一种用于探测猎雷声呐发射信号的水雷引信值更电路

摘要

本发明提供了一种用于探测猎雷声呐发射信号的水雷引信值更电路，采用多个高频条形水听器沿圆台空间排布构成水听器阵列，满足圆周方向上入射主动声呐信号接收的需要；每个条形水听器配备独立控制上电工作的信号调理电路，各通道的信号调理电路采取分时上电工作模式，与水听器阵列组合构成分时扫描波束，在满足圆周波束覆盖功能的同时降低能源消耗；水听器信号经过调理后进入多通道比较器与单片机电路构成的常通电部分，比较器将信号的电压与预先设定的参考阀值相比较；由于信号调理电路、多通道比较器由模拟电路完成，模拟电路可以实现较低的能源消耗，并且信号调理电路采用多通道分时上电的工作模式，进一步降低了系统功耗。

说明书

技术领域

本发明属于水雷武器技术领域，具体涉及一种用于探测猎雷声呐发射信号的水雷引信值更电路。

背景技术

水雷武器为了对抗敌方的反水雷武器装备，可以通过接收并检测敌方反水雷装备上配备的前视声呐、侧扫声呐等主动声呐信号，来对敌方反水雷装备进行反向探测。由于反水雷装备配备的主动声呐设备通常工作在80kHz～400kHz的高频段，要探测此频段范围的水下声信号，就要配备相应频率响应范围的高频水听器。而高频水听器自身具有尖锐的指向性，单个水听器波束开角较小，难以覆盖接收水面与水下多个方向入射的高频声波信号，需要布置多个水听器构成传感器阵列满足水下空间各方向入射声波信号接收的使用要求；同时，水雷武器作为水下自持系统，在自身功耗方面存在严格的限制，水雷引信检测声呐信号的硬件电路平台必须采取低功耗设计以降低能耗。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于探测猎雷声呐发射信号的水雷引信值更电路，可以降低功耗。

一种水雷引信值更电路，包括水听器阵列、信号调理电路、多通道比较器以及单片机电路；

所述信号调理电路包括可控上电模块、正向放大器、滤波器以及检波电路；

所述水听器阵列包括多个水听器，每个水听器用于接收设定区域内声纳入射信号，所有水听器的接收区域组成圆周区域；每个水听器对应一个信号调理电路；

所述可控上电模块根据单片机电路的控制，分时对各信号调理电路进行供电；

被供电的信号调理电路中，正向放大器对从水听器接收的信号进行放大处理；继而滤波电路对放大后信号进行滤波，最后有检波电路进行检波；

所述多通道比较器将检波后信号与预设的阀值电压相比较，高于阀值电压，输出高电平；低于阀值电压，则输出低电平；

所述单片机电路对多通道比较器输出电平进行判别，高电平判决有目标，低电平则判决无目标。

较佳的，所述水听器为条形结构；所有水听器均匀布置再圆台基体的圆周面上。

较佳的，所述水听器数量为10个。

进一步的，所述水听器(1)包括压环(11)、绝缘环(12)、压电陶瓷片(13)、透声橡胶(14)、支撑体(15)以及导线(16)；所述压电陶瓷片(13)边缘由压环(11)压紧固定安装在支撑体(15)上，构成“厚度振动”型压电陶瓷敏感结构；压电陶瓷圆片(13)与支撑体(15)之间安装有绝缘环(12)；压电陶瓷圆片(13)的正、负极板分别通过导线(16)引出；压电陶瓷敏感结构和导线(16)通过透声橡胶(14)整体灌封在支撑体(15)上。

较佳的，所述绝缘环(12)由聚四氟乙烯加工而成。

较佳的，所述压电陶瓷片(13)的型号为PMg-51。

较佳的，所述可控上电电路包括线性稳压芯片ADP3306AR3.3与电荷泵芯片ADM8660AN；芯片ADP3306AR3.3的第5管脚接收到单片机给出的上电控制信号；管脚1、2向电荷泵芯片ADM8660AN和信号调理电路提供正电源；电荷泵芯片ADM8660AN的管脚8接收所述正电源，被电荷泵芯片ADM8660AN转变为-3.3V的负电压，为信号调理电路提供负电源。

