CN112394419A - 一种水下主动电磁探测信号处理的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下主动电磁探测信号处理的实验装置，包括箱体、操控面板、接收机模块、核心控制模块和电源模块；直流电源模块安装在箱体内部的底板上，底板上方固定有一张支撑板，接收机模块与核心控制模块并排安装在支撑板的上方，操控面板安装于箱体的顶层，接收机模块、核心控制模块、电源模块和操控面板均通过螺钉固定；接收机模块、核心控制模块、直流电源模块和操控面板之间通过可拆卸的连接线实现互连。本发明提出了一种功能齐全、使用方便、维护简单的水下主动电磁探测信号处理的实验装置，实现水下主动电磁探测信号处理的全流程展示，用于开设涉及水下主动电磁探测技术原理的水下目标探测与识别类课程的原理教学实验。

Description

一种水下主动电磁探测信号处理的实验装置

技术领域

本发明涉及实验装置领域，具体的说是涉及一种水下主动电磁探测信号处理的实验装置。

背景技术

水下主动电磁探测是利用电磁波在海水中的传播和反射特性，实现对一定距离范围内铁磁物体的探测与识别，该技术可应用于军事领域，也可应用于民用领域，如沉船打捞或水下掩埋金属探测等。对水下主动电磁探测信号处理技术的学习是水下目标探测与识别相关课程的必修内容之一。如何理解和掌握水下主动电磁探测技术原理，学习典型接收机的信号处理算法是其中关键的一环。现有的相关课程在教学活动中主要采用理论分析、公式推导等方式，对水下主动电磁探测的基本原理、回波信号特征、同步检波及特征提取算法等知识进行讲授，缺乏简便直观的实验教学装置对整个信号处理流程进行演示，并提供关键信号测量与分析的条件，因而单纯的理论讲解难以达到使学生充分掌握水下主动电磁探测方法和技术原理的目的。

发明内容

为解决上述背景技术中提出的问题，本发明的目的在于提供一种水下主动电磁探测信号处理的实验装置。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种水下主动电磁探测信号处理的实验装置，包括箱体、操控面板、接收机模块、核心控制模块和电源模块；

所述直流电源模块安装在所述箱体内部的底板上，底板上方固定有一张支撑板，所述接收机模块与核心控制模块并排安装在支撑板的上方，所述操控面板安装于所述箱体的顶层，所述接收机模块、核心控制模块、电源模块和操控面板均通过螺钉固定；

所述接收机模块、核心控制模块、直流电源模块和操控面板之间通过可拆卸的连接线实现互连。

在一些实施例中，所述核心控制模块与上位机连接，上位机用于根据实验任务设置所述核心控制模块，所述核心控制模块用于完成对整个实验装置的信号采样、系统控制和信号发生功能。

在一些实施例中，所述操控面板上设置有上位机接口、多个信号源端口及多个采样通道端口，上位机接口用于连接上位机与核心控制模块，多个信号源端口及多个采样通道端口均与核心控制模块连接。

在一些实施例中，所述接收机模块中包括自适应补偿电路、滤波放大电路、同步检波电路、微分电路、幅值判决电路、综合判决电路、延时电路及移相电路。

在一些实施例中，所述操控面板上设置有：与自适应补偿电路对应的补偿节拍端口和补偿使能端口，与滤波放大电路对应的预处理输出端口，与同步检波电路对应的检波输出端口，与微分电路对应的微分输出端口，与幅值判决电路对应的幅值判决端口，与综合判决电路对应的综合判决端口。

在一些实施例中，所述同步检波电路包括乘法器与低通滤波器；所述操控面板上还设置有与乘法器对应的乘法器输出端口。

在一些实施例中，所述操控面板上还设置有参考信号端口、接收线圈端口、目标信号端口及输入选择开关；

所述参考信号端口外接参考信号，且分别与延时电路及移相电路连接；

所述接收线圈端口外接水下主动电磁探测系统的接收线圈，且与输入选择开关连接；

所述目标信号端口与多个信号源端口中的一个连接，且与输入选择开关连接；

所述输入选择开关与自适应补偿电路连接，用于供用户选择从接收线圈端口输入或从目标信号端口输入，并将输入信号传输给自适应补偿电路。

在一些实施例中，所述操控面板上还设置有与移相电路对应的四个移相波形观测端口，四个移相波形观测端口分别对应于0°、90°、180°和270°的移相。

在一些实施例中，所述操控面板上还设置有220V市电连接端口、多个直流输出端口、电源指示灯、与延时电路对应的延时指示灯、用于指示综合判决输出的动作指示灯、多个状态控制开关及对应的多个状态指示灯。

