一種低功耗三維成像聲吶接收機設計

徐亮

（第七一五研究所，杭州，310023）

一種低功耗三維成像聲吶接收機設計

徐亮

（第七一五研究所，杭州，310023）

針對三維成像聲吶的特點，設計了一種應用于三維成像聲吶系統中的低功耗接收機；文中給出了該聲吶系統中接收機的各電路組成與設計實現，通過電路仿真與測試，最終結果驗證了該設計切實可行，滿足系統要求。

三維成像聲吶；接收機；放大電路

水下三維成像技術是利用聲波作為信息傳遞的載體，以各類聲學儀器為成像設備的計算機圖象顯示及分析技術；其工作原理是利用主動發聲設備發射聲波，再由接收機接收聲波，所接收到的聲波中會攜帶水下目標的信息，最后通過信號處理機可形成一維或多維圖像。該技術在水下探測、海底物體識別中發揮著重要的作用，具有廣泛的應用前景。三維成像聲吶是指能夠獲得距離、水平、垂直三維空間目標信息的聲吶。三維成像聲吶可直接獲得水下場景的三維圖像，立體直觀的觀察水下目標，提高目標信息獲取的速度以及反應速度。

1 整體設計與實現

三維成像聲吶采用大深度定深拖曳二維面陣技術，使陣元數和相應的接收通道數大幅度增加，硬件的數量與復雜度相應增加。在保證通道數量與性能的同時，需滿足小體積、低功耗、高集成度的要求。接收機主要由放大電路、增益控制電路和濾波電路組成。水下基陣接收到的信號首先經過前放電路放大，然后經過濾波器提取所需要頻段信號，再通過增益控制電路對放大量進行實時調控，增益控制信號由信號處理機經過隔離電路接入到增益控制電路，最后通過主放大電路對信號進行補償放大。三維成像聲吶接收機架構如圖1所示。

圖1 三維成像聲吶接收機架構

1.1 放大電路設計

三維成像聲吶接收機中的放大電路是針對水下陣元換能器阻抗和靈敏度性能，結合系統對接收信號動態范圍的要求而設計的。其中，第一級前置放大電路的噪聲直接影響到整個接收通道的信噪比，對接收機噪聲性能起決定因素。電路的放大倍數決定接收信號的動態范圍，如果放大量過大，容易造成接收信號堵塞。因此應該合理分配通道中前放電路和主放大電路的放大倍數。針對該聲吶系統中接收通道數多、電路板密度高的技術特點，對于運算放大器的選型，在保證噪聲的前提條件下，應該特別注重低功耗與小封裝選型。

此型接收機通道電路的等效輸入噪聲主要取決于前放電路的噪聲系數，前放電路采用超低噪聲運算放大器OPA124作為第一級放大電路的芯片，該芯片在頻點1 kHz以上的電壓噪聲譜密度低于8 nV·Hz?1/2，電流噪聲低于1 fA·Hz?1/2。在電壓噪聲譜密度相當的前提條件下，噪聲主要取決于電流噪聲。

第一級前置放大電路具體如圖2所示。電路由二級管CMPD6001S、運放OPA124與電阻組成同相信號放大電路。二極管CMPD6001S是為了防止發射大功率信號瞬間輸出的高電壓和大電流串入到接收機中，起到對接收電路進行保護的作用。

圖2 第一級前置放大電路

主放大電路由低功耗雙通道運放OPA2188構成，第一級放大5倍，第二級放大5倍，考慮到信號頻率為6～30 kHz，帶寬較寬，運放OPA2188在頻率10～100 kHz的開環增益衰減略大，因此采用多級放大電路將信號進行放大，確保了電路的放大倍數。放大電路所使用運放的理論噪聲參數如表1所示。

表1 運算放大器噪聲譜密度

1.2 濾波器設計

濾波器采取運算放大器與電阻、電容組成的有源濾波電路，根據聲吶系統的濾波特性，合理選取濾波電路形式，設計電路參數。此型接收機的濾波電路由2片雙通道運放OPA2140構成，表1中給出了此型運放的噪聲系數。具體電路形式為：濾波電路的第一級由一片雙通道運放OPA2140構成截止頻率fc為6 kHz的四階巴特沃斯高通濾波電路；第二級由一片運放OPA2140構成截止頻率fc為30 kHz的四階巴特沃斯低通濾波電路；兩級濾波節構成了6～30 kHz的有源帶通濾波器，通過電阻電容參數的設計匹配確保了接收機的工作頻響特性。在電路實現過程中，通過選用貼片的封裝形式減小體積，在濾波電路和放大電路中選用誤差范圍為±1%的高精度COG貼片電容與貼片電阻，保證了濾波電路的濾波性能，減少了元器件的離散性給電路帶來的性能影響，確保了多通道的一致性。

1.3 增益控制電路設計

增益控制電路的實現由電阻衰減網絡和八選一多路選擇開關ADG408構成，采用簡單的并行控制，操作方便、切換時間快，減少電磁干擾，其開關芯片ADG408的實現機理是：在兩位增益控制碼（A1、A0）的控制下可以實現0～24 dB的衰減，每步進約8 dB，增益控制碼由信號處理機提供；為了減小其它數字電路帶來的干擾，電路設計中采用了光耦TLP291對增益碼控制信號進行隔離，確保了電路的程控增益控制。電路如圖3所示，增益控制碼對應的增益如表2所示。

圖3 增益控制電路

表2 增益控制碼對應的增益

2 低功耗設計

接收機中通道數多，每個通道的電路結構都是相同的，在進行電路的設計過程中，首先盡可能的選取低功耗芯片，同時還需保證電路的性能；接收機的主要功耗為放大電路和濾波電路中所使用的運算放大器的功耗，盡可能減少使用運算放大器的個數，合理利用通道數量，有效整合通道資源。接收機選用的芯片在直流±5 V供電時的電流參數如表3所示，總電流約12.5 mA，考慮到其它元器件的功耗，每通道的電流不會超過15 mA。

表3 接收機中單通道電路使用的芯片電流

3 仿真與測試結果

3.1 頻響仿真與測試結果

將所設計的單通道電路進行仿真，得到接收通道的頻響曲線如圖5所示。

圖4 接收機通道的頻響仿真曲線

接收機工作頻帶為6～30 kHz，最大增益在頻點15 kHz處，約為54 dB，邊頻點6 kHz處的增益約為53.5 dB，30 kHz的增益約為53.2 dB，帶內起伏≤1 dB；頻點3 kHz處的增益約為37 dB，衰減17 dB；頻點60 kHz的增益約為36 dB，衰減18 dB，可滿足達到聲吶系統帶外一倍頻衰減＞12 dB、帶內起伏≤2 dB的頻響特性。

3.2 噪聲仿真

為了滿足系統對電路噪聲的指標要求，在電路設計中均選用了低噪聲運放。按照每級電路所使用的運算放大器，將電路噪聲進行仿真估算。接收機通道電路的等效輸入噪聲主要取決于第一級放大電路的噪聲系數，采用超低噪聲OPA124運放作為第一級放大電路的芯片，OPA2140和OPA2188的噪聲指標也非常低。