声呐式高度计系统的设计和研究

声呐式高度计系统的设计和研究
摘要
声呐式高度计是水下探测设备发出的声波测量距离的仪器装置。

本次设计研究了声呐测距的流程过程以及水声换能器的工作原理，了解了声呐信号在水中的工作过程，对系统的某些特定参数进行了选取，以便声呐式高度计能够在水中进行应用。

按照声呐式高度计测距原理以及需要实现的目的，设计了基于AT89C51单片机的数字信号处理电路系统。

该文以AT89C51芯片为核心，外加ADC0804芯片作为A/D转换器，还有LED显示屏组成信号处理电路，简洁明了地介绍了声信号的发射、接收处理的过程，并且直白地显示出障碍物的距离。

本论文先重点研究了硬件电路的设计，然后根据微控制器处理模块阐述了单片机软件系统方面的设计流程，然后执行系统的软硬件方面的调试，来达到探测水下距离的目的。

关键词：声呐，换能器，高度计，数字信号处理，51单片机
Abstract
The sonar altimeter is a distance measuring apparatus of acoustic underwater detection equipment.
The design of sonar ranging process and working principle of underwater acoustic transducer, understanding the sonar signal in water, working process and system for some specific parameters were selected to sonar altimeter to applications in the water.In accordance with the sonar altimeter ranging principle and the need to achieve the objective,design the digital signal
processing circuit of the system based on AT89C51 microcomputer.Based on AT89C51 chip as the core,plus ADC0804 chip as A/D converter and LED display screen signal processing circuit,clear and concise introduction to the process of acoustic signal transmitting and receiving treatment,and directly show the distance to the obstacles.
This paper first focuses on the design of hardware circuit,which based on micro controller processing module in this paper,the design of the single chip microcomputer software system process,and then through debugging the system debugging of hardware and software aspects,to achieve the purpose of detecting underwater distance.
Key words:sonar, transducer, altimeter,digital signal processing,51 single chip microcomputer
第一章前言
1.1 研究目的和意义
目前，由于声呐自身机能的局限性干扰它的工作情况外，局部外界的多种因素也存在缺陷。

较为明显的因素的有水中噪声、多种频率干扰、多路径效应、路途中的衰减损耗或自噪声等，这些因素基本都与其所处的外部环境有关。

为了尽可能地避免这些外界条件的干扰，这就要求对电路器件设施的尺寸较为严格，因此声呐式高度计占有突出重要的地位。

声呐式高度计系统是测量水下距离的特别灵验的器材，其主要功能是利用单波束回波的测距系统实时监测，比多元基阵或多波束水下测距声呐系统要容易得多。

从设备成本与国有技术的角度考虑，我国有必要自行解决声呐式高度计的研究与开发，究其原因是目前市场的使用的大部
分是国外的高度计。

1.2 国内外研究现状
现阶段，在国外，声呐式高度计的产品已逐渐走向成熟，诸如tritech、subsea、kongsberg等公司生产的高度计产品在我国海洋领域都有卓越的成就。

但国内的声呐式高度计比较稀少，仅有中科院以及国家海洋技术中心等研究中心有关这方面的探讨，但其结果并未从各方面文献、期刊中报导出来。

至今为止，声呐技术经历了百年的沉淀，它是由英国Lewis Nickerson在二十世纪初发明的。

而且第一部声呐仪也是他设计的，这是一种用来探测冰山的反主动式的监听设备。

经历八年后，在第一次世界大战的战场上也运用了这种技术，用于探测海底潜在的危机，提升人们对声呐设备的研究兴趣，以及吊起了人们的研究好奇心，继而人们意识到了声呐技术在民用和军用方面的重要性。

