一种水下声呐成像前端装置收发通道系统制造方法及图纸

技术编号:22551878 阅读:99 留言:0更新日期:2019-11-13 18:16
本实用新型专利技术公开了一种水下声呐成像前端装置收发通道系统,该系统包括单片机、超声换能器、发射电路和接收电路。所述发射电路包括H桥功率放大电路、低通滤波电路和升压变压器。所述接收电路包括接收预处理电路、带通滤波电路、放大电路和电压偏置电路。本实用新型专利技术基于单片机的接口信号类型与超声换能器的接口信号类型的差异,处理单片机的数字输出信号与超声换能器的模拟信号的变换,利用H桥功率放大电路与无源低通滤波电路实现了脉冲宽度调制信号到正弦脉冲信号的变换。同时,接收电路实现了信号的去噪、滤波与放大。本系统电路结构简单,工作稳定,可靠性高,满足了水下声呐成像系统对于超声收发单通道装置的设计需求。

An underwater sonar imaging front-end device transceiver system

The utility model discloses a receiving and transmitting channel system of an underwater sonar imaging front-end device, which comprises a single-chip microcomputer, an ultrasonic transducer, a transmitting circuit and a receiving circuit. The transmitting circuit includes an H-bridge power amplifier circuit, a low-pass filter circuit and a step-up transformer. The receiving circuit includes a receiving preprocessing circuit, a band-pass filter circuit, an amplifying circuit and a voltage bias circuit. The utility model, based on the difference between the interface signal type of the single chip microcomputer and the interface signal type of the ultrasonic transducer, processes the conversion of the digital output signal of the single chip microcomputer and the analog signal of the ultrasonic transducer, and realizes the conversion of the pulse width modulation signal to the sine pulse signal by using the H-bridge power amplification circuit and the passive low-pass filter circuit. At the same time, the receiving circuit realizes signal de-noising, filtering and amplification. The circuit structure of the system is simple, stable and reliable, which meets the design requirements of underwater sonar imaging system for single channel ultrasonic transceiver.

