一种水雷引信声呐信号探测水听器阵列以及探测值更电路

摘要

本发明公开了一种水雷引信声呐信号探测水听器阵列以及探测值更电路，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。

说明书

技术领域

本发明涉及水雷引信技术领域，具体涉及一种水雷引信声呐信号探测水听器阵列以及探测值更电路。

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。

如何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，且同时满足水雷引信低功耗设计要求，是目前亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种水雷引信声呐信号探测水听器阵列以及探测值更电路，能够满足水雷武器探测一定圆周区域内主动声呐信号有无，同时满足水雷引信低功耗设计要求。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：一种水雷引信声呐信号探测水听器阵列，包括条形水听器以及圆台基体。

条形水听器数量为2个以上，固定在圆台基体上；条形水听器沿圆台基体的圆周方向均匀分布，贴覆在圆台基体的外表面。

条形水听器的接收段端面的中心轴向与垂直方向存在一定夹角；条形水听器的波束开角相加为360°。

当条形水听器与圆台基体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工作，则在水面上形成环形控制区域。

进一步地，条形水听器包括压环、绝缘环、压电陶瓷片、透声橡胶、支撑体以及导线。

支撑体中央开设凹槽用于放置压电陶瓷片。

压电陶瓷片由压环通过压紧固定安装在支撑体的凹槽内；压电陶瓷片与压环通过所述绝缘环进行绝缘隔离。

两根导线一端焊接在所述压电陶瓷片的正负极板上，另外一端引出所述支撑体外。

压环、绝缘环、压电陶瓷片、支撑体以及导线由透声橡胶灌封为一个整体，形成所述条形水听器。

进一步地，压电陶瓷片型号为PMg-51。

本发明另外一个实施例还提供了一种水雷引信声呐信号探测值更电路，该电路包括分时上电部分和常通电部分。

所述分时上电部分包括条形水听器和信号调理电路；条形水听器数量为2个以上，每个条形水听器对应连接一路信号调理电路。

所述信号调理电路自带各自独立可控上电的电源电路，并完成输入保护、阻抗匹配、放大、滤波、检波的信号调理功能。

常通电部分由多通道比较器与单片机电路组成，信号调理电路在单片机电路的控制下分时上电工作，将条形水听器采集的声呐信号完成信号调理后，输入到多通道比较器，多通道比较器将信号调理后的声呐信号的电压与预设的阀值电压相比较，若高于阀值电压，则多通道比较器输出高电平，否则输出低电平。

单片机电路对多通道比较器的输出电平进行判别，若为高电平则判决有目标，否则判决无目标，从而完成值更功能。

进一步地，信号调理电路包括可控上电的电源电路、正向放大器、有源RC滤波器以及检波电路。

可控上电的电源电路由线性稳压芯片ADP3306AR3.3即U22与电荷泵芯片ADM8660AN即U23构成。

单片机电路给出的上电使能信号接入U22的第5管脚；U22的第7管脚和第8管脚连接+3.6V电源，U22的第4管脚接地，U22的第1管脚和第2管脚连接后作为U22的输出；U22的第3管脚通过电容C11接第1管脚；U22的第6管脚通过电阻R17接第1管脚。

U22的输出连接U23的第8管脚；U23的第2管脚和第4管脚通过电容C10相连；U23的第5管脚通过电容C14接地，且U23的第5管脚作为U23的输出，U23的第1、第3、第6和第7管脚接地。

U22的第5管脚接收到U23单片机电路给出的上电使能信号为高电平时，开始工作，将U22的输出稳定在+3.3V作为正电源，U23的输出稳定在-3.3V作为负电源。

正向放大器由第一运算放大器U1A与限流电阻R1、反馈电阻R2构成正向放大器，反馈电阻R2分别接U1A的输出端和反相输入端；限流电阻R1一端接U1A的反相输入端，另外一端接地。

正向放大器的放大倍数AF由限流电阻R1和反馈电阻R2的阻值确定；阻抗匹配电阻R3一端接U1A的正相输入端，另外一端接地；第一二极管D1和第二二极管D2反向对接后一端接地，另一端通过电容C1接U1A的正相输入端。

