程江林, 李正平

(安徽大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用需求的不斷擴(kuò)大,海洋水聲環(huán)境和目標(biāo)探測(cè)水聲技術(shù)獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1]。壓電陶瓷水聽(tīng)器是把水下聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的換能器,廣泛用于水聲采集系統(tǒng)、聲吶系統(tǒng)、地震勘探系統(tǒng)等,是海洋水聲測(cè)量必需的信號(hào)采集設(shè)備。水下的探測(cè)、識(shí)別、通信以及海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和海洋資源的開(kāi)發(fā),都離不開(kāi)水聽(tīng)器[2]。

在水聲探測(cè)系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí),水聽(tīng)器既與振動(dòng)的或壓力變化的介質(zhì)接觸,又與數(shù)據(jù)采集單元相連接。進(jìn)行作業(yè)前,由于在生產(chǎn)組裝或者檢修過(guò)程中的人為疏忽,有可能造成水聽(tīng)器中1只或多只水聽(tīng)器極性相反的情況存在。水聽(tīng)器的極性直接與其輸出信號(hào)的正反方向相關(guān),如1個(gè)正向脈沖信號(hào)輸入到極性相同的2個(gè)不同水聽(tīng)器之后,將會(huì)輸出與原始信號(hào)幅度方向一致的信號(hào);而極性相反的水聽(tīng)器會(huì)產(chǎn)生1個(gè)正向、1個(gè)負(fù)向的脈沖信號(hào)。因此,僅從水聽(tīng)器輸出信號(hào)無(wú)法準(zhǔn)確判斷原始波形的正、負(fù)方向,從而造成極性相反的水聽(tīng)器影響采集信號(hào)的質(zhì)量,降低水聲探測(cè)的效果。隨著水聲探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步,壓電陶瓷水聽(tīng)器使用數(shù)量越來(lái)越龐大,一個(gè)勘探項(xiàng)目使用數(shù)萬(wàn)串水聽(tīng)器,而尋找極性相反的水聽(tīng)器比較麻煩。如對(duì)海上水聲探測(cè)而言,受水聽(tīng)器陣列電纜收放困難的制約,水聽(tīng)器極性的檢測(cè)更加困難[3]。目前在水聲信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域中水聽(tīng)器極性檢測(cè)的方法很少。

針對(duì)上述問(wèn)題,本文提出了一種用于壓電陶瓷水聽(tīng)器極性檢測(cè)的方法。該方法通過(guò)計(jì)算機(jī)控制激勵(lì)模塊產(chǎn)生主動(dòng)式測(cè)試信號(hào)源,并配合極性測(cè)試算法來(lái)分析水聽(tīng)器所采集到的波形信息,進(jìn)而判斷出水聽(tīng)器的極性。該方法簡(jiǎn)單可靠、操作方便,可廣泛應(yīng)用于水聲信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域中。

1 水聽(tīng)器極性檢測(cè)原理

壓電陶瓷水聽(tīng)器是用于測(cè)量水聲壓力的一種傳感器件,以輸出電壓的形式模擬水的壓力變換,其輸出信號(hào)會(huì)跟隨水聲壓力的變化而變化[4],壓電陶瓷水聽(tīng)器工作頻率范圍為3～2 000 Hz。當(dāng)水聽(tīng)器連接極性正確時(shí),其會(huì)輸出與待測(cè)信號(hào)相位一致的電信號(hào),如圖1a所示;反之,當(dāng)水聽(tīng)器連接極性錯(cuò)誤時(shí),其會(huì)輸出與待測(cè)信號(hào)相位相反的電信號(hào),如圖1b所示。當(dāng)待測(cè)信號(hào)存在多極性時(shí),即存在多個(gè)波峰,如果水聽(tīng)器極性相反,會(huì)體現(xiàn)在輸出信號(hào)反向上,那么采集儀器沒(méi)有辦法分辨原始信號(hào)的第1個(gè)波峰位置到底在哪個(gè)時(shí)刻,這將會(huì)造成數(shù)據(jù)分析、圖像重構(gòu)時(shí)的延遲偏差。在聲學(xué)探測(cè)應(yīng)用中,信號(hào)波峰到達(dá)時(shí)刻直接與待測(cè)目標(biāo)物體的距離遠(yuǎn)近相關(guān)。延遲的偏差將會(huì)直接影響水聲探測(cè)采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量,導(dǎo)致重構(gòu)圖像的失真。

