鉴频式水声接收机的设计及特性研究
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总 第 ２３０ 期 ２０１３ 年 第 ８ 期
舰船电子工程 Ｓｈｉｐ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ．３３ Ｎｏ．８ １５１Fra Baidu bibliotek
鉴频式水声接收机的设计及特性研究＊
张 文 照１，２ 肖 昌 润１ （１．海 军 工 程 大 学 舰 船 工 程 系 武 汉 ４３００３３）（２．海 军 后 勤 技 术 装 备 研 究 所 北 京 １０００７２）
摘 要 由于接收信号动态范围大及时域信号畸变，鉴压式水声接收机在水声定位 系 统 中 不 能 正 常 工 作 。 为 了 解 决 这 一 问 题，应 用 锁
相环电路设计了一种鉴频式水声接收机，实现了大动态范围下对单一工作频率水声信号的检测 ，通过测距验证整个系统的有效性，并对其特
性做了一定讨论。
关键词 水声定位系统；锁相环电路；ＡＧＣ 自动增益
图 ５ ＶＣＡ６１０ 增 益 特 性
其工作原理如 下：静 态 工 作 时，负 电 压 －ＶＳ 通 过 电 阻 Ｒ１０２ 和 Ｒ１０３ 给 放 电 电 容 提 供 静 态 工 作 电 压 －２．０Ｖ，使 ＶＣＡ６１０ 以最大的放大 倍 数 ３８．５ｄＢ 对 输 入 的 弱 小 信 号 进 行放大。当 ＶＣＡ６１０输出信号的单峰值大于参考直流电 位 ＶＲ 时，ＯＰＡ６２０输出高电 位，使 Ｄ１０１ 导 通，电 流 通 过 充 电 电 阻 Ｒ１０３给充放电电容 Ｃ１０４充电，使 ＣＨ 电位升高，控制 ＶＣＡ６１０的放大倍数减小（ＶＣＡ６１０放大 增 益 曲 线 见 图 ４）， 直至 ＶＣＡ６１０ 输 出 信 号 的 单 峰 值 等 于 参 考 直 流 电 位 Ｖｒ。 当 ＶＣＡ６１０ 输出信 号 的 单 峰 值 小 于 参 考 直 流 电 位 Ｖｒ 时，
图４ 本文 ＡＧＣ 电路设计图
电 路 中 ＯＰＡ６２０ 的 功 能 起 到 一 个 比 较 器 的 作 用 。 Ｒ１０２和 Ｒ１０３一 方 面 给 控 制 电 压 ＶＣ 提 供 静 态 工 作 电 压 ， 另一方面作 为 Ｃ１０４ 的 放 电 电 阻；Ｃ１０４ 为 放 电 电 容；Ｒ１０４ 作为 Ｃ１０４的充电 电 阻；Ｄ１０１ 是 一 个 检 波 二 极 管 ，它 是 多 普勒信息处理中最常用的；Ｃ１０５ 起 到 相 位 补 偿 作 用。 参 考 直流电位Ｖｒ 是通过 Ｒ１０７，Ｒ１０８，Ｒｗ１０１ 分 压 得 到，用 来 控 制输出电压的Ｖ０ 的幅值。
接收机动态范 围 ＤＲ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｇｅ），是 指 接 收 机 能 够接收检测到的信 号 功 率 从 最 小 信 号 ＭＤＳ 到 接 收 机 输 入 １－ｄＢ 压缩点 之 间 的 功 率 变 化 范 围，是 接 收 机 最 重 要 的 性 能指标之一。在自航模试验中水声接收机动态范围可以达 到１２０ｄＢ，在这样苛刻的工作条 件 下，如 何 保 证 接 收 机 正 常
水声信号的检测，设计了一种鉴频式水声 接 收 机，通 过 测 距 试验验证了其在大动 态 范 围 下 工 作 的 有 效 性，并 对 其 特 性 做了一些讨论。
２ ＴＯＡ 水声定位系统及鉴压式接收机简介
２．１ ＴＯＡ 水声定位系统简介 ＴＯＡ 定 位 系 统 的 基 本 构 成 主 要 包 括 水 声 发 射 机 、水 声
