基于四阵元水听器的被动声纳定位接收装置设计

基于四阵元水听器的被动声纳定位接收装置设计　张杨俊杰，李松昊，邱迪　（昆明船舶设备研究试验中心，云南昆明，６５００５１）　摘要：在水下科研试验中经常需要找寻测量声源位置方向，大型水下声纳基阵系统定位精度高，位置精确，但是投入使用的人　员，成本也相应的要高，搜索范围固定，在不确定搜索声源位置时使用大型声纳来搜索效果不是很理想。针对大型基阵声纳的　局限性，设计一种便携式被动声纳接收装置。该装置可以搭载于机动船上，方便远距离搜索，依靠铅酸电池供电可以支持长达　１０小时以上连续开机工作，而且具有低成本、低功耗、便携性强等优点。　关键词：被动式声纳；便携性；声源搜索　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｐａｓｓｉｖｅ　ｓｏｎａｒ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ａｎｄ　ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ　ｄｅｖｉｃｅ　Ｉ－－ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｆｏｕｒ—ｅｌｅｍｅｎｔ　ｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅ　Ｚｈａｎｇ　Ｙａｎｇｊｕｎｊ　ｉ　ｅ，Ｌｉ　Ｓｏｎｇｈａｏ，Ｑｉｕ　Ｄｉ　（Ｋｕｎｍｉｎｇ　Ｓｈｉｐ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｋｕｎｍｉｎｇ　Ｙｕｎｎａｎ，６５００５１）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ＳＣｉｅｎｔｉｆｉｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｗｅ　ｏｆｔｅｎ　ｎｅｅｄ　ｔｏ　ｆｉｎｄ　ｔｈｅ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｏｕｎｄ　ｓｏｕｒｃｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｌａｒｇｅ—ｓｃａｌｅ　ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ｓｏｎａｒ　ａｒｒａｙ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｈｉｇｈ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｒｅｃｉｓｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｂｕｔ　ｔｈｅ　ｉｎｐｕｔ　ｃｏｓｔ　ｉｓ　ｈｉｇｈ．Ｕｓｉｎｇ　ａ　ｌａｒｇｅ　ｓｏｎａｒ　ｔｏ　ｓｅａｒｃｈ　ｆｏｒ　ａ　ｓｏｕｎｄ　ｓｏｕｒｃｅ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｎｏｔ　ｉｄｅａ１．Ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌａｒｇｅ　ａｒｒａｙ　ｓｏｎａｒ．