和Matlab的均衡滤波器设计与实现", 《舰船电子工程》 * |
| 茹鸿菲 等: "基于超低噪声JFET的甚低频压电水听器设计", 《传感技术学报》 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115615535A (zh) * | 2022-09-30 | 2023-01-17 | 湘潭市神钜机电科技有限公司 | 一种低频声波传感器 |
| CN115615535B (zh) * | 2022-09-30 | 2024-04-30 | 湘潭市神钜机电科技有限公司 | 一种低频声波传感器 |
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