CN117155325B - 一种矢量水听器的信号调理方法及调理电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种矢量水听器的信号调理方法及调理电路，涉及信号处理领域，包括两个分别接收正向电荷信号和反向电荷信号的电荷放大器，并将正向电荷信号和反向电荷信号对应转换成正向电压信号和反向电压信号，两个带外衰减速度为6dB/倍频程，群时延响应90°的低通滤波器与电荷放大器电性连接，利用通带外的群时延和频率响应特性补偿压电加速度计的电荷信号正向电压信号和反向电压信号的相移及衰减，得到正向振速信号和反向振速信号，伺服差分放大器合并和差分放大压电加速度计的电荷信号正向振速信号和反向振速信号得到振速信号，本发明补偿了电荷信号与要求的振速信号之间90°的相位差，以及抑制了加速度信号输出曲线的不平坦现象。

Description

一种矢量水听器的信号调理方法及调理电路

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种矢量水听器的信号调理方法及调理电路。

背景技术

用于水下声强测量的矢量水听器，要求不仅能够测量水中声场的声压信号，同时还能够测量水下声场中水质点的振速信号，并将声压与振速的乘积作为声强，目前常见的矢量水听器，其内部采用压电加速度计作为敏感元件，其矢量通道输出的是加速度信号，与所要求的振速信号存在90°的相位差；参考图1所示，加速度通道的频率响应曲线不是平坦的，存在每倍频程6分贝（6dB/oct）的上升斜率，但声压信号接收响应曲线是平坦的，因此，加速度通道频响的上升斜率以及与振速信号相位差使其无法直接与声压信号相乘得到声强信号。

因此，有必要提供一种矢量水听器的信号调理方法及调理电路解决上述技术问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种矢量水听器的信号调理方法及调理电路，将成对的压电加速度计的电荷信号经过电荷放大、移相滤波、差分与伺服反馈后，得到振速信号，补偿了加速度信号与振速信号之间90°的相位差，以及抑制了加速度信号输出曲线的不平坦现象，同时抑制了电路本身的低频漂移和直流偏置电压。

本发明提供的一种矢量水听器的信号调理电路，包括以下组件：

两个电荷放大器，分别接收正向电荷信号和反向电荷信号，并将正向电荷信号和反向电荷信号对应转换成正向电压信号和反向电压信号；

两个低通滤波器，与两个所述电荷放大器对应电性连接，用于补偿所述正向电压信号和反向电压信号的相移及衰减，得到正向振速信号和反向振速信号；

伺服差分放大器，与所述低通滤波器电性连接，用于合并和差分放大所述正向振速信号和反向振速信号得到振速信号；

输出接口，用于输出得到的振速信号。

优选的，所述电荷放大器为复合型电荷放大器。

优选的，接收所述正向电荷信号的复合型电荷放大器包括由运算放大器U1A与电阻R3、电阻R6、电容C5组成的电荷放大器，以及由运算放大器U1B与电阻R5、电容C1、电阻R2、C2组成的积分伺服回路。

优选的，接收所述反向电荷信号的复合型电荷放大器包括由运算放大器U3A与电阻R12、电阻R1、电容C6组成的电荷放大器，以及由运算放大器U3B与电阻R514、电容C7、电阻R15、电容C8组成的积分伺服回路。

优选的，所述低通滤波器为多路反馈型低通滤波器，通过调整多路反馈型低通滤波器的参数使得通带外群时延响应为90°，带外衰减速度为6dB/倍频程。

优选的，接收所述正向电压信号的多路反馈型低通滤波器包括运算放大器U2A、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电容C3和电容C4。

优选的，接收所述反向电压信号的多路反馈型低通滤波器包括运算放大器U2B、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电容C9和电容C10。

优选的，所述伺服差分放大器包括仪表放大器U5、增益调整电阻RG以及积分反馈回路。

优选的，所述积分反馈回路包括运算放大器U4B和电阻R23、电阻R24、电容C11。

本发明还提供了一种矢量水听器的信号调理方法，应用于一种矢量水听器的信号调理电路，包括以下操作步骤：

S1：将正向电荷信号和反向电荷信号对应转换成正向电压信号和反向电压信号；

S2：补偿所述正向电压信号和反向电压信号的相移及衰减，得到正向振速信号和反向振速信号；

S3：合并和差分放大所述正向振速信号和反向振速信号得到振速信号；

S4：输出得到的振速信号。

与相关技术相比较，本发明提供的一种矢量水听器的信号调理方法及调理电路具有如下有益效果：

本发明将成对的正向和反向压电加速度计的电荷信号分别输入经过电荷放大器，以将电荷信号转换成电压信号，再分别利用低通滤波器补偿正向和反向电压信号的相移及衰减，得到相应的正向和反向振速信号，最后通过差分放大器合并和差分放大正向和反向振速信号得到振速信号，补偿了电荷信号与要求的振速信号之间90°的相位差，以及抑制了加速度信号输出曲线的不平坦现象，同时抑制了电路本身的低频漂移和直流偏置电压。

