CN112636712A - 一种声纳浮标预处理增益自动控制系统及调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种声纳浮标预处理增益自动控制系统及调节方法，采用高阻抗差分放大器耦合微弱声纳信号，将增益放大分为微弱固定放大、可变增益，固定放大三个阶段，把可变增益阶段输出信号有效值变换为反馈信息，在可变增益阶段完成对增益的自动精确控制，达到声纳信号宽动态范围精确放大的目的。将浮标接收到的微弱信号进行放大滤波处理，最终输出V级的信号，本发明能够将宽动态范围的声纳信号稳定放大，放大增益实现自动控制无需人工介入，根据实际使用背景能够实现对声纳信号的精确放大衰减控制，集成度高、性能稳定可靠，更加易于满足多通道声纳信号放大需求的声纳产品设计。

Description

一种声纳浮标预处理增益自动控制系统及调节方法

技术领域

本发明涉及信号处理工程领域，用于解决海洋背景噪声干扰和混响干扰下，宽动态范围声纳信号增益的自动控制问题，尤其是用于声纳在主动、被动工作方式下，为实现对目标的精确探测，宽动态范围声纳回波信号的增益控制方法。

背景技术

航空吊放声纳、声纳浮标等相关产品对于水下目标的远距离探测性能，严重依赖于宽动态范围声纳信号的放大和滤波技术。基于海洋信道的特征和声纳远程探测的特性，探测回波的声信号呈现出信噪比小、脉冲短且展宽严重、存在混响干扰、信号动态范围大等特点。针对声纳系统远程探测的需求，本发明所指的一种声纳浮标预处理增益自动控制方法是将增益控制分为三个阶段：μv至mv量级的固定增益，mv至v量级的自动可变增益，v级的固定增益，把中间阶段输出信号有效值变换为反馈信息，在mv至v量级的中间阶段，实现对增益的精确控制，达到预处理增益自动控制的目的。上述功能可根据声纳系统的实际需求，调整放大系统的工作频带和增益范围，具有良好的通用性。

国内目前在水声领域的宽动态范围声纳信号放大技术主要有三种。第一种是基于模拟电压控制增益的技术。该方法以电压控制增益放大器为核心，实现了从-40dB到+40dB的线性增益控制。罗有亮等人在“基于VCA810的大动态范围AGC电路设计”(电子工程设计，2016年)一文中也介绍了类似的方案。该类技术的特点是放大与衰减的动态范围相同，且需要稳定、高精度、低噪声的模拟电压控制信号。对于声纳系统远程探测的需求，该技术没有充分发挥对微弱信号的放大能力，单级的放大动态范围只有40dB，如果需要更大的放大范围则需要多级级联实现，且高精度的电压控制信号需要较为复杂的电路设计才能达到预期的效果。

第二种是基于数控衰减的技术。该方法以数控衰减器或DA变换器为核心，将声信号作为模拟参考量，采用DA变换的方法，通过提供的数字码确定模拟声信号的衰减量。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)一文中也介绍了类似的方案，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预处理系统。该类技术的特点是将声信号先放大，然后通过衰减器逐级衰减信号。该方法对于长脉冲信号和连续信号能够实现稳定的控制，对于短脉冲信号容易出现放大量过大、短脉冲信号限幅、衰减码跳变等现象。

第三种是基于门限估计的增益控制技术。该方法统计一段时间内接收信号幅度过门线的次数，通过统计结果调整放大增益。李恒等人在“基于门限估计的水声通信接收机自动增益控制”(解放军理工大学学报(自然科学版)，2015年)一文中对该技术进行了深入的研究和详细说明。该技术需要人工确定统计时间和门限标准，对于低信噪比时短脉冲回声信号的判别能力弱。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种声纳浮标预处理增益自动控制系统及调节方法。对声纳工作中放大动态范围大于衰减动态范围、避免放大限幅丢失相位信息、无需人工介入实现自动控制放大增益的需求，现有声纳信号的放大控制技术在工程实现上存在不足。本发明的目的就是采用高阻抗差分放大器耦合微弱声纳信号，将增益放大分为微弱固定放大、可变增益，固定放大三个阶段，把可变增益阶段输出信号有效值变换为反馈信息，在可变增益阶段完成对增益的自动精确控制，达到声纳信号宽动态范围精确放大的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

