CN205157784U - 基于lfm信号的超宽带回声测深仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于LFM信号的超宽带回声测深仪，由干端和湿端两部分组成，干端包括主机、显控软件和电子系统，湿端包括换能器；电子系统包括数字处理板、接收机和发射机，其中数字处理板完成信号的处理和检测并发送给显控软件，接收机和发射机完成信号的收发，接收机由依次连接的前级增益放大模块、增益调节模块、二级增益放大模块、带通滤波器和后级增益放大模块组成，增益调节模块与DA控压模块连接；增益调节模块采用AD604芯片，通过DA控压模块改变控压，实现接收信号的动态范围压缩。由AD604芯片组成增益调节电路，能有效实现接收信号的动态范围压缩，避免接收信号超过A/D转换器的可用范围，造成A/D转换器饱和的问题；采用LT1562-2有源带通滤波器提高回波信号的信噪比。

Description

基于LFM信号的超宽带回声测深仪

技术领域

本实用新型属于海洋探测技术领域，涉及一种海底地形测量仪，具体指一种基于LFM信号的超宽带回声测深仪。

背景技术

占地球总面积约71%的海洋拥有丰富的生物、石油、矿藏等资源。在围绕海洋的科学研究、资源开发、工程建设以及军事活动中，都需要准确获取所关注区域的海底地形地貌信息，作为研究的基础资料与支撑依据。海洋声学测量与探测设备在水利工程、海洋工程建设、海洋资源开发、海洋科学研究、维护海洋权益等领域具有深远的应用。因此需要一种使用灵活、低成本、高精度的海底地形测量仪器，回声测深仪随此应用而生；回声测深仪从郎之万发明石英换能器到一战后美国人发明第一台回声测深仪，直至今日的几十年里，经过了从机械、模拟到数字的发展阶段。

超声波测深仪用途十分广泛，是一种适用于江河湖泊、水库航道、港口码头、沿海、深海的水下断面和水下地形测量，以及实现导航、水下物探等诸多水域的水深和地形测量。回声测深仪经历了模拟、模拟与数字结合以及全数字化三个阶段。目前国内外产品很多，市场上的主流产品是数字化的测深仪，其将计算机技术和微处理器技术应用到仪器中，实现了高质量的回波信号采集、传输信号处理及显示，仪器的小型化、智能化、数字化也趋于成熟。

目前的回声测深仪虽然取得了长足的进步，但是在某些应用场合还是暴露出问题。例如，声呐接收机必须有足够的动态范围，使得它可检测到微弱的回波信号，并且在接收最大期望回波以及混响环境噪声时又不致于饱和。而通常12bit的A/D转换器的动态范围也只有48dB，而接收到的回波信号的动态范围则大于100dB，因此必须采取有效措施压缩接收信号的动态范围，使得接收机工作在最大信号时A/D转换器不饱和，同时又使接收信号不超过A/D转换器的可用范围。

实用新型内容

针对上述技术问题，本实用新型提供了一种基于LFM信号的超宽带回声测深仪，其能合理压缩接收信号的动态范围，使得接收机工作在最大信号时，接收信号不超过A/D转换器的可用范围，避免了A/D转换器饱和失效的问题。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

一种基于LFM信号的超宽带回声测深仪，由干端和湿端两部分组成，干端包括主机、显控软件和电子系统，湿端包括换能器；电子系统包括数字处理板、接收机和发射机，其中数字处理板完成信号的处理和检测并发送给显控软件，接收机和发射机完成信号的收发，所述接收机由依次连接的前级增益放大模块、增益调节模块、二级增益放大模块、带通滤波器和后级增益放大模块组成，增益调节模块与DA控压模块连接；所述增益调节模块采用AD604芯片，通过DA控压模块改变控压，实现接收信号的动态范围压缩。

作为本案的优化方案，所述带通滤波器采用LT1562-2有源滤波器芯片。

作为本案的优化方案，所述LT1562-2有源滤波器由4级二阶单元组成，其输出端连接一加法器，加法器输出端连接后级增益放大模块。

作为本案的优化方案，所述接收信号的动态范围调节在0～96dB之间。

作为本案的优化方案，所述干端由主机、显示器和电子系统集成为一体。

作为本案的优化方案，所述发射机采用开关发射机。

本实用新型的有益效果是：

1、由AD604芯片组成增益调节电路，能有效实现接收信号的动态范围压缩，使接收信号与A/D转换器的动态范围相匹配，避免接收信号超过A/D转换器的可用范围，造成A/D转换器饱和的问题；

2、采用多级级联的有源带通滤波器LT1562-2和加法器，在硬件上实现信噪比的提高，完善测深仪的测深性能和抗干扰能力；结构设计合理，集成度高，作用效果明显，适于广泛应用。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的另一结构示意图；

图3为AD604芯片的结构示意图；

图4为发射机的工作原理框图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本实用新型及其效果作进一步阐述。

一种基于LFM信号的超宽带回声测深仪，可适用于工作频点为200KHz左右，带宽为100KHz左右的超宽带回波信号探测。由干端和湿端两部分组成，干端包括主机、显控软件和电子系统，湿端包括换能器；为提高设备的集成度，通过模块化设计将主机、显控软件和电子系统集成为一体。电子系统包括数字信号处理板、接收机和发射机，其中数字处理板完成信号的处理和检测并发送给显控软件，接收机和发射机完成信号的收发。测深仪的工作过程如下：（1）干端发射线性调频信号LMF作为探测信号，发射功率按量程自动调整，通过换能器变换成声波在水中传输；（2）声波到达海底被反射，反射信号由换能器接收变换成电信号；（3）接收机接收该电信号，并对信号进行预处理、自动增益控制和匹配滤波，提取出海底回波；（4）由回波信号通过底检测和底跟踪算法，测量出海底的深度和地形起伏。

