海洋论坛▏参量阵浅地层剖面仪采集处理系统设计 - 海底采样仪器

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浅地层剖面仪（Sub－BottomProfiler）是利用声波探测海底地形地貌和浅部地层结构、构造的海洋仪器，在海底地质调查、海底资源开发、海洋工程选址等应用中发挥着极为重要的作用。根据声波的产生方式，常见的浅地层剖面仪可分为压电陶瓷式、电磁式、电火花式和参量阵式这4种类型。压电陶瓷式是利用不同矿物晶体的压电效应产生声波，有固定频率和线性调频这2种，具有较高的分辨率但穿透能力较弱；电磁式是利用电磁效应使金属板产生位移从而产生声波，其分辨率与穿透能力适中；电火花式是通过电极间放电气化海水产生大能量声波，其穿透深度大但分辨率略有下降；参量阵式是利用小孔径基阵发射高频信号，经声学非线性效应得到低频、宽频带、无旁瓣高指向性的次频声波，可有效解决线性浅地层剖面仪因受低频工作机制限制而存在的横向分辨率低、混响与噪声抑制能力差等技术缺陷，适用于全海深探测，工作效率高，数据质量好，在浅地层剖面仪探测领域具有独特优势。

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本文以参量阵浅地层剖面仪为背景，提出一种高精度、高采样率、宽动态范围和高运算能力的采集处理系统，该系统充分利用现场可编程逻辑门阵列（FPGA）在高速采集领域和数字信号处理器（DSP）在复杂算法处理领域中的优势，采用FPGA＋DSP架构形式的硬件平台和匹配滤波算法处理方式，经试验验证，系统运行稳定功耗低，在其他水声设备中也极具借鉴价值。

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一、原理简介

参量阵浅地层剖面仪是以声学非线性理论为基础，利用高频高增益的小孔径基阵发射含有ω1和ω2这2个相近频率成分的宽带原频信号，在介质的非线性作用下，声场中将产生低频无旁瓣高指向性的宽带差频信号（|ω1－ω2|）及高频超声和频信号（ω1＋ω2）等。根据声学经验公式可知，声吸收系数与频率的平方成正比，因此在声波传播过程中，频率较高的和频信号将快速衰减，频率较低的差频信号将持续作用。海底底质结构以层状分布，当声波向下传播时，一部分在介质分层处发生反射，另一部分经过透射后继续向下传播，在下一介质分层处同样进行反射和透射，依次循环递进，其示意图如图1所示。

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图1 参量浅工作原理示意图

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假设水体是第一层介质，其密度和声波传播速度分别为ρi和vi；下一层界面为第二种介质，其密度和声波传播速度分别为ρ2和v2。声波的反射强度与反射系数R密切相关，数学表达式为：

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R＝（ρ2/V2－ρ1V1）/（ρ2V2＋ρ1V1），⑴

因此当差频信号穿过海底沉积层时，由于不同介质层间的物理差异，会在界面处反射产生强弱不同的回波信号。设备接收机接收回波信号后经放大滤波，再进行特定的算法处理，结果输出到显示控制端，即可绘制出一串浓淡不一的反映地层结构和构造的像素点。

二、系统设计

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⒈系统架构设计

参量阵浅地层面仪主要由基阵、功放单元、采集处理单元及显控单元组成。采集处理单元生成发射信号输出至功放单元，功放单元进行功率放大处理后作用于基阵，基阵将电信号转换为声信号发射出去；然后基阵再将反射回来的回波信号转换为电信号输送至采集处理单元，通过一系列的信号调理后进行采集和数据处理；数据处理过程中，频率较高的原频信号用于精确测量水深，频率较低的差频信号，因其具有很强的沉积层穿透能力而用于探测海底浅部地层结构信息；所有的处理结果都输出至显控单元，进行实时显示。根据上述采集处理单元的功能需求，综合考虑目前各种主流处理芯片在信号采集处理及控制等领域的优劣势，系统硬件平台采用FPGA＋DSP架构形式来实现，其框图如图2所示。

图2 采集处理系统硬件框图

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FPGA单元主要实现信号增益控制，高速AD信号采集、滤波处理，并将处理后的数据经高速数据总线（uPP，通用并行端口）传输至DSP单元；DSP单元是系统的核心处理单元，实现发射信号产生，地层部面和海底深度信息解析等功能。