一种声纳浮标预处理增益自动控制系统，差分放大器与水听器直连，差分放大器对水听器耦合的信号进行第一次前置放大，前置放大后的信号经过第一固定放大电路进行第二次固定增益放大，再进行高通滤波，高通滤波后的信号经过两级级联的可变增益放大电路实现第三次可变增益放大；可变增益放大电路的输出信号经过带通滤波后，进入第二固定放大电路进行第四次固定增益放大，放大后的信号经过低通滤波后将信号输出；

其中，可变增益放大电路输出一路信号作为反馈信号，反馈信号通过均方根直流转换器将交流信号转换为直流信号，再通过单片机采集直流信号并产生增益控制码，通过增益控制码控制可变增益放大电路中反馈电阻的阻值。

根据水听器选择差分放大器，水听器的输出阻抗远小于差分放大器的输入阻抗，差分放大器与水听器的物理连线距离尽可能短，物理距离为0.25m-0.5m，，确定第二次固定放大的增益为1-10倍，高通滤波的截止频率为15kHz-20kHz。

所述可变增益放大电路中，将数控电位计作为反馈电阻与低噪声运放组成反向放大电路，输入电阻连接低噪声运放的输入反相端，将两组反向放大电路进行级联，两级级联实现动态范围的扩大。

所述带通滤波电路采用模拟滤波器，根据应用需求调整带通滤波参数，对信号进行第四次固定增益放大，补偿电路的信号衰减，第二固定放大电路中第四次放大的放大量倍数为1-10倍，低通滤波后将信号输出。

所述反馈信号通过均方根直流转换器转换为直流信号，单片机采集该直流信号，结合可变增益放大电路的增益，产生数控电位计所需的配置参数，完成信号放大的自动增益控制，单片机提供人工增益控制的接口，使得声纳操作人员根据实际收听效果，调节可变增益的放大量。

数字电位计R_C为滑动变阻器，数字电位计R_C由单片机发送的程序指令进行控制档位，为可变增益放大电路的反馈电阻，与可变增益放大电路的输入电阻R构成反相放大器，反相放大器的放大倍数表示为G＝-R_C/R，负号表示信号的相位翻转180度。通过调整R_C，实现电信号的放大或衰减，当R_C>R时，|G|>1，对电信号实现放大；当R_C<R时，|G|<1，对电信号实现衰减。

所述数字电位计R_C采用AD5293芯片，满档位时阻值为100kΩ，共有1024个档位可调，每档电阻值为97.65Ω，输入电阻R为1kΩ，则通过调节1024个档位对电信号实现逐倍的增益调整，根据G＝-R_C/R得到每级放大倍数为0.09765倍，共1024级，当数字电位计的电阻小于1kΩ时，即在1～10档时，电路实现衰减功能，当数字电位计的电阻大于1kΩ时，即在11～1024档时，该电路实现放大功能。

一种声纳浮标预处理增益自动控制系统的调节方法，具体步骤为：

通过均方根直流转换器将交流信号转换成直流信号送入单片机，在单片机内将该直流信号的电平与参考电平做比对，从而判断出新的放大倍数，并将放大倍数以程序指令的方式送入数字电位计调节原始交流信号的放大量，采样判断过程使用直流信号，有效地降低其他信号和程序指令原始交流信号造成的干扰；调节步骤为：

1)交流信号经过数模转换后，得到直流电平s，判断直流电平s是否大于第一阈值s1，s1取值5264，如s大于s1，则将单片机控制放大倍数的程序指令G乘以0.707得到新G，并将新G输入数字电位计；否则，进入步骤2)；

