CN212229166U - 一种声基阵电路系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种声基阵电路系统，包括FPGA处理单元，FPGA处理单元分别连接有电源供电模块、AD转换电路、声速剖面仪和第二DA转换电路，AD转换电路连接有放大缓冲电路，放大缓冲电路连接有带通滤波器，带通滤波器连接有程控放大器，程控放大器连接模拟前端放大电路，模拟前端放大电路连接有限幅电路，限幅电路分别连接有多个接收换能器，第二DA转换电路连接有衰减缓冲电路，衰减缓冲电路连接有低通滤波器，低通滤波器连接有发射换能器。通过声速剖面仪可以对所处水域的声速进行实时采集并修正，从而使声信标的定位距离更加准确。

Description

一种声基阵电路系统

技术领域

本实用新型涉及声基阵的技术领域，具体来说，涉及一种声基阵电路系统。

背景技术

声基阵主要用于超短基线水声定位系统，超短基线水声定位系统主要分为三个部分，甲板主控舱上位机部分，船底声基阵发射与接收装置，安装于水下设备的声信标部分。

超短基线声基阵根据实际需求一般安装在船底或者水面探测设备底部，为扩大声波探测的角度和范围，可以选用球形结构的水听器。船底声基阵设备可以通过网线与甲板上的上位机系统进行实施通讯，上位机可以对声基阵进行实时操控，设置相关参数，如：控制声波信号的采集、发射、以及信号采集放大器的增益调节、发射的信号的大小、声速的设定以及补偿等。同时利用串口通讯可以将系统实时采集和配置信息打印在串口助手界面。

水听器使用球形声压水听器，主体结构由两个压电陶瓷半球、硫化透声橡胶、固定结构等组成。可以全向的接受来自不同方向的声波信号。

现有的声基阵一般都是仅通过水声信号来定位距离，由于不同水域的声速有些许不同，若不根据水域对水声信号加以修正极容易导致声信标定位的距离不准确。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

实用新型内容

针对相关技术中的上述技术问题，本实用新型提出一种声基阵电路系统，增设了声速剖面仪，通过声速剖面仪可以对所处水域的声速进行实时采集并修正，从而使声信标的定位距离更加准确。

为实现上述技术目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种声基阵电路系统，包括FPGA处理单元，所述FPGA处理单元分别连接有电源供电模块、AD转换电路、声速剖面仪、第一DA转换电路和第二DA转换电路，所述AD转换电路连接有放大缓冲电路，所述放大缓冲电路包括后级放大器和第一缓冲器，所述放大缓冲电路连接有带通滤波器，所述带通滤波器连接有程控放大器，所述程控放大器分别连接模拟前端放大电路以及所述第一DA转换电路，所述模拟前端放大电路包括差分放大器，所述模拟前端放大电路连接有限幅电路，所述限幅电路分别连接有多个接收换能器，所述第二DA转换电路连接有衰减缓冲电路，所述衰减缓冲电路包括衰减器和第二缓冲器，所述衰减缓冲电路连接有低通滤波器，所述低通滤波器连接有一级音频变压器，所述一级音频变压器连接有数字音频功率放大器，所述数字音频功率放大器分别连接二级音频变压器以及所述FPGA处理单元，所述二级音频变压器连接有阻抗匹配电路，所述阻抗匹配电路连接有发射换能器。

进一步地，所述第一DA转换电路通过运放缓冲电路连接所述程控放大器，所述运放缓冲电路连包括反相运算放大器和第三缓冲器。

进一步地，所述带通滤波器为八阶巴特沃斯带通滤波器。

进一步地，所述低通滤波器为二阶贝塞尔低通滤波器。

进一步地，所述FPGA处理单元还连接有GPS定位模块。

进一步地，所述FPGA处理单元还连接有方位姿态传感器，所述方位姿态传感器包括陀螺仪。

进一步地，所述FPGA处理单元还连接有通信串口。

进一步地，所述数字音频功率放大器通过设置有继电器的线路连接所述FPGA处理单元。

进一步地，所述电源供电模块包括主供电入口和5V隔离芯片。

本实用新型的有益效果：在完成采集与发送声波的同时，可结合GPS定位模块来保证声基阵坐标的确定性，可根据方位姿态传感器来测量声基阵整体球面随船体波动时的角度以及角速度的变化，可根据声速剖面仪来对所处水域的声速进行实时采集并修正，从而使声信标的定位距离更加准确。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本实用新型实施例所述的声基阵电路系统的原理框图；