（２．Ｎａｖｙ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００７２）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｏ ｏｖｅｒｃｏｍｅ ｔｈｅ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｗｉｔｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ ｉｎ ｔｈｅ ｃａｓｅ ｏｆ ｈｉｇｈ ｄｙｎａｍｉｃ ｒａｎｇｅ ａｎｄ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ．Ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｗｉｔｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｓｕｃｈ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｉｓ ｃｏｎｆｉｒｍｅｄ ｔｏ ｂｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．
３．１ 鉴 频 式 水 声 接 收 机 工 作 基 本 原 理 鉴频 式 水 声 接 收 工
作基本原理是，通过输 入 耦 合 和 ＡＧＣ 自 动 增 益 将接收 换 能 器 采 集 得 到 图 ３ 鉴 频 式 水 声 接 收 机 工 作 框 图 的信号调整到 ＬＭ５６７输
入电压幅值范围内，通过 ＬＭ５６７对放大之后 的 信 号 做 鉴 频 处理，当捕 捉 到 发 射 换 能 器 所 发 出 频 率 为 ５０ｋＨｚ 的 信 号 后，ＬＭ５６７输出低电平，出发 延 迟 器 进 入 暂 稳 态 过 程，输 出 一个时长为 Ｔｄ 的高电平，在经过后续的脉冲产生电路输出 驱动电脑采集卡上计时器关闭的脉冲信号。图３给出其工 作原理的框图。由于输入耦合以及脉冲信号产生电路与传 统的鉴压式接收机 工 作 方 式 相 同，因 此，本 文 不 再 赘 述，下 面就 ＡＧＣ 自动增益、鉴频处理以及延迟电路的设计做 一 个 详细的介绍。 ３．２ ＡＧＣ 自动增益电路
中 图 分 类 号 ＴＮ９８
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ１６７２－９７３０．２０１３．０８．０５０
Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｗｉｔｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｎｇ Ｃｉｒｃｕｉｔ
ＺＨＡＮＧ Ｗｅｎｚｈａｏ１，２ ＸＩＡＯ Ｃｈａｎｇｒｕｎ１ （１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｈｉｐ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｖａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ ４３００３３）
鉴压式水声接收 机 工 作 的 基 本 原 理 是 通 过 预 放 大、鉴 频放大、低通滤波及 积 分 包 络 将 接 收 换 能 器 采 集 来 的 信 号
＊ 收稿日期：２０１３年１月１２日，修回日期：２０１３年２月２２日 作 者 简 介 ：张 文 照 ，男 ，博 士 研 究 生 ，研 究 方 向 ：潜 艇 自 航 模 拟 实 验 技 术 。 肖 昌 润 ，博 士 ，教 授 ，研 究 方 向 ：舰 船 动 力 学 。
１５２
张 文 照 等 ：鉴 频 式 水 声 接 收 机 的 设 计 及 特 性 研 究
总 第 ２３０ 期