较佳的，所述正向放大器由运算放大器实现。

较佳的，所述滤波器由两个运算放大器及外围阻容器件构成。

较佳的，所述检波电路由二极管、运算放大器及阻容器件实现。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种用于探测猎雷声呐发射信号的水雷引信值更电路，采用多个高频条形水听器沿圆台空间排布构成水听器阵列，水听器安装在位于海底的沉底水雷平台上，满足圆周方向上入射主动声呐信号接收的需要；每个条形水听器配备独立控制上电工作的信号调理电路，信号调理电路完成阻抗匹配放大、滤波、检波等功能，各通道的信号调理电路采取分时上电工作模式，与水听器阵列组合构成分时扫描波束，在满足圆周波束覆盖功能的同时降低能源消耗；水听器信号经过调理后进入多通道比较器与单片机电路构成的常通电部分，比较器将信号的电压与预先设定的参考阀值相比较，当超出参考阀值时，输出高电平，输入单片机电路并被单片机判断识别；由于信号调理电路、多通道比较器由模拟电路完成，模拟电路可以实现较低的能源消耗，并且信号调理电路采用多通道分时上电的工作模式，进一步降低了系统功耗；单片机电路只需要完成高、低电平判断识别等简单功能，因此市场上通用的低功耗单片机即可满足要求；该电路只用于判断主动声呐信号的有无，作为水雷引信来探测主动声呐的值更电路。

附图说明

图1为条形水听器敏感结构截面示意图；

图2为条形水听器在圆台基体上的阵列安装示意图；

图3为水听器阵列水面控制区域示意图；

图4为值更电路结构框图；

图5为单通道信号调理电路原理图；

其中，1-条形水听器，2-圆台基体，11-压环，12-绝缘体，13-压电陶瓷片，14-透声橡胶，15-支撑体，16-导线。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明目的是为了解决水雷武器探测一定圆周区域内主动声呐信号有无的问题，同时满足水雷引信低功耗设计要求。方案是利用多个高频水听器圆周空间排布，主要功能电路由模拟电路实现，多通道分时扫描工作，以实现低功耗值更检测。高频水听器外部采用条形结构，内部敏感元件采用长方形片状压电陶瓷，利用压电陶瓷片的厚度振动模式来感知、接收主动声呐发射的高频信号；多个条形水听器沿圆台圆周排布，满足一定圆周区域内声呐入射信号接收的需求。

本发明主要由水听器阵列、信号调理电路、多通道比较器、单片机电路构成，其中水听器阵列作为组件，由多个条形水听器与圆台基体构成。

条形水听器1内部的压电陶瓷片13边缘由压环11通过螺钉压紧固定安装在支撑体15上，构成“厚度振动”型压电陶瓷敏感结构；压电陶瓷圆片13与支撑体15之间安装有绝缘环12，绝缘环12由聚四氟乙烯加工而成，起到绝缘隔离以及降低支撑体15耦合振动的作用；压电陶瓷圆片13的正负极板分别通过导线16引出。压电陶瓷敏感结构和导线16通过透声橡胶14整体灌封在支撑体15上，构成水听器单元模块。

水听器1模块呈薄条状，多个水听器1沿圆台基体2的圆周方向均匀分布，贴覆在圆台基体2的外表面，并由螺钉紧固，形成圆台共形的结构形式，水听器1接收段端面的中心轴向与垂直方向存在一定夹角；多个水听器1圆周排布，波束开角相加，在水雷平台布放到海底后，在一定圆周区域内形成封闭的控制区域。