圖1 水聽(tīng)器極性對(duì)輸出信號(hào)的影響

因此,如果待測(cè)的聲學(xué)信號(hào)是一個(gè)已知的激勵(lì)源,利用該已知特性的信號(hào)(如固定頻率的正弦波)激勵(lì)2個(gè)壓電陶瓷水聽(tīng)器,其一為極性連接正確的水聽(tīng)器,另一個(gè)為待測(cè)極性的水聽(tīng)器,那么通過(guò)對(duì)比分析這2個(gè)水聽(tīng)器輸出信號(hào)之間的相位關(guān)系,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)水聽(tīng)器極性的檢測(cè)[5]。

2 極性檢測(cè)裝置的構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)組成

本文所提出的壓電陶瓷水聽(tīng)器極性檢測(cè)方法所用裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示,分為檢測(cè)裝置和待測(cè)設(shè)備2個(gè)部分。待測(cè)水聽(tīng)器為水聲采集儀的探頭,也可以是由多個(gè)水聽(tīng)器探頭構(gòu)成一個(gè)探測(cè)陣列;檢測(cè)裝置則由激勵(lì)模塊和上位機(jī)軟件構(gòu)成。

圖2 極性測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

該檢測(cè)裝置的激勵(lì)模塊內(nèi)部安裝一個(gè)發(fā)射換能器,其可由受控的電信號(hào)推動(dòng)產(chǎn)生聲波信號(hào)[6]；并且在該激勵(lì)模塊中,安裝一個(gè)極性連接正確的參考水聽(tīng)器,與其相連接的處理電路可以實(shí)時(shí)采集到該參考水聽(tīng)器檢測(cè)的聲學(xué)信號(hào),并通過(guò)通信通道RS485將采集數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)。系統(tǒng)工作時(shí),將激勵(lì)模塊安置在待測(cè)水聽(tīng)器的正上方(如圖2所示),并打開(kāi)水聲采集儀。此時(shí),操作人員通過(guò)上位機(jī)軟件向激勵(lì)模塊發(fā)送控制命令使其進(jìn)入檢測(cè)狀態(tài),當(dāng)處理電路接收到該指令時(shí),會(huì)啟動(dòng)處理電路的信號(hào)源單元DAC驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器發(fā)射聲波,并同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)硬件的同步觸發(fā)信號(hào)發(fā)送給水聲采集儀,用于觸發(fā)水聲采集儀開(kāi)始采集來(lái)自待測(cè)水聽(tīng)器檢測(cè)到的聲學(xué)信號(hào),而同時(shí)處理電路內(nèi)部的采集單元ADC也會(huì)采集來(lái)自參考水聽(tīng)器所檢測(cè)到的聲學(xué)信號(hào)。

由于待測(cè)水聽(tīng)器與參考水聽(tīng)器都放置在發(fā)射換能器附近,聲波傳播到2種水聽(tīng)器的距離近似相等,假設(shè)兩者距離誤差1 cm,按照聲波在海水中傳播速度1 500 m/s計(jì)算,2個(gè)水聽(tīng)器接收到的信號(hào)延遲誤差約為6.7 μs,這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于通常水聲探測(cè)信號(hào)數(shù)字化采樣時(shí)間間隔(如1 ms),因此可以認(rèn)為2種水聽(tīng)器同時(shí)采集到了聲學(xué)激勵(lì)信號(hào)。經(jīng)過(guò)這種同步操作,可保證極性檢測(cè)裝置所采集到的聲學(xué)信號(hào)能夠與水聲采集儀采集到的信號(hào)嚴(yán)格同步。激勵(lì)模塊是一個(gè)具有固定物理結(jié)構(gòu)的測(cè)試盒,在對(duì)待測(cè)水聽(tīng)器進(jìn)行極性檢測(cè)時(shí),將激勵(lì)模塊放置在待測(cè)水聽(tīng)器正上方,保證每個(gè)待測(cè)水聽(tīng)器與參考水聽(tīng)器接收到的信號(hào)差在可忽略的范圍,從而便于進(jìn)行極性的分析。