附图说明

图1为现有技术压电加速度计的矢量水听器的灵敏度响应曲线图；

图2为本发明提供的一种矢量水听器的信号调理电路的线框示意图；

图3为本发明提供的一种矢量水听器的信号调理电路的电路示意图；

图4为本发明提供的一种矢量水听器的信号调理电路的低通滤波器的幅度响应测试结果图；

图5为本发明提供的一种矢量水听器的信号调理电路的低通移相滤波器的相位响应测试结果图。

图6为本发明提供的一种矢量水听器的信号调理方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

需要说明的是，RC滤波器尤其是低通滤波器，可以对信号按照频带进行衰减，同时滤波器的群时延响应可以引入相移，因此可以设计特定的低通滤波器，使其频率响应的衰减曲线为每倍频程6分贝（6dB/oct）的下降斜率，以抵消加速度通道的频率响应曲线每倍频程6分贝（6dB/oct）的上升斜率；同时该低通滤波器的群时延响应产生90°的相移，可以用来补偿加速度通道信号与所要求的振速信号之间90°的相位差，继而使得采用压电加速度计作为敏感元件的矢量水听器信号能得到幅-频响应与相位补偿，补偿后的加速度信号可与声压信号相乘得到声强信号。

同时，压电加速度计是基于压电效应，当施加力或振动时，压电材料会产生电荷，因此，当压电加速度计受到水流或声波等振动刺激时，它会产生相应的电荷信号（也即加速度信号）。

实施例一

为此，参考图2所示，本发明提供了一种矢量水听器的信号调理电路，包括以下组件：

两个电荷放大器，分别接收正向电荷信号和反向电荷信号，并将正向电荷信号和反向电荷信号对应转换成正向电压信号和反向电压信号。

在本实施例中，两个电荷放大器为复合型电荷放大器，并分为两路，分别接收由加速度计输出的原始的电荷信号（也即原始加速度信号），该电荷信号与声压信号存在90°相位差以及频率响应曲线存在每倍频程6分贝（6dB/oct）的上升斜率的问题。

具体的，参考图3所示，接收正向电荷信号的复合型电荷放大器包括由运算放大器U1A与电阻R3、电阻R6、电容C5组成的电荷放大器，以及由运算放大器U1B与电阻R5、电容C1、电阻R2、C2组成的积分伺服回路。

同时，接收反向电荷信号的复合型电荷放大器包括由运算放大器U3A与电阻R12、电阻R1、电容C6组成的电荷放大器，以及由运算放大器U3B与电阻R514、电容C7、电阻R15、电容C8组成的积分伺服回路。

以接收正向电荷信号的复合型电荷放大器为例，在具体实施时，若压电加速度计的静态等效电容为C0，等效电阻为R0，则要求C5（R3+R6）=C0R0，R6为输入匹配电阻，运算放大器U1B与电阻R5、C1、R2、C2构成积分伺服回路，其中，

R5=R2，C1=C2，积分时间常数为T=R2C2；

若取R2=20MΩ、C2=2.2uF；

则积分时间常数：T=20MX2.2u=44s；

电荷放大器的输出信号经过R2、C2积分后，时间常数为44s，再经过电阻R4限流后，输入到匹配电阻R6，构成伺服反馈，以抵消部分低频漂移和直流偏置电压。

同样的，反向电荷信号进入另外一路电路结构相同的电荷放大器，经过R15、C8积分后，时间常数为44秒，再经过电阻R13限流后，输入到匹配电阻R1，构成伺服反馈，也可以抵消部分低频漂移和直流偏置电压，但信号与正向加速度信号反向。

参考图2所示，还包括两个低通滤波器，与两个电荷放大器对应电性连接，用于补偿正向电压信号和反向电压信号的相移及衰减，得到正向振速信号和反向振速信号。

具体的，低通滤波器为多路反馈型低通滤波器，两个多路反馈型低通滤波器同样分为两路，分别电性连接在两个电荷放大器的信号输出端，以接收电荷放大器输出的电压信号。

参考图3所示，接收正向电压信号的多路反馈型低通滤波器包括运算放大器U2A、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电容C3和电容C4。

接收反向电压信号的多路反馈型低通滤波器包括运算放大器U2B、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电容C9和电容C10。

正向电荷信号经过电荷放大器后，正向电荷信号转变为正向电压信号，进入后级的低通滤波器中，以接收正向电压信号的多路反馈型低通滤波器为例，取C3=4.7uF，C1=0.33uF，R9=100k，R10=820 k。