紧接着，首部反潜声呐诞生了，但是，实践和技术上的致命伤，导致了在对付他国U型潜艇中尚未取得成功。

后来在一九二五年左右，测量深度的仪器由信号公司生产并引申应用，且其在美、英两国均有销售。

由于当时的电子高科技不断进步，已经可以处理声呐信息并将其演示出来。

随后，德、美、英三国联手打造出了几类实用的产品。

直到美国从一九三八年开始大规模的生产该功能型的设备且在1939到1945年的大战时间段，声呐设备几乎在所有的战舰上都配置了。

德“U-99”号潜艇就是被英国“沃克”号驱逐舰利用声呐击沉海底的，绝大多数在战争中损失的潜艇都是被声呐发现的。

在那之后，每个国家都意识到了这方面的可发展性并可靠此成为发达国家的武器，进而将这项技术列为与国家机密同等级别。

继续延续到一九七一年时，法国物理学家Lang Wan研制出首台声呐，是利用回声探测法工作的。

到现如今，国家在海洋方面继续投以更多的精力和研究经费，
声呐技术作为中心，已经研发到了人民日常生活中，出现了多种多样的现代化家具，正在逐步走向成熟。

1.3 研究内容和方法
考虑到本次设计的性能要求和设计成本，从整体出发，最后决定采用以数字集成模块构成的电路和单片机系统相结合。

集成电路采用数字化为主导，将整体系统从开始到结尾分成各个独立的单元，共同形成具有数字化、模块化的数字信号处理电路。

本文主要设计是一个基于AT89C51单片机的数字信号处理电路，以AT89C51芯片为中心，外加ADC0809芯片作为A/D转换器，通过LED显示屏呈现，最终实现声呐测距的目的。

本章先介绍了该课题的研究背景以及阐述了其研究的的目的和意义，对声呐式高度计的国内外的现状和它的未来发展状况及可能的事态进行了剖析，最后概述了本次设计的主要内容。

第二章声呐测距
2.1 课题背景
陆地上能源的开发采集高频率，导致可用能源的减少，技术的蓬勃发展，海洋逐步吸引了人们的眼球，其超过地球半数以上的面积潜藏的巨大的能量。

对海洋了解的深入化，人们意识到调查它的资源重要性以及挖掘能源的必要性。

谁能掌握海洋技术，谁就能掌握海洋资源，继而成为海洋强国，海洋资源也因此被我国列为一项决策。

众所周知，信息的传递在介质中以电磁波的形式，其在无线通信、电视、治疗仪、雷达等方面都得到了广泛的应用，可惜的是：在海水中，信息并没有什么特别大的用途。

这是因为它在水中衰减得太快，绝大部分能量被海水介质屏蔽损
耗掉了，而且损失随着波长的减小而增大，所以即使使用大功率低频的声波，传播过程也受到了极大的局限性。

更别提光波了，其本质上也就是电磁波，在水中的穿透能力也很薄弱了。

所以光波、电磁波都不能作为承载物。

经过进一步的验证，在人类的认知观里，目前，声波是唯一一个在水中能够自由传递的纵波振动。

利用这种特殊性质，研制出了可以在岩芯中钻孔等多种功能的声呐设备。

近20年来，声呐是用于窥测海洋污染指数的主要技术，用于对海洋中废弃物的密集度的测量；进行海湾战场伤的反潜战的主要克星，用于对海底下潜艇的搜索等一系列措施；进行海底世界的勘探和剖析的主要手段，用于对海底管道的铺设和未知领域的开拓。

除了上述所说的领域外，声呐技术在很大层面上应用于鱼群扫描、船舶导航和武器引爆等等多方面。

声呐技术在人类认识海洋、开发海洋的基础上，也成为利用海洋为自我创造条件的重要手段。

致力于目前的探测设备具有容量精巧、操纵轻捷等特点，需要时刻了解探知测设备远离的距离，以确保设备拥有自我控制、独自实行工作且安全返回。

因此，需要声呐式高度计，从而随时反馈深海取样设备的距离，以便随时监控水下的情况，做好应急措施，避免意外的发生。

2.2 声波的特性
在弹性媒介中生成一定同等时间内完成来回运动时发出声音，诸如这样进行运动的波形被称之为声波。

其在水中尽显优势，消耗能量薄弱、运动流向长远。

声波是在水中观察和测量的重要手法，声呐就是利用声波在水中的性能，实现对水下目标的一系列的措施和进行通信、传达信息。

在第二次世界大战的后期，“声呐”名词的由来是仿照当时的“雷达”（RADAR）一词的“义音两顾”的方法，“Sound Navigation and Ranging”(声音导航和测距）的首字母缩写成“SONAR”,一直沿
用至今。

