水声遥控通信装置综合实验教学设计与实践

张淑娟， 吴英姿， 李 想， 陈文剑， 田 野， 高明生

（哈尔滨工程大学水声工程国家级实验教学示范中心，哈尔滨 150001）

0 引 言

水声工程是一门实验科学［1-2］。该专业的课程设计要求具有水声工程学科特色，同时兼顾宽口径人才培养需求，并以提升学生专业知识应用能力和综合素质为指导思想［3-6］。以学生为中心，以高水平研究成果为导向，以实现科研与实验教学有机融合为课程教学目标，引导学生建立宏观的系统思维和工程设计思想，培养学生的创新意识［7-9］。基于这一教学目标，紧密结合水声专业背景，合理利用现有实验教学和科研平台，从科研成果中解析出适合本科生学习的微缩版科研项目，设置为课程设计的实验教学题目，使学生在了解新技术、学习新理论、掌握新知识的同时建立系统思维和工程设计思想，不断提高综合素质。

1 实验任务

水声遥控通信装置的功能是通过水面发送命令编码实现对水下装置的远程遥控［10-12］。根据应用背景不同，其系统复杂度亦有区别。本实验是设计并制作一套单收发、低速率的水声通信遥控原理性装置，并能够在水池验证所设计的水声遥控通信系统整体方案的可行性。因此，在功能和指标上与工程用水声遥控通信设备相比有所简化，要求系统工作频带为20～30kHz，发射声源级166 dB，作用距离不低于10 m。该实验项目的开展响应了学校提出的科研反哺教学、科研成果应用到教学之中的教改思路。本实验以声呐电子系统设计为核心内容，通过方案论证和参数计算使学生深入理解声呐系统工作原理，掌握声呐电子系统设计和调试技术，学会并应用基本的水声通信和信号处理理论。

2 参数计算及实施方案

2.1 系统参数计算

2.1.1 发射功率计算

水下点对点通信的声呐方程［13］为

式中：SL为发射声源级；TL为信号的传播损失；NL为水下环境噪声谱级；DI为接收换能器指向性指数；DT为接收信号的检测阈值。

假设目标距离r＝200 m（设计指标不低于10 m，留出设计余量，所以按照200 m计算），信号上限工作频率30 kHz，海水吸收系数a近似取0.003 dB／m，由表面声道传播损失经验公式［13］可以计算得到：

假设工作海域环境噪声谱级NL＝50 dB，换能器的接收指向性指数取为DI＝10 dB，设置检测域为DT＝20 dB，将上述参量代入声呐方程得到：计算发射声源级约为166.62 dB，采用无指向性发射换能器，依据声源级与发射声功率Pa的关系：

计算出发射声功率为Pa＝0.385 W，通常换能器的电声转换效率为5%，则系统的发射电功率不得低于7.7 W。

2.1.2 接收电路增益区间

水下传播信号衰减严重［14-15］，所以必须进行放大处理，为防止增益过大导致信号限幅，需要对放大倍数进行控制，估算式为

式中：M为换能器的接收灵敏度；RL为接收信号幅度级，

Urec为接收信号峰峰值，单位为V，换能器中心频率25 kHz，实验用换能器灵敏度为－200 dB，结合上面计算的SL和TL，可以得出RL＝－140 dB。为了将接收信号的峰值控制在AD可采样范围内，接收电路需要120～160 dB的增益范围，从而基本确定了接收电路的设计指标。

2.2 系统设计方案

根据系统参数计算及主动声呐工作原理，设计系统框图如图1所示，其中发射部分采用STM32单片机进行发送信号编码，通过D类功率放大器驱动发射换能器，声波信号经过水声信道作用在水听器表面，从而产生微弱电信号，经滤波放大后由STM32开发板自带ADC进行采样，之后进行数据解码处理。

图1 水声遥控通信装置系统框图

2.2.1 功率放大电路

运用STM32开发板发出两路互补的PWM脉冲信号，信号幅值为3.3 V，频率分别为22和27 kHz，分别代表0和1。脉冲持续的时间均为1 ms，间隔为500 ms，填充方波信号的占空比为50%。

D类功放可以将比较器输出的PWM信号变成高电压、大电流的大功率PWM信号［16］。项目采用的D类功率放大器由信号发生器、推动级、功率级、匹配电路、电源电路等5部分构成，如图2所示。

图2 发射功率放大器结构框图

2.2.2 接收电路

接收电路的主要作用是将水听器端的微弱电信号进行低噪放大滤波，以此达到ADC采样要求的电压区间，根据前面的理论计算，本系统接收部分可由3部分构成（见图3）。

图3 放大滤波电路实现框图

第1级为前置放大电路，采用双运放TL082对回波信号进行两级放大，共放大30倍，可控增益部分采用VCA821，VCA821线性区域是40 dB（即放大100倍），通过改变控制电压来改变可控增益放大电路的放大倍数，该电路可放大1～100倍。根据前级放大系统的放大指标要求，在接收机的可控增益放大器后面需要级联两个并联的四阶带通滤波器，目的是分别滤出22、27 kHz两个频率的信号，为后续的检测与判决机构提供检测依据。

2.2.3 A／D采样及数据处理电路

采用STM32开发板自带ADC功能对信号进行采样处理，经过计算后得出最终的判决结果，并且在LCD上进行显示。判决程序流程图如图4所示。

图4 判决程序流程图

3 综合实验教学成果

该实验项目主要面向水声学院电子信息工程（水声）专业学生开课，2016年至今已经顺利开课5个学期，5届学生参与了实验项目具体内容设计、实验过程、水池实验以及总结报告的撰写，图5所示为学生在水箱、水池开展本实验项目的工作场景以及回波信号显示图。

图5 实验现场及回波信号

很多同学将实验成果进行功能拓展或者功能升级，申请校级、国家级大学生创新创业训练计划项目或者参加挑战杯、互联网＋等重大赛事，取得很多优异成绩，近5年完成国家级创新项目20余项，取得国家级创新奖励百余项，每年大约20多名同学提前进入科研团队，直接参与国家级科研项目的研发。

4 结 语

水声遥控通信装置综合实验教学项目是一个集数模电路、传感器等相关知识解决水声通信问题的电子电路设计典型案例，需要运用水声学、声呐技术、水声换能器、电子电路理论、信号处理等课程知识，并涉及电路原理图设计、单片机程序开发、系统仿真分析、信号编解码技术、产品制作、软硬件联调、水池实验、专用仪器设备使用等实验技术。可以使学生建立宏观的系统思维和工程设计思想，掌握并灵活运用声呐技术和电子电路理论知识、设计方法和调试技能，清晰完整地表述和解释实验数据，撰写规范的系统设计总结报告，可培养学生良好的综合素质、团队合作和创新能力。