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⒉回波信号预处理

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在进行信号采集之前，需要对基阵接收到的原频回波信号和差频回波信号进行低噪声放大和滤波处理，以得到高信噪比的模拟信号。信号预处理的流程如图3所示。

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图3 回波信号预处理流程图

根据电路噪声理论，放大电路自身的噪声主要由芯片供电电源噪声、电流噪声以及接收回路的电阻热噪声等噪声源引起。因此在低噪声放大电路设计中，前级接收回路中尽可能不串接电阻，第一级放大电路尽量选择电压噪声和电流噪声较小的器件。本系统采用低噪声JFET分立器件设计差分放大电路作为第一级放大电路。低噪声JFET的最大优点是其电流噪声很低，其电流噪声密度一般为fA/VHz级别，因此使用在传感器内阻于kQ级别的放大电路中，由电流噪声和传感器等效内阻形成的噪声几乎可以忽略不计。

本系统原频信号接收通道的中心频率为100kHz，带宽为30kHz，即85～115kHz，设计需实现带外倍频程40dB的衰减。由于上限截止频率与下限截止频率比不大于2，该滤波器属于窄带滤波器，根据中心频率和带宽计算出滤波器Q值为3.3，且考虑到带内纹波及带外衰减要求，使用两级四阶MFB拓扑结构的巴特沃斯带通滤波电路，其仿真结果如图4所示。

图4 MFB带通滤波电路仿真

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差频信号接收通道的带宽为2～16kHz，其上限截止频率和下限截止频率分别为2kHz和16kHz，设计需实现带外倍频程40dB的衰减。由于上下限截止频率比为8，因此该滤波器属于宽带滤波器。宽带滤波器的低通和高通滤波器需分别设计，然后通过将低通和高通滤波器级相联实现带通滤波器。考虑到带内纹波及带外衰减要求，使用Sally－ken电路拓扑结构的巴特沃斯带通滤波电路，其仿真结果如图5所示。

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图5 Sally－ken带通滤波电路仿真结果

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⒊高速数据采集传输

本系统设计中，选用AD7760实现AD采集功能。AD7760是一款高性能，24位Σ－△型模数转换器，融合了宽输人带宽（>110dB）、高速采样与Z－△转换技术的优势，非常适合高速数据采集应用。AD7760内部的Σ－△调制器以极高的频率对输入的模拟信号进行采样，并对2个抽样之间的差值进行量化编码。调制器内部积分器对于输入信号表现为低通滤波器，对于量化噪声则表现为高通滤波器，这样可以将大部分噪声能量移出信号频带之外，调制后的数字滤波器可以消除较大的带外量化噪声。

AD7760内部使用3个串联FIR滤波器，第一个滤波器以20MHz最大频率接收调制器数据，然后进行1/4抽取，以5MHz频率输出数据；第二个滤波器提供2×至32×的可选抽取率，也可以将其完全旁路；第三个滤波器提供2×的固定抽取率，它是用户可编程的，此滤波器也可以旁路。根据AD7760芯片数据手册及硬件配置方式，数据输出速率与晶振频率有如下关系：

ODR＝MCLK/(2·F1·F2·F3)，⑵

式中：ODR为数据输出速率；MCLK为输入晶振频率；F1为滤波器1抽取率；F2为滤波器2抽取率；F2为滤波器3抽取率。滤波器旁路设置时，抽取率取值为1。

根据设计需求，原频信号采样率不低于600kHz，因此选用38.4MHz时钟进行1/32抽取，输出数据频率为600kHz；差频信号采样率不低于96kHz，因此选用24.576MHz时钟进行1/128抽取，输出数据频率为96kHz，AD采样频率设计如表1所示。

表1 AD采样频率设计

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FPGA单元获取AD采样数据后通过高速数据总线（uPP接口）将数据传输至DSP单元。设计中，综合考虑数据更新速度及FPGA芯片存储容量，将采集到的数据以2K个点划分为一个单元，使用乒乓结构进行缓存（见图6），采用流水线形式通过uPP总线传输至DSP单元中。

图6 乒乓缓存设计

原频和差频数据缓存写入及读写时序关系如图7所示。其中，T1为原频数据缓存写满时间，T2为2K缓存空间读空时间，T3为差频数据缓存写满时间。

图7 原频及差频数据缓存读写示意图

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由于原频信号（采样率600kHz）和差频信号（采样率96kHz）同时采样，因此需要使用分时复用的方式来完成uPP通道数据传输。原频RAM写人速度是差频RAM写入速度的6.25倍，分时复用uPP通道时，缓存RAM的读出速度（2T2）需远大于写人速度（T1）才能保证数据不会发生覆盖。