2.3 声呐换能器
声呐换能器在其整个声呐系统中是难以缺少的器件，主要能力是声能与电能相互转换的装置。

换能器振子按照特定的几何排序方式组合成换能器基阵，进而结合构成声呐换能器，而有源传感器则是由换能器阵子和水密电缆及连接电板等插件组成，且其是工作在一定水压下的壳体中。

图1.1是某种声呐换能器振子的结构示例，其工作一段时间后，它的外面覆盖的橡胶层出现老化腐蚀的现象，导致换能器在水中的绝缘性下降，导致其声呐设备正常工作不了。

由此可见，声呐换能器工作机理的好坏，主观地影响了整个声呐设备的工作状态。

换能器的工作原理是在电或磁场的推动下利用某些材料发生压电或磁致体型变化大小的反应。

它按照工作状态有两种类别：一类是发射换能器，它在水下发射声波，将电的能量先转换为动能或势能的组合，再转为声能，其作用类似于空气中的扬声器；另一类是接收换能器，它在水下索获声波，其功能与发射换能器相反，先将声能转为机械能，最后转换为电能，其作用类似于空气中的麦克风。

现实生活中的声呐技术通常要求声呐换能器拥有以上的两种功能，对其性能要求是频率低、高效率、大功率以及在水下工作。

本次设计的声呐换能器采用PZT-4型压电陶瓷芯片，其中心频率是46KHz，这是一种能够收发两用的优质型材料，能够实现机械能与声能之间的相互转换。

图1.1 某种声呐换能器振子的结构
2.4 主动声呐及其方程
声呐的种型多种多样，依据标准可按其各个方面的性能进行划分战场策略、拥有基阵的类型、攻略目标和工作方式，但最常用的还是工作方式。

声呐系统按
照工作方式可以分为：主动声呐和被动声呐。

主动声呐大部分适用于脉冲格局，如图2.1所示，这是主动声呐信息流程图。

本次设计正是采用主动声呐的工作方式，先主动发射声波遇到障碍物，而后接收反射回来的波形，来得到测量的参数，这种方法适用于探测鱼群、触礁、冰山和海底深度等。

而被动声呐则无声源，只是主动声呐的后半部分工作过程，仅仅是利用接收目标源反射后的噪声辐射的信号来进行与此时刻相符合的检测。

被动声呐主动用于检测目标辐射的信号，根据接收到的目标噪声，判断其位置和特征，其广泛应用于反潜作战中。

主动、被动声呐技术这两种技术都有共通的性能，即两者在接收回波信号方面采用的道理是一样的，不同的是主动拥有它私人的探测源来发射声波，而被动声呐就只是检测回波。

两者各有千秋。

主动声呐的优点是能够扫面的范围广阔，锁定对方比较精准，其缺点是易暴露；被动声呐的特点是隐蔽性能好，但缺点是扫描范围有限，特别是在噪声比较高的环境中就难以识别对方的属性，基本属于完全屏蔽了。

图2.1 主动声呐信息流程图
声呐方程的基本特征是将海水媒介、被探测目标和声呐设备的机能紧紧锁定在一起，该方程是综合考虑了对声呐工作仪器得设计和应用，水声中所特有的各种表象和效应对其所产生影响的关系式。

