一種用于海洋環境噪聲測量的水聲接收機制造技術

本發明專利技術提供了一種用于海洋環境噪聲測量的水聲接收機，帶前級放大的水聽器將海洋環境噪聲轉換為電壓信號，傳輸給增益可變放大電路，放大后對信號低通濾波，通過帶高通濾波的后級放大電路輸出，輸出信號通過真有效值轉直流電路得到信號的有效值，主控制器電路采集并根據此有效值大小更新增益碼從而調節增益可變放大電路的放大倍數，主控制器和上位機通信，將水聲接收機的增益量傳遞給上位機，也可以通過上位機來設定水聲接收機的增益量。本發明專利技術設計靈活、精度高、功耗低、體積小、性能穩定，能夠使處理后的海洋環境噪聲信號滿足后續數據采集的動態范圍。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及信號處理和水聲測量等領域。
技術介紹
海洋環境噪聲，也稱自然噪聲，是水聲信道中的一種干擾背景場。海洋環境噪聲級，是用無指向性水聽器測得的海洋環境噪聲的聲強，為水聲系統的ー個重要參數。當對水聲系統的作用距離進行預報吋，需要知道海洋環境噪聲級；另外在水聲信號處理方案的設計中，從抗干擾的角度出發，除了需要知道代表平均能量的海洋環境噪聲級外，還要求充分掌握噪聲場的時空統計特性，找出并利用信號場與噪聲場在時空統計特性方面的差異，以提高設備的抗干擾能力。因此，對噪聲場的研究與對信號場的研究具有同等的重要性，而研究海洋環境噪聲的前提是要準確、無失真地測量得到海洋環境噪聲。水聲接收機的作用是將水聽器得到的水聲信號進行高保真放大、濾波、動態范圍壓縮后傳輸給數據采集系統。現有的水聲接收機都是針對常用的水聲信號而設計的，其動態范圍的壓縮是將放大濾波后的水聲信號通過檢波器檢出信號的包絡，然后經預先設定的窗ロ比較器進行比較，判斷放大倍數是要增大或減小后，調整放大器的増益，使最終輸出的信號幅度滿足數據采樣的范圍。由于海洋環境噪聲信號是隨機信號，信號幅度變化劇烈，其波峰因素大，不適合通過包絡檢波器獲得信號幅度從而調整水聲接收機的増益；而且電壓信號判定門限采用窗ロ比較器這種硬件電路實現方式，設計不靈活且精度易受影響；再者，測量海洋環境噪聲不僅要得到高保真放大后的信號，還需要記錄噪聲信號的放大倍數以便計算海洋環境噪聲級和分析噪聲場的時空統計特性。因此，現有的水聲接收機不能滿足測量海洋環境噪聲的要求。
技術實現思路
為了克服現有技術的不足，本專利技術提供一種針對海洋環境噪聲測量的水聲接收機，能夠精確得到適合采集系統處理的海洋環境噪聲信號，并可以通過上位機的人機交互界面觀察、存儲和設定水聲接收機的増益值。本專利技術解決其技術問題所采用的技術方案是包括増益可變放大電路、低通濾波、后級放大電路、真有效值轉直流電路、主控制器電路和上位機。帶前級放大的水聽器將海洋環境噪聲轉換為電壓信號，傳輸給増益可變放大電路，放大后對信號低通濾波，通過帶高通濾波的后級放大電路輸出，輸出信號通過真有效值轉直流電路得到信號的有效值，主控制器電路采集井根據此有效值大小更新増益碼從而調節增益可變放大電路的放大倍數，主控制器和上位機通信，將水聲接收機的増益量傳遞給上位機，也可以通過上位機來設定水聲接收機的増益量。所述的增益可變放大電路選用數字可編程增益儀表放大器AD8253。所述的后級放大電路采用運算放大器AD8620，帶有截止頻率為20Hz的高通濾波。所述的真有效值轉直流電路采用均方根-直流轉換器AD8436。所述的主控制器采用RS422串ロ方式與上位機通信。本專利技術的有益效果是在分析了測量海洋環境噪聲需求的基礎上，提出了基于自動增益控制的水聲接收機設計方案，構建了接收機硬件平臺。本專利技術以低功耗微控制器作為系統的主控單元，采用真有效值轉直流電路獲取放大后信號的有效值作為增益控制的調節因子，與主控制器內部軟件設定的窗ロ門限值比較得到增益碼，進而自動調整増益可變放大器的放大量。專利技術的設計靈活、精度高、功耗低、體積小、性能穩定，能夠使處理后的海洋環境噪聲信號滿足后續數據采集的動態范圍。另外，利用微控制器的串ロ通信功能，能夠將調整后的増益量實時地傳送給上位機，水聲接收機也可按上位機設定的増益量對海洋環境噪聲進行處理，且人機交互接ロ友好。附圖說明圖1是水聲接收機的系統總體框架圖；圖2是增益可變放大電路圖；圖3是低通濾波電路圖；圖4是帶高通濾波的后級放大電路圖；圖5是真有效值轉直流電路圖；圖6是主控制器及外圍器件電路圖；圖7是主控制器的増益控制軟件流程圖。具體實施例方式本專利技術包括増益可變放大電路、濾波與后級放大電路、真有效值轉直流電路、主控制器電路和上位機的人機交互界面軟件。帶前放的水聽器將海洋環境噪聲轉換為電壓信號，傳輸給水聲接收機的增益可變放大電路，增益可變放大器的放大倍數分為1、10、100、1000四檔，變化步長為10，放大后對信號低通濾波，通過帶高通濾波的后級放大電路輸出。