有源RC滤波器为由低通滤波器和高通滤波器级联的带通滤波器。

低通滤波器包括：第二运算放大器U1B、第三运算放大器U2A及外围阻容器件：

电阻R4和电阻R6串联后连接U1A的输出端和U1B的反相输入端。

电阻R5一端接电阻R4、电阻R6之间的节点，另外一端接U1B的输出端。

电容C3一端接电阻R4、电阻R6之间的节点，另外一端接地。

电容C4一端接U1B反相输入端，另外一端接U1B输出端。

电阻R7一端接U1B正相输入端,另外一端接地。

低通滤波器的参数由阻容器件参数决定：其中低通滤波器的阻值Rf为：R4＝R5＝R6＝Rf；低通滤波器的容值Cf为：C3＝3Q·Cf、

高通滤波器具体为：

电容C5、电容C7串联后连接U2A的反向输入端和U1B的输出端，电容C6一端接电容C5、C7之间的节点，另外一端接U2A的输出端。

电阻R10一端接接电容C5、电容C7之间的节点，另外一端接地。

电阻R8一端接U2A的反相输入端，另外一端接U2A的输出端。

电阻R9一端接U2A的正相输入端,另外一端接地。

高通滤波器的参数由阻容器件参数决定，其中高通滤波器的阻值Rf'为：R8＝3Q·Rf'，

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。

U2A的输出经隔直电容C8后，进入检波电路，检波电路包括第四运算放大器U2B，具体为：电阻R16一端接隔直电容C8，另外一端接U2B的反相输入端，电阻R11一端接U2B的正相输入端,另外一端接地；检波二极管D3一端接U2B的反相输入端，另外一端接U2B的输出管脚；检波二极管D4一端接U2B的输出管脚，另外一端将信号传递到后级的π型滤波器；电阻R14和电容C15并联，跨接在检波二极管D3、D4之间，电容C16、电容C17和电容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。

可控上电的电源电路输出的正电源和负电源分别为U1A和U2A供电。

有益效果：

本发明提供的一种水雷引信声呐信号探测水听器阵列以及探测值更电路，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。由此，条形水听器、信号调理电路、多通道比较器、单片机共同构成水雷引信声呐信号探测值更电路。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。因此本发明不仅解决了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。

附图说明

图1为本发明提供的条形水听器敏感结构截面示意图；

图2为本发明实施例提供的条形水听器在圆台基体上的阵列安装示意图；

图3为本发明实施例提供的水听器阵列水面控制区域示意图；

图4为本发明实施例提供的值更电路结构框图；

图5为本发明实施例提供的单通道信号调理电路原理图。

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。

本发明提供了一种水雷引信声呐信号探测水听器阵列，包括条形水听器1以及圆台基体2，具体结构如图2所示。

条形水听器1数量为2个以上，固定在圆台基体上；条形水听器1沿圆台基体的圆周方向均匀分布，贴覆在圆台基体的外表面。

条形水听器1的接收段端面的中心轴向与垂直方向存在一定夹角，本发明实施例中通过调整夹角来限定信号探测区域范围，一般取30度到45之间，这样，当水深一定时，控制区域范围的半径就等于水深除以此夹角的余切值；条形水听器1的波束开角相加为360°。

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，则在水面上形成环形控制区域。

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。

条形水听器1的结构如图1所示，包括压环1、绝缘环2、压电陶瓷片3、透声橡胶4、支撑体5以及导线6。

支撑体5中央开设凹槽用于放置压电陶瓷片3。

压电陶瓷片3由压环1通过压紧固定安装在支撑体5的凹槽内，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，可选直径在厚度的20倍以上。压电陶瓷片3与压环1通过绝缘环2进行绝缘隔离，绝缘环由聚四氟乙烯加工而成，起到绝缘隔离以及降低支撑体耦合振动的作用。

两根导线6一端焊接在压电陶瓷片3的正负极板上，另外一端引出支撑体5外。

压环1、绝缘环2、压电陶瓷片3、支撑体5以及导线6由透声橡胶4灌封为一个整体，形成条形水听器1。

本发明实施例还提供了一种水雷引信声呐信号探测值更电路，如图4所示，该电路包括分时上电部分和常通电部分。

分时上电部分包括条形水听器和信号调理电路；条形水听器数量为2个以上，每个条形水听器对应连接一路信号调理电路。

信号调理电路自带各自独立可控上电的电源电路，并完成输入保护、阻抗匹配、放大、滤波、检波的信号调理功能。

常通电部分由多通道比较器与单片机电路组成，信号调理电路在单片机电路的控制下分时上电工作，将条形水听器采集的声呐信号完成信号调理后，输入到多通道比较器，多通道比较器将信号调理后的声呐信号的电压与预设的阀值电压相比较，若高于阀值电压，则多通道比较器输出高电平，否则输出低电平；本发明实施例中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。