該檢測(cè)裝置的軟件部分為極性測(cè)試軟件,工作于上位機(jī)。極性測(cè)試軟件可實(shí)現(xiàn)對(duì)激勵(lì)單元硬件系統(tǒng)的控制及信號(hào)的采集,從而完成對(duì)待測(cè)水聽(tīng)器信號(hào)和激勵(lì)模塊參考水聽(tīng)器信號(hào)波形的對(duì)比分析和顯示[7]。

為了保證待測(cè)水聽(tīng)器極性檢測(cè)的準(zhǔn)確性,提高信噪比,需要對(duì)激勵(lì)模塊所產(chǎn)生的信號(hào)做一定的處理。當(dāng)激勵(lì)模塊接收到上位機(jī)軟件發(fā)送的控制信號(hào)后,其內(nèi)部的處理電路將控制發(fā)射換能器先產(chǎn)生一個(gè)頻率為300 Hz、30個(gè)周期長(zhǎng)度振幅較小的正弦波信號(hào),緊接著再產(chǎn)生一個(gè)頻率為300 Hz、10個(gè)周期長(zhǎng)度振幅較大的正弦波信號(hào)。其中,小信號(hào)用于讓發(fā)射換能器穩(wěn)定起振,大信號(hào)用于檢測(cè)待測(cè)水聽(tīng)器極性,激勵(lì)模塊輸出的信號(hào)波形如圖3所示。

圖3 激勵(lì)模塊輸出信號(hào)波形

極性測(cè)試軟件對(duì)采集的待測(cè)水聽(tīng)器信號(hào)和激勵(lì)模塊參考水聽(tīng)器信號(hào)進(jìn)行分析處理,在激勵(lì)模塊信號(hào)中先找到大信號(hào)的范圍,并從中找出最大的10個(gè)正尖峰和最小的10個(gè)負(fù)尖峰,然后通過(guò)比較第1個(gè)峰值的正負(fù)性來(lái)判斷待測(cè)水聽(tīng)器的連接是正接還是反接[8]。若正負(fù)性一致(即待測(cè)水聽(tīng)器極性連接方式與參考水聽(tīng)器的一致),則水聽(tīng)器極性為正;若正負(fù)性相反(即待測(cè)水聽(tīng)器極性連接方式與參考水聽(tīng)器的相反),則水聽(tīng)器極性為負(fù)。

2.2 硬件設(shè)計(jì)部分

由2.1節(jié)分析可知,激勵(lì)模塊是整個(gè)極性檢測(cè)裝置的核心,激勵(lì)模塊用于檢測(cè)待測(cè)水聽(tīng)器極性是否正確,其作用主要有2個(gè)方面:① 給待測(cè)水聽(tīng)器和其內(nèi)部參考水聽(tīng)器提供激勵(lì)聲學(xué)源;② 通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸模塊上傳其內(nèi)部參考水聽(tīng)器所采集的信號(hào)至上位機(jī)。

激勵(lì)模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示,由水聽(tīng)器、發(fā)射換能器、單片機(jī)、傳輸模塊、電源模塊和鋰電池組成。

圖4 激勵(lì)模塊示意圖

極性測(cè)試軟件控制單片機(jī)內(nèi)DAC模塊產(chǎn)生固定頻率的音頻信號(hào),并由功放進(jìn)行信號(hào)放大后帶動(dòng)發(fā)射換能器發(fā)聲,以此來(lái)完成振源的作用[9]。此時(shí)內(nèi)部水聽(tīng)器檢測(cè)發(fā)射換能器發(fā)出的信號(hào),并通過(guò)ADC模塊進(jìn)行信號(hào)采集,再將該信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸模塊以RS485信號(hào)上傳給上位機(jī)軟件做進(jìn)一步處理。