2)判断直流电平s是否大于第二阈值s2，s2取值为0，如s大于s2，则将单片机控制放大倍数的程序指令G直接输入数字电位计；否则，进入步骤3)；

3)将单片机控制放大倍数的程序指令G按照公式G乘以第三阈值s3再除以s，得到新G，其中s3＝1974～3212，然后将新G输入数字电位计；

本发明的有益效果在于对浮标接收到的微弱信号(一般为μV级)进行放大滤波处理，通过多级放大滤波以及单片机和数字电位计构建的可控放大模块，最终输出V级的信号，本发明由于采用交流转直流后进行采样判断，抗干扰能力强于直接使用交流信号的效果。能够将宽动态范围的声纳信号稳定放大，放大增益实现自动控制无需人工介入，根据实际使用背景能够实现对声纳信号的精确放大衰减控制。基于本发明设计的电路，集成度高、性能稳定可靠，更加易于满足多通道声纳信号放大需求的声纳产品设计。

附图说明

图1为一种声纳浮标预处理增益自动控制系统原理图。

图2为第一次前置放大原理图；

图3为第二次固定放大高通滤波原理图；

图4为第三次可变增益放大原理图；

图5为带通滤波原理图；

图6为第四次固定放大低通滤波原理图；

图7为增益控制原理图。

图8为本发明数字电位计调节放大量的流程图。

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。

本发明中：阶段1使用高阻抗差分放大器耦合水听器信号进行低噪声固定放大，将μv信号放大至mv量级；阶段2使用低噪声运放和数控电位计实现增益可控的设计，将信号控制在mv至v量级；阶段3固定增益放大，同时将输出信号的有效值通过运算产生增益控制码，增益控制码用于控制阶段2电路的精确增益。该设计结构简单，系统参数易于调整，方案易于实现，具有很强的实用性，便于推广使用。

一种声纳浮标预处理增益自动控制系统，如图1所示，差分放大器与水听器直连，差分放大器对水听器耦合的信号进行第一次前置放大，前置放大后的信号经过第一固定放大电路进行第二次固定增益放大，再进行高通滤波，高通滤波后的信号经过两级级联的可变增益放大电路实现第三次可变增益放大；可变增益放大电路的输出信号经过带通滤波后，进入第二固定放大电路进行第四次固定增益放大，放大后的信号经过低通滤波后将信号输出；

其中，可变增益放大电路输出一路信号作为反馈信号，反馈信号通过均方根直流转换器将交流信号转换为直流信号，再通过单片机采集直流信号并产生增益控制码，通过增益控制码控制可变增益放大电路中反馈电阻的阻值。

根据水听器选择差分放大器，水听器的输出阻抗远小于差分放大器的输入阻抗，差分放大器与水听器的物理连线距离尽可能短，物理距离为0.25m-0.5m，，确定第二次固定放大的增益为1-10倍,高通滤波的截止频率为15kHz-20kHz。

所述可变增益放大电路中，将数控电位计作为反馈电阻与低噪声运放组成反向放大电路，输入电阻连接低噪声运放的输入反相端，将两组反向放大电路进行级联，两级级联实现动态范围的扩大。

所述带通滤波电路采用模拟滤波器，根据应用需求调整带通滤波参数，对信号进行第四次固定增益放大，补偿电路的信号衰减，第二固定放大电路中第四次放大的放大量倍数为1-10倍，低通滤波后将信号输出。

所述反馈信号通过均方根直流转换器转换为直流信号，单片机采集该直流信号，结合可变增益放大电路的增益，产生数控电位计所需的配置参数，完成信号放大的自动增益控制，单片机提供人工增益控制的接口，使得声纳操作人员根据实际收听效果，调节可变增益的放大量。

数字电位计R_C为滑动变阻器，数字电位计R_C由单片机发送的程序指令进行控制档位，为可变增益放大电路的反馈电阻，与可变增益放大电路的输入电阻R构成反相放大器，反相放大器的放大倍数表示为G＝-R_C/R，负号表示信号的相位翻转180度。通过调整R_C，实现电信号的放大或衰减，当R_C>R时，|G|>1，对电信号实现放大；当R_C<R时，|G|<1，对电信号实现衰减。