单片机电路对多通道比较器的输出电平进行判别，若为高电平则判决有目标，否则判决无目标，从而完成值更功能。

本发明实施例中，信号调理电路如图5所示，包括可控上电的电源电路、正向放大器、有源RC滤波器以及检波电路。

1)可控上电的电源电路；

该可控上电的电源电路由线性稳压芯片ADP3306AR3.3即U22与电荷泵芯片ADM8660AN即U23构成。

单片机电路给出的上电使能信号接入U22的第5管脚；U22的第7管脚和第8管脚连接+3.6V电源，U22的第4管脚接地，U22的第1管脚和第2管脚连接后作为U22的输出；U22的第3管脚通过电容C11接第1管脚；U22的第6管脚通过电阻R17接第1管脚。

U22的输出连接U23的第8管脚；U23的第2管脚和第4管脚通过电容C10相连；U23的第5管脚通过电容C14接地(电容C14起到电源滤波的功能)，且U23的第5管脚作为U23的输出，U23的第1、第3、第6和第7管脚接地。

U22的第5管脚接收到U23单片机电路给出的上电使能信号为高电平时，开始工作，将U22的输出稳定在+3.3V作为正电源，U23的输出稳定在-3.3V作为负电源。

2)正向放大器；

正向放大器由第一运算放大器U1A与限流电阻R1、反馈电阻R2构成正向放大器，反馈电阻R2分别接U1A的输出端和反相输入端；限流电阻R1一端接U1A的反相输入端，另外一端接地。

正向放大器的放大倍数AF由限流电阻R1和反馈电阻R2的阻值确定：

阻抗匹配电阻R3一端接U1A的正相输入端，另外一端接地，起到阻抗匹配的作用。

第一二极管D1和第二二极管D2反向对接后一端接地，另一端通过电容C1接U1A的正相输入端，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的正相输入端，起到隔直电容的作用。

3)有源RC滤波器；

有源RC滤波器为由低通滤波器和高通滤波器级联的带通滤波器。

低通滤波器包括：第二运算放大器U1B、第三运算放大器U2A及外围阻容器件：

电阻R4和电阻R6串联后连接U1A的输出端和U1B的反相输入端。

电阻R5一端接电阻R4、电阻R6之间的节点，另外一端接U1B的输出端。

电容C3一端接电阻R4、电阻R6之间的节点，另外一端接地。

电容C4一端接U1B反相输入端，另外一端接U1B输出端。

电阻R7一端接U1B正相输入端,另外一端接地。

低通滤波器的参数由阻容器件参数决定：其中低通滤波器的阻值Rf为：R4＝R5＝R6＝Rf；低通滤波器的容值Cf为：C3＝3Q·Cf、

高通滤波器具体为：

电容C5、电容C7串联后连接U2A的反向输入端和U1B的输出端，电容C6一端接电容C5、C7之间的节点，另外一端接U2A的输出端。

电阻R10一端接接电容C5、电容C7之间的节点，另外一端接地。

电阻R8一端接U2A的反相输入端，另外一端接U2A的输出端。

电阻R9一端接U2A的正相输入端,另外一端接地。

高通滤波器的参数由阻容器件参数决定，其中高通滤波器的阻值Rf'为：R8＝3Q·Rf'，

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；

U2A的输出经隔直电容C8后，进入检波电路。

4)检波电路：

检波电路包括第四运算放大器U2B，具体为：电阻R16一端接隔直电容C8，另外一端接U2B的反相输入端，电阻R11一端接U2B的正相输入端,另外一端接地；检波二极管D3一端接U2B的反相输入端，另外一端接U2B的输出管脚；检波二极管D4一端接U2B的输出管脚，另外一端将信号传递到后级的π型滤波器；电阻R14和电容C15并联，跨接在检波二极管D3、D4之间，电容C16、电容C17和电容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。

可控上电的电源电路输出的正电源和负电源分别为U1A和U2A供电。

5)值更电路工作过程

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。