整形为原始信号的包 络 放 大 线 的 形 式，并 通 过 电 压 比 较 器 对整形后的信号予以 检 波，当 信 号 幅 值 大 于 预 先 设 定 的 门 限电压时，接收机输 出 一 个 脉 冲 驱 动 计 算 机 采 集 卡 计 时 器 停止工作。图２给出了鉴压式水声接收机的工作框图。
接收机、水声换能器、ＧＰＳ同步钟、信号采集卡、计算 机 以 及 输出设备等。基本原理是通过测量发射换能器所发出的水 声信号传播到多个不 同 基 站 所 需 的 时 延，从 而 进 一 步 得 到 发射换能器的位置。 该 方 法 在 保 证 对 时 精 准 的 前 提 下，可 以得到比较精确的 定 位 坐 标。 试 验 开 始 前，两 个 同 步 钟 均 由 ＧＰＳ卫星统一 授 时，并 对 其 自 身 的 振 荡 器 作 精 准 校 准 ， 以保 证 其 在 脱 开 ＧＰＳ 连 接 后 所 发 出 的 秒 脉 冲 能 够 与 ＧＰＳ 时标完全重合，从 而 实 现 两 个 同 步 钟 的 完 全 同 步。 试 验 开 始后，由岸基同步钟 发 出 的 秒 脉 冲 触 发 采 集 卡 上 的 计 数 器 开始工作。与此同时，由 艇 载 同 步 钟 发 出 的 秒 脉 冲 触 发 水 声信号发出。当接收 部 分 侦 测 到 该 水 声 信 号 之 后，水 声 接 收机发出脉冲信号触 发 计 时 器 停 止 工 作，并 将 计 时 结 果 传 输给计算机，从而 完 成 对 声 波 传 播 时 延 的 测 量。 水 声 定 位 系统时延测量原理如图１所示。 ２．２ 鉴 压 式 水 声 接 收 机 基 本 工 作 原 理 及 缺 点
采用电压比较来判定声信号到达时间存在着很大的不确定
性，这种不确定性 更 会 加 剧 水 声 定 位 系 统 精 度 的 降 低。 为
了克服鉴压式水声接收机的缺点，本文从 信 号 的 频 域 出 发，
设计了鉴频式水声接 收 机，通 过 对 接 收 信 号 频 域 的 处 理 来
实现水声信号的检测。
３ 鉴 频 式 水 声 接 收 机 的 设 计
图 １ 水 声 定 位 系 统 时 延 测 量 原 理
但是 由 于 水 声 信
号在距 离 上 的 衰 减 十
分 显 著，因 此 要 求 水
声接收机工作的动态
图 ２ 鉴 压 式 水 声 接 收 机 的 工 作 框 图
范 围 十 分 大，这 便 对
接收机预放大倍数的 设 置 提 出 了 很 高 的 要 求，在 实 际 的 自
工作是一个需要 解 决 的 问 题。 而 应 用 ＡＧＣ 自 动 增 益 电 路 是解决这一难题的有效途径。通过 ＡＧＣ 自动增益 电 路，可 以实现接受端距发射机较远时所接收到的微弱信号的大增 益和较近时所接收到 的 强 信 号 的 小 增 益 甚 至 衰 减，来 保 证 后续鉴频电路 一 直 处 于 正 常 工 作 电 压 范 围 内 。ＡＧＣ 是 一 个直流电压负反馈系 统，控 制 信 号 代 表 信 道 输 出 幅 度 检 波 后的直流值与参考电 压 之 间 的 误 差 值，若 输 入 信 号 幅 度 变 化，则控制信 号 也 随 着 变 化，其 作 用 是 使 误 差 减 小 到 最 小 值。本文设计的 ＡＧＣ 电 路 中 变 增 益 放 大 或 电 调 衰 减 通 过 宽带、增益连续 可 变 的 电 压 控 制 放 大 器 ＶＣＡ６１０ 实 现，ＤＣ 放大器则由 ＯＰＡ６２０实现，图４给出了其电路图［６］。
航模试验中，往往由 于 预 放 大 倍 数 设 置 的 不 合 理 导 致 水 声
定位精度十分粗糙。另外，由于水声信道 多 途 相 干 性，输 出
信号包络线上升沿的 斜 率 会 被 钝 化，钝 化 的 程 度 也 应 取 决
于声信号传播的路 径。 由 于 传 播 路 径 是 未 知 的，因 此 仅 仅
Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ，ＡＧＣ Ｃｌａｓｓ Ｎｕｍｂｅｒ ＴＮ９８
１ 引 言
水声定位系统是 潜 艇 自 航 模 试 验 必 需 的 测 量 系 统，其 任务是实时获取自航 模 在 水 下 的 位 置，了 解 自 航 模 的 运 行 状况。ＴＯＡ 定 位 系 统 是 水 声 定 位 系 统 中 最 常 见 的 一 种 。 该系统的基本原理是通过测量发射换能器所发出的水声信 号传播到多个不同基 站 所 需 的 时 延，从 而 进 一 步 解 算 得 到 发射换能器的位置。对水声信号传播时延的测量首先需要 对接收换能器所采集 到 的 模 拟 信 号 予 以 检 测，判 断 发 射 换 能器发出的声信号是否已经到达接收换能器。传统的鉴压 式信号检测是基于电 压 比 较 电 路 工 作 的，其 基 本 原 理 是 比 较水声接收换能器采集到的电信号是否超过预先设定的门 限 电 压 从 而 完 成 对 水 声 信 号 的 检 测 。 ［１～２］ 由 于 传 播 信 道 对 水声信号的衰减及多 途 影 响，接 收 换 能 器 采 集 到 的 水 声 信 号会表现出动态范围 大 及 时 域 波 形 畸 变 的 特 点，在 此 情 况 下，鉴压式的水声 接 收 机 往 往 不 能 正 常 工 作。 随 着 计 算 机 和数字信 号 处 理 技 术 的 迅 猛 发 展，利 用 单 片 机、ＰＣ 机 或 ＤＳＰ 来实现可编程的 程 控 放 大 器，实 现 信 号 检 测 功 能 已 日 趋成熟。但是，对于 ＴＯＡ 这一单一工作频率的水声定位系 统来说，这势必造成 产 品 成 本 提 高、技 术 复 杂 化 和 装 备、设 备庞大及操作管理不便等缺点。单纯的利用高性能运放及 普通的电子元器件设计满足精度要求并且结构相对简单的 接收机对于自航模试验而言才是较为可行的方案。本文从 信号的频域特性出发，应 用 锁 相 环 电 路 实 现 了 对 单 一 频 率
舰船电子工程 Ｓｈｉｐ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ．３３ Ｎｏ．８ １５１Fra Baidu bibliotek
鉴频式水声接收机的设计及特性研究＊
张 文 照１，２ 肖 昌 润１ （１．海 军 工 程 大 学 舰 船 工 程 系 武 汉 ４３００３３）（２．海 军 后 勤 技 术 装 备 研 究 所 北 京 １０００７２）
摘 要 由于接收信号动态范围大及时域信号畸变，鉴压式水声接收机在水声定位 系 统 中 不 能 正 常 工 作 。 为 了 解 决 这 一 问 题，应 用 锁
相环电路设计了一种鉴频式水声接收机，实现了大动态范围下对单一工作频率水声信号的检测 ，通过测距验证整个系统的有效性，并对其特
性做了一定讨论。
关键词 水声定位系统；锁相环电路；ＡＧＣ 自动增益
图 ５ ＶＣＡ６１０ 增 益 特 性
其工作原理如 下：静 态 工 作 时，负 电 压 －ＶＳ 通 过 电 阻 Ｒ１０２ 和 Ｒ１０３ 给 放 电 电 容 提 供 静 态 工 作 电 压 －２．０Ｖ，使 ＶＣＡ６１０ 以最大的放大 倍 数 ３８．５ｄＢ 对 输 入 的 弱 小 信 号 进 行放大。当 ＶＣＡ６１０输出信号的单峰值大于参考直流电 位 ＶＲ 时，ＯＰＡ６２０输出高电 位，使 Ｄ１０１ 导 通，电 流 通 过 充 电 电 阻 Ｒ１０３给充放电电容 Ｃ１０４充电，使 ＣＨ 电位升高，控制 ＶＣＡ６１０的放大倍数减小（ＶＣＡ６１０放大 增 益 曲 线 见 图 ４）， 直至 ＶＣＡ６１０ 输 出 信 号 的 单 峰 值 等 于 参 考 直 流 电 位 Ｖｒ。 当 ＶＣＡ６１０ 输出信 号 的 单 峰 值 小 于 参 考 直 流 电 位 Ｖｒ 时，