所述数字电位计R_C采用AD5293芯片，满档位时阻值为100kΩ，共有1024个档位可调，每档电阻值为97.65Ω，输入电阻R为1kΩ，则通过调节1024个档位对电信号实现逐倍的增益调整，根据G＝-R_C/R得到每级放大倍数为0.09765倍，共1024级，当数字电位计的电阻小于1kΩ时，即在1～10档时，电路实现衰减功能，当数字电位计的电阻大于1kΩ时，即在11～1024档时，该电路实现放大功能。

通过均方根直流转换器将交流信号转换成直流信号送入单片机，在单片机内将该直流信号的电平与参考电平做比对，从而判断出新的放大倍数，并将放大倍数以程序指令的方式送入数字电位计调节原始交流信号的放大量，采样判断过程使用直流信号，有效地降低其他信号和程序指令原始交流信号造成的干扰；如图8所示，调节步骤为：

1)交流信号经过数模转换后，得到直流电平s，判断直流电平s是否大于第一阈值s1，s1取值5264，如s大于s1，则将单片机控制放大倍数的程序指令G乘以0.707得到新G，并将新G输入数字电位计；否则，进入步骤2)

2)判断直流电平s是否大于第二阈值s2，如s大于s2，s2取值为0，则将单片机控制放大倍数的程序指令G直接输入数字电位计；否则，进入步骤3)；

3)将单片机控制放大倍数的程序指令G按照公式G乘以第三阈值s3再除以s，得到新G，其中s3＝1974～3212，然后将新G输入数字电位计；

控制数字电位计的计算公式为R_C＝G×R，R取值97.65。

实施例如下：

系统采用±9-±15V直流供电，水听器输出信号范围10-100μV，放大动态范围大于80dB，总增益大于110dB，功耗小于1瓦。

本实例的具体实现如下：

(a)根据使用的水听器输出阻抗选择合适的高精度、低噪声差分放大器，满足水听器输出阻抗远小于放大器输入阻抗的条件。放大器两端与换能器输出直连，物理连线尽量短，放大增益40dB，如图2所示。

(b)根据使用场景的需求，确定第二次固定增益放大的倍数，采用UAF42模拟滤波器构建二阶高通滤波。如图3所示，可选用放大器INA128，电阻R1确定放大倍数，电阻Rg、Rq、Rf确定UAF42二阶高通的截止频率。

(c)如图4所示，可选用AD797构建反向放大器，数控电位计AD5293作为反馈电阻，输入电阻R4、R5选用1KΩ的高精度电阻，通过两级级联的方式实现动态范围80dB。

(d)采用两片UAF42级联的方式构建四阶带通滤波，可根据使用场景的需求，通过电阻Rg、Rq、Rf配置实现需要的滤波中心频率和滤波带宽。如图5所示。

(e)如图6所示，通过固定增益放大补偿系统的放大量，电阻R6、R7确定放大量。采用UAF42构建二阶低通滤波。

(f)将图4输出的信号作为反馈信号引入图7，经过高精度均方根直流转换器，由单片机将转换后的有效值和增益控制结合，产生控制码控制数控电位计AD5293的阻值，控制码输出至图4的AD5293控制端。

该实例对微弱信号进行了四次放大，使用中可根据场景需求灵活调整增益的分配。第一次前置放大增益范围30-40dB,第二次固定增益放大可根据具体需求选择1-10倍，第三次可变增益放大动态范围80dB，幅度调整精度0.1倍/档，第四次固定增益放大定为1-10倍。

本发明的优势在于：

1)动态范围可根据用户需求，自己设计放大衰减范围，不受现有程控增益控制芯片的限制。

2)控制精度高；

3)交流转直流采样，统计量计算，最大程度降低了脉冲干扰、工频干扰对控制效果造成的干扰，抗干扰能力强。

Claims (8)

1.一种声纳浮标预处理增益自动控制系统，其特征在于：

所述声纳浮标预处理增益自动控制系统，差分放大器与水听器直连，差分放大器对水听器耦合的信号进行第一次前置放大，前置放大后的信号经过第一固定放大电路进行第二次固定增益放大，再进行高通滤波，高通滤波后的信号经过两级级联的可变增益放大电路实现第三次可变增益放大；可变增益放大电路的输出信号经过带通滤波后，进入第二固定放大电路进行第四次固定增益放大，放大后的信号经过低通滤波后将信号输出；