在一些实施例中，所述操控面板上还设置有外部接收机接口以及接收机选择开关，用于供用户选择在外部接收机与内部的接收机模块之间的切换。

与现有技术相比，本发明提供的水下主动电磁探测信号处理的实验装置，具有如下有益效果：

(1)本发明通过水下主动电磁探测典型接收机的信号处理算法的实现，完整地直观地展示了水下主动电磁探测技术的全信号处理算法流程，涵盖了直接耦合干扰自适应补偿、目标信号滤波放大、同步检波、微分、幅值判决、综合判决、延时计时及参考信号移相的运算过程，可用于水下主动电磁探测信号处理原理的实验教学。

(2)本发明可根据实际需要，通过上位机系统控制核心控制模块，改变接收机模块输入信号的参数或类型，以实现接收机模块性能指标测试或接收机模块抗干扰性能测试等多种基于水下主动电磁探测技术的进阶实验，满足不同层次的原理实验教学需求。

(3)本发明为用户提供了两种信号源的输入选择，包括模拟目标信号输入、接收线圈输入，能满足不同场合不同目的的教学实验或科研试验需求，扩大了实验装置的使用范围。

(4)本发明提供了内部接收机和外部接收机的切换选择，具有较强的功能拓展性。

(5)本发明结构简单、操作方便、便于维护，具有优良的人机交互设计。

附图说明

图1为本发明提供的水下主动电磁探测信号处理的实验装置的原理框图；

图2为接收机模块2的电路组成框图；

图3为操控面板的示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施方式，进一步阐述本发明是如何实施的。

如图1所示，本发明提供了一种水下主动电磁探测信号处理的实验装置，包括箱体1、操控面板5、接收机模块2、核心控制模块3和电源模块4；直流电源模块4安装在箱体1内部的底板上，底板上方固定有一张支撑板，接收机模块2与核心控制模块3并排安装在支撑板的上方，操控面板5安装于箱体1的顶层，接收机模块2、核心控制模块3、电源模块4和操控面板5均通过螺钉固定；接收机模块2、核心控制模块3、直流电源模块4和操控面板5之间通过可拆卸的连接线实现互连。

进一步地，核心控制模块3与上位机连接，上位机用于根据实验任务设置核心控制模块3，核心控制模块3用于完成对整个实验装置的信号采样、系统控制和信号发生功能。如图3所示，操控面板5上设置有上位机接口、多个信号源端口及多个采样通道端口，上位机接口用于连接上位机与核心控制模块3，多个信号源端口及多个采样通道端口均与核心控制模块3连接。在图示实施例中，操控面板5上设置有3个信号源端口及8个采样通道端口，从而能够提供3路模拟信号源的发生和8路模拟信号的采集功能；信号源端口的波形、频率、幅值、相位、脉宽等参数，及采集通道、采样频率均可通过上位机系统进行选择或设置。

在一个具体实施例中，核心控制模块3可由核心板、DAC数模转换模块、信号预调理模块、ADC数据采集模块、通信模块等部分组成。核心控制模块3在为接收机模块2正常工作提供必要信号输入的同时，还可根据上位机的参数设定模拟产生不同参数、不同类型的目标信号或干扰信号，以及实现对多路信号的采样和显示；上位机可为普通便携式计算机或台式机，且包含有上位机软件，上位机软件为操作人员提供人机交互的接口，并根据实验任务和参数设置控制核心控制电路完成对整个实验装置的系统控制和信号发生等功能。

