专利名称：一种用于海洋环境噪声测量的水声接收机的制作方法
技术领域：
本发明涉及信号处理和水声測量等领域。
背景技术：
海洋环境噪声，也称自然噪声，是水声信道中的一种干扰背景场。海洋环境噪声级，是用无指向性水听器测得的海洋环境噪声的声强，为水声系统的ー个重要參数。当对水声系统的作用距离进行预报吋，需要知道海洋环境噪声级；另外在水声信号处理方案的设计中，从抗干扰的角度出发，除了需要知道代表平均能量的海洋环境噪声级外，还要求充分掌握噪声场的时空统计特性，找出并利用信号场与噪声场在时空统计特性方面的差异，以提高设备的抗干扰能力。因此，对噪声场的研究与对信号场的研究具有同等的重要性，而研究海洋环境噪声的前提是要准确、无失真地測量得到海洋环境噪声。水声接收机的作用是将水听器得到的水声信号进行高保真放大、滤波、动态范围压缩后传输给数据采集系统。现有的水声接收机都是针对常用的水声信号而设计的，其动态范围的压缩是将放大滤波后的水声信号通过检波器检出信号的包络，然后经预先设定的窗ロ比较器进行比较，判断放大倍数是要增大或减小后，调整放大器的増益，使最终输出的信号幅度满足数据采样的范围。由于海洋环境噪声信号是随机信号，信号幅度变化剧烈，其波峰因素大，不适合通过包络检波器获得信号幅度从而调整水声接收机的増益；而且电压信号判定门限采用窗ロ比较器这种硬件电路实现方式，设计不灵活且精度易受影响；再者，測量海洋环境噪声不仅要得到高保真放大后的信号，还需要记录噪声信号的放大倍数以便计算海洋环境噪声级和分析噪声场的时空统计特性。因此，现有的水声接收机不能满足测量海洋环境噪声的要求。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种针对海洋环境噪声测量的水声接收机，能够精确得到适合采集系统处理的海洋环境噪声信号，并可以通过上位机的人机交互界面观察、存储和设定水声接收机的増益值。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是包括増益可变放大电路、低通滤波、后级放大电路、真有效值转直流电路、主控制器电路和上位机。带前级放大的水听器将海洋环境噪声转换为电压信号，传输给増益可变放大电路，放大后对信号低通滤波，通过带高通滤波的后级放大电路输出，输出信号通过真有效值转直流电路得到信号的有效值，主控制器电路采集井根据此有效值大小更新増益码从而调节增益可变放大电路的放大倍数，主控制器和上位机通信，将水声接收机的増益量传递给上位机，也可以通过上位机来设定水声接收机的増益量。所述的增益可变放大电路选用数字可编程增益仪表放大器AD8253。所述的后级放大电路采用运算放大器AD8620，带有截止频率为20Hz的高通滤波。所述的真有效值转直流电路采用均方根-直流转换器AD8436。
所述的主控制器采用RS422串ロ方式与上位机通信。本发明的有益效果是在分析了測量海洋环境噪声需求的基础上，提出了基于自动增益控制的水声接收机设计方案，构建了接收机硬件平台。本发明以低功耗微控制器作为系统的主控单元，采用真有效值转直流电路获取放大后信号的有效值作为增益控制的调节因子，与主控制器内部软件设定的窗ロ门限值比较得到增益码，进而自动调整増益可变放大器的放大量。发明的设计灵活、精度高、功耗低、体积小、性能稳定，能够使处理后的海洋环境噪声信号满足后续数据采集的动态范围。另外，利用微控制器的串ロ通信功能，能够将调整后的増益量实时地传送给上位机，水声接收机也可按上位机设定的増益量对海洋环境噪声进行处理，且人机交互接ロ友好。
图1是水声接收机的系统总体框架图；图2是增益可变放大电路图；图3是低通滤波电路图；图4是带高通滤波的后级放大电路图；图5是真有效值转直流电路图；图6是主控制器及外围器件电路图；图7是主控制器的増益控制软件流程图。
