CN112383863B - 一种多通道声纳浮标信号预处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道声纳浮标信号预处理系统及方法，包括多个通道，每个通道包括水听器、屏蔽电缆、前置放大电路、相位调节电路、高通滤波电路、信号放大电路、幅度调节电路和低通滤波电路；本发明在设计低噪声前置放大电路的基础上，采用一体接地屏蔽技术有效降低预处理的宽带噪声干扰。使用高精度电阻、电容调节多通道一致性，利用电阻电容器件本身的可靠性确保多通道高一致性的稳定程度。本发明在实现低噪声预处理的同时，解决了多通道幅度、相位一致性差异的稳定问题，进而提高声纳的多通道预处理性能；同时结构简单，易于硬件实现，具有很强的实用性，便于推广使用。

Description

一种多通道声纳浮标信号预处理系统及方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种声纳信号预处理系统。

背景技术

航空声纳浮标、吊放声纳等相关产品对水下目标远距离探测性能的优劣，严重依赖于微弱声纳信号的低噪声放大和滤波技术，将低噪声放大、滤波等技术概括为预处理技术。该类产品在单机工作或多基阵协同工作的时候，发射接收信号的频率往往是已知的。随着基阵技术的发展，声纳接收通道的数量急剧增加，为提高目标的探测距离和探测精度，在声纳系统工作的频点上对多通道预处理的低噪声、幅度一致性、相位一致性提出了极其严苛的要求。

国内目前在相关领域的低噪声、高一致性多通道声纳信号预处理技术主要有两种。第一种是选用低噪声运放和开关电容滤波器构建预处理电路。代明清等人在“多通道声纳信号预处理系统设计”(鱼雷技术，2012年)一文中介绍了类似的方案。该类技术的特点是依靠低噪声的运放实现低噪声预处理设计，选用开关电容滤波器芯片构建多级滤波电路。采用这种方法设计的电路在工作期间，预处理电路板上始终存在开关电容滤波器的配置时钟频率信号，且该频率信号在滤波器通带范围以内，随着预处理通道数量的增加，容易导致预处理系统的宽带等效噪声干扰偏大。该设计方法多通道间的幅度、相位一致性，严重依赖于开关电容滤波器芯片的一致性，随着工作温度的变化，多通道间芯片指标一致性难以保证。

第二种是使用电位器调节通道间的幅度、相位一致性。王峰等人在“高精度声纳信号预处理系统的研究”(数据采集与处理，2002年)一文中介绍了类似的方案，相关技术已于上世纪90年代中期应用于某型航空吊放声纳的多通道预处理系统。该类技术的特点是在多阶滤波电路的设计中使用电位器替代某个电阻，通过电位器调整滤波频带响应，实现多通道相位一致性的调节，同时使用另一个电位器作为运放的反馈电阻，调节多通道的幅度一致性。采用这种方法设计的多通道系统，能够在短期内实现多通道的高一致性。由于电位器器件本身的稳定性差，声纳设备在使用期间始终处于振动状态，时常经历高低温环境的冲击，容易导致多通道一致性变差。

现有研究在一定技术指标范围内给出了声纳信号预处理的设计方法，但在工程应用中仍存在噪声干扰偏大，幅度和相位一致性难以保持的问题，进而影响到整体声纳系统的性能指标。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种多通道声纳浮标信号预处理系统及方法，包括多个通道，每个通道包括水听器、屏蔽电缆、前置放大电路、相位调节电路、高通滤波电路、信号放大电路、幅度调节电路和低通滤波电路；本发明在设计低噪声前置放大电路的基础上，采用一体接地屏蔽技术有效降低预处理的宽带噪声干扰。使用高精度电阻、电容调节多通道一致性，利用电阻电容器件本身的可靠性确保多通道高一致性的稳定程度。本发明在实现低噪声预处理的同时，解决了多通道幅度、相位一致性差异的稳定问题，进而提高声纳的多通道预处理性能；同时结构简单，易于硬件实现，具有很强的实用性，便于推广使用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种多通道声纳浮标信号预处理系统，包括多个通道，每个通道包括水听器、屏蔽电缆、前置放大电路、相位调节电路、高通滤波电路、信号放大电路、幅度调节电路和低通滤波电路；

