多普勒计程仪声学信号处理方法研究

陆罡　杨北海　王晨光　蔡延财

摘要：该文提出了一种用于多普勒计程仪声学信号的处理方法，通过对多普勒计程仪换能器的高压隔离发射信号和仪表运放差分放大回信号处理方法，大大提高了回波信号的信噪比，送入后期信号处理通道，简化了处理方法，提高了测速精度，有利于多普勒测速稳定性。

关键词：多普勒；声学；信号处理；仪表运放

中图分类号：TN966.5 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）01-0168-02

1 概述

目前，测量船舶运动速度的方法有电磁式计程仪、压差式计程仪、多普勒计程仪等方法。多普勒计程仪是根据相对运动体超声波存在多普勒频移原理，亦即多普勒效应。多普勒效应已经大量应用于测量运动体的速度，测量卫星速度也是根据多普勒效应的原理。多普勒计程仪采用了声学换能器向海水中发射声呐，接收换能器收到海底回波信号后与发射的声学信号存在频移。多普勒计程仪测速原理如下图1所示。

在船底安装四个收发兼用的超声波换能器（如图2所示），分别向船首前方向和船尾后方向发射和接收超声波，超声波的波束俯角（超声波发射方向和船舶速度方向的夹角）均为α，发射的超声波频率为fT。假设船舶运动速度为V。接收回波的频率为：

同时，求航速对时间的积分就是航程。

通过上述分析可以看出，多普勒计程仪的关键还是要求解回波信号的频率，发射信号的频率已知，根据回波信号的频率变化就能求解船舶航速。

2 多普勒計程仪超声波发射电路设计

船舶运动过程中受到海水海流的影响噪声比较大，超声波信号受到的船舶振动的影响比较大，造成在大噪声环境中提取微弱声波信号难度非常大。如何在恶劣环境中提取和分析声波信号一直是学术界的研究热点。通过对现有的多普勒计程仪的性能特点和实际使用经验分析多普勒计程仪的回波信号处理方法还存在许多提升空间。根据现有的信号处理理论，提高回波信号的信噪比有两个基本措施：一是提高发射信号强度，提高发射信号强度可以提高声波信号的穿透能力，现有的技术手段可以做到800VP-P电压幅度；二是采用超低噪声仪表运放作为信号放大前级放大器，可以从源头上降低噪声，提高信号质量。同时，发射电路和接收电路采用隔离措施，可以大大提高回波信号质量，避免高压发射信号的噪声进入回波电路。发射电路设计如图3所示。

利用该发射电路，可以隔离换能器与系统电源。通过变压器隔离，升压产生高压脉冲，输入的高压直流信号通过MOSFET控制产生高压尖峰脉冲，经过变压器升压后产生更强的脉冲信号，驱动换能器发射声波信号。后级电路还设计了阻容电路，用于换能器阻抗匹配，减少谐波信号，提高声功率。

3 回波信号处理

高压发射脉冲激励换能器后产生的声波信号经过海水路径，浅水模式通过海流微生物层反射回来，如果声波强至大能够穿过海流通过海底反射。两种工作模式所测得航速不同，第一种经过海流微生物层反射的回波处理后得到的是相对海流的航速，称为相对速度。第二种经过海水到达海底反射回的声波信号处理后得到的是相对海底的航速，成为绝对速度。声波信号经过海水路径后到达接收换能器后包含了大量的噪声，接收换能器将接收的声波信号转换为声波信号，转换的电信号非常微弱，需要放大比较高的倍数。为了提高回波信号的回波质量使用高增益低噪声仪表运放。

处理后的声波信号如图5所示。通过声波回波波形图可以看出，经过差分隔离放大后的信号信噪比很高，通过将此高精度的信号送入后期数字信号处理电路，保证了系统的整体精度。

4 总结

本文提出了一种利用隔离变压器产生高压脉冲信号激励声学换能器，使用高精度低噪声仪表运放放大回波信号，通过发射电路和接收电路的完全隔离，提高了回波信号的信噪比，大大提高了系统的处理精度。为实现高精度的多普勒计程仪奠定了基础信号源。通过试验验证该方法可行，能够进一步提高多普勒计程仪的精度和可靠性。

参考文献：

[1] 江月松.多普勒效应及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2013（9）.

[2] 胡广书.数字信号处理：理论、算法与实现[M].3版.北京：清华大学出版社，2012.