【技术实现步骤摘要】
一种水下声呐成像前端装置收发通道系统
本技术属于水下探测领域,尤其涉及一种水下声呐成像前端装置收发通道系统。
技术介绍
随着我国综合国力的不断提升,国家愈加重视海洋主权维护、海洋资源的利用以及海洋环境的保护。十八大以来,更是明确提出了建设海洋强国的重大战略,同时,我国是富有诸多江、河、内湖的国家,对于江河湖海的治理、开发也举足轻重,而这一切都离不开对水下成像技术的研究。水下成像目前主要有光学成像和超声成像两种。水下光学成像的优点是成像速度快、分辨能力高,但是,光在水中传播时衰减远远大于声波,加之水质、散射、吸收等复杂因素的影响极大地限制了光学成像在水下探测领域的应用。相应地,由于声波在传播过程中衰减小、不易受水质等因素的影响并且随着大阵列、多波束等相关技术研究和装备研发的巨大进步,因此,水下超声成像成为了探测海洋的重要手段。水下声呐装备作为水下探测的实现环节,对其进行设计与研制十分必要与关键,其中,水下超声的发送与接收电路设计极大地影响了成像算法的选择和最终的成像所能达到的效果。因此,设计合理的发射与接收电路就显得尤为重要。目前,水下声呐成像系统的前端装置包含中央控制系统、通信系统、数据存储系统和收发系统等,而成像所用的收发系统往往是由许多超声换能器组成的阵列,每一个超声换能器的超声发射与接收称为一个通道,水下超声发射与接收通道的设计大多采用晶振电路去产生本地震荡信号,再经过分频,功率放大等一系列的电路来实现达到超声换能器所需要的幅度与功率的电信号。这样的电路存在着结构复杂,修改载波频率困难和系统响应时间长等不足。
技术实现思路
技术目的:针对以上问题,本技术提出一种水下声呐成像前端装置收发通道系统。基于前端装置的单片机输入与输出的信号类型与超声换能器信号类型的差异,处理单片机的数字输出信号与超声换能器的模拟信号的变换,设计了将单片机输出的脉冲宽度调制(PulseWidthModulation,PWM)信号变换到正弦脉冲信号的变换电路,提供了功率和电压输出,满足了超声换能器对于电压和频率的要求。同时,设计了超声接收电路,实现了接收信号预处理,滤波、放大和抬高电压偏置的功能,满足了单片机模数转换ADC接口的电压输入。技术方案:为实现本技术的目的,本技术所采用的技术方案是:一种水下声呐成像前端装置收发通道系统,包括单片机、超声换能器、发射电路和接收电路。所述发射电路包括H桥功率放大电路、低通滤波电路和升压变压器。所述接收电路包括接收预处理电路、带通滤波电路、放大电路和电压偏置电路。所述低通滤波电路是无源低通滤波电路,所述接收预处理电路是前置预放大电路。本技术的功能结构如图1所示,单片机的两路PWM信号输入到H桥功率放大电路的输入端,H桥功率放大电路的输出端接无源低通滤波电路的输入端,无源低通滤波电路的输出端接升压变压器的一次侧,在升压变压器的二次侧获得变压后的正弦脉冲信号,实现了正弦脉冲信号输出到超声换能器。超声换能器依据该正弦脉冲信号发送超声波脉冲。发射的超声脉冲经空间反射后产生超声回波信号,该超声回波信号由超声换能器接收并转化为电信号,该电信号通过接收预处理电路以提高信噪比,然后接收预处理电路的输出信号接入到带通滤波电路的输入端,经带通滤波电路去除噪声,保留所需要的频谱分量,带通滤波电路的输出信号接入到放大电路的输入端,信号经两级放大,最后通过电压偏置电路产生电压在0V~3.3V变化的模拟信号。所述发射电路包括H桥功率放大电路、无源低通滤波电路和升压变压器,如图2所示。从单片机输出的PWM信号经H桥功率放大电路产生交流方波脉冲信号,该交流信号经无源低通滤波电路将高频信号滤除,输出正弦脉冲信号,该正弦脉冲信号再经升压变压器进行升压,输出到超声换能器进行超声的发射。所述H桥功率放大电路包含两个PMOS管Q1、Q3和两个NMOS管Q2和Q4。无源低通滤波电路由电感L1、L2、L3、L4和电容C5、C6组成。Q1的源极和Q3的源极接电源VCC,Q1的漏极接Q4的漏极,Q3的漏极接Q2的漏极,Q4的源极和Q2的源极接地,Q1的栅极和Q2的栅极接PWM1信号,Q3的栅极和Q4的栅极接PWM2信号,在Q1的漏极和Q3的漏极之间接入无源低通滤波电路。在无源低通滤波电路中,电感L1的一端接Q1的漏极,另一端接电感L2,L1与L2相连部分通过电容C5接地,电感L2的另一端接变压器T1的一次侧的一个端子,电感L4的一端接Q3的漏极,另一端接电感L3,L3和L4相连部分通过电容C6接地,电感L3的另一端接入到变压器T1的一次侧的另一个端子。由单片机输出的两路PWM信号分别输入到H桥功率放大电路的两个输入端PWM1和PWM2。当PWM1为高电平,PWM2为低电平时,Q1、Q2处于导通状态,Q3、Q4处于截止状态,电路中产生从Q1经过电感L1、L2到升压变压器T1再到电感L3、L4最后经Q2流到地的从左向右的电流,即T1一次侧的电流是从L2流向L3,而Q3和Q4因为处于截止状态,所以没有电流流经;当PWM1为低电平,PWM2为高电平时,Q1、Q2处于截止状态,Q3、Q4处于导通状态,电路中产生从Q3经过电感L4、L3到升压变压器T1再到电感L2、L1最后经Q4流到地的从右向左的电流,即T1一次侧的电流是从L3流向L2,而Q1和Q2因为处于截止状态,所以没有电流流经,综上所述,流经变压器T1的电流是从左到右和从右到左交替变化的,如此产生交流信号输出,如图2所示。利用这一原理,并结合脉冲宽度调制信号可以控制升压变压器T1的一次侧输入的信号为正弦脉冲信号。当采用48V的电源给H桥功率放大电路供电时,变压器的一次侧峰峰值可达到90V。据此可以采用变压比为1:10的变压器实现变压器的二次侧900Vpp的正弦超声脉冲的输出。在实际应用中,可以根据需要的电压幅度自行调节变压器的变压比。变压器的二次侧与超声换能器连接。所述接收预处理电路包括NMOS管D1和PMOS管D2,如图3所示。NMOS管D1选用2N6659,PMOS管D2选用2N6804。D1的源极接电源VCC,D1的漏极接D2的漏极,D2的源极接地,同时D1和D2的栅极相连作为信号的输入端Vin1,D1的漏极和D2的漏极相连作为信号的输出端Vout1。接收预处理电路的输入信号Vin1为超声换能器接收超声信号后输出的电信号,输出信号Vout1作为带通滤波电路的输入信号Vin2。当超声换能器接收到超声信号并输出相应的电信号时,该电信号通过NMOS管D1和PMOS管D2的导通作用,能够实现信号的放大输出,并提供一定的带负载能力。所述带通滤波电路为二阶有源负反馈电路,如图4所示,包括电阻R1、R2、R3,电容C1、C2,运算放大器U1,两个10KΩ电阻R12、R13和一个1uF电容C7;输入信号Vin2通过电阻R1和电容C2接入到运算放大器U1的反相输入端;电容C1一端接到R1和C2之间,另一端通过电阻R3接入到运算放大器U1的反相输入端;运算放大器U1的输出端接入C1和R3之间,运算放大器U1的输出端作为信号的输出端Vout2;R2的一端接入到R1和C2之间,另一端接地;运算放大器U1的同相输入端通过电容C7接地;R12一端接电源V+,另一端接R13;R本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水下声呐成像前端装置收发通道系统,其特征在于:该系统包括单片机、超声换能器、发射电路和接收电路;所述发射电路包括H桥功率放大电路、低通滤波电路和升压变压器;所述接收电路包括接收预处理电路、带通滤波电路、放大电路和电压偏置电路;所述低通滤波电路是无源低通滤波电路;所述H桥功率放大电路与单片机相连接,单片机产生PWM信号输入到H桥功率放大电路的输入端PWM1和PWM2,H桥功率放大电路的输出端连接无源低通滤波电路的输入端,无源低通滤波电路的输出端连接升压变压器的一次侧,升压变压器的二次侧与超声换能器连接,超声换能器的输出端与接收预处理电路的输入端Vin1相连,接收预处理电路的输出端Vout1连接带通滤波电路的输入端Vin2,带通滤波电路的输出端Vout2连接放大电路的输入端Vin3,放大电路的输出端Vout3连接电压偏置电路的输入端Vin4,电压偏置电路的输出端Vout4连接单片机的ADC接口。