所述水听器输出的声纳信号通过屏蔽电缆输入前置放大电路，所述前置放大电路的输出依次经过相位调节电路、高通滤波电路、信号放大电路、幅度调节电路和低通滤波电路，输出经过预处理的声纳信号；

所述前置放大电路包括低噪声差分仪表放大器、第一电阻、第三电阻、第五电阻、第六电阻、第十电阻和第一电容；所述水听器输出的差分信号分别连接低噪声差分仪表放大器的第二引脚和第三引脚；所述第五电阻一端连接低噪声差分仪表放大器的第二引脚，另一端连接低噪声差分仪表放大器的第五引脚；所述第六电阻一端连接低噪声差分仪表放大器的第三引脚，另一端连接低噪声差分仪表放大器的第五引脚；所述低噪声差分仪表放大器的第一引脚通过第三电阻与低噪声差分仪表放大器的第八引脚连接；所述第一电阻一端连接低噪声差分仪表放大器的第七引脚，另一端连接低噪声差分仪表放大器的第五引脚；所述第十电阻一端连接低噪声差分仪表放大器的第五引脚，另一端接地；所述第一电容一端连接低噪声差分仪表放大器的第五引脚，另一端接地，第一电容与第十电阻并联；所述低噪声差分仪表放大器的第四引脚接地；所述低噪声差分仪表放大器的第六引脚为输出信号引脚；

所述相位调节电路包括第一运算放大器、第二电阻、第四电阻、第二电容、第三电容、第四电容和第五电容；所述前置放大电路的输出作为相位调节电路的输入依次经过第二电容和第三电容连接到第一运算放大器的同相输入端；所述第五电容与第二电容并联，第五电容的两端分别与第二电容的两端连接；所述第二电阻一端连接第一运算放大器的同相输入端，另一端接地；所述第四电阻一端连接第二电容和第三电容的中间点，另一端连接第一运算放大器的输出端；所述第一运算放大器的反相输入端与输入端直接连接；所述第一运算放大器的输出端通过第四电容输出信号；

所述幅度调节电路包括第二运算放大器、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十一电阻、第六电容和第七电容；所述信号放大电路的输出作为幅度调节电路的输入经过第七电阻连接到第二运算放大器的反相输入端；所述第十一电阻一端与第二运算放大器的同相输入端连接，另一端接地；所述第八电阻一端连接第二运算放大器的反相输入端，另一端与第九电阻的一端连接，第九电阻的另一端连接到第二运算放大器的输出端；所述第六电容的一端连接第二运算放大器的反相输入端，另一端连接到第二运算放大器的输出端；所述第二运算放大器的输出端通过第七电容输出信号。

进一步地，所述多通道声纳浮标信号预处理系统中的每个水听器外部安装屏蔽网；每个前置放大电路外部安装屏蔽壳，前置放大电路的地线与屏蔽壳连接；所述所有水听器的屏蔽网、所有前置放大电路的屏蔽壳和所有屏蔽电缆的屏蔽层在一点连接，当水听器在水下工作时，一点连接的连接点置于海水中。

进一步地，所述低噪声差分仪表放大器的供电电源芯片为低噪声线性电源芯片。

进一步地，所述前置放大电路外部安装的屏蔽壳为金属屏蔽壳。

进一步地，所述第五电容的电容值为2200pF。

进一步地，所述低噪声差分仪表放大器为INA118，低噪声线性电源芯片为TPS4701。

进一步地，所述第八电阻和第九电阻的精度为千一精度；所述第八电阻的阻值保持在千欧姆量级，实现对信号幅值的粗调；所述第九电阻的阻值保持在欧姆量级，实现对信号幅值的微调。

