0 引言

    發(fā)射機(jī)是主動聲納或水下通信設(shè)備的重要組成部分,，由信號發(fā)生器,、功率放大器、匹配網(wǎng)絡(luò)和發(fā)射換能器組成,。為了達(dá)到預(yù)期的聲源級和發(fā)射指向性，幾十路甚至上百路換能器構(gòu)成陣列,，相控發(fā)射,。相控陣發(fā)射機(jī)電子部分包含多個功率放大器，設(shè)備龐大復(fù)雜,，系統(tǒng)可靠性受到限制,。功率放大器是聲納發(fā)射機(jī)的核心設(shè)備，一般采用效率高,、體積小的D類放大器,，該放大器廣泛用于音響、工業(yè)控制等領(lǐng)域,。

    在發(fā)射機(jī)整體設(shè)計方面,，江磊等人利用音頻功率放大器設(shè)計了小型水聲發(fā)射機(jī)，整機(jī)體積縮小了50%^[1],；戴戈等人提出了大功率,、小體積且具有信號產(chǎn)生、監(jiān)控和通信功能的智能寬帶聲納發(fā)射機(jī)設(shè)計方案^[2],；張纓,、周雒維等人對放大器的控制方式進(jìn)行研究，分別設(shè)計了級聯(lián)多電平和單周期控制的D類功率放大器^[3-4],。

    本文研究并設(shè)計了全數(shù)字化主動聲納發(fā)射機(jī),，針對常規(guī)發(fā)射機(jī)存在的問題，對發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計,，改進(jìn)了功率放大器的控制方式,，簡化了系統(tǒng)復(fù)雜度和調(diào)試難度，提高了系統(tǒng)的可靠性,，并通過實驗室測試和湖上試驗驗證了發(fā)射機(jī)的性能,。

1 常規(guī)主動聲納發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)及分析

    常規(guī)聲納發(fā)射機(jī)的信號發(fā)生器和功放機(jī)柜分離，通過電纜進(jìn)行連接,。信號發(fā)生器處于信號處理機(jī)柜中,，便于與接收機(jī)進(jìn)行收發(fā)同步，并與主控計算機(jī)通信,。信號發(fā)生器中DSP根據(jù)主控計算機(jī)下達(dá)的工作參數(shù),，讀取存儲器中的波形數(shù)據(jù),，進(jìn)行發(fā)射波束形成， 然后進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換,，形成多路模擬信號,，通過電纜輸送給功率放大器。除了模擬信號外,，電纜中仍需傳輸功放控制信號及功放工作狀態(tài)信號,。

    在艦艇嘈雜的工作環(huán)境中，信號容易受到噪聲干擾,；模擬信號高達(dá)幾十路甚至上百路,，模擬信號間、模數(shù)信號間容易形成串?dāng)_,，嚴(yán)重影響信號質(zhì)量,。此外，信號處理機(jī)柜與功放機(jī)柜之間需要粗笨電纜連接,，在狹窄的艙室內(nèi)不容易安裝調(diào)試,。

    信號發(fā)生器存儲的數(shù)字信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，生成的模擬波形與載波進(jìn)行比較,，形成PWM數(shù)字信號,，驅(qū)動功率放大模塊。這個過程增加了系統(tǒng)復(fù)雜度,，容易引入噪聲干擾,，降低了系統(tǒng)的性能和可靠性。

2 全數(shù)字式發(fā)射機(jī)的設(shè)計

2.1 發(fā)射機(jī)總體結(jié)構(gòu)