具体地，上位机软件的功能包括实验任务选择、模拟接收信号类型选择、模拟目标信号参数设置、干扰信号类型选择、干扰信号参数设置、模拟信号采集和数据存储、采集信号波形显示，及实验装置连接状态检查等；上位机软件的实验任务选择包括水下主动电磁探测信号处理算法演示、典型接收机性能指标测试及典型接收机抗干扰性能测试；上位机软件的模拟接收信号类型选择包括脉冲信号选择和连续等幅信号选择；上位机软件的模拟目标信号参数设置包括目标信号频率、目标信号相位、目标信号幅值和目标信号持续时间；上位机软件的干扰信号类型选择包括扫频干扰、阻塞干扰和应答干扰；上位机软件的干扰信号参数设置包括扫频上限、扫频下限、扫频间隔、扫频时长、阻塞频率、阻塞幅度、工作频率；应答干扰显示应答频率；上位机软件的模拟信号采集和数据存储，可实现任意8个通道输入模拟信号的采集功能，每路采集1024位数据，采样频率可根据需要通过上位机软件进行设置，数据以txt文本格式输出并存储到指定文件路径；上位机软件的采集信号波形显示可根据需要选择任意采集通道中的采集数据，并显示波形；上位机软件的实验装置连接状态检查实时监测实验装置核心控制模块3与上位机的串口连接关系，连接断开时自动报警提示。

进一步参照图2和图3，接收机模块2中包括自适应补偿电路7、滤波放大电路8、同步检波电路9、微分电路10、幅值判决电路11、综合判决电路12、延时电路13及移相电路6。可以理解的是，图3中出现的接收机模块2的各个电路，并不表示这些电路是设置在操控面板5上，而仅表示电路连接关系。

另外，操控面板5上安装有多种接口，为操作人员提供所述水下主动电磁探测实验装置的功能选择、典型接收机电路的状态和信号输入，以及信号测点和结果显示。具体地，接收机模块2中信号处理流程的关键节点均在操控面板5上预留了信号观察端口，例如，操控面板5上设置有：与自适应补偿电路7对应的补偿节拍端口和补偿使能端口，与滤波放大电路8对应的预处理输出端口，与同步检波电路9对应的检波输出端口，与微分电路10对应的微分输出端口，与幅值判决电路11对应的幅值判决端口，与综合判决电路12对应的综合判决端口。优选地，同步检波电路9包括乘法器与低通滤波器；操控面板5上还设置有与乘法器对应的乘法器输出端口。

进一步地，操控面板5上还设置有参考信号端口、接收线圈端口、目标信号端口及输入选择开关；参考信号端口外接参考信号，且分别与延时电路13及移相电路6连接；接收线圈端口外接水下主动电磁探测系统的接收线圈，且与输入选择开关连接；目标信号端口与多个信号源端口中的一个连接，且与输入选择开关连接；输入选择开关与自适应补偿电路7连接，用于供用户选择从接收线圈端口输入或从目标信号端口输入，并将输入信号传输给自适应补偿电路7。

操控面板5上还设置有与移相电路6对应的四个移相波形观测端口，四个移相波形观测端口分别对应于0°、90°、180°和270°的移相。

操控面板5上还设置有220V市电连接端口、多个直流输出端口、电源指示灯、与延时电路13对应的延时指示灯、用于指示综合判决输出的动作指示灯、多个状态控制开关及对应的多个状态指示灯。在图示实施例中，直流输出端用于对实验装置供电状态的测量和监控，也可为外部用电设备提供27V、±12V和5V，总电流不超过3A的直流供电；图3中，操控面板5上设置有3个状态控制开关，分别对应于攻击指令、反舰指令、反潜指令，每一个状态指令都对应有开关指示灯，以显示状态指令输入是否有效。

操控面板5上还设置有外部接收机接口以及接收机选择开关，用于供用户选择在外部接收机与内部的接收机模块2之间的切换。当选择内部的接收机模块2时，接收机模块2路的供电被接通，处于工作状态；当选择外部接收机时，接收机模块2的供电被断开，外部接收机通过外部接收机接口被供电，且相关信号与所述操控面板5对应的信号测试端口连接。