声呐方程的基本原则：检测阈的值等于信号级与背景干扰级的差值。

主动声呐的基本方程式如下：
（1）
其中SL-2TL+TS是回声信号级，NL -DI是背景干扰级。

式（1）中，主动声呐的各项声呐参数如下：SL是声源级，TL是传播损失，TS是目标强度，NL 是噪声级，DI是接收指向性指数，DT是检测阈。

此方程适用于收发合置型声呐，其背景干扰是各向同性的环境噪声情况下，在该情况下的换能器声轴指向目标，
回声信号不会被接收指向性指数压低，图2.2是该情况下的声呐信号强度变化过程，运用声呐方程，我们可以估计最大传播损失，探测距离，做出更加精准的设备设计。

图2.2 收发合置型声呐信号强度变化过程
2.5 声呐测距原理
由于主动声呐绝大多数采用脉冲体制，则本次设计运用脉冲测距法。

其基本原理是发射脉冲信号与遇到障碍物反射回来接收回波的时间差来达到测量距离的目的。

声呐测距的基本公式为：
（2）
式（2）中，R为目标与换能器的距离，t2为换能器接收到反射回来的时间，t1为脉冲信号从换能器处发射的时间，c为水下的声速。

声速的值在1400~1600 m/s之间，具体值与海水的温度、深度及盐度等有关。

需要注意的是，脉冲周期的值必须大于其能够测量得最大量程所用的时间，即T>t2-t1,否则会呈现波形得重复区域，导致测得距离不准，影响实验成果。

脉冲测距的特点是可以广泛地应用，它对目标的个数没有限定性的要求，对方不需要一定静止，其误差存在的原因是测时误差和声速误差。

2.6 本章小结
本章主要介绍了水下声呐的测距原理。

首先介绍了声波的特性，再着重对声呐换能器的作用、工作原理进行了阐述，然后简洁地叙述了本次设计所选择的主动声呐的信息流程以及基本方程式，最后对于脉冲测距法的原理以及误差来源作出了说明。

第三章高度计系统设计
3.1 系统总体功能模块
声呐式高度计系统主要由声呐换能器和数字信号处理电路两部分组成。

其系统主要框图如图3.1所示。

换能器部分使用压电水声换能器实现声信号和电信号之间的相互转换；而数字信号处理部分需要产生电信号、接收并进行计算处理等功能。

本论文主要讨论高度计的电路设计处理部分。

图3.1 声呐式高度计的系统结构
由图3.1可分析：在发射信号周期内，由微控制器产生电信号经发射驱动电路提高发射强度，用以驱动压电换能器起振，变为了声波形式导入不同材料的物质中；在回来的依据固定用时范围内，反射回来的信号经过功率放大、图形滤波后，再经过AD转换器进入微控制器来完成信息的采样和处理，最后经过通信设备达到与上位机的数据信息的传递。

3.2 系统参数的设定
3.2.1 水下的声速
水下的声速的具体数值与温度、深度和盐度有关，针对海水这些量的实际取值范围，Leroy在1969年给出了一个用Wilson测量的数据拟出的较为简单的公式，即
（3）
式（3）中，T为温度（℃）、Z为深度（m）、c为水下声速（m/s）、S为盐度（‰）。

