矢量水听器信号调理电路设计*

王文龙

(海军潜艇学院　青岛　266071)



矢量水听器信号调理电路设计*

王文龙

(海军潜艇学院青岛266071)

摘要以ICP压电加速度计和压电陶瓷圆环声强计为敏感元件的三维同振式矢量水听器需要恒流源激励，且输出信号微弱，不能直接长距离传输。为解决这个问题，论文研究设计了一种矢量水听器信号调理电路，主要包括恒流源、一阶RC高通滤波器、仪用放大器和二阶巴特沃斯低通滤波器。制作了测试电路，并进行了性能测试。测试结果表明该信号调理电路能够实现对矢量水听器进行恒流源激励，对原始信号进行放大、滤波等功能，满足矢量水听器的使用需求。

关键词矢量水听器; 信号调理电路; 恒流源; 仪用放大器; 低通滤波器

Class NumberTB566

1　引言

近年来，由于各种减震降噪技术的快速发展，世界先进海军潜艇和舰艇的噪声不断下降，频率上往低频段发展，这就对探测声纳提出了更高的要求。传统的声纳由声压水听器组成，由于受孔径限制，工作频段较高，对低频信号探测能力不足[1]，频段较低的拖曳阵声纳又存在左右舷模糊问题。复合式矢量水听器由声压传感器和矢量传感器两部分装配而成，二者具有相同的等效声中心，能够同步、共点地测量水下声场中的声压标量和振速矢量信息[2～3]。矢量水听器具有体积小、灵敏度高、自然余弦指向性、抗各向同性噪声等优点，单个矢量水听器就可实现对水下目标的空间测向和多目标分辨[4]，在低频远距离目标检测方面具有优势[5]。

在矢量水听器领域，以内置集成电路(ICP)的压电加速度计和压电陶瓷圆环声强计为敏感元件的同振式矢量水听器发展迅速，但是矢量水听器的原始输出信号微弱，不能直接进行长距离线缆传输。为了解决以上问题，本文设计了一种用于三维同振式矢量水听器的前端信号调理电路，可以实现对矢量水听器进行激励、对原始信号进行放大滤波等功能，便于矢量水听器信号的后续传输和采样。

2　信号调理电路设计

本文所针对的同振式矢量水听器内部所采用的矢量传感器为ICP压电加速度计，声压传感器为压电陶瓷圆管声强计[6]。ICP压电加速度计的灵敏度为2856mV/g，频率范围为10Hz～5kHz，谐振频率为15kHz，偏置电压为8V～12V。根据所选水听器的特性，设计信号调理电路单个通道的结构如图1所示。

图1　信号调理电路矢量通道

信号调理电路的输入端接的是三维同振式矢量水听器的输出端，共有Vx、Vy、Vz和P四个通道，因此信号调理板包含四个通道的信号调理电路。图1为一个矢量通道的电路结构，声压通道与矢量通道的区别在于少了一个恒流源，因为矢量水听器的三个振速通道需要恒流源激励，而声压通道不需要。每个矢量通道配接ICP压电加速度传感器的一个通道，恒流源通过Vin向加速度传感器提供恒流供电；振动加速度信号通过CR高通隔直后，隔掉直流偏压，送差动放大器放大，再经过二阶巴特沃斯低通滤波器滤波后，经输出端输出，通过长电缆传输到采集系统进行数据采集。要求V+供电为13V～18V，V-为-13V～-18V，V+与V-电压不对称度不超过1%。下面将分别对信号调理电路中几个功能模块的设计、器件选择等进行论述。

2.1恒流源

ICP压电加速度传感器的每个通道都需要2.5mA左右的恒流源来激励，本文选用LM317L来搭建恒流源。LM317L是一种100mA输出可调的正电源稳压芯片。根据其官方数据手册推荐设计来搭建恒流源电路，如图2。图中C为电源滤波电容，选为0.1μF即可；R为电流调整电阻，根据数据手册，该恒流源电流为Iout=1.25V/R，而ICP压电加速度传感器需要的激励电流为Iout=2.5mA，结合电阻常见阻值，选取R=510Ω。负载处接ICP加速度传感器的一个通道。输出信号处为不断变化的电压信号，即为矢量水听器的输出信号。

图2　恒流源

2.2RC高通滤波器

为了将矢量水听器输出信号中的直流分量和低频分量滤除，需要将矢量水听器输出信号在进入差动放大器前先通过一阶RC高通滤波器[7]，其原理如图3。由于水听器频率范围从10Hz开始，所以这里将其截止频率fc=ω0/2π=1/2πRC设置靠近10Hz，结合常见的电容、电阻数值，最终选择C=10nF，R=2MΩ，得截止频率约为8Hz。

图3　一阶RC高通滤波器

2.3仪用放大器

为了减小噪声，提高信号精度，本文选取了典型的仪用放大器来设计差动放大电路。放大器件选择了进口的低噪声低漂移的差动数据放大器INA103。仪用放大器是一种精密差分电压放大器，能有效放大差模信号，具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移等优点，适合于水声放大电路。仪用放大器电路原理如图4所示。

图4　仪用放大器[8～9]