一种多通道声纳浮标信号预处理方法，包括以下步骤：

步骤1：将多通道声纳浮标信号预处理系统中所有水听器的屏蔽网、所有前置放大电路的屏蔽壳和所有屏蔽电缆的屏蔽层在一点连接，当水听器在水下工作时，一点连接的连接点置于海水中；

步骤2：将所有前置放大电路的地线与屏蔽壳连接；

步骤3：在初始连接电路时，不接入第二电容，将第二电容的位置断开，不接入第九电阻，将第九电阻的位置短路；

步骤4：以第一通道输出信号为基准信号，测量其它通道输出信号与基准信号的幅度差；将第九电阻接入幅度调节电路，配置各通道的第九电阻的阻值，用来补偿幅度差异，将幅度差异控制在±a％以内；

步骤5：以第一通道输出信号为基准信号，测量其它通道输出信号与基准信号的相位差；将第二电容接入相位调节电路，配置各通道的第二电容的电容值，用来补偿相位差异，将相位绝对误差控制在±b°以内，从而保持各个通道输出相位的一致性；

步骤6：保持各通道的第二电容的电容值不变，再用步骤4的方法重新配置各通道的第九电阻的阻值，从而保持各个通道输出幅度的一致性。

进一步的，所述a＝1，b＝0.5。

由于采用了本发明的一种多通道声纳浮标信号预处理系统及方法，取得了以下有益效果：

1.本发明在实现低噪声预处理的同时，解决了多通道幅度、相位一致性差异的稳定问题，进而提高声纳的多通道预处理性能。

2.本发明结构简单，易于硬件实现，具有很强的实用性，便于推广使用。

3.本发明相较于现有技术，预处理的等效输入噪声更小，多通道间的幅度、相位差更小，且多通道间差异更加稳定。且一致性的稳定度好，经历振动、高低温冲击后，一致性仍然能够得到有效的保持。

附图说明

图1为本发明多通道预处理系统设计原理图。

图2为本发明水听器、前置放大器屏蔽连接图。

图3为本发明前置放大电路原理图。

图4为本发明相位调节电路原理图。

图5为本发明幅度调节电路原理图。

图6本发明多通道幅度一致性相对误差测量结果。

图7本发明多通道相位一致性绝对误差测量结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，一种多通道声纳浮标信号预处理系统，包括多个通道，每个通道包括水听器、屏蔽电缆、前置放大电路、相位调节电路、高通滤波电路、信号放大电路、幅度调节电路和低通滤波电路；

所述水听器输出的声纳信号通过屏蔽电缆输入前置放大电路，所述前置放大电路的输出依次经过相位调节电路、高通滤波电路、信号放大电路、幅度调节电路和低通滤波电路，输出经过预处理的声纳信号；

如图3所示，所述前置放大电路包括低噪声差分仪表放大器、第一电阻、第三电阻、第五电阻、第六电阻、第十电阻和第一电容；所述水听器输出的差分信号分别连接低噪声差分仪表放大器的第二引脚和第三引脚；所述第五电阻一端连接低噪声差分仪表放大器的第二引脚，另一端连接低噪声差分仪表放大器的第五引脚；所述第六电阻一端连接低噪声差分仪表放大器的第三引脚，另一端连接低噪声差分仪表放大器的第五引脚；所述低噪声差分仪表放大器的第一引脚通过第三电阻与低噪声差分仪表放大器的第八引脚连接；所述第一电阻一端连接低噪声差分仪表放大器的第七引脚，另一端连接低噪声差分仪表放大器的第五引脚；所述第十电阻一端连接低噪声差分仪表放大器的第五引脚，另一端接地；所述第一电容一端连接低噪声差分仪表放大器的第五引脚，另一端接地，第一电容与第十电阻并联；所述低噪声差分仪表放大器的第四引脚接地；所述低噪声差分仪表放大器的第六引脚为输出信号引脚；水听器的输出阻抗远小于低噪声差分仪表放大器的输入阻抗；