整个值更电路由分时上电部分与常通电部分构成，每个水听器都对应有独立控制上电的信号调理电路，信号调理电路将水听器接收到的信号放大、滤波与检波后，进入后级电路。信号调理电路采用依次分时上电的工作模式，在圆周方向上形成扫描波束。后级电路是多通道比较器与单片机电路构成的常通电部分，多通道比较器将前级信号调理电路输入的信号电压与预设的阀值电压相比较，高于阀值电压，比较器就输出高电平；低于阀值电压，则输出低电平。单片机电路对多通道比较器输出电平进行判别，高电平判决有目标，低电平则判决无目标。同时单片机完成定时控制上电功能，控制各通道信号调理电路分时上电工作，形成波束扫描。

预设的多通道比较器阀值电压，可以根据海洋环境噪声的量级按照统计规律来确定

多通道比较器可以使用市面上通用的集成比较器芯片，例如TI公司的TLC339；单片机电路可以选用常规通用的低功耗的单片机芯片，例如TI公司的MSP430。

信号调理电路由可控上电电源电路与放大器、滤波器、检波器等电路构成：可控上电电源电路自身带有使能控制管脚，当管脚置高电平时，电源电路上电工作，输出电源电压；放大器完成输入保护、阻抗匹配、信号放大等功能；滤波器是阻容器件与运算放大器构成的有源带通滤波器；检波器为检波二极管、电阻、电容、运放等分立元件构成的模拟检波器。

实施例：

(1)条形水听器主要结构如图1所示，主要由压环1、绝缘环2、压电陶瓷片3、透声橡胶4、支撑体5、导线6、以及螺钉、垫片等辅助器件组成。本实施例中使用了介电常数与压电系数较高的PMg-51压电陶瓷片3，其直径远大于厚度。压电陶瓷片3外边缘被压环1通过绝缘环2的绝缘隔离后压紧固定在支撑体5上，并由螺钉紧固，形成厚度振动敏感结构。两根导线6一端焊接在压电陶瓷片3的正负极板上，另外一端引出。上述的振动敏感结构、导线6、由透声橡胶4灌封为一个整体，以利于实际使用时隔绝外部水介质，并构成水听器单元模块。

(2)水听器单元模块的安装

如示意图2所示，由声学基本原理可知，高频水听器具有自然指向性，其波束开角较小，单个水听器难以覆盖圆周各个方向上入射声波接收的角度需求，若单个条形水听器的水平开角为36°左右(-6dB)，在圆台基体2上沿圆周均匀分布10个条形水听器1，则水平方向上能够满足圆周360°信号检测的需要；条形水听器1安装在圆台基体2上，其接收端面的中心轴线与垂直方向呈一定夹角，当条形水听器1与圆台基体2构成的水听器阵列安装在沉底水雷平台上并布放在水底时，分时控制条形水听器1工作，则在水面上形成如图3所示的环形控制区域。

(3)值更电路工作原理

如图4值更电路结构框图所示，电路分为分时上电和常通电两部分，10路水听器每路对应一路信号调理电路，信号调理电路自带各自独立可控上电的电源电路，完成输入保护、阻抗匹配、放大、滤波、检波等信号调理功能；常通电部分由多通道比较器与单片机电路组成，前级信号调理电路在单片机控制下分时上电工作，将水听器信号完成上述信号调理后，输入到多通道比较器，多通道比较器将信号电压与预设的阀值电压相比较，高于阀值电压，比较器输出高电平；低于阀值电压，则输出低电平。单片机电路对多通道比较器输出电平进行判别，高电平判决有目标，低电平则判决无目标，从而完成值更功能。

多通道比较器可以使用通用的集成比较器芯片，例如TI公司的TLC339；单片机电路可以选用常规通用的低功耗的单片机芯片，例如TI公司的MSP430。

如图5单通道信号调理电路原理图所示：可控上电电路由U22线性稳压芯片ADP3306AR3.3与U23电荷泵芯片ADM8660AN构成，芯片ADP3306AR3.3的第5管脚接收到单片机给出的上电控制信号(上电使能)为高电平时，才开始工作，将管脚7、8的电源电压转变为3.3V的稳定电压输出，3.3V的稳定电压为信号调理电路提供正电源；同时，3.3V的稳定电压输入到U23电荷泵芯片ADM8660AN的管脚8输入端，被电荷泵ADM8660AN转变为-3.3V的负电压，为信号调理电路提供负电源。