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uPP时钟设计为48MHz，则原频通道缓存RAM写满耗时（T1）约为3.4ms；读出耗时（T2）约为42us；差频通道缓存RAM写满耗时（T3）约为21ms；读出耗时（T2）约为42us；T1远大约2T2。满足设计需求，实现了不同频不同源信号的同步采集传输。

⒋系统软件设计

系统处理软件主要实现发射信号产生、地层剖面和海底深度信息解析、系统控制及通信等功能。

⑴发射信号产生

本系统设计中，可以由显控单元设置发射信号形式和频率等信息，采集处理单元接收到显控单元的配置信息后，生成相应的发射信号并输出至功放单元。

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发射信号形式使用调幅信号，即将单频（CW）或线性调频（LFM）等信号调制到原频载波信号。穿透深度和探测分辨率是浅地层剖面仪的2个重要指标，根据声学理论，单频信号的脉冲宽度越宽，穿透能力越强，但探测分辨率越低；线性调频信号的探测分辨率主要是由信号带宽决定，与脉冲宽度无关，因此可通过增加脉冲宽度的方式来增加探测深度，而不影响探测分辨率。

本系统中使用LFM信号实现发射信号生成。f1为起始频率；△f为频率变化量；fs为采样频率；N为信号长度。信号表达式为：

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原频信号的频率为fo，信号表达式为：

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xo(n)＝cos(2πfon/fs)，⑷

则发射信号的形式为：

X2(n)＝Xo(n)×x1(n)

本系统设计中，原频信号频率为100kHz，差频信号频率范围为2～16kHz可选。

图8给出了一组发射信号。其起始频率为1kHz；采样频率为1000kHz；频率变化量为2.5kHz。该信号经声场非线性效应，即可产生2～7kHz的差频信号。

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图8 发射信号示意图

⑵地层剖面处理

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差频信号的低频特性决定了其具有很强的沉积层穿透能力，差频信号穿透地层剖面后经反射和散射作用产生回波信号，采集回波信号并进行匹配滤波处理，即可得到海底浅部地层结构信息，匹配滤波处理方法如图9所示。

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图9 地层剖面处理框图

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其中，参考信号为标准水听器在发射换能器下接收到的直达波，y(n)为含有地层剖面信息的结果数据。

⑶海底深度测量

原频信号频率较高，其分辨率也较高，因此设计中使用原频信号来精确测量海底深度信息。对原频回波信号滑动积分，进行能量检测，找到回波能量最大值位置，即为海底深度的位置。

⑷系统软件设计流程

采集处理单元接收到启动命令后，根据显控单元设置的周期、配置定时器参数、启动定时器、输出发射同步信号、并启动信号采集、执行测量算法流程、将处理结果数据、姿态数据打包发送至显控单元，工作流程如图10所示。

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图10 系统工作流程

三、试验结果及分析

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本采集处理系统已成功应用于某型参量阵浅地层剖面仪中，并于2022年11月在宁波北仑海域开展了海上试验。试验中，若配置原频信号为100kHz的单频信号，差频信号为5～13kHz的LFM信号，其探测效果如图11所示。

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图11 穿透深度和垂直分辨率测量结果

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可知，该参量阵浅地层剖面仪运行稳定可靠，探测效果理想，海底界面及地层分层清晰，成像连续一致，设备在该测试海域最大穿透深度可达39.29m，设备垂向分辨率可达10cm。

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四、结语

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本文以参量阵浅地层剖面仪为应用背景，充分利用FPGA、DSP及高速AD在采集处理领域的优势，提出了一种高精度、高采样率、宽动态范围和高运算能力的采集处理系统，并已成功应用于XX型设备中。经试验验证，系统测量精度高，性能稳定可靠；此外系统的硬件架构形式、信号预处理方式、不同频同源信号的同步采集等技术均对其他水声设备研制有极好的借鉴意义。

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【作者简介】文/冯宏 郭冉 程何小，来自中国船舶集团有限公司第七一五研究所。第一作者冯宏，女，1987年出生，硕士，高级工程师，研究方向为信号处理机设计。本文受基金项目赞助，国家重点研发计划项目（2022YFC2803600）。文章来自《舰船科学技术》（2024年第21期），用于学习与交流，参考文献略，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注“由”溪流之海洋人生“微信公众平台编辑与整理。

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