如图4所示，所述相位调节电路包括第一运算放大器、第二电阻、第四电阻、第二电容、第三电容、第四电容和第五电容；所述前置放大电路的输出作为相位调节电路的输入依次经过第二电容和第三电容连接到第一运算放大器的同相输入端；所述第五电容与第二电容并联，第五电容的两端分别与第二电容的两端连接；所述第二电阻一端连接第一运算放大器的同相输入端，另一端接地；所述第四电阻一端连接第二电容和第三电容的中间点，另一端连接第一运算放大器的输出端；所述第一运算放大器的反相输入端与输入端直接连接；所述第一运算放大器的输出端通过第四电容输出信号；

如图5所示，所述幅度调节电路包括第二运算放大器、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十一电阻、第六电容和第七电容；所述信号放大电路的输出作为幅度调节电路的输入经过第七电阻连接到第二运算放大器的反相输入端；所述第十一电阻一端与第二运算放大器的同相输入端连接，另一端接地；所述第八电阻一端连接第二运算放大器的反相输入端，另一端与第九电阻的一端连接，第九电阻的另一端连接到第二运算放大器的输出端；所述第六电容的一端连接第二运算放大器的反相输入端，另一端连接到第二运算放大器的输出端；所述第二运算放大器的输出端通过第七电容输出信号。

进一步地，如图2所示，所述多通道声纳浮标信号预处理系统中的每个水听器外部安装屏蔽网；每个前置放大电路外部安装金属屏蔽壳，前置放大电路的地线与屏蔽壳连接；所述所有水听器的屏蔽网、所有前置放大电路的屏蔽壳和所有屏蔽电缆的屏蔽层在一点连接，当水听器在水下工作时，一点连接的连接点置于海水中。

一种多通道声纳浮标信号预处理方法，包括以下步骤：

步骤1：将多通道声纳浮标信号预处理系统中所有水听器的屏蔽网、所有前置放大电路的屏蔽壳和所有屏蔽电缆的屏蔽层在一点连接，当水听器在水下工作时，一点连接的连接点置于海水中；

步骤2：将所有前置放大电路的地线与屏蔽壳连接；

步骤3：在初始连接电路时，不接入第二电容，将第二电容的位置断开，不接入第九电阻，将第九电阻的位置短路；

步骤4：以第一通道输出信号为基准信号，测量其它通道输出信号与基准信号的幅度差；将第九电阻接入幅度调节电路，配置各通道的第九电阻的阻值，用来补偿幅度差异，将幅度差异控制在±1％以内；

步骤5：以第一通道输出信号为基准信号，测量其它通道输出信号与基准信号的相位差；将第二电容接入相位调节电路，配置各通道的第二电容的电容值，用来补偿相位差异，将相位绝对误差控制在±0.5°以内，从而保持各个通道输出相位的一致性；

步骤6：保持各通道的第二电容的电容值不变，再用步骤4的方法重新配置各通道的第九电阻的阻值，从而保持各个通道输出幅度的一致性。

具体实施例：

声纳信号接收通道数量24，系统中心频率3KHz，放大增益120dB。连接电缆选用屏蔽电缆。

本实施例的具体实现如下：

(a)24个通道的屏蔽层连接在一点，声纳工作时该屏蔽层连接点与海水接通。

(b)选用INA118作为前置放大器芯片，TPS4701为供电芯片。GND与前置放大器屏蔽金属壳连接。

(c)第二电容和第五电容并联，第五电容的电容值2200pF。初始焊装电路时第二电容断开。第八电阻和第九电阻串联作为反馈电阻，初始焊装电路时第九电阻短路，根据实际需求配置第七电阻和第八电阻的阻值。