其中电容C11接芯片ADP3306AR3.3的管脚1和管脚3,电阻R17接芯片ADP3306AR3.3的管脚1和管脚6，为芯片ADP3306AR3.3使用手册上规定的典型电路的标准外围阻容器件。电容C10接U23电荷泵芯片ADM8660AN的管脚2和管脚4，为芯片ADM8660AN使用手册上规定的典型电路的标准外围器件，电容C14一端接芯片ADM8660AN的输出管脚5，另外一端接地，起到电源滤波的功能。

1)信号调理电路中运算放大器U1A与电阻R1、R2构成正向放大器，电阻R2分别接U1A的管脚1和管脚2，作为反馈电阻；电阻R1一端接U1A的管脚2，另外一端接地，起到限流电阻的作用。

放大倍数由R1、R2的阻值确定，为：

电阻R3一端接U1A的正向输入端管脚3，另外一端接地，起到阻抗匹配电阻的作用；

二极管D1、D2反向对接，其中一端接地，起到输入保护的作用，当有意外大信号输入时，二极管D1、D2导通，将大信号旁路到地线上。

电容C1一端接保护二极管一端接接U1A的正向输入端管脚3，起到隔直电容的作用。

2)运算放大器U1B、U2A及外围阻容器件构成有源RC滤波器：

电阻R4、R6串联后连接U1A的管脚1和U1B管脚6，电阻R5一端接电阻R4、R6之间的节点，另外一端接U1B管脚7；电容C3一端接电阻R4、R6之间的节点，另外一端接地；电容C4一端接U1B管脚6，另外一端接U1B管脚6；电阻R7一端接U1B管脚5,另外一端接地。

构成多路负反馈有源低通滤波器，滤波器的参数由阻容器件参数决定：

R4＝R5＝R6＝Rf

截止频率：

C3＝3Q·Cf

根据主动声呐工作频段80kHz～400kHz，取截止频率f

电容C5、C7串联后连接U2A的管脚2和U1B管脚7，电容C5一端接电容C5、C7之间的节点，另外一端接U2A管脚1；电阻R10一端接接电容C5、C7之间的节点，另外一端接地；电阻R8一端接U2A管脚2，另外一端接U2A管脚1；电阻R9一端接U2A管脚3,另外一端接地。

构成多路负反馈有源高通滤波器，滤波器的参数由阻容器件参数决定：

C5＝C6＝C7＝Cf

截止频率：

R8＝3Q·Rf

根据主动声呐工作频段80kHz～400kHz，取截止频率f

上述80kHz的高通滤波器和400kHz的低通滤波器级联构成80kHz～400kHz的带通滤波器。

3)二极管与运放、阻容器件构成的检波电路

前级滤波后的信号经过隔直电容C8后，进入后级检波电路，电阻R16一端接隔直电容C8，另外一端接运算放大器U2B的输入管脚6，电阻R11一端接U2B管脚5,另外一端接地；检波二极管D3一端接运算放大器U2B的输入管脚6，另外一端接U2B的管脚7，检波二极管D4一端接运算放大器U2B的输出管脚7，另外一端将信号传递到后级；电阻R14和电容C15并联，跨接在检波二极管D3、D4之间，构成标准电路形式的绝对值检波器。电容C16、C17和R15构成π型滤波器，将检波后叠加在检波信号电压上的交变电压噪声滤除掉。

4)常通电部分的多通道比较器可以使用市面上通用的集成比较器芯片，例如TI公司的TLC339；单片机电路可以选用常规通用的低功耗的单片机芯片，例如TI公司的MSP430；

(4)工作过程

常通电部分的单片机电路输出10路电压控制信号，分时控制各条形水听器上电工作，形成波束扫描，信号调理电路在单片机控制下分时上电工作。水听器信号完成上述信号调理后，输入到多通道比较器，多通道比较器将信号电压与预设的阀值电压相比较，高于阀值电压，判断为有目标主动声呐信号；低于阀值电压，则认为没有目标。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。