优选地，箱体1具有可拆卸的顶盖，用于保护操控面板5，且顶盖的内侧设置有实验线材的收纳袋。

本发明提供的水下主动电磁探测信号处理的实验装置的工作原理为：在接收机模块2上电延时计时完成前，接收机模块2会对输入的直接耦合干扰进行自适应补偿，当延时计时完成后，接收机模块2则根据参考信号的频率、相位特征，对输入模拟目标信号的频率、幅度、相位、包络时间变化率及包络持续时间等参数进行提取与识别，并根据识别结果适时输出代表探测结果的动作指示；根据实验内容需要，用户可使用上位机控制核心控制模块3在产生一路参考信号的同时，产生另一路直接耦合干扰、模拟目标信号或模拟干扰信号，上述信号均通过操控面板5上对应的信号端口的导线连接实现信号传递。

在一个具体实施例中，本发明提供的水下主动电磁探测信号处理的实验装置的具体工作流程如下：

(1)准备好箱体1和上位机，并且可搭配一台带宽为50MHz以上的四路示波器使用。

(2)使用串口数据线连接上位机和实验装置，启动上位机和上位机软件，在上位机软件界面中选择“水下主动电磁探测信号处理算法演示”任务。

(3)使用双头BNC电缆将操控面板5上的“信号源1”端口与“目标信号”端口连接，用同样的方法连接“信号源2”与“参考信号”端口，将操控面板5上的“选择输入”开关拨向下边。

(4)使用双头BNC电缆将操控面板5上的“预处理输出”、“检波输出”、“微分输出”和“幅值判决”这四个端口与示波器上的四个信号采集通道分别连接，接通示波器电源并启动示波器。

(5)将操控面板5上的“接收机选择”开关拨向左边，表示实验装置内部的接收机模块2被选中。

(6)将接有220V市电的电源线插入实验装置操控面板5的对应插座内，按下“AC220V”市电电源接通开关，220V插座模块指示灯亮，表明外部供电正常。

(7)将操控面板上的“Power”开关拨向上边，“DC”指示灯亮，表示实验装置的直流电源接通，使用万用表测量操控面板5上的直流电源区接线柱上对应的电压值，“27V”相对于“0V”，“+12V”、“-12V”和5V相对于GND，若测量值与标注电压值相等，则表示实验装置的直流电源供电正常。

(8)将模拟目标信号和参考信号的参数输入到上位机软件所对应的参数设置对话框内，并在软件界面内点击“启动”按钮，控制“信号源2”输出参考信号，并通过“参考信号”端口输入到接收机模块2中。

(9)待操控面板5上“延时”方框输出的“DT”指示灯亮时，表示接收机模块2进入目标信号处理与识别状态，此时在上位机软件界面中点击“发射”按钮，控制“信号源1”输出模拟目标信号，并通过“目标信号”端口输入到接收机模块2中。

(10)结合操控面板上的“动作指示”，观察示波器上的波形显示，必要时可调整目标信号参数，使用上位机系统重复模拟目标信号的发射，直到较完整地观察到“预处理输出”、“检波输出”、“微分输出”和“幅值判决”这四个端口信号的波形，理解输入的模拟目标信号参数与“动作指示”的关系，从而帮助用户掌握水下主动电磁探测信号处理的算法流程。

(11)实验装置中接收机模块2对输入的参考信号进行了整形和移相，可使用示波器测试四路移相信号的输出端口，包括0°、90°、180°和270°移相输出，使用双头BNC电缆连接四路移相信号测试端口和示波器，以观察移相信号的波形和相位关系。

(12)实验装置提供了水下主动电磁探测信号处理中同步检波算法的原理演示，观察时使用双头BNC电缆将操控面板5上的“预处理输出”、“180°”、“0°”和“乘法器输出”端口与示波器连接。

(13)使用上位机调整模拟目标信号的类型为“连续波”，点击“发射”按钮，观察示波器中同步检波算法的乘法器输入、参考信号及乘法器输出波形，同时对比观察检波输出波形，以加深对同步检波算法的理解。