【技术特征摘要】
1.一种水下声呐成像前端装置收发通道系统,其特征在于:该系统包括单片机、超声换能器、发射电路和接收电路;所述发射电路包括H桥功率放大电路、低通滤波电路和升压变压器;所述接收电路包括接收预处理电路、带通滤波电路、放大电路和电压偏置电路;所述低通滤波电路是无源低通滤波电路;所述H桥功率放大电路与单片机相连接,单片机产生PWM信号输入到H桥功率放大电路的输入端PWM1和PWM2,H桥功率放大电路的输出端连接无源低通滤波电路的输入端,无源低通滤波电路的输出端连接升压变压器的一次侧,升压变压器的二次侧与超声换能器连接,超声换能器的输出端与接收预处理电路的输入端Vin1相连,接收预处理电路的输出端Vout1连接带通滤波电路的输入端Vin2,带通滤波电路的输出端Vout2连接放大电路的输入端Vin3,放大电路的输出端Vout3连接电压偏置电路的输入端Vin4,电压偏置电路的输出端Vout4连接单片机的ADC接口。2.根据权利要求1所述的一种水下声呐成像前端装置收发通道系统,其特征在于:所述H桥功率放大电路包含两个PMOS管Q1、Q3和两个NMOS管Q2、Q4;Q1的源极和Q3的源极接电源VCC,Q1的漏极接Q4的漏极,Q3的漏极接Q2的漏极,Q4的源极和Q2的源极接地,Q1的栅极和Q2的栅极接PWM1信号,Q3的栅极和Q4的栅极接PWM2信号,在Q1的漏极和Q3的漏极之间接入无源低通滤波电路;所述无源低通滤波电路由电感L1、L2、L3、L4和电容C5、C6组成;电感L1的一端接Q1的漏极,另一端接电感L2,L1与L2相连部分通过电容C5接地,电感L2的另一端接升压变压器的一次侧的一个端子,电感L4的一端接Q3的漏极,另一端接电感L3,L3和L4相连部分通过电容C6接地,电感L3的另一端接入到升压变压器的一次侧的另一个端子。3.根据权利要求1所述的一种水下声呐成像前端装置收发通道系统,其特征在于:所述接收预处理电路是前置预放大电路,包括NMOS管D1和PMOS管D2,NMOS管D1选用2N6659,PMOS管D2选用2N6804,D1的源极接电源VCC,D1的漏极接D2的漏极,D2的源极接地,同时...

【专利技术属性】
技术研发人员:李鹏俞传富钱超逸茅誉萧易磊张军闻
申请(专利权)人:南京信息工程大学
类型:新型
国别省市:江苏,32

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