图４ 本文 ＡＧＣ 电路设计图
电 路 中 ＯＰＡ６２０ 的 功 能 起 到 一 个 比 较 器 的 作 用 。 Ｒ１０２和 Ｒ１０３一 方 面 给 控 制 电 压 ＶＣ 提 供 静 态 工 作 电 压 ， 另一方面作 为 Ｃ１０４ 的 放 电 电 阻；Ｃ１０４ 为 放 电 电 容；Ｒ１０４ 作为 Ｃ１０４的充电 电 阻；Ｄ１０１ 是 一 个 检 波 二 极 管 ，它 是 多 普勒信息处理中最常用的；Ｃ１０５ 起 到 相 位 补 偿 作 用。 参 考 直流电位Ｖｒ 是通过 Ｒ１０７，Ｒ１０８，Ｒｗ１０１ 分 压 得 到，用 来 控 制输出电压的Ｖ０ 的幅值。
接收机动态范 围 ＤＲ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｇｅ），是 指 接 收 机 能 够接收检测到的信 号 功 率 从 最 小 信 号 ＭＤＳ 到 接 收 机 输 入 １－ｄＢ 压缩点 之 间 的 功 率 变 化 范 围，是 接 收 机 最 重 要 的 性 能指标之一。在自航模试验中水声接收机动态范围可以达 到１２０ｄＢ，在这样苛刻的工作条 件 下，如 何 保 证 接 收 机 正 常
水声信号的检测，设计了一种鉴频式水声 接 收 机，通 过 测 距 试验验证了其在大动 态 范 围 下 工 作 的 有 效 性，并 对 其 特 性 做了一些讨论。
２ ＴＯＡ 水声定位系统及鉴压式接收机简介
２．１ ＴＯＡ 水声定位系统简介 ＴＯＡ 定 位 系 统 的 基 本 构 成 主 要 包 括 水 声 发 射 机 、水 声
（２．Ｎａｖｙ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００７２）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｏ ｏｖｅｒｃｏｍｅ ｔｈｅ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｗｉｔｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ ｉｎ ｔｈｅ ｃａｓｅ ｏｆ ｈｉｇｈ ｄｙｎａｍｉｃ ｒａｎｇｅ ａｎｄ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ．Ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｗｉｔｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｓｕｃｈ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｉｓ ｃｏｎｆｉｒｍｅｄ ｔｏ ｂｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．
３．１ 鉴 频 式 水 声 接 收 机 工 作 基 本 原 理 鉴频 式 水 声 接 收 工
作基本原理是，通过输 入 耦 合 和 ＡＧＣ 自 动 增 益 将接收 换 能 器 采 集 得 到 图 ３ 鉴 频 式 水 声 接 收 机 工 作 框 图 的信号调整到 ＬＭ５６７输
入电压幅值范围内，通过 ＬＭ５６７对放大之后 的 信 号 做 鉴 频 处理，当捕 捉 到 发 射 换 能 器 所 发 出 频 率 为 ５０ｋＨｚ 的 信 号 后，ＬＭ５６７输出低电平，出发 延 迟 器 进 入 暂 稳 态 过 程，输 出 一个时长为 Ｔｄ 的高电平，在经过后续的脉冲产生电路输出 驱动电脑采集卡上计时器关闭的脉冲信号。图３给出其工 作原理的框图。由于输入耦合以及脉冲信号产生电路与传 统的鉴压式接收机 工 作 方 式 相 同，因 此，本 文 不 再 赘 述，下 面就 ＡＧＣ 自动增益、鉴频处理以及延迟电路的设计做 一 个 详细的介绍。 ３．２ ＡＧＣ 自动增益电路