具体实施例方式本发明包括増益可变放大电路、滤波与后级放大电路、真有效值转直流电路、主控制器电路和上位机的人机交互界面软件。带前放的水听器将海洋环境噪声转换为电压信号，传输给水声接收机的增益可变放大电路，增益可变放大器的放大倍数分为1、10、100、1000四档，变化步长为10，放大后对信号低通滤波，通过带高通滤波的后级放大电路输出。真有效值转直流电路得到整个放大过程处理后的信号的有效值，主控制器电路采集并根据此有效值大小更新増益码从而调节增益可变放大器的放大倍数，使最终输出的信号适合数据采集的范围。整个系统増益量的变化动态范围为60dB，且通道路数可以根据具体需求选择。主控制器通过串ロ方式和上位机通信，既可以实时地将水声接收机的増益量传递给上位机,也可以通过上位机来设定水声接收机的增益量。増益可变放大电路是信号动态范围压缩的主要完成部分，其接收主控制器发送的增益码，调整水听器转换后的电压信号的放大倍数，使系统最终放大后的信号符合数据采集的范围。増益可变放大电路是连接在水听器之后接收其传递的微弱信号，选用数字可编程增益仪表放大器AD8253，其具有高输入阻抗、低噪声、低失真特性，并可通过用户接ロ将其増益数字编程为1、10、100、1000四档，能够完成大动态范围的信号压缩。海洋环境噪声信号微弱，前级的放大倍数不够，需要后级放大电路进一歩补偿并调整放大倍数，使多路通道间的幅度保持一致。在后级放大之前，利用模拟集成有源滤波器构成的巴特沃斯低通滤波电路对增益可变放大电路传送的信号进行滤波，低通滤波器的截止频率可根据用户要分析的海洋环境噪声频段设定。考虑到海洋环境噪声实际测量过程中会产生超低频信号的干扰，后级放大电路设计带有截止频率为20Hz的高通滤波功能。另夕卜，为了使水声接收机的输入端噪声降到最低，水声接收机安装在离水听器较近处，其处理后的信号常需要通过长电缆传送到数据采集系统，水下长电缆的容性很大，作为接收机中最后部分的后级放大电路连接了大的容性负载。低噪声、高精度运算放大器AD8620具有很强的容性负载驱动能力，能满足设计要求，而且其为双通道运放，在多路通道设计时可以节省PCB板的空间。真有效值转直流电路是提供直流输出，大小等于后级放大电路输出信号的均方根值。海洋环境噪声是随机信号，信号幅度变化剧烈，其波峰因素约等于3，若通过包络检波器获得信号包络幅值从而调整接收机的増益，会导致增益控制跟不上信号的变化而产生电路振荡。虽然海洋环境噪声信号的幅度变化剧烈，但其有效值是ー个稳定量，利用均方根-直流转换器AD8436构建的真有效值转直流电路可以实时地得到放大后的海洋环境噪声信号有效值，将此有效值与主控制器内部预先设定的电压门限值比较，从而正确地调节增益可变放大器的放大量。主控制器的主要功能是(I)控制采集真有效值转直流电路得到的海洋环境噪声信号的有效值；(2)将放大后的海洋环境噪声·信号的有效值与预先设定的电压门限值进行比较，得到増益码并发送给增益可变放大器，进而调整系统的增益量；(3)采用RS422串ロ方式与上位机通信，将每次更新得到的系统增益量传递给上位机，并接收上位机发送的指令来设定接收机的放大量。主控制器与増益可变放大器之间要利用光电耦合器来隔离数模信号，避免数字信号对可编程增益仪表放大器AD8253产生干扰。由于水声接收机是通过电池供电，为了延长水声接收机的使用寿命，对主控制器以及其它外围电路要求是具有低功耗特性，在主控制器的选择上尤其注意这一点。当主控制器选择功耗较低的器件时，一般都是低电压供电，因此IO电压也是低电压，当外围器件是5V逻辑时，需要进行电平转换。为了减小水声接收机的体积，选用内部自带A/D转换的微控制器，元器件尽量选择贴片小封装形式。主控制器的工作步骤如下(I)初始化后判断是否接收到上位机设定增益量的指令，如果是，则按指令中的增益值来控制增益可变放大器的放大倍数，若没有则进行下一步；(2)启动A/D转换器工作，采集当前由真有效值转直流电路传递的电压值得到有效值电压Vrms ； (3)将Vrms与设定的电压高低门限值Vh和Vl做比较。当Vl く Vrms ( Vh吋，增益码不做调整。当Vniis < Vl吋，主控制器调整增益码，使増益可变放大器的放大倍数増大ー个步长，则后级放大电路的最终输出増大；当Vms > Vh，主控制器调整增益码，増益可变放大器的放大倍数减小一个步长，则后级放大最终输出也减小；(4)间隔一段时间后循环步骤