图3.2为典型的水下声速分布图。

由式（3）可分析出，对声速的变化有关系最不明显的是深度，其它的参数则需要具体实际分析。

且从图3.2中可以看出，水下1km以下的距离声速基本无变化，所以本次设计可选取声速为1500m/s。

图3.2 典型的水下声速分布图
3.2.2 波束宽度
影响声呐搜索性能的最为关键得因素是声呐基阵的接收能力。

具有弧度旋转的特征像扇子形状得波束拥有较高程度的接收能力。

发射基阵具有确定目标方位的功能，接收基阵具有判别方向性，多元基阵经恰当的处理能够在原本设想的线路上得到方位上得明确。

整成波束的经过类似于空间滤波器，可以排除掉扰乱信号，让指定的信号保留。

就像距离上的分辨率由带宽决定，方位上的分辨率由波束宽度决定。

基阵与障碍物张成的最小角度与距离成正比，若波束宽度太大，没有足够的抗环境噪声性能；若波束宽度太小，回波将被反射到水中去，接收换能器将接收不到回波信号。

本次设计所采用的声呐换能器的波束宽度为8°。

3.2.3 声呐的工作频率
声呐频率的高低直接影响着作用距离的长短。

接收指向性指数是指在工作环境得干扰下，接收回波系统抗拒其干扰的抵制力，测量的距离会随着接收指向性指数的增大而增大，可是接收指向性指数会随着频率的增大而变大，但频率太大，波束宽度将过小，此时作用的距离反而减小，两者相互矛盾。

本文中的高度计对此要求不高，可采用适中的工作频率，即40KHz的主动声呐工作频率。

3.3 本章小结
本章主要介绍了高度计系统的结构。

首先介绍了系统总体框架图并对各模块的功能进行了概括性地分析，接着对部分参数进行了选择，诸如水下的声速、声呐的波束宽度以及工作频率。

本次设计的核心内容是数字信号处理电路，且重中之重是接收回波信号得处理电路设计。

第四章硬件电路设计
4.1 硬件系统总体方案
声呐式高度计的数字信号处理电路主要由发射信号驱动电路、接收信号放大处理电路、单片机控制电路以及显示电路这几部分构成。

图4.1是本次设计的硬件整体框图。

其中，单片机为整体电路的控制中心，芯片采用AT89C51,其特点是拥有12MHz的高精度晶振，在电路中可获得相对安稳的时钟频率，可以减小测量偏差。

显示电路选用6位七段共阳LED数码管，采用该数码管的原因是不需要驱动，省时省力。

单片机芯片的27号引脚输出40KHz的方波信号，来满足声呐换能器的需求；使用P3.2端口接收信号放大处理电路输出的回波信号。

图4.1 硬件设计整体框图
4.2 发射信号驱动电路
发射信号驱动电路主要由换能器和放大器组成。

本设计放大器采用CD4049芯片，其发射电路如图4.2所示。

控制系统经P2.6端口首先输出一个频率为40KHz的脉冲信号，然后分为两路进行工作：一路经两个并联的六相缓冲器后进入到换能器的一个电极，另一路在前一个的基础上串联单个的缓冲器形成两级反相器后，将信号发送到换能器的剩下的电极口，最后在换能器中进行转变。

这样可以提高声波的发射强度。

两个电容C11、C12一方面可以提高换能器的阻尼效果，缩短换能器的自由振荡的时间；另一方面可以增强反相器CD4049的驱动能力，输出高电平。

两个反相器并联在换能器的输出端口，是为了使电路输出稳定的40KHz的方波信号，提高驱动压电器件的能力，发射声信号。

这个电路的特点是简单易懂，软件控制调试容易。

图4.2 发射信号驱动电路
4.3 接收信号处理电路
从压电水声换能器的发射端输出声波后，脉冲信号经过海水传播到水听器，由于深海中杂质、噪声等复杂的海底环境影响，信号的强度十分稳定且不断减小。

本次设计以信号平稳地到达检测电路为目的，设计出的接收信号处理电路主要由前置放大电路、带通滤波电路、电压比较电路等几部分组成，实现测量的准确性。

4.3.1 高输入阻抗的前置放大电路
一般情况下，接收到的回波信号是非常薄弱的，范围大约在50~200mV之间，而一般模数转换器采样的信号电压值为5V，所以必须对它进行前置放大。

图4.3是由运算放大器构成的前置放大电路，其在电路中的核心功能是与反射回来的信号皆能工作到电路中，不存在被反射回去的情形。

压电换能器具有高阻抗性质，通常都在十万欧以上，对放大器的要求过高，很难和它的匹配条件符合。

本次设计采用的是低噪声低功率的运算放大器SGM724，它工作在2.5~5.5V的低电压下，拥有10MHz的高增益带宽积，其高压摆率为8.5V/µs，相当符合脉冲信号的处理标准，在此电路中可以减小信号的损失和尽可能地避免噪声的干扰。