图2是根据本实用新型实施例所述的声基阵电路系统的电路图一；

图3是根据本实用新型实施例所述的声基阵电路系统的电路图二；

图4是根据本实用新型实施例所述的声基阵电路系统的电路图三；

图5是根据本实用新型实施例所述的声基阵电路系统的电路图四；

图6是根据本实用新型实施例所述的声基阵电路系统的电路图五；

图7是根据本实用新型实施例所述的声基阵电路系统的电路图六。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-7所示，根据本实用新型实施例所述的一种声基阵电路系统，包括FPGA处理单元，所述FPGA处理单元分别连接有电源供电模块、AD转换电路、声速剖面仪、第一DA转换电路和第二DA转换电路，所述AD转换电路连接有放大缓冲电路，所述放大缓冲电路包括后级放大器和第一缓冲器，所述放大缓冲电路连接有带通滤波器，所述带通滤波器连接有程控放大器，所述程控放大器分别连接模拟前端放大电路以及所述第一DA转换电路，所述模拟前端放大电路包括差分放大器，所述模拟前端放大电路连接有限幅电路，所述限幅电路分别连接有多个接收换能器，所述第二DA转换电路连接有衰减缓冲电路，所述衰减缓冲电路包括衰减器和第二缓冲器，所述衰减缓冲电路连接有低通滤波器，所述低通滤波器连接有一级音频变压器，所述一级音频变压器连接有数字音频功率放大器，所述数字音频功率放大器分别连接二级音频变压器以及所述FPGA处理单元，所述二级音频变压器连接有阻抗匹配电路，所述阻抗匹配电路连接有发射换能器。

在本实用新型的一个具体实施例中，所述第一DA转换电路通过运放缓冲电路连接所述程控放大器，所述运放缓冲电路连包括反相运算放大器和第三缓冲器。

在本实用新型的一个具体实施例中，所述带通滤波器为八阶巴特沃斯带通滤波器。

在本实用新型的一个具体实施例中，所述低通滤波器为二阶贝塞尔低通滤波器。

在本实用新型的一个具体实施例中，所述FPGA处理单元还连接有GPS定位模块。

在本实用新型的一个具体实施例中，所述FPGA处理单元还连接有方位姿态传感器，所述方位姿态传感器包括陀螺仪。

在本实用新型的一个具体实施例中，所述FPGA处理单元还连接有通信串口。

在本实用新型的一个具体实施例中，所述数字音频功率放大器通过设置有继电器的线路连接所述FPGA处理单元。

在本实用新型的一个具体实施例中，所述电源供电模块包括主供电入口和5V隔离芯片。

为了方便理解本实用新型的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本实用新型的上述技术方案进行详细说明。

本实用新型所述的声基阵电路系统包括GPS定位模块、通信串口、声波发射电路、声波接收电路、声速剖面仪、方位姿态传感器、FPGA处理单元和电源供电模块等

声波接收电路包括接收换能器、限幅电路、模拟前端放大电路、程控放大器、带通滤波器、放大缓冲电路、AD转换电路、第一DA转换电路和运放缓冲电路。声波发射电路包括发射换能器、阻抗匹配电路、二级音频变压器、数字音频功率放大器、一级音频变压器、低通滤波器、衰减缓冲电路、继电器和第二DA转换电路。

限幅电路用于在声波信号经接收换能器转换为电信号后对电信号进行放大之前的限幅处理，避免声基阵与声信标距离太近，导致放大之后的电信号较强而高于ADC芯片的采集电压，可有效起到保护后级电路的作用。

模拟前端放大电路包括百倍的差分放大器，模拟前端放大电路用于对经限幅处理后得到正向和负向的微弱电信号经过轨至轨差分运放进行低噪声放大。从而可将微弱电信号不失真的放大数百倍。

程控放大器受FPGA处理单元控制，FPGA处理单元通过控制第一DA转换电路的输出电压来控制程控放大器，程控放大器将电信号放大百倍后发送给带通滤波器。

第一DA转换电路包括DAC芯片，DAC芯片除了向程控放大器输出电压外，还具有使能或数据锁存功能。通过上位机可对使能或锁存信号进行控制，从而可以控制是否开始测量，或更改模拟放大倍数等，方便进行实时控制。DAC芯片支持16位双极性输出

运放缓冲电路连包括反相运算放大器（或反向运算放大器）和第三缓冲器。

带通滤波器采用高性能的八阶巴特沃斯带通滤波器，其可通过配置不同的电阻值，来确定中心频率、起始频率和截止频率，可以扩大频率的带宽，使系统具有较强的抗干扰能力，提高整个系统的定位精度。

放大缓冲电路包括后级放大器和第一缓冲器，放大缓冲电路用于将经带通滤波器处理后的电信号放大2倍之后进行缓冲处理。

AD转换电路包括高精度的双通道ADC芯片。AD转换电路用于将经放大缓冲电路处理后的模拟信号（即电信号）转化为数字信号后再送至FPGA处理单元进行处理。

FPGA处理单元具有以下功能：1）将经AD转换电路转化成的数字信号进行数字处理；2）发送数字信号给第一DA转换电路，以控制程控放大器的放大倍数；3）发送数字信号给第二DA转换电路，使第二DA转换电路输出电信号；4）完成对方位姿态传感器的解算，并将解算后的数据与经AD转换电路传输来的数字信号以及声速剖面仪修正后的数据进行融合；5）通过通信串口与上位机进行通讯，通讯协议为TCP网络协议，从而可通过上位机对声基阵系统实施进行控制，并可以查看上传信息等。