在回波信号接收过程中，接收机必须有足够的动态范围调节能力，使得它既可检测到微弱的回波信号，又能在接收最大期望回波以及混响环境噪声时又不致于饱和。因此，接收机的输出必须考虑A/D转换器的动态范围是否与接收信号的动态范围匹配。A/D转换器的动态范围取决于它的可用比特数范围；一般8bit A/D转换器的动态范围是有效的，而通常12bit的A/D转换器的动态范围也只有48dB，而接收到的回波信号的动态范围则大于100dB，因此必须采取措施压缩接收到的信号的动态范围，使接收机工作在最大信号时A/D转换器不饱和，同时又使接收信号不超过A/D转换器的可用范围。本实用新型中接收机由依次连接的前级增益放大模块、增益调节模块、二级增益放大模块、带通滤波器和后级增益放大模块组成，增益调节模块与DA控压模块连接；增益调节模块采用AD604芯片，通过DA控压模块改变控压，实现接收信号的动态范围压缩。系统结构框图如图1所示。

如图3所示，在本设计中采用AD604芯片实现接收信号动态范围压缩，它是一种超低噪声、高精度、双通道和线性增益的压控放大器。AD604芯片是由两个通道组成，每一个通道由可编程的超低噪声前放、差分电阻衰减网络、增益控制和固定增益放大器等组成，前放的输入阻抗为300kΩ，等效短路输入噪声为，差分电阻衰减网络是基于七级R－1.5R梯形网络，每级之间的衰减量为6.908dB，梯形网络总的衰减量为48.4dB。AD604的每个独立通道有48dB的增益调节范围，每个芯片内的两个通道可以串联使用共96dB，这样可以得到更大的增益调节范围；能实现接收信号的动态范围调节在0～96dB之间。

芯片中参考电压VREF接2.5V精密电压参考源，改变通道1VGN1和通道2VGN2的电压即可改变差分电阻网络的衰减量，从而改变通道1、2的增益，在实际应用中可由计算机产生按一定规律变化的控制信号加到VGN1和VGN2，进而使得接收机的增益也按一定的规律变化，实现自动增益控制（AGC）或时间增益控制（TGC）。

在增益放大模块间设置带通滤波器，通过带通滤波器可以显著提高回波信号的信噪比。本案中带通滤波器采用LT1562-2有源滤波器芯片。LT1562-2是由独立的级联二阶单元组成的有源滤波器，每一单元都能构成带通和低通滤波响应特性，例如巴特沃思滤波器，贝塞尔滤波器和切比雪夫滤波器等，完成这些任务只需片外附加几个电阻。LT1562-2输出噪声比开关电容滤波器低，而动态特性更好，这都是由于采用连续时间设计的结果。由于连续时间滤波器不需要时钟，因而LT1562-2无时钟噪声。本案中LT1562-2由4级二阶单元组成，将频带分为四个子频带分别滤波，每个子带带宽25KHz，之后再通过加法器将子带信号进行累加，这样可以明显提高弱信号的信噪比；在允许的整个工作温度范围内，频率精度可在±0.9%以内，总的波形失真（THD）好于-86dB。

发射机主要完成小信号的驱动、功率放大和匹配；为了增加发射效率，减少发射电路体积，并考虑到发射效率、散热、可靠性等诸多方面的因素，发射机采用开关发射机。开关发射机的主回路是MOS管D类推挽功率放大电路。D类放大器是一种相对于线性放大器来说的准线性放大器，它的主要优点是效率高，此类放大器的效率可高达90%以上，可以做到高效率的大功率发射。发射机工作过程如下：发射信号依次经隔离、驱动、功率放大和匹配电路；高速光耦隔离能减少信号源和发射机之间的相互干扰；发射信号驱动电路提高了信号的驱动能力，可以驱动后面的功率放大级；功率放大电路将发射信号放大到足够的功率以推动发射换能器，功放电路的设计主要考虑输出功率和效率；匹配电路主要实现功放输出和发射换能器的功率匹配，同时还有补偿发射电压频率响应和消振功能。发射机工作框图如图4所示。

以上实施例仅是示例性的，并不会局限本实用新型，应当指出对于本领域的技术人员来说，在本实用新型所提供的技术启示下，所做出的其它等同变型和改进，均应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于LFM信号的超宽带回声测深仪，由干端和湿端两部分组成，干端包括主机、显控软件和电子系统，湿端包括换能器；电子系统包括数字处理板、接收机和发射机，其中数字处理板完成信号的处理和检测并发送给显控软件，接收机和发射机完成信号的收发，其特征在于：所述接收机由依次连接的前级增益放大模块、增益调节模块、二级增益放大模块、带通滤波器和后级增益放大模块组成，增益调节模块与DA控压模块连接；所述增益调节模块采用AD604芯片，通过DA控压模块改变控压，实现接收信号的动态范围压缩。

2.根据权利要求1所述的基于LFM信号的超宽带回声测深仪，其特征在于：所述带通滤波器采用LT1562-2有源滤波器芯片。

3.根据权利要求2所述的基于LFM信号的超宽带回声测深仪，其特征在于：所述LT1562-2有源滤波器由4级二阶单元组成，其输出端连接一加法器，加法器输出端连接后级增益放大模块。

4.根据权利要求1-3任一所述的基于LFM信号的超宽带回声测深仪，其特征在于：所述接收信号的动态范围调节在0～96dB之间。

5.根据权利要求1-3任一所述的基于LFM信号的超宽带回声测深仪，其特征在于：所述干端由主机、显示器和电子系统集成为一体。

6.根据权利要求1-3任一所述的基于LFM信号的超宽带回声测深仪，其特征在于：所述发射机采用开关发射机。