(2)、(3)，每次调整后的系统增益量通过串ロ通信传输给上位机，循环中放大倍数达到最小时Vmis > Vl,或放大倍数达到最大时Vniis < Vl,则增益码不改变。(5)若在步骤(2)或(3)时收到上位机的设定或取消设定增益量的指令，优先执行。上位机的人机交互界面软件用来设置上位机的串ロ，使上位机和水声接收机能够顺利地通过串ロ方式通信。其次，用户能通过上位机的人机交互界面观察、存储水声接收机増益调节过程中的増益量。再者，用户还可以通过它手动设定水声接收机的放大量。下面结合附图和实施例对本发明进ー步说明。本发明主要包括増益可变放大电路、低通滤波电路、带高通滤波的后级放大电路、真有效值转直流电路、主控制器电路和上位机的人机交互界面软件。系统组成框图如图I所示。増益可变放大电路完成增益调整功能，电路如图2所示。电路的核心是数字可编程增益仪表放大器ム08253，具有(；0级输入阻抗、低噪声、精密线性性能，其并行接ロ允许用户对1、10、100、1000的增益进行数字化编程。放大器采用锁存增益模式，管脚WS、Al与AO分别接收主控制器发送的増益锁存码和増益码，当€管脚电压从逻辑高电平转换到逻辑低电平时，在它的下降沿上读取Al和AO上的电压，同时锁存Al和AO上的逻辑电平，改变放大器的增益，具体对应关系如表I所示。AD8253采用±5V双电源供电，初始上电吋，放大器默认的放大倍数为I。信号输入端ロ为差分模式，能有效地抑制共模干扰。R1、C1与R2、C2是ー对平衡结构，为无源高通滤波器，滤波截止频率为20Hz。表I増益可变放大器AD8253在锁存模式下的真值表逻辑电平
权利要求
1.一种用于海洋环境噪声测量的水声接收机，包括增益可变放大电路、低通滤波、后级放大电路、真有效值转直流电路、主控制器电路和上位机，其特征在于带前级放大的水听器将海洋环境噪声转换为电压信号，传输给增益可变放大电路，放大后对信号低通滤波，通过带高通滤波的后级放大电路输出，输出信号通过真有效值转直流电路得到信号的有效值，主控制器电路采集并根据此有效值大小更新增益码从而调节增益可变放大电路的放大倍数，主控制器和上位机通信，将水声接收机的增益量传递给上位机，也可以通过上位机来设定水声接收机的增益量。
2.根据权利要求1所述的用于海洋环境噪声测量的水声接收机，其特征在于所述的增益可变放大电路选用数字可编程增益仪表放大器AD8253。
3.根据权利要求1所述的用于海洋环境噪声测量的水声接收机，其特征在于所述的后级放大电路采用运算放大器AD8620，带有截止频率为20Hz的高通滤波。
4.根据权利要求1所述的用于海洋环境噪声测量的水声接收机，其特征在于所述的真有效值转直流电路采用均方根-直流转换器AD8436。
5.根据权利要求1所述的用于海洋环境噪声测量的水声接收机，其特征在于所述的主控制器采用RS422串口方式与上位机通信。
全文摘要
本发明提供了一种用于海洋环境噪声测量的水声接收机，带前级放大的水听器将海洋环境噪声转换为电压信号，传输给增益可变放大电路，放大后对信号低通滤波，通过带高通滤波的后级放大电路输出，输出信号通过真有效值转直流电路得到信号的有效值，主控制器电路采集并根据此有效值大小更新增益码从而调节增益可变放大电路的放大倍数，主控制器和上位机通信，将水声接收机的增益量传递给上位机，也可以通过上位机来设定水声接收机的增益量。本发明设计灵活、精度高、功耗低、体积小、性能稳定，能够使处理后的海洋环境噪声信号满足后续数据采集的动态范围。
文档编号G01H11/06GK103033256SQ201210470700
公开日2013年4月10日 申请日期2012年11月19日 优先权日2012年11月19日
发明者杨益新, 徐灵基, 张宏奎 申请人:西北工业大学