参考图4所示，在4Hz-1kHz频带内，幅度-频率响应的衰减为6dB/oct；相移为90°。

同样的，另一路的反向电荷信号经过电荷放大器后，电荷信号转变为电压信号，而后进入后级的低通滤波器中，在该路中，取C10=4.7uF，C9=0.33uF，R20=100k，R21=820 k。

同样在4Hz-1kHz频带内，幅度-频率响应的衰减为6dB/oct；相移同样为90°。

此时，正向和反向电压信号被低通滤波器按照每倍频程6分贝的速率衰减，抵消两路加速度计原本每倍频程6分贝斜率上升的接收响应，且两路电荷信号各自都移相了90°，但参考图5所示，两路信号仍然是反向的。

参考图2所示，还包括伺服差分放大器，与两个低通滤波器电性连接，用于合并和差分放大正向振速信号和反向振速信号得到振速信号。

具体的，伺服差分放大器连接在两个低通滤波器的信号输出端，用来接收经过低通滤波器移相和幅度-频率补偿后的振速信号。

参考图3所示，两路经过移相和幅度-频率补偿后的信号，彼此之间反相，进入伺服差分放大器；伺服差分放大器由仪表放大器U5、增益调整电阻RG以及积分反馈回路组成，积分反馈回路由运算放大器U4B、电阻R23、电阻R24、电容C11构成。

前级彼此之间反相的两路信号，进入仪表放大器后，被差分放大。

具体的，放大倍数为：

Au=1+49k/RG，当RG取490Ω时，放大倍数约为101倍。

仪表放大器U5差分后的信号，经过积分电路反馈回仪表放大器U5的参考电平端（也即引脚5），构成积分伺服反馈回路，此时积分电路的积分时间常数为：

T=R23C11；

R23=20MΩ、C11=2.2uF；

T=20Mx2.2uF=44秒；

经过积分伺服反馈后，电路的低频漂移和直流偏置电压可以得到进一步抑制。

参考图2所示，还包括输出接口，用于输出得到的振速信号。

此外，电阻R6为输入匹配电阻，其与电阻R3、电容C3组合在一起匹配加速度计的阻抗和容抗，R4为限流电阻，限制防止输入U1的电流过大C3为隔直电容，隔除信号的直流成分，通过交流信号。

本发明提供的一种矢量水听器的信号调理电路的工作原理如下：将矢量水听器内成对的压电加速度计的电荷信号，分别经过两路电荷放大器进行电荷-电压转换后，转变为两路反相的电压信号，同时，电荷放大器自身带有积分伺服反馈回路，积分伺服电路能够将低频和直流信号积分累加输出，反馈回输入端后，抵消输入信号中的低频和直流成分；经过电荷放大器后的电荷信号进入对应的低通滤波器，经过低通滤波器的群时延响应的移相和衰减抵消后，补偿相移并使幅度-频率响应变平坦，变为两路反相的振速信号；最后经过移相与补偿后得到的振速信号进入伺服差分放大器，经差分放大后，两路反相的振速信号合并为一路振速信号，幅度加倍且直流偏压电压的一部分得到相减抵消，同时由伺服差分放大器输出的信号经过伺服反馈回路输入到差分电路的参考电平端，使得直流偏置电压和低频漂移得到进一步抑制，最终补偿了电荷信号与要求的振速信号之间90°的相位差，以及抑制了加速度信号输出曲线的不平坦现象。

实施例二

本发明还提供了一种矢量水听器的信号调理方法，应用于一种矢量水听器的信号调理电路，包括以下操作步骤：

S1：将正向电荷信号和反向电荷信号对应转换成正向电压信号和反向电压信号。

在本实施例中，电荷放大器用来补偿正向电压信号和反向电压信号的相移及衰减，得到正向振速信号和反向振速信号，而电荷放大器有两个，分为两路，分别接收由加速度计输出的原始的电荷信号（也即原始加速度信号），该电荷信号与声压信号存在90°相位差以及频率响应曲线存在每倍频程6分贝（6dB/oct）的上升斜率的问题。

S2：补偿正向电压信号和反向电压信号的相移及衰减，得到正向振速信号和反向振速信号。

在本实施例中，低通滤波器用于补偿正向电压信号和反向电压信号的相移及衰减，得到正向振速信号和反向振速信号，同样低通滤波器设有两个，并分为两路，分别电性连接在两个电荷放大器的信号输出端，以接收电荷放大器输出的电压信号。

S3：合并和差分放大正向振速信号和反向振速信号得到振速信号。

在本实施例中，伺服差分放大器用于合并和差分放大正向振速信号和反向振速信号得到振速信号，其连接在两个低通滤波器的信号输出端，用来接收经过低通滤波器移相和幅度-频率补偿后的振速信号。