中 图 分 类 号 ＴＮ９８
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ１６７２－９７３０．２０１３．０８．０５０
Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｗｉｔｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｎｇ Ｃｉｒｃｕｉｔ
ＺＨＡＮＧ Ｗｅｎｚｈａｏ１，２ ＸＩＡＯ Ｃｈａｎｇｒｕｎ１ （１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｈｉｐ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｖａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ ４３００３３）
鉴压式水声接收 机 工 作 的 基 本 原 理 是 通 过 预 放 大、鉴 频放大、低通滤波及 积 分 包 络 将 接 收 换 能 器 采 集 来 的 信 号
＊ 收稿日期：２０１３年１月１２日，修回日期：２０１３年２月２２日 作 者 简 介 ：张 文 照 ，男 ，博 士 研 究 生 ，研 究 方 向 ：潜 艇 自 航 模 拟 实 验 技 术 。 肖 昌 润 ，博 士 ，教 授 ，研 究 方 向 ：舰 船 动 力 学 。
１５２
张 文 照 等 ：鉴 频 式 水 声 接 收 机 的 设 计 及 特 性 研 究
总 第 ２３０ 期
整形为原始信号的包 络 放 大 线 的 形 式，并 通 过 电 压 比 较 器 对整形后的信号予以 检 波，当 信 号 幅 值 大 于 预 先 设 定 的 门 限电压时，接收机输 出 一 个 脉 冲 驱 动 计 算 机 采 集 卡 计 时 器 停止工作。图２给出了鉴压式水声接收机的工作框图。
接收机、水声换能器、ＧＰＳ同步钟、信号采集卡、计算 机 以 及 输出设备等。基本原理是通过测量发射换能器所发出的水 声信号传播到多个不 同 基 站 所 需 的 时 延，从 而 进 一 步 得 到 发射换能器的位置。 该 方 法 在 保 证 对 时 精 准 的 前 提 下，可 以得到比较精确的 定 位 坐 标。 试 验 开 始 前，两 个 同 步 钟 均 由 ＧＰＳ卫星统一 授 时，并 对 其 自 身 的 振 荡 器 作 精 准 校 准 ， 以保 证 其 在 脱 开 ＧＰＳ 连 接 后 所 发 出 的 秒 脉 冲 能 够 与 ＧＰＳ 时标完全重合，从 而 实 现 两 个 同 步 钟 的 完 全 同 步。 试 验 开 始后，由岸基同步钟 发 出 的 秒 脉 冲 触 发 采 集 卡 上 的 计 数 器 开始工作。与此同时，由 艇 载 同 步 钟 发 出 的 秒 脉 冲 触 发 水 声信号发出。当接收 部 分 侦 测 到 该 水 声 信 号 之 后，水 声 接 收机发出脉冲信号触 发 计 时 器 停 止 工 作，并 将 计 时 结 果 传 输给计算机，从而 完 成 对 声 波 传 播 时 延 的 测 量。 水 声 定 位 系统时延测量原理如图１所示。 ２．２ 鉴 压 式 水 声 接 收 机 基 本 工 作 原 理 及 缺 点
采用电压比较来判定声信号到达时间存在着很大的不确定
性，这种不确定性 更 会 加 剧 水 声 定 位 系 统 精 度 的 降 低。 为
了克服鉴压式水声接收机的缺点，本文从 信 号 的 频 域 出 发，
设计了鉴频式水声接 收 机，通 过 对 接 收 信 号 频 域 的 处 理 来
实现水声信号的检测。
３ 鉴 频 式 水 声 接 收 机 的 设 计