2.4低通滤波器

矢量水听器频率范围最大到5000Hz，因此将信号放大后经过了一个低通滤波器，本文选择电路简单有效的单位增益二阶压控电压源低通滤波器，其原理如图5，选择了低噪声、低漂移、高速的单运放LF356N来实现。令Q=0.7071，成为巴特沃斯滤波器。其衰减速度为-40dB/10倍频。电路中，R在KΩ～MΩ之间取值，而C1=2C2，C2=0.7071/2πfcpR[10]。本系统需要fcp=5000Hz，可据此来选取C1、C2与R的取值。结合常见的电容、电阻数值，最终选择R=20KΩ，C1=2nF，C2=1nF，得截止频率约为5627Hz。为了提高通带截止频率的稳定性，电路里的电容选择温度系数较小的聚碳酸酯薄膜电容。

图5　单位增益二阶压控电压源低通滤波器[10]

3　性能测试

本文最后完成的信号调理电路实物如图6。根据需求，最终完成的系统频率范围为8Hz～5.6KHz，放大倍数为10倍。接下来对其进行了性能测试。

图6　信号调理电路实物图

为了测试其性能是否符合要求，将信号发生器接其输入端，将其输出端接到示波器，进行频响测试。输入频率为100Hz，峰峰值Vpp为100mV的正弦信号，测试结果如图7所示。图中1通道为原始信号，可见其为频率100Hz、峰值100mV的标准正弦波信号；2通道为经过信号调理电路的输出信号，可见其为频率100Hz、峰峰值1V的标准正弦波信号。输出信号的波形完整、光滑、没有畸变，较输入信号放大10倍，且相位一致，符合设计要求。

图7　示波器测试截屏

图8　频率增益特性

输入峰峰值Vpp为100mV，频率在0.1Hz～100kHz内的多个的正弦信号进行人工扫频测试，实际测试的不同频率点处的频率特性曲线见图8。图中横轴为频率，按10倍频程显示，纵轴为输出信号峰峰值与与输入信号峰峰值之比，即信号增益。由图可见，信号在8Hz～5.6kHz通频带内有很平坦响应，放大倍数为10倍。由于系统中存在仪用放大器，在讨论低通和高通滤波器的频响时须先将增益除以10倍。由图可见在8Hz处其频响约为-3dB，在高通滤波器过渡带衰减约为-20dB/10倍频，符合一阶RC高通滤波器特性。在5.6kHz处其频响约为-3dB，在低通滤波器过渡带衰减约为-40dB/10倍频，符合二阶巴特沃思低通滤波器特性。

经测试，本信号调理电路的主要技术指标如表1所示。

表1　信号调理电路主要技术指标

4　结语

本文设计并实现了一种简单可靠的矢量水听器前端信号调理电路。该电路包括恒流源电路、高通滤波电路、差分放大电路和低通滤波电路等，各部分结构清晰、功能明确。本电路所设计的信号调理电路为差动输入，抗共模干扰能力极强。根据要求，差动仪用放大器增益可在1～1000倍之间改变，二阶巴特沃斯低通滤波器转折频率也可在10Hz～100kHz之间改变，灵活性强。对实际电路的测试表明，该电路在噪声、增益、通带等特性方面符合设计指标，能够满足对同振式矢量水听器进行激励和前端信号调理的使用需求。

参 考 文 献

[1] 孙芹东.拖曳阵矢量阵元的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学硕士学位论文，2013,5.

[2] 陈洪娟.矢量传感器[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2006：8-9.

[3] 孙贵青，李启虎，杨秀庭,等.新型光纤水听器和矢量水听器[J].物理，2006，35(8)：650.

[4] 孟春霞.单矢量水听器多目标方位估计方法研究[D].哈尔滨工程大学硕士学位论文，2005：10.

[5] 惠俊英，惠娟著.矢量声信号处理基础[M].北京：国防工业出版社，2009.

[6] 孙芹东，笪良龙，侯文姝,等.一种新型姿态实时修正矢量水听器的设计[J].声学技术，2015，34(2)：304.

[7] 明铭.多路同步水声数据采集系统的设计与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学硕士学位论文，2012：11.

[8] 李兴武.矢量水听器信号调理与数据采集系统设计与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学博士学位论文，2011：23.

[9] 郑家龙.集成电子技术基础教程[M].第二版上册.北京:高等教育出版社，2008：342.

[10] 黄瑞祥.模拟电子技术基础[M].杭州：浙江大学出版社，2013：285.

*收稿日期：2015年10月3日,修回日期：2015年11月17日

基金项目：国家自然科学基金项目(编号:61203271)资助。

作者简介：王文龙,男,硕士研究生,研究方向：水声换能器信号获取与处理。

中图分类号TB566

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.04.038

Design of Signal Preconditioning Circuit for Vector Hydrophone

WANG Wenlong

(Navy Submarine Academy， Qingdao266071)

AbstractThe three-dimensional vibration vector hydrophone which use ICP piezoelectric accelerometer and piezoelectric ceramic ring sound intensity meter as the sensitive element need constant current source as power source. And its output signal is weak， which can not be transmitted at long range. In order to solve this problem， a kind of signal preconditioning circuit for vector hydrophone is designed in this paper， which contains constant-current source， one order RC high pass filter (HPF)， instrument amplifier and two order Butterworth low pass filter (LPF). Then the test circuit is fabricated and the performance test is carried out. The test results show that the vector hydrophone can be powered and its original signal can be amplified and filtered by this signal preconditioning circuit， which means that this signal preconditioning circuit can meet the demand of working with the vector hydrophone.

Key Wordsvector hydrophone, signal preconditioning circuit, constant-current source, instrument amplifier, LPF