S4：输出得到的振速信号。

本发明提供的一种矢量水听器的信号调理方法的工作原理如下：将矢量水听器内成对的压电加速度计的电荷信号，分别经过两路电荷放大器进行电荷-电压转换后，转变为两路反相的电压信号，同时，电荷放大器自身带有积分伺服反馈回路，积分伺服电路能够将低频和直流信号积分累加输出，反馈回输入端后，抵消输入信号中的低频和直流成分；经过电荷放大器后的电荷信号进入对应的低通滤波器，经过低通滤波器的群时延响应的移相和衰减抵消后，补偿相移并使幅度-频率响应变平坦，变为两路反相的振速信号；最后经过移相与补偿后得到的振速信号进入伺服差分放大器，经差分放大后，两路反相的振速信号合并为一路振速信号，幅度加倍且直流偏压电压的一部分得到相减抵消，同时由伺服差分放大器输出的信号经过伺服反馈回路输入到差分电路的参考电平端，使得直流偏置电压和低频漂移得到进一步抑制，最终补偿了电荷信号与要求的振速信号之间90°的相位差，以及抑制了加速度信号输出曲线的不平坦现象。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框，以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，存储介质包括只读存储器（Read-Only Memory，ROM）、随机存储器（Random Access Memory，RAM）、可编程只读存储器（Programmable Read-only Memory，PROM）、可擦除可编程只读存储器（Erasable Programmable Read Only Memory，EPROM）、一次可编程只读存储器（One-time Programmable Read-Only Memory，OTPROM）、电子抹除式可复写只读存储器（Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM）、只读光盘（CompactDisc Read-Only Memory，CD-ROM）或其他光盘存储器、磁盘存储器、磁带存储器，或者能够用于携带或存储数据的计算机可读的任何其他介质。

还需要说明的是，术语“包括”“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (9)

1.一种矢量水听器的信号调理电路，其特征在于，包括以下组件：

两个电荷放大器，分别接收正向电荷信号和反向电荷信号，并将正向电荷信号和反向电荷信号对应转换成正向电压信号和反向电压信号；

两个低通滤波器，与两个所述电荷放大器对应电性连接，用于补偿所述正向电压信号和反向电压信号的相移及衰减，得到正向振速信号和反向振速信号；

伺服差分放大器，与所述低通滤波器电性连接，用于合并和差分放大所述正向振速信号和反向振速信号得到振速信号；

输出接口，用于输出得到的振速信号；

其中，所述低通滤波器为多路反馈型低通滤波器，通过调整多路反馈型低通滤波器的参数使得通带外群时延响应为90°，带外衰减速度为6dB/倍频程。

2.根据权利要求1所述的一种矢量水听器的信号调理电路，其特征在于，所述电荷放大器为复合型电荷放大器。

3.根据权利要求2所述的一种矢量水听器的信号调理电路，其特征在于，接收所述正向电荷信号的复合型电荷放大器包括由运算放大器U1A与电阻R3、电阻R6、电容C5组成的电荷放大器，以及由运算放大器U1B与电阻R5、电容C1、电阻R2、C2组成的积分伺服回路。

4.根据权利要求2所述的一种矢量水听器的信号调理电路，其特征在于，接收所述反向电荷信号的复合型电荷放大器包括由运算放大器U3A与电阻R12、电阻R1、电容C6组成的电荷放大器，以及由运算放大器U3B与电阻R514、电容C7、电阻R15、电容C8组成的积分伺服回路。

5.根据权利要求4所述的一种矢量水听器的信号调理电路，其特征在于，接收所述正向电压信号的多路反馈型低通滤波器包括运算放大器U2A、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电容C3和电容C4。

6.根据权利要求4所述的一种矢量水听器的信号调理电路，其特征在于，接收所述反向电压信号的多路反馈型低通滤波器包括运算放大器U2B、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电容C9和电容C10。

7.根据权利要求1所述的一种矢量水听器的信号调理电路，其特征在于，所述伺服差分放大器包括仪表放大器U5、增益调整电阻RG以及积分反馈回路。

8.根据权利要求7所述的一种矢量水听器的信号调理电路，其特征在于，所述积分反馈回路包括运算放大器U4B和电阻R23、电阻R24、电容C11。

9.一种矢量水听器的信号调理方法，应用于如权利要求1至8任意一项所述的一种矢量水听器的信号调理电路，其特征在于，包括以下操作步骤：

S1：将正向电荷信号和反向电荷信号对应转换成正向电压信号和反向电压信号；

S2：补偿所述正向电压信号和反向电压信号的相移及衰减，得到正向振速信号和反向振速信号；

S3：合并和差分放大所述正向振速信号和反向振速信号得到振速信号；

S4：输出得到的振速信号。