图 １ 水 声 定 位 系 统 时 延 测 量 原 理
但是 由 于 水 声 信
号在距 离 上 的 衰 减 十
分 显 著，因 此 要 求 水
声接收机工作的动态
图 ２ 鉴 压 式 水 声 接 收 机 的 工 作 框 图
范 围 十 分 大，这 便 对
接收机预放大倍数的 设 置 提 出 了 很 高 的 要 求，在 实 际 的 自
工作是一个需要 解 决 的 问 题。 而 应 用 ＡＧＣ 自 动 增 益 电 路 是解决这一难题的有效途径。通过 ＡＧＣ 自动增益 电 路，可 以实现接受端距发射机较远时所接收到的微弱信号的大增 益和较近时所接收到 的 强 信 号 的 小 增 益 甚 至 衰 减，来 保 证 后续鉴频电路 一 直 处 于 正 常 工 作 电 压 范 围 内 。ＡＧＣ 是 一 个直流电压负反馈系 统，控 制 信 号 代 表 信 道 输 出 幅 度 检 波 后的直流值与参考电 压 之 间 的 误 差 值，若 输 入 信 号 幅 度 变 化，则控制信 号 也 随 着 变 化，其 作 用 是 使 误 差 减 小 到 最 小 值。本文设计的 ＡＧＣ 电 路 中 变 增 益 放 大 或 电 调 衰 减 通 过 宽带、增益连续 可 变 的 电 压 控 制 放 大 器 ＶＣＡ６１０ 实 现，ＤＣ 放大器则由 ＯＰＡ６２０实现，图４给出了其电路图［６］。
航模试验中，往往由 于 预 放 大 倍 数 设 置 的 不 合 理 导 致 水 声
定位精度十分粗糙。另外，由于水声信道 多 途 相 干 性，输 出
信号包络线上升沿的 斜 率 会 被 钝 化，钝 化 的 程 度 也 应 取 决
于声信号传播的路 径。 由 于 传 播 路 径 是 未 知 的，因 此 仅 仅
Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ，ＡＧＣ Ｃｌａｓｓ Ｎｕｍｂｅｒ ＴＮ９８
１ 引 言
水声定位系统是 潜 艇 自 航 模 试 验 必 需 的 测 量 系 统，其 任务是实时获取自航 模 在 水 下 的 位 置，了 解 自 航 模 的 运 行 状况。ＴＯＡ 定 位 系 统 是 水 声 定 位 系 统 中 最 常 见 的 一 种 。 该系统的基本原理是通过测量发射换能器所发出的水声信 号传播到多个不同基 站 所 需 的 时 延，从 而 进 一 步 解 算 得 到 发射换能器的位置。对水声信号传播时延的测量首先需要 对接收换能器所采集 到 的 模 拟 信 号 予 以 检 测，判 断 发 射 换 能器发出的声信号是否已经到达接收换能器。传统的鉴压 式信号检测是基于电 压 比 较 电 路 工 作 的，其 基 本 原 理 是 比 较水声接收换能器采集到的电信号是否超过预先设定的门 限 电 压 从 而 完 成 对 水 声 信 号 的 检 测 。 ［１～２］ 由 于 传 播 信 道 对 水声信号的衰减及多 途 影 响，接 收 换 能 器 采 集 到 的 水 声 信 号会表现出动态范围 大 及 时 域 波 形 畸 变 的 特 点，在 此 情 况 下，鉴压式的水声 接 收 机 往 往 不 能 正 常 工 作。 随 着 计 算 机 和数字信 号 处 理 技 术 的 迅 猛 发 展，利 用 单 片 机、ＰＣ 机 或 ＤＳＰ 来实现可编程的 程 控 放 大 器，实 现 信 号 检 测 功 能 已 日 趋成熟。但是，对于 ＴＯＡ 这一单一工作频率的水声定位系 统来说，这势必造成 产 品 成 本 提 高、技 术 复 杂 化 和 装 备、设 备庞大及操作管理不便等缺点。单纯的利用高性能运放及 普通的电子元器件设计满足精度要求并且结构相对简单的 接收机对于自航模试验而言才是较为可行的方案。本文从 信号的频域特性出发，应 用 锁 相 环 电 路 实 现 了 对 单 一 频 率