(d)以第一通道信号为基准，测量其它通道与基准通道信号的幅度差。依据测量的差值，配置各通道第九电阻的阻值，补偿幅度差异，将幅度误差控制在±1％以内。以第一路信号为基准，测量其它通道与基准通道信号的相位差。依据测量的差值，配置各通道第二电容的容值，补偿相位差异，将相位绝对误差控制在±0.5°以内。

(e)保持相位补偿不变，对各通道的幅度一致性进行第二轮的微调。

选用运放或模拟滤波器芯片构建多级滤波电路，使预处理电路工作时不存在通频带范围内的数字干扰信号。在信号通路上串联两个并联的电容，一方面可以用来衰减高频干扰，另一方面通过对其中一个电容值的微调，在小范围内精确调节通道的滤波频带特性，达到多通道相位一致性精确调节的目的。

使用本发明设计的24路声纳信号预处理系统，各通道输入端宽带等效噪声小于3μV，输入端窄带等效噪声小于0.3μV。实验室阶段将幅度一致性控制在±1％，相位一致性控制在±0.5°，预处理系统经历振动冲击、在高温环境下工作时幅度一致性依然能够保持在±2％，相位一致性保持在±1°，实验测试结果如图6、图7所示。在实验室环境将多通道的一致性调整到最佳状态，随着声纳系统工作时间的增加，环境工作温度的提高，多通道的一致性依然能够满足声纳系统的需求。该方法调整的一致性稳定度好，一致状态能够长期保持，不需要反复对一致性进行调校。

Claims (9)

1.一种多通道声纳浮标信号预处理系统，其特征在于，包括多个通道，每个通道包括水听器、屏蔽电缆、前置放大电路、相位调节电路、高通滤波电路、信号放大电路、幅度调节电路和低通滤波电路；

所述水听器输出的声纳信号通过屏蔽电缆输入前置放大电路，所述前置放大电路的输出依次经过相位调节电路、高通滤波电路、信号放大电路、幅度调节电路和低通滤波电路，输出经过预处理的声纳信号；

所述前置放大电路包括低噪声差分仪表放大器、第一电阻、第三电阻、第五电阻、第六电阻、第十电阻和第一电容；所述水听器输出的差分信号分别连接低噪声差分仪表放大器的第二引脚和第三引脚；所述第五电阻一端连接低噪声差分仪表放大器的第二引脚，另一端连接低噪声差分仪表放大器的第五引脚；所述第六电阻一端连接低噪声差分仪表放大器的第三引脚，另一端连接低噪声差分仪表放大器的第五引脚；所述低噪声差分仪表放大器的第一引脚通过第三电阻与低噪声差分仪表放大器的第八引脚连接；所述第一电阻一端连接低噪声差分仪表放大器的第七引脚，另一端连接低噪声差分仪表放大器的第五引脚；所述第十电阻一端连接低噪声差分仪表放大器的第五引脚，另一端接地；所述第一电容一端连接低噪声差分仪表放大器的第五引脚，另一端接地，第一电容与第十电阻并联；所述低噪声差分仪表放大器的第四引脚接地；所述低噪声差分仪表放大器的第六引脚为输出信号引脚；

所述相位调节电路包括第一运算放大器、第二电阻、第四电阻、第二电容、第三电容、第四电容和第五电容；所述前置放大电路的输出作为相位调节电路的输入依次经过第二电容和第三电容连接到第一运算放大器的同相输入端；所述第五电容与第二电容并联，第五电容的两端分别与第二电容的两端连接；所述第二电阻一端连接第一运算放大器的同相输入端，另一端接地；所述第四电阻一端连接第二电容和第三电容的中间点，另一端连接第一运算放大器的输出端；所述第一运算放大器的反相输入端与输入端直接连接；所述第一运算放大器的输出端通过第四电容输出信号；