2.3 軟件設(shè)計(jì)部分

極性測(cè)試軟件主要完成對(duì)水聽(tīng)器和激勵(lì)模塊采集數(shù)據(jù)的分析和處理,并將測(cè)試結(jié)果使用紅、藍(lán)標(biāo)識(shí)符進(jìn)行標(biāo)識(shí),通過(guò)波形顯示模塊進(jìn)行對(duì)比顯示,檢測(cè)人員可通過(guò)波形對(duì)比快速判斷待測(cè)水聽(tīng)器的極性。上位機(jī)程序使用Qt5進(jìn)行開(kāi)發(fā),采用多進(jìn)程來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的功能。

軟件主程序流程如圖5所示。

在數(shù)據(jù)處理中,首先判斷待測(cè)通道的信號(hào)質(zhì)量,若信號(hào)有干擾且信號(hào)質(zhì)量有問(wèn)題,則此時(shí)軟件界面顯示信號(hào)弱,并結(jié)束測(cè)試。在信號(hào)質(zhì)量沒(méi)有問(wèn)題的前提下,將待測(cè)水聽(tīng)器和激勵(lì)模塊中參考水聽(tīng)器采集的信號(hào)去直流并歸一到相應(yīng)電壓值下。因?yàn)楦鶕?jù)設(shè)置閾值或其他方法直接判斷第1個(gè)峰值的位置,可能會(huì)存在誤判的情況,所以通過(guò)主程序先定位待測(cè)水聽(tīng)器和參考水聽(tīng)器接收的信號(hào)中10個(gè)周期長(zhǎng)度的正弦波大信號(hào)范圍,再?gòu)拇笮盘?hào)范圍內(nèi)分別找出最大的10個(gè)正尖峰和最小的10個(gè)負(fù)尖峰。記錄這20個(gè)尖峰中第1個(gè)尖峰的峰值,并判斷水聽(tīng)器和激勵(lì)模塊第1個(gè)峰值的正負(fù)性是否一致。若正負(fù)性一致,則待測(cè)水聽(tīng)器正接;若正負(fù)性不一致,則待測(cè)水聽(tīng)器反接。

圖5 軟件主程序流程

3 測(cè)試及分析

為了測(cè)試和驗(yàn)證水聽(tīng)器極性檢測(cè)方法的有效性,本文通過(guò)對(duì)水聽(tīng)器正接、反接以及移除激勵(lì)模塊(測(cè)試盒)3種測(cè)試方式,驗(yàn)證軟件是否能正確判斷出正接、反接、信號(hào)弱3類(lèi)情況。

3種測(cè)試方式波形對(duì)比如圖6所示。

圖6 3種測(cè)試方式波形對(duì)比

首先按照測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建;再正確連接待測(cè)水聽(tīng)器和水聲采集儀,將激勵(lì)模塊放到待測(cè)水聽(tīng)器的上方;上電之后,使用極性測(cè)試軟件檢測(cè)水聽(tīng)器極性，并通過(guò)波形顯示模塊顯示對(duì)比波形。

由圖6可知，當(dāng)待測(cè)水聽(tīng)器正接水聲采集儀時(shí),水聽(tīng)器和激勵(lì)模塊輸出信號(hào)的第1個(gè)峰值正負(fù)性一致;當(dāng)反接水聲采集儀時(shí),水聽(tīng)器和激勵(lì)模塊輸出信號(hào)的第1個(gè)峰值正負(fù)性相反;當(dāng)移除測(cè)試盒時(shí),水聽(tīng)器輸出的信號(hào)弱,此時(shí)無(wú)法判斷水聽(tīng)器極性。

4 結(jié) 論

本文提出了一種用于壓電陶瓷陶瓷水聽(tīng)器極性檢測(cè)的方法，并對(duì)該方法的有效性進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明,本文方法能夠有效地檢測(cè)實(shí)際連接在系統(tǒng)中的水聽(tīng)器極性,由于有了最直接的波形數(shù)據(jù),操作人員可以很容易地對(duì)當(dāng)前水聽(tīng)器極性做出快速判斷。在測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn),當(dāng)測(cè)試環(huán)境發(fā)生變化時(shí),如水聽(tīng)器擺放位置變化、水聽(tīng)器下方是否放置墊子等,實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)受到一定的影響[10],因此在測(cè)試前,應(yīng)確保實(shí)驗(yàn)環(huán)境的穩(wěn)定。