第二DA转换电路包括DAC芯片。DA转换电路用于将FPGA处理单元发送的数字信号转换为模拟信号后送至低通滤波器。DAC芯片支持16位双极性输出。

低通滤波器为四阶贝塞尔低通滤波器。低通滤波器用于对模拟信号进行滤波处理。贝塞尔（Bessel）低通滤波器被广泛地应用于音频设备中，在音频设备中，必须在不损害频带内多信号的相位关系前提下，消除带外噪声。另外，贝塞尔低通滤波器的阶跃响应很快，并且没有过冲或振铃，这使它在作为音频DAC输出端的平滑滤波器是一种出色的选择。

衰减缓冲电路包括衰减器和第二缓冲器，此处由运算放大器作为衰减器使用，第一缓冲器、第二缓冲器和第三缓冲器均为是1：1的放大器，其并不会放大信号，而是起到阻抗匹配的作用，可减小信号失真，可抗干扰。

一级音频变压器和二级音频变压器均是工作在音频范围的变压器，又称低频变压器。工作频率范围一般从 10～20000Hz。一级音频变压器和二级音频变压器均用于变换负载的阻抗。

大功率的数字音频功率放大器采用D类功率放大器（简称D类功放）作为核心部件，外加电源模块、外壳、信号、电源接线等，具有体积小、电压范围宽、功率大、失真率低等特点，音效媲美模拟音频功率放大器。数字音频功率放大器的核心部件采用PWM（脉宽调制）工作方式，体积小巧，可靠性高，功能齐全。数字音频功率放大器用于放大经滤波处理后的电信号。

阻抗匹配电路用于后端与发射换能器的阻抗匹配。

电源供电模块用于为本系统供电，由于本系统存在大量的模拟信号和数字信号处理，而且涉及微小信号数百倍甚至千倍的放大，所以电源供电模块必须具有很高的性能。电源供电模块包括主供电入口和5V隔离芯片，主供电入口输入220VAC，同时差分放大器需要±5V电源，FPGA处理单元需要为其提供干净的电源，故采用5V隔离芯片供电。此外还需要设置上电启动时慢充、断电时快放等保护电路，同时还涉及ADC芯片和DAC芯片的参考电压等其他电压需求。

综上，借助于本实用新型的上述技术方案，声基阵在完成采集与发送声波等基本工作外，还会结合船体自身的GPS定位模块来保证声基阵坐标的确定性，根据声基阵和水下声信标的相对位置，从而确定水下搭载声信标的设备的绝对坐标，针对不同水域的不同的复杂情况，增设了陀螺仪等方位姿态传感器，可测量声基阵整体球面随船体波动时的角度以及角速度的变化，同时这些信息可以实时显示在上位机上，增设了声速剖面仪可以对所处水域的声速进行实时采集并修正，通过上位机的定位算法，并综合上面各项传感器的不同测试结果，可使水下声信标的定位距离更加准确。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种声基阵电路系统，包括FPGA处理单元，其特征在于，所述FPGA处理单元分别连接有电源供电模块、AD转换电路、声速剖面仪、第一DA转换电路和第二DA转换电路，所述AD转换电路连接有放大缓冲电路，所述放大缓冲电路包括后级放大器和第一缓冲器，所述放大缓冲电路连接有带通滤波器，所述带通滤波器连接有程控放大器，所述程控放大器分别连接模拟前端放大电路以及所述第一DA转换电路，所述模拟前端放大电路包括差分放大器，所述模拟前端放大电路连接有限幅电路，所述限幅电路分别连接有多个接收换能器，所述第二DA转换电路连接有衰减缓冲电路，所述衰减缓冲电路包括衰减器和第二缓冲器，所述衰减缓冲电路连接有低通滤波器，所述低通滤波器连接有一级音频变压器，所述一级音频变压器连接有数字音频功率放大器，所述数字音频功率放大器分别连接二级音频变压器以及所述FPGA处理单元，所述二级音频变压器连接有阻抗匹配电路，所述阻抗匹配电路连接有发射换能器。

2.根据权利要求1所述的声基阵电路系统，其特征在于，所述第一DA转换电路通过运放缓冲电路连接所述程控放大器，所述运放缓冲电路连包括反相运算放大器和第三缓冲器。

3.根据权利要求1所述的声基阵电路系统，其特征在于，所述带通滤波器为八阶巴特沃斯带通滤波器。

4.根据权利要求1所述的声基阵电路系统，其特征在于，所述低通滤波器为二阶贝塞尔低通滤波器。

5.根据权利要求1所述的声基阵电路系统，其特征在于，所述FPGA处理单元还连接有GPS定位模块。

6.根据权利要求1所述的声基阵电路系统，其特征在于，所述FPGA处理单元还连接有方位姿态传感器，所述方位姿态传感器包括陀螺仪。

7.根据权利要求1所述的声基阵电路系统，其特征在于，所述FPGA处理单元还连接有通信串口。

8.根据权利要求1所述的声基阵电路系统，其特征在于，所述数字音频功率放大器通过设置有继电器的线路连接所述FPGA处理单元。

9.根据权利要求1所述的声基阵电路系统，其特征在于，所述电源供电模块包括主供电入口和5V隔离芯片。

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