ａ　ｐｏｒｔａｂｌｅ　ｐａｓｓｉｖｅ　ｓｏｎａｒ　ｒｅｃｅｉｖｅｒ　ｉＳ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｄｅｖｉｃｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ｍｏｕｎｔｅｄ　ｏｎ　ａ　ｍｏｔｏｒ　ｂｏａｔ　ｔｏ　ｆａｃｉ１ｉｔａｔｅ　ｌｏｎｇ—ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｓｅａｒｃｈ，ｒｅｌｙｉｎｇ　ｏｎ　ｌｅａｄ—ａｃｉｄ　ｂａｔｔｅｒｙ—ｐｏｗｅｒｅｄ　ｃａｎ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｕｐ　ｔｏ　１０　ｈｏｕｒｓ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｂｏｏｔ　ｗｏｒｋ，ｂｕｔ　ａｌＳＯ　ｈａｓ　ｌｏｗ　ｃｏｓｔ，ｌｏｗ　ｐｏｗｅｒ，ｐｏｒｔａｂｉ１ｉｔｙ　ａｎｄ　ＳＯ　ｏｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐａｓｓｉｖｅ　ｓｏｎａｒ：ｐｏｒｔａｂｉ　ｌ　ｉ　ｔｙ：ｓｏｕｎｄ　ｓｏｕｒｃｅ　ｓｅａｒｃｈ　０引言　第二级为反向放大电路，放大倍数取决于反馈电阻和输入电　倍数控制在２０倍以内。　在现代化的设备中，小型化、实用化、便携化的趋势越来越明　阻的比值，第三级和第四级为一个高Ｑ值的带通滤波器，在一定范围内　显，对于特定场合来说，特别是对于未知位置的声源搜索，小型化　的设备更为适用，便携性和机动性来说尤为重要，因此设计一个　滤波器Ｑ值越高选频特性越好，由于声源频率已知，在设计过程　中可以用高阶带通滤波器来实现。　便携式的声纳接收机变得尤为重要。　第五和第六级均为反向放大器，用来弥补前级放大倍数不足　１系统原理　带来的信号幅度低等问题。电路如图２所示。　在声学系统中，水声换能器不同阵元接收到的信号存在不同　的相位差，且幅度很小，通过把四阵元接收到的水声信号通过放　大、滤波、移相、叠加、峰值检波后产生三路直流电平信号，比较三　个信号大小来确定声源方向。　１．２波束形成电路　多路传播的波形非相干叠加，向量的求和可以使不同信道　上的波形相互抵消而使叠加信号的幅度减小，对于水听器基阵而　言，若是每个阵元接收的信号是同相的，相应的叠加信号是增强　信号，但是接收到的声学信号通常是不同相的，则相应的叠加信　号就会产生幅度大小差异。波束形成就是在不同的阵元信号上做　一个适当的相位延时，进而使得在某一方向上产生一个主波束，　图ｉ电路设计总体框图　达到测向的目的。　１．１放大滤波电路　放大和滤波电路选用的是低功耗集成运放０ＰＡ２１８８来搭建，　波束形成就是一个信号延时与叠加的过程，基于该理论在每　个阵元输出信号上加入适当的延时量，再将信号叠加后形成一个　标量输出　Ｊ。　２１８８具有超低功耗，低噪声８．８　ｎＶ／４　Ｈｚ，可在时间和温度范围　经过放大和滤波整形之后的总共四路信号，信号之间大小相　内提供低偏移电压（２５　，最大值）以及近似为零的漂移，双电源　同，相位不同。最后做判断只有左、中、右三个方向，波束形成作用　供电，提供高输入阻抗和摆幅为电源轨１５ｍＹ之内的轨至轨输　就是生成三路大小不相同的信号，用来区分左、中、右三个方向。　出。　波束形成电路主要由移相电路和加法电路组成。在移相延时选择　第一级采用正向放大电路，前端置有两个反向的二极管，防　中，为提高精确度选用一３６。、～７２。、一１０８。、一１４４。四个点，　止大电压对输入级造成损坏，在输入上加入一个对地电阻，无输　通过把移相后的波形相互叠加产生波束。移相电路选择ＯＰＡ２１８８　入的情况下可以把输入端电平拉低，以免造成输出混乱，放大倍　运放来搭建，如图３所示。　数控制在２０倍以内，以提高运放电路的稳定性。　