所述幅度调节电路包括第二运算放大器、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十一电阻、第六电容和第七电容；所述信号放大电路的输出作为幅度调节电路的输入经过第七电阻连接到第二运算放大器的反相输入端；所述第十一电阻一端与第二运算放大器的同相输入端连接，另一端接地；所述第八电阻一端连接第二运算放大器的反相输入端，另一端与第九电阻的一端连接，第九电阻的另一端连接到第二运算放大器的输出端；所述第六电容的一端连接第二运算放大器的反相输入端，另一端连接到第二运算放大器的输出端；所述第二运算放大器的输出端通过第七电容输出信号；

在初始连接电路时，不接入第二电容，将第二电容的位置断开，不接入第九电阻，将第九电阻的位置短路；在测量完幅度差和相位差后，将第九电阻接入幅度调节电路，配置各通道的第九电阻的阻值，用来补偿幅度差异，将第二电容接入相位调节电路，配置各通道的第二电容的电容值，用来补偿相位差异；保持各通道的第二电容的电容值不变，再重新配置各通道的第九电阻的阻值，从而保持各个通道输出幅度的一致性；

所述低噪声差分仪表放大器型号为INA118。

2.根据权利要求1所述的一种多通道声纳浮标信号预处理系统，其特征在于，所述多通道声纳浮标信号预处理系统中的每个水听器外部安装屏蔽网；每个前置放大电路外部安装屏蔽壳，前置放大电路的地线与屏蔽壳连接；所述所有水听器的屏蔽网、所有前置放大电路的屏蔽壳和所有屏蔽电缆的屏蔽层在一点连接，当水听器在水下工作时，一点连接的连接点置于海水中。

3.根据权利要求1所述的一种多通道声纳浮标信号预处理系统，其特征在于，所述低噪声差分仪表放大器的供电电源芯片为低噪声线性电源芯片。

4.根据权利要求2所述的一种多通道声纳浮标信号预处理系统，其特征在于，所述前置放大电路外部安装的屏蔽壳为金属屏蔽壳。

5.根据权利要求1所述的一种多通道声纳浮标信号预处理系统，其特征在于，所述第五电容的电容值为2200pF。

6.根据权利要求3所述的一种多通道声纳浮标信号预处理系统，其特征在于，低噪声线性电源芯片为TPS4701。

7.根据权利要求1所述的一种多通道声纳浮标信号预处理系统，其特征在于，所述第八电阻和第九电阻的精度为千一精度；所述第八电阻的阻值保持在千欧姆量级，实现对信号幅值的粗调；所述第九电阻的阻值保持在欧姆量级，实现对信号幅值的微调。

8.一种应用权利要求1所述的多通道声纳浮标信号预处理系统的预处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将多通道声纳浮标信号预处理系统中所有水听器的屏蔽网、所有前置放大电路的屏蔽壳和所有屏蔽电缆的屏蔽层在一点连接，当水听器在水下工作时，一点连接的连接点置于海水中；

步骤2：将所有前置放大电路的地线与屏蔽壳连接；

步骤3：在初始连接电路时，不接入第二电容，将第二电容的位置断开，不接入第九电阻，将第九电阻的位置短路；

步骤4：以第一通道输出信号为基准信号，测量其它通道输出信号与基准信号的幅度差；将第九电阻接入幅度调节电路，配置各通道的第九电阻的阻值，用来补偿幅度差异，将幅度差异控制在±a％以内；

步骤5：以第一通道输出信号为基准信号，测量其它通道输出信号与基准信号的相位差；将第二电容接入相位调节电路，配置各通道的第二电容的电容值，用来补偿相位差异，将相位绝对误差控制在±b°以内，从而保持各个通道输出相位的一致性；

步骤6：保持各通道的第二电容的电容值不变，再用步骤4的方法重新配置各通道的第九电阻的阻值，从而保持各个通道输出幅度的一致性。

9.根据权利要求8所述的一种多通道声纳浮标信号预处理方法，其特征在于，所述a＝1，b＝0.5。

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