其中，可变增益放大电路输出一路信号作为反馈信号，反馈信号通过均方根直流转换器将交流信号转换为直流信号，再通过单片机采集直流信号并产生增益控制码，通过增益控制码控制可变增益放大电路中反馈电阻的阻值。

2.根据权利要求1所述的声纳浮标预处理增益自动控制系统，其特征在于：

根据水听器选择差分放大器，水听器的输出阻抗远小于差分放大器的输入阻抗，差分放大器与水听器的物理距离为0.25m-0.5m，，确定第二次固定放大的增益为1-10倍，高通滤波的截止频率为15kHz-20kHz。

3.根据权利要求1所述的声纳浮标预处理增益自动控制系统，其特征在于：

所述可变增益放大电路中，将数控电位计作为反馈电阻与低噪声运放组成反向放大电路，输入电阻连接低噪声运放的输入反相端，将两组反向放大电路进行级联，两级级联实现动态范围的扩大。

4.根据权利要求1所述的声纳浮标预处理增益自动控制系统，其特征在于：

所述带通滤波电路采用模拟滤波器，根据应用需求调整带通滤波参数，对信号进行第四次固定增益放大，补偿电路的信号衰减，第二固定放大电路中第四次放大的放大量倍数为1-10倍，低通滤波后将信号输出。

5.根据权利要求1所述的声纳浮标预处理增益自动控制系统，其特征在于：

所述反馈信号通过均方根直流转换器转换为直流信号，单片机采集该直流信号，结合可变增益放大电路的增益，产生数控电位计所需的配置参数，完成信号放大的自动增益控制，单片机提供人工增益控制的接口，使得声纳操作人员根据实际收听效果，调节可变增益的放大量。

6.根据权利要求1所述的声纳浮标预处理增益自动控制系统，其特征在于：

所述数字电位计R_C为滑动变阻器，数字电位计R_C由单片机发送的程序指令进行控制档位，为可变增益放大电路的反馈电阻，与可变增益放大电路的输入电阻R构成反相放大器，反相放大器的放大倍数表示为G＝-R_C/R，负号表示信号的相位翻转180度，通过调整R_C，实现电信号的放大或衰减，当R_C>R时，|G|>1，对电信号实现放大；当R_C<R时，|G|<1，对电信号实现衰减。

7.根据权利要求6所述的声纳浮标预处理增益自动控制系统，其特征在于：

所述数字电位计R_C采用AD5293芯片，满档位时阻值为100kΩ，共有1024个档位可调，每档电阻值为97.65Ω，输入电阻R为1kΩ，则通过调节1024个档位对电信号实现逐倍的增益调整，根据G＝-R_C/R得到每级放大倍数为0.09765倍，共1024级，当数字电位计的电阻小于1kΩ时，即在1～10档时，电路实现衰减功能，当数字电位计的电阻大于1kΩ时，即在11～1024档时，实现放大功能。

8.一种利用权利要求1所述声纳浮标预处理增益自动控制系统的调节方法，其特征在于包括下述步骤：

通过均方根直流转换器将交流信号转换成直流信号送入单片机，在单片机内将该直流信号的电平与参考电平做比对，从而判断出新的放大倍数，并将放大倍数以程序指令的方式送入数字电位计调节原始交流信号的放大量，采样判断过程使用直流信号，有效地降低其他信号和程序指令原始交流信号造成的干扰；调节步骤为：

1)交流信号经过数模转换后，得到直流电平s，判断直流电平s是否大于第一阈值s1，s1取值5264，如s大于s1，则将单片机控制放大倍数的程序指令G乘以0.707得到新G，并将新G输入数字电位计；否则，进入步骤2)；

2)判断直流电平s是否大于第二阈值s2，s2取值为0，如s大于s2，则将单片机控制放大倍数的程序指令G直接输入数字电位计；否则，进入步骤3)；

3)将单片机控制放大倍数的程序指令G按照公式G乘以第三阈值s3再除以s，得到新G，其中s3取值为1974～3212，然后将新G输入数字电位计。

Images