    本文設(shè)計的全數(shù)字式聲納發(fā)射機(jī)去除了“數(shù)字—模擬—數(shù)字”的轉(zhuǎn)換過程,，其結(jié)構(gòu)如圖1所示,。信號發(fā)生器、PWM波形產(chǎn)生,、死區(qū)控制等功能集成在FPGA中,，F(xiàn)PGA使用以太網(wǎng)或RS485等串行通信方式與信號處理機(jī)柜交互工作參數(shù)和狀態(tài)信息，并使用時間同步信號與接收機(jī)實現(xiàn)收發(fā)同步,。這種全數(shù)字發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)減小了機(jī)柜間線纜規(guī)模,，消除了信號間的干擾，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度,，可提高設(shè)備性能和可靠性,。

    FPGA是功放機(jī)柜的核心控制單元，完成了發(fā)射波形產(chǎn)生,、發(fā)射功率控制,、發(fā)射波束形成、PWM信號產(chǎn)生,、死區(qū)控制等功能,。FPGA內(nèi)部數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示,。

    控制指令經(jīng)過解析后分發(fā)給各個模塊，根據(jù)指令讀取相應(yīng)的發(fā)射波形進(jìn)行幅度控制和波束形成,，對波束形成后的N路數(shù)字信號直接轉(zhuǎn)換為PWM信號,，經(jīng)過死區(qū)控制，生成N對互補(bǔ)PWM波形,，輸出后送給H橋的驅(qū)動電路,。

2.2 發(fā)射波束形成的設(shè)計

    為了實現(xiàn)預(yù)期的發(fā)射聲源級和指向性，發(fā)射機(jī)通常進(jìn)行波束形成,，相控陣發(fā)射,，使各個陣元的信號同時到達(dá)目標(biāo)^[5]。

    對于一個任意陣列,，發(fā)射波束指向為a時（a為單位方向向量），各個陣元相對于發(fā)射方向a的波陣面有一個延時,。為了保證所有陣元的發(fā)射信號同時到達(dá)該波陣面,，每個陣元的信號需要進(jìn)行延時或移相。

    由接收陣列流行矢量得到陣元接收波束形成的延時時間,，進(jìn)一步對接收延時進(jìn)行規(guī)整化處理,，得到發(fā)射波束形成的延時時間：

    FPGA實現(xiàn)可控數(shù)字延遲線，使用延時法設(shè)計發(fā)射波形成系統(tǒng),。由于數(shù)字延時的離散性,，延時量不能做到連續(xù)變化，只能是采樣周期的整數(shù)倍,，實際延時時間與理論值將會有一定誤差,，誤差為：

其中，T_S為采樣周期,；k=round(τ_i/T_S),，round( )表示四舍五入取整，則-T_S/2<Δτ_i<T_S/2,。采樣頻率越高,，延時誤差Δτ_i越小，采樣頻率大于發(fā)射信號中心頻率10倍以上時,，發(fā)射波束圖和理論波束圖的差異可以忽略,。

2.3 PWM的生成

    對于全數(shù)字D類功放控制器，數(shù)字波形生成PWM信號有脈沖密度調(diào)制,、均勻脈沖寬度調(diào)制等多種方法^[7],。本文采用UPWM的方式生成PWM信號^[8]，與傳統(tǒng)的D類功放控制器相比,，該方法集成度更高,，抗干擾能力強(qiáng),，避免了D/A轉(zhuǎn)換過程。

    FPGA生成PWM波形的流程如圖3所示,。發(fā)射信號經(jīng)過幅度偏移后與L進(jìn)制計數(shù)器進(jìn)行比較,，得到PWM波形。發(fā)射波形幅度為-A/2～A/2,，得到的PWM波形最小脈寬為(L-A)T_C/2,，T_C為計數(shù)器時鐘周期，則PWM信號最小占空比為(L-A)/(2L),。

2.4 死區(qū)控制

    D類放大器一般采用半橋或全橋結(jié)構(gòu),，同一橋臂兩個開關(guān)管的驅(qū)動信號呈互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，為了防止開關(guān)管發(fā)生直通現(xiàn)象,，互補(bǔ)的兩個驅(qū)動信號應(yīng)存在一定的死區(qū)時間,。死區(qū)時間的設(shè)置方法有多種^[9]，本文在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)死區(qū)時間控制,，產(chǎn)生互補(bǔ)的兩路驅(qū)動信號,。