２５　Ｊ　《§翻　ＥＬＥＣＴ开ＯＮＩＣ　７－ＥＳ　图２前放滤波电路　阵元水听器与声源对准时，即声波入射角度与水听器中线重合，　Ｒ４　Ｓ１与Ｓ４相位差相同，Ｓ２与Ｓ３相位差相同。　移相具体方法为如下：　Ｓ１移相两次分别为一３６。和一１４４。，把Ｓｌ移相后的信号　定义为Ｒ１和Ｌ１，ＲＩ：Ｓ１—３６。、ＬＩ＝Ｓ１—１４４。。Ｓ４移相两次分　别为一３６。和一１４４。，定义为Ｌ４和Ｒ４。Ｌ４＝￥４—３６。，Ｒ４＝￥４—　１４４。。　ｓ２移相两次分别为一７２。和一１０８。，把Ｓ２移相后的信号　定义为Ｒ２和Ｌ２，Ｒ２：￥２—７２。、Ｌ２＝￥２—１０８。。ｓ３移相两次分　别为一７２。和一１０８。，定义为Ｌ３和Ｒ３，Ｌ３＝￥３—７２。，Ｒ３＝￥３－　１０８。。　图３第四象限移相　移相之后得到八路信号，分别为Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｒｌ、Ｒ２、　Ｒ３、Ｒ４，用加法电路将Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４相加得到一个信号，将其　命名为Ｌ；将Ｒｌ、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４相加得到一个信号，将其命名为Ｒ；　将Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４相加得到的信号命名为Ｍ。　当声波方向垂直基阵入射时，Ｓ１与ｓ４相位差相同，ｓ２与　Ｓ３相位差相同。Ｌ１与Ｒ４、Ｌ４与Ｒ１、Ｌ３与Ｒ２、Ｌ２与Ｒ３相位和　幅值均相同，相加之后得到的信号Ｌ与Ｒ幅值和相位也相同，且　信号Ｍ比Ｌ和Ｒ幅值都要大，说明声波是从正面入射，且位置垂　图４第三象限移相　在图中，信号的增益主要由Ｒ２和Ｒ４来调节，图三所示电路　直于基阵方向，与基阵中线重合。　当声波入射方向为斜向入射时，相应的Ｓ１、ｓ２、Ｓ３、Ｓ４产　只能提供最多一９Ｏ。的相移，若是所需相移超过一９Ｏ。的话在之　生不同的相位差，把Ｓ１定义为最左边阵元，声波入射方向为左　后再加一级如图４所示　。　边时四个阵元输出信号相位Ｓ４＞Ｓ３＞Ｓ２＞Ｓ１，经过移相相加　移相角度的计算：　后得到的信号Ｍ＞Ｌ＞Ｒ，若是声波入射方向为右向，则ｓ４＜ｓ３　Ｒ的阻抗为实数，Ｃ的阻抗为１／（ｊｗｃ），将电路的总阻抗算出　来后，用阻抗的虚部与实部之比值求反正切就得到了相位变化量　，＜Ｓ２＜Ｓ１，经过移相相加后得到的信号Ｍ＞Ｒ＞Ｌ。由此得出三　路大小不同信号。　Ｏ＝ａｒｃｔｇ（ＲＣ　０））其中０）为输入信号的角频率∞＝２订ｆ，代入式中　０＝ａｒｃｔｇ（ＲＣ２　７ｃ　ｆ）　得出：　１．３峰值检波电路　峰值检波电路主要作用是将正弦信号转换为一个大小与其　四路输入信号分别为Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４，声波斜向入射时，ｓ１　峰值相同的直流电平信号　，简化后续单片机采集、比较和判断　将正弦信号Ｍ、Ｒ、Ｌ检波后得到的三个直流电平命　与ｓ４相位差值为最大，在３６。和１４４。这两个点上，信号叠加后　的复杂程度。送入单片机做采集和判断。　要比其于两个点相同相位差信号叠加幅值变化更加明显，且当四　名为ＭＯＵＴ、ＲＯＵＴ、ＬＯＵＴ，【２６　Ｅ２ｇ圈　ＥＬＥＣＴＲｏＮＩＣ　Ｔ　ＥＳ　ｒ　图５峰值检波电路　１．４比较电路　检波生成三个直流电平信号经过适当分压处理，使单片机可　以直接采集，通过比较三个电平的大小做出声源方向的判断。　具体原理如图６。　定义一个常数Ｎ，若ＭＯＵＴ＞ＲＯＵＴ＞ＬＯＵＴ，且（ＲＯＵＴ—ＬＯＵＴ）￣　Ｎ则输出一个高电平给指示右侧的ＬＥＤ，点亮右侧ＬＥＤ表示声源　以支持设备长时间稳定工作。