水声换能器基阵信号采集系统优化设计

邓异　梁燕　周勇

摘 要：水声换能器的信号采集系统是实现换能器频谱分析、数据记录或信号源产生的关键。传统的信号采集采用基于VXI和PXI总线实时数据记录软件实现，实时性、准确性不好。提出一种基于阻抗匹配与功率激励的水声换能器基阵信号采集系统设计方案。通过引入阻抗匹配与功率激励方案，提高换能器回波微弱差异信息的能量增益，去除检测仪电路中耦合噪声。仿真结果表明，系统具有较高的稳定性，抗干扰能力较强，实现对水声换能器基阵信号准确实时采集，为提高对水下目标信号的搜索和识别能力奠定基础。

关键词：水声换能器；信号采集；系统设计；阻抗匹配

中图分类号：TN911 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）04-00-02

0 引 言

水声换能器基阵均采用多元阵，利用晶体（石英或酒石酸钾钠）、压电陶瓷（钛酸钡和锆钛酸铅等）的压电效应或铁镍合金的磁致伸缩效应来进行工作。基阵输出信号的路数较多，这就要求采用多通道采集系统，水声换能器的信号输入可以是电信号、水声信号、物理信号等，利用电致伸缩效应和压电效应来产生和接收超声波。回波作用在水声换能器的晶体上，压电效应水声换能器的两个端面上便可能得到电信号[1，2]。水声换能器的信号采集系统是实现换能器频谱分析、数据记录或信号源产生的关键，研究水声换能器的信号采集系统设计对提高水声换能器的信号采集和处理能力具有重要意义[3-5]。本文提出一种基于阻抗匹配与功率激励的水声换能器基阵信号采集系统设计方案，通过系统设计和仿真实验验证了本文设计的换能器系统的优越性能。

1 系统方案设计和总体模型构建

1.1 换能器声学基阵信号采集系统方案设计

在换能器的信号采集系统设计中，数据采集系统是整个系统的基础，本系统利用5409A循环寻址的特点，设计了系数对称的FIR带通滤波器。换能器主要包括如下几个部分：DSP信号处理器、PCI总线及桥接电路、逻辑控制设备等，通过换能器的串联调谐匹配设计，实现回波模拟，通过回波模拟，模拟目标强度、距离和速度这三方面信息。本文设计基于复杂阻抗宽带激励的华能器串联调谐电路，控制模拟信号预处理机的动态增益码、对信号作频谱分析，由DSP控制A/D转换频率，当转换完成后通过CPLD产生DSP中断，接收信号的回发，实现对存储波形的重发。

水声信号必须通过声学基阵将声信号转换为电信号，通过DSP控制D/A转换器进行数/模转换，这一过程涉及到宽带声学基阵、宽带基阵电匹配网络和收发转换电路的系统模型构建，为了产生推动声学基阵所需声强级，需要模拟信号预处理机的压控放大器。综上分析，得到整个系统设计D/A数据转换工作流程如图1所示。

通过图1所示的由D/A转换器，输出的电压信号在（0～4.095 V）之间，选择信号输出种类（包括CW、LFM、HFM等），根据这些信息生成特定波形。通过PCI桥接芯片与PC机进行通信，实现人机对话，最后通过功率放大器将输出信号进行功率放大，使其具有所需的功率。

1. 2 基于阻抗匹配与功率激励的基阵信号采集算法

2 水声换能器信号采集系统硬件电路实现

设计的水声换能器信号采集系统硬件电路包括宽带基阵阻抗匹配、大动态范围模拟信号预处理机研制、高速信号采集与处理系统及功率放大等几大方面。换能器的硬件系统采用TI公司的TMS320VC5409A和PLX公司的PCI 9054为核心构建信号处理系统， 通过上述阻抗匹配与功率激励技术，解决系统整个带宽范围内容抗、感抗匹配等问题。根据上述分析，设计换能器信号采集系统电路，换能器串联复合匹配等效电路如图2所示。

3 仿真测试与性能分析

为了测试本文设计系统的性能，进行仿真实验，实验参数设计中，换能器的压摆率为80 V/?s （G = +2），低噪声噪声典型值为11 nV/ Hz （f=100 kHz） ，换能器声学基阵为10位，ADC运算放大器稳定到1/1 024的一半，即0.05%；12位ADC要求稳定到1/4 096的一半，即0.01%。在进行调谐匹配和信号采集时，声学换能器系统采样率至少200 kHz，DSP控制SEL1电平，“1”放大100倍，“0”放大10倍。根据上述参数设计和系统电路设计，设定目标模拟器为一个能发射宽带目标回波的水下航行器，目标模拟器可以模拟不同运动速度的目标，输入信噪比-15.5 dB，模拟目标速度0 m/s，7.5 m/s，15 m/s时的实时运行采集结果，得到水声换能器的基阵信号采集结果如图3所示，为对比算法性能，在同等条件下采用文献[3]设计的系统进行信号采集，得到对比结果。

分析上述信号采集结果可见，采用本文方法有效避免了换能器接收信号产生调谐失真，有效实现对水声信号的采集和回波接收，提高换能器回波微弱差异信息的能量增益，系统全局稳定，信号采集的抗干扰能力强，性能优越。

4 结 语

本文研究并完成了基于阻抗匹配与功率激励的水声换能器基阵信号采集系统设计，为接收来自水下制导武器的制导信号奠定基础。换能器的串联调谐匹配设计是实现换能器频谱分析、数据记录或信号源产生的关键技术。通过本文系统设计和算法改进，提高换能器回波微弱差异信息的能量增益，去除检测仪电路中耦合噪声，仿真实验得出本系统的全局稳定性和信号采集的准确性优于传统方法。随着水声通信技术的发展和应用推广，本文设计的水声换能器系统将有较好的应用前景。

参考文献

[1]甄建军， 张毅. 基于螺旋平面线圈的感应电能传输技术研究[J].电气自动化， 2014，36（2）： 78-80.

[2]杨波，王志洁. 基于PTRM与DS技术通信均衡性能研究[J].科技通报，2014，30（2）：212-214.

[3]刘家亮，王海燕，姜喆，等. 垂直线列阵结构对PTRM阵处理空间增益的影响[J]. 鱼雷技术，2010， 18（4）： 263-267.

[4]胡光波， 何席兵， 甘新年.基于分数阶Fourier变化累积量的目标检测算法[J]. 鱼雷技术， 2011， 19（5）： 344-348.

[5]袁永， 段奇智， 张毅， 等. 油井数据采集及高效DLL函数数据传输性能实现[J]. 计算机与数字工程，2013， 41（10）： 1628-1631.