    FPGA設(shè)置死區(qū)時間的電路結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示，CLK為時鐘信號,，PWM為CLK時鐘下產(chǎn)生的數(shù)字波形,，CTRL調(diào)整死區(qū)時間的控制字，PQ1和PQ2為互補(bǔ)的兩路PWM信號,。調(diào)試過程中,，可以在線調(diào)整D觸發(fā)器的數(shù)量，控制死區(qū)時間的長度,；圖4(b)顯示了電路中各節(jié)點波形的關(guān)系,，其中死區(qū)時間τ_D可以在線調(diào)整，調(diào)整精度為一個時鐘周期,。

3 測試與驗證

3.1 功放控制信號的測試

    利用Xilinx公司Spartan-6系列FPGA實現(xiàn)數(shù)字發(fā)射機(jī)的控制器,，發(fā)射信號中心頻率為5 kHz，采樣頻率50 kHz,，生成PWM的時鐘頻率為200 MHz,，計數(shù)器最大計數(shù)值為4 000，數(shù)字信號幅度為-1 600~1 600,，則生成PWM的占空比范圍為10%~90%,。通過在線調(diào)試軟件Chipscope獲取FPGA內(nèi)部運(yùn)行數(shù)據(jù)，用MATLAB軟件進(jìn)行離線分析,，結(jié)果如圖5所示,。

    從圖5可以看出，數(shù)字波形與鋸齒波載波信號比較后可以生成占空比隨信號幅度變化的PWM波形PQ1，經(jīng)過死區(qū)控制電路,，可以產(chǎn)生與PQ1互補(bǔ)的功放驅(qū)動信號PQ2,。

3.2 全數(shù)字發(fā)射機(jī)指向性的驗證

    為了驗證全數(shù)字聲納發(fā)射機(jī)的發(fā)射指向性，2014年12月在新安江水庫組織湖上試驗,。發(fā)射陣列為24陣元的圓柱陣,，重復(fù)發(fā)射脈沖信號，同時緩慢勻速轉(zhuǎn)動,。接收水聽器與發(fā)射陣列相距15 m,， 采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た赜嬎銠C(jī)進(jìn)行處理，實驗裝置如圖6所示,。

    測量發(fā)射機(jī)全向發(fā)射時的不均勻性和單波束定向發(fā)射時的波束圖,，結(jié)果如圖7所示。

    由圖7可以看出：全向發(fā)射時,，全數(shù)字發(fā)射機(jī)的全向發(fā)射不均勻性為0.89 dB,；定向發(fā)射時，發(fā)射機(jī)的波束寬度約為14.2°,，主旁瓣比為12.4 dB,，滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

    本文針對常規(guī)發(fā)射機(jī)存在的問題,，對發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計，對功率放大器的控制方式進(jìn)行改進(jìn),，設(shè)計了全數(shù)字主動聲納發(fā)射機(jī),。發(fā)射機(jī)將信號發(fā)生器、發(fā)射波束形成,、PWM波形產(chǎn)生,、死區(qū)控制等功能集中在FPGA完成，通過串行通信方式與控制計算機(jī)交互控制指令和工作狀態(tài)信息,。全數(shù)字發(fā)射機(jī)機(jī)構(gòu)減小了機(jī)柜間線纜規(guī)模,，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，提高了設(shè)備可靠性,。經(jīng)過實驗室測試和湖上試驗驗證,，設(shè)計的發(fā)射機(jī)性能可靠，指標(biāo)滿足設(shè)計需求,。

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作者信息：

劉大利1,，2,，張劍波3，顏恒平3

（1.天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，天津300387,；

2.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所 聲場聲信息國家重點實驗室,，北京100190；3.海鷹企業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,，江蘇 無錫214061）