图4.3 高阻抗的前置放大电路
由于换能器的输出阻抗比较大，因此图4.3是输入阻抗较大的同相放大电路。

一般运算放大器在电路中都是对称的电源提供电压，本次设计采用的是单电源提供5V电压，则输出端的静态电位等于1/2的电源电压。

该电路图中，R1与R2的阻值相同，则其两端分得的电压相等，其值如公式（4）所示。

（4）
在运算放大器的同相输入端加上5V电压，决定了输出端的静态电压，即为2.5V。

如图4.3所示，前置放大电路有两级放大，SGM724利用同相放大接法，
为了使放大器在空载情况下的输出电流不超过其最大输出电流，反馈电阻一定要超过千欧，则反馈电阻R3取为1MΩ，输入端电阻R2取为10MΩ，它的放大倍数如公式（5）所示。

（5）
将两个电阻的值代入下面的公式（6）计算，即可得到这级的理论放大倍数约为100倍。

（6）
电阻R3起回馈作用，在它的接线两头并联着一个电容C3，其值选取36pF,是为了防止放大电路产生振荡。

第二级放大电路与第一级采用的方法一样，放大倍数A2也为100倍，其作用是在第一级的基础上进一步放大，以满足之后的电路要求，则整个放大电路放大的倍数如公式（7）所示为10000倍。

(7)
4.3.2 带通滤波电路
在回波信号中，通常在反射回来的信号中，都会掺杂着干扰信号，因此需要将这些扰乱的杂质排除，通过滤波电路能够实现此目的。

滤波电路由电抗器件组成，在往常的认知里，以电阻R、电感L和电容C这三个无源元件构成滤波器，但其价格昂贵，衰减急剧，不利于电路滤去输出的电压纹波，本次设计采用有源滤波器，由SGM724集成运放电路和RC组成的。

图4.4 带通滤波电路
如图4.4所示，本设计采用低通-高通级联组合成带通滤波器，其功能是通过有限频率范围内的信号，抑制或减弱此范围之外的信号。

由R2、C2串联构成高通滤波器，电容C2具有“通交流、阻直流”的作用，则频率高于此滤波器的截
止频率可通过；而反馈端R3、C3并联构成低通滤波器，此时电容C3是“通高频、阻低频”的作用，低通滤波器就是利用这一特性，将高于此部分截止频率的信号截止，允许通过低于此滤波器的截止频率的信号。

带通滤波器的截止频率公式如公式（8）所示；输出端电压的公式如公式（9）所示。

（8）
（9）
4.3.3 电压比较电路
确定接收信号的到达时刻是个比较核心的问题，直接地关系到时间的测量误差。

如图4.4，运用了电压比较器对接收信号进行检波。

图4.4 电压比较电路
此电路中的电压比较器是由SGM724运算放大器构成，整个电路的工作过程是将滤波后的交流信号输入到比较器的反相输入端，对输出电压进行限幅并与标准电压比较；然后将交流信号整形，产生一个中断信号，发送至AT89C51单片机的P3.2端口，需要注意的是：产生的中断信号需设置成上升沿；进入中断请求后，需要设置单片机P3.4端口为高电平，即MOS管的栅极为高电平，将中断信号置低电平；中断结束前置后，需要设置P3.4端口为低电平，即MOS 管的栅极随实际的输入信号的变化而变化。

图4.5可调电阻电路的设置，是为了防止前一个中断信号还未执行完，又有一个上升沿产生信号就再次进入中断，形成程序上执行的冲突。

可调电阻的设计是用于调节比较器中的比较电压的大小，可以试着调节找出最大电压值。

图4.5 可调电阻电路
4.4 A/D转换电路。