(14)使用上位机调整模拟目标信号的频率、幅度和相位参数，对比观察乘法器输出波形及检波输出波形发生的变化，以理解同步检波电路的工作原理。

(15)当需要进行接收机模块2指标测试或接收机模块2抗干扰性能测试实验时，在上位机软件中切换相应的功能任务，按照功能任务界面设置对应参数，参照上述实验装置的基本操作方法，即可完成相关实验。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (10)

1.一种水下主动电磁探测信号处理的实验装置，其特征在于，包括箱体(1)、操控面板(5)、接收机模块(2)、核心控制模块(3)和电源模块(4)；

所述直流电源模块(4)安装在所述箱体(1)内部的底板上，底板上方固定有一张支撑板，所述接收机模块(2)与核心控制模块(3)并排安装在支撑板的上方，所述操控面板(5)安装于所述箱体(1)的顶层，所述接收机模块(2)、核心控制模块(3)、电源模块(4)和操控面板(5)均通过螺钉固定；

所述接收机模块(2)、核心控制模块(3)、直流电源模块(4)和操控面板(5)之间通过可拆卸的连接线实现互连。

2.根据权利要求1所述的水下主动电磁探测信号处理的实验装置，其特征在于，所述核心控制模块(3)与上位机连接，上位机用于根据实验任务设置所述核心控制模块(3)，所述核心控制模块(3)用于完成对整个实验装置的信号采样、系统控制和信号发生功能。

3.根据权利要求2所述的水下主动电磁探测信号处理的实验装置，其特征在于，所述操控面板(5)上设置有上位机接口、多个信号源端口及多个采样通道端口，上位机接口用于连接上位机与核心控制模块(3)，多个信号源端口及多个采样通道端口均与核心控制模块(3)连接。

4.根据权利要求3所述的水下主动电磁探测信号处理的实验装置，其特征在于，所述接收机模块(2)中包括自适应补偿电路(7)、滤波放大电路(8)、同步检波电路(9)、微分电路(10)、幅值判决电路(11)、综合判决电路(12)、延时电路(13)及移相电路(6)。

5.根据权利要求4所述的水下主动电磁探测信号处理的实验装置，其特征在于，所述操控面板(5)上设置有：与自适应补偿电路(7)对应的补偿节拍端口和补偿使能端口，与滤波放大电路(8)对应的预处理输出端口，与同步检波电路(9)对应的检波输出端口，与微分电路(10)对应的微分输出端口，与幅值判决电路(11)对应的幅值判决端口，与综合判决电路(12)对应的综合判决端口。

6.根据权利要求5所述的水下主动电磁探测信号处理的实验装置，其特征在于，所述同步检波电路(9)包括乘法器与低通滤波器；所述操控面板(5)上还设置有与乘法器对应的乘法器输出端口。

7.根据权利要求6所述的水下主动电磁探测信号处理的实验装置，其特征在于，所述操控面板(5)上还设置有参考信号端口、接收线圈端口、目标信号端口及输入选择开关；

所述参考信号端口外接参考信号，且分别与延时电路(13)及移相电路(6)连接；

所述接收线圈端口外接水下主动电磁探测系统的接收线圈，且与输入选择开关连接；

所述目标信号端口与多个信号源端口中的一个连接，且与输入选择开关连接；

所述输入选择开关与自适应补偿电路(7)连接，用于供用户选择从接收线圈端口输入或从目标信号端口输入，并将输入信号传输给自适应补偿电路(7)。

8.根据权利要求7所述的水下主动电磁探测信号处理的实验装置，其特征在于，所述操控面板(5)上还设置有与移相电路(6)对应的四个移相波形观测端口，四个移相波形观测端口分别对应于0°、90°、180°和270°的移相。

9.根据权利要求8所述的水下主动电磁探测信号处理的实验装置，其特征在于，所述操控面板(5)上还设置有220V市电连接端口、多个直流输出端口、电源指示灯、与延时电路(13)对应的延时指示灯、用于指示综合判决输出的动作指示灯、多个状态控制开关及对应的多个状态指示灯。

10.根据权利要求9所述的水下主动电磁探测信号处理的实验装置，其特征在于，所述操控面板(5)上还设置有外部接收机接口以及接收机选择开关，用于供用户选择在外部接收机与内部的接收机模块(2)之间的切换。

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