对于未知位置的声源搜索提供有效　位于基阵右侧；若ＭＯＵＴ＞ＬＯＵＴ＞ＲＯＵＴ，且（ＬＯＵＴ—ＲＯＵＴ）＞Ｎ则　的选择方案。　输出一个高电平给指示左侧的ＬＥＤ，点亮左侧ＬＥＤ表示声源位于　参考文献　基阵左侧；若ＬＯＵＴ＞ＭＯＵＴ或ＲＯＵＴ＞ＭＯＵＴ则为无效，不做任何　处理；若（ＬＯＵＴ－ＲＯＵＴ）＜Ｎ或（ＲＯＵＴ—ＬＯＵＴ）＜Ｎ则输出高电平点　【ｌ】沈福民．自适应信号处理【Ｊ】．西安电子科技大学出版社　亮指示中间对准的ＬＥＤ，表示声源对准基阵。　２００１（３）　【２ｌ华成英．模拟电子技术［Ｊ】．清华大学出版社２００６（２）　图６　２结论　基于上述分析，该系统克服大型声纳基阵的一些缺点，能够　机动灵活使用，有效提高了声源搜索的效率。电路设计简洁明了，　选用贴片式元器件，低功耗运放，减小设备总体积，降低功耗，可　［３】关大正．电路基础［Ｊ】．西安电子科技大学出版社２００７（１）　ｆ４】宋家友．集成电子线路设计手册［Ｊ】．福建科学技术出版社　２００２（１）　（Ｉ－接２４页）　３软件设计　Ａｒｄｕｉｎｏ实现主要程序代码：　ｄｅｌａｙＭｉｃｒｏｓｅｃｏｎｄｓ（３０）：　ｉｆ（ｄｉｇｉｔａｌＲｅａｄ（ＤＨｐｉｎ）＝＝ＨＩＧＨ）　／＊ｇｅｔ　ｄａｔａ　ｆｒｏｍ　ＭＱ一２烟雾传感器％／　ＶＯｉｄ　ｍｑ２　ｔｅｓｔ（）　ｄａｔａ　Ｊ＝（１＜＜（７一ｉ））：　ｗｈｉｌｅ（ｄｉｇｉｔａｌＲｅａｄ（ＤＨｐｉｎ）＝＝ＨＩＧＨ）：　）　｝　｛　ｉｎｔ　ｖａｌ＝ａｎａｌｏｇＲｅａｄ（Ｍｑ２ｐｉｎ）　ｒｅｔｕｒｎ　ｄａｔａ：）　ｄａｔ［５］＝ｖａｌ：　４结语　／／如果是自动控制　此设计介绍了基于微信的智能宿舍系统的结构，功能，组　成并且阐述了系统硬件的设计方案和软件设计的程序实现。此　ｉｆ（ａｕｔｏｓｔａｔｕｓ）　｛　ｉｆ（ｗａｔ＞＝４０Ｏ）　｛ｄｉｇｉｔａｌＷｒｉｔｅ（Ｒｅｌｐｉｎ，ＬＯＷ）；／／打开继电器　ｄａｔ［６］＝１：　｝　设计具有价格低廉，操作简便等特点。采用ＷｉＦｉ，移动网络和　Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网络通信构成智能宿舍系统。为宿舍消防安全，火灾隐　患的及时处理，宿舍安全的保障提供了一种新的解决方向。　ｅｌＢｅ　ｉｆ（ｗａｔ＜４００）　（ｄｉｇｉｔａｌｗｒｉｔｅ（Ｒｅ１ｐｉｎ，ＨＩＧＨ）；／／关闭继电器　ｄａｔ［６］＝０：　做　ｉ　ｗｉｆｉＳｅｒｉａ１．ｐｒｉｎｔｌｎ（“ｕｎ　ａｕｔｏ”）：／／　）　ｌ　｝　）　参考文献　［１】张旭，亓学广，李世光，等．基于ＳＴＭ３２电力数据采集系统的　设计【Ｊ】．电子测量技术，２０１０，３３（１　１）：９０—９３．　【２］Ａｒｄｕｉｎｏ　Ｕｎｏ简介【２０１５—０１。ｌ６１．　ｈｔｔｐ：／／ｗｅｎｋｕ．ｂａｉｄｕ．ｃｏｍ／ｌｉｎｋ？ｕｒｌ＝ｍｉＨＧＯｄＴ７ｍＭＶＢＺｑｕ８Ｗ　ｅｌｓｅ　ｉｆ（！ａｕｔｏｓｔａｔｕｓ）／／如果不是自动控制，什么都不　／＊ｇｅｔ　ｄａｔａ　ｆｒｏｍ　ＤＨＴ１　１温湿度传感器￥／　ｂｙｔｅ　ｒｅａｄ　ｄａｔａ（）　５ｊＯＺＣａＷａｘｗＹｑｋ５　１ｐｔＭＪｍｘ２ＷＸｓＣｖ—ＥＪＢ９７ｎＡｍｏＺＯＢ—　Ｎ２　１　ｅｚｉＶ—ＯＵＢｆＫ３ｈＤＴｓｓ５Ｏｎ０ＷＨｆｚＣＭｚ４ｓ５ＴＧＵＬｈｂｉＤｈＳ　Ｋ４ＳｃＹＳ　｛ｂｙｔｅ　ｄａｔａ：　ｆｏｒ（ｉｎｔ　ｉ＝０：ｉ＜８：ｉ＋＋）　｛　ｉｆ（ｄｉｇｉｔａｌＲｅａｄ（ＤＨｐｉｎ）一ＬＯＷ）　【３】田烨．基于Ａｒｄｕｉｎｏ　ＵＮＯ开源平台的简易版本智能手机《通　讯世界》。２Ｏｌ６年ｌ１期　｛　ｗｈｉｌｅ（ｄｉｇｉｔａｌＲｅａｄ（ＤＨｐｉｎ）＝：ＬＯＷ）：　电蚤　ｉ基　２７　Ｉ　目≈目