真有效值轉直流電路得到整個放大過程處理后的信號的有效值，主控制器電路采集并根據此有效值大小更新増益碼從而調節增益可變放大器的放大倍數，使最終輸出的信號適合數據采集的范圍。整個系統増益量的變化動態范圍為60dB，且通道路數可以根據具體需求選擇。主控制器通過串ロ方式和上位機通信，既可以實時地將水聲接收機的増益量傳遞給上位機,也可以通過上位機來設定水聲接收機的增益量。増益可變放大電路是信號動態范圍壓縮的主要完成部分，其接收主控制器發送的增益碼，調整水聽器轉換后的電壓信號的放大倍數，使系統最終放大后的信號符合數據采集的范圍。増益可變放大電路是連接在水聽器之后接收其傳遞的微弱信號，選用數字可編程增益儀表放大器AD8253，其具有高輸入阻抗、低噪聲、低失真特性，并可通過用戶接ロ將其増益數字編程為1、10、100、1000四檔，能夠完成大動態范圍的信號壓縮。海洋環境噪聲信號微弱，前級的放大倍數不夠，需要后級放大電路進一歩補償并調整放大倍數，使多路通道間的幅度保持一致。在后級放大之前，利用模擬集成有源濾波器構成的巴特沃斯低通濾波電路對增益可變放大電路傳送的信號進行濾波，低通濾波器的截止頻率可根據用戶要分析的海洋環境噪聲頻段設定。考慮到海洋環境噪聲實際測量過程中會產生超低頻信號的干擾，后級放大電路設計帶有截止頻率為20Hz的高通濾波功能。另夕卜，為了使水聲接收機的輸入端噪聲降到最低，水聲接收機安裝在離水聽器較近處，其處理后的信號常需要通過長電纜傳送到數據采集系統，水下長電纜的容性很大，作為接收機中最后部分的后級放大電路連接了大的容性負載。低噪聲、高精度運算放大器AD8620具有很強的容性負載驅動能力，能滿足設計要求，而且其為雙通道運放，在多路通道設計時可以節省PCB板的空間。真有效值轉直流電路是提供直流輸出，大小等于后級放大電路輸出信號的均方根值。海洋環境噪聲是隨機信號，信號幅度變化劇烈，其波峰因素約等于3，若通過包絡檢波器獲得信號包絡幅值從而調整接收機的増益，會導致增益控制跟不上信號的變化而產生電路振蕩。雖然海洋環境噪聲信號的幅度變化劇烈，但其有效值是ー個穩定量，利用均方根-直流轉換器AD8436構建的真有效值轉直流電路可以實時地得到放大后的海洋環境噪聲信號有效值，將此有效值與主控制器內部預先設定的電壓門限值比較，從而正確地調節增益可變放大器的放大量。主控制器的主要功能是(I)控制采集真有效值轉直流電路得到的海洋環境噪聲信號的有效值；(2)將放大后的海洋環境噪聲·信號的有效值與預先設定的電壓門限值進行比較，得到増益碼并發送給增益可變放大器，進而調整系統的增益量；(3)采用RS422串ロ方式與上位機通信，將每次更新得到的系統增益量傳遞給上位機，并接收上位機發送的指令來設定接收機的放大量。主控制器與増益可變放大器之間要利用光電耦合器來隔離數模信號，避免數字信號對可編程增益儀表放大器AD8253產生干擾。由于水聲接收機是通過電池供電，為了延長水聲接收機的使用壽命，對主控制器以及其它外圍電路要求是具有低功耗特性，在主控制器的選擇上尤其注意這一點。當主控制器選擇功耗較低的器件時，一般都是低電壓供電，因此IO電壓也是低本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于海洋環境噪聲測量的水聲接收機，包括增益可變放大電路、低通濾波、后級放大電路、真有效值轉直流電路、主控制器電路和上位機，其特征在于：帶前級放大的水聽器將海洋環境噪聲轉換為電壓信號，傳輸給增益可變放大電路，放大后對信號低通濾波，通過帶高通濾波的后級放大電路輸出，輸出信號通過真有效值轉直流電路得到信號的有效值，主控制器電路采集并根據此有效值大小更新增益碼從而調節增益可變放大電路的放大倍數，主控制器和上位機通信，將水聲接收機的增益量傳遞給上位機，也可以通過上位機來設定水聲接收機的增益量。

【技術特征摘要】
1.一種用于海洋環境噪聲測量的水聲接收機，包括增益可變放大電路、低通濾波、后級放大電路、真有效值轉直流電路、主控制器電路和上位機，其特征在于帶前級放大的水聽器將海洋環境噪聲轉換為電壓信號，傳輸給增益可變放大電路，放大后對信號低通濾波，通過帶高通濾波的后級放大電路輸出，輸出信號通過真有效值轉直流電路得到信號的有效值，主控制器電路采集并根據此有效值大小更新增益碼從而調節增益可變放大電路的放大倍數，主控制器和上位機通信，將水聲接收機的增益量傳遞給上位機，也可以通過上位機來設定水聲接收機的增益量。2.根據權利要求...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊益新，徐靈基，張宏奎，
申請(專利權)人：西北工業大學，
類型：發明
國別省市：