高速高精度微型相控阵多普勒计程仪的制作方法

　　本实用新型属于水下探测导航技术领域，特别是一种高速高精度微型相控阵多普勒计程仪。

　　相控阵多普勒计程仪是利用声学原理进行测量和定位的系统，其测速精度高，在国内外都有广泛的应用。

　　无论是渔船、货轮、军舰或是潜艇，都要有准确的速度信息和位置信息，需要有精确的导航定位系统。相控阵多普勒计程仪正好满足了这种精确导航定位的需求。

　　多普勒计程仪问世较早，国外早在上世纪七十年代就有多普勒计程仪产品问世。目前，市场上多普勒计程仪及其相关产品主要是国外品牌居多，知名的生产厂家有英国的sonardyne公司、美国的benthos公司和trdi公司、挪威的kongsbergsimrad公司以及法国的ixsea公司等。国内对相控阵多普勒计程仪的研究起步较晚，目前与国外产品还存在较大差距。但随着我国民用和军用领域的海洋活动日益频繁，小型高速高精度多普勒计程仪的需求将会更加迫切。

　　目前国内也有很多公司和机构在进行多普勒计程仪产品的研制开发，但是国内市场的相控阵多普勒计程仪大多定位速度慢、测频精度差、系统体积庞大，无法满足更高水平的需求。高速高精度的微型相控阵多普勒计程仪更是罕见。

　　本实用新型解决上述问题的技术方案为：一种高速高精度微型相控阵多普勒计程仪，包括设置在外壳腔体内信号接收机、信号发射机和数字处理机，以及换能器；

　　所述信号接收机是回波信号预处理单元，包括依次连接的前置放大电路单元、程控放大电路以及带通滤波电路；

　　所述数字处理机用于为信号发射机提供激励信号，还用于接收采集经信号接收机预处理的数据。

　　按上述方案，所述数字处理机包括主控dsp单元、作为辅助控制器的fpga单元以及与主控dsp单元连接的存储单元。

　　按上述方案，所述数字处理机包括用于根据采集的信号接收机预处理的信号数据解算导航数据的主控dsp单元和根据dsp控制指令控制产生信号发射机的激励信号的fpga单元。

　　按上述方案，所述数字信号处理机还包括用于存储采集的信号接收机预处理的信号数据和解算的导航数据的存储单元。

　　按上述方案，所述数字信号处理机还包括用于与信号接收机连接的数据采集a/d差分通道。

　　按上述方案，所述信号接收机、信号发射机、数字处理机三块电路主板采用层叠式装配方式设置在外壳腔体内。

　　按上述方案，所述前置放大单元由低噪声仪表放大器及移相网络组成，完成微弱信号的预放大以及波束形成；程控放大单元由4阶带通滤波器以及电阻衰减网络组成，实现噪声的抑制以及增益程控功能；带通滤波单元由8阶带通滤波器以及差分放大器组成，实现信号的再次滤波以及单端转差分输出功能。

　　1）相控阵多普勒计程仪采用高性能dsp为核心控制和运算单元，fpga作为辅助控制器且fpga内部实现激励信号，极大的提高了系统的并行采集速度和数据运算处理能力，具有高速测量的优点。

　　2）相控阵多普勒计程仪采用分组件形式设计，分为发射、接收和处理3部分主板，主板在外壳腔体内采用层叠式装配方式，从而最大限度的节省了空间，减小系统体积，该相控阵多普勒计程仪的外观为圆柱体，外形尺寸可设计为小于ϕ90mmx100mm，具有微型化的优势；

　　3）相控阵多普勒计程仪各主件电路采用模块化设计，充分利用先进成熟的模块外壳封装技术，提高了系统微弱信号的抗干扰能力，保证了系统的稳定性和可靠性，缩短了研制周期，降低了生产成本，具有非常高的性价比。

　　4）相控阵多普勒计程仪采用差分方式对信号进行放大滤波和采集，设计使用低噪声、高增益带宽积、大摆率的精密放大电路和带通滤波电路以达到接收通道的低噪声、低失真效果，使该相控阵多普勒计程仪具有高精度的优点。

　　为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

　　如图1所示，基于dsp的高速高精度微型相控阵多普勒计程仪，包括信号接收机1、信号发射机2、数字处理机3和换能器4。

　　信号接收机主要实现接收微弱信号的预处理工作，包括信号的程控放大和滤波处理，设计使用低噪声、高增益带宽积、大摆率的精密信号调理电路达到接收通道的低噪声、低失真效果，以实现测量的高精度低噪声性能；

　　如图2，信号接收机是回波信号预处理单元，包括依次连接的前置放大电路单元、程控放大单元以及带通滤波单元；前置放大单元由低噪声仪表放大器及移相网络构成，完成微弱信号的预放大以及波束形成；程控放大单元由4阶带通滤波器以及电阻衰减网络构成，实现噪声的抑制以及增益程控功能；带通滤波单元由8阶带通滤波器以及差分放大器构成，实现信号的再次滤波以及单端转差分输出功能。

　　信号发射机为换能器发射声信号的驱动单元，包括功率放大电路，本实施例中功率放大电路采用高频mos管的d类推挽功放设计，可优于实现较高的频率带宽，用于放大差分指令信号，推动高频功率变压器输出，实现升压以及多组独立的水平方向和垂直方向的阵元驱动及阻抗匹配，最高效率可达90%以上。同时每路信号采用高速电流检测电路，逐周期检测进行过流过压保护，可较大幅度的提升系统的可靠度。为保证设计的小型化，采用储能电容形式，可保证发射电压脉宽内的平坦度，完成小体积大功率脉冲发射，其可有效的减小系统体积而提升性能。在储能单元空闲时间进行限流充电，可减小对前级电源的功率需求。

　　信号发射机通过对激励信号进行功率放大来驱动换能器装置发出声探测信号，信号发射机采用高性能，大容量储能电容技术，达到小空间大功率的效果，实现系统的小型化性能；

　　数字处理机主要进行系统数据预处理和正交解调及波束形成等算法的实现，采用高速dsp作为主控和运算单元，采用fpga辅助进行信号高速采集和预处理以及产生精准的可控脉宽发射激励信号，实现系统的高速和高效性；换能器作为系统的声学装置，主要用于发射探测信号和接收回波信号，该系统使用收发合制换能器，具有多点振元，发射方向可控。

　　相控阵多普勒计程仪外观为圆柱体，安装固定方便，特别是微小体积的特点，可搭载在各种大型、小型甚至微型航行器上，具有非常广的应用范围和应用前景。

　　相控阵多普勒计程仪对外接口简单，使用时只需接通外部电源，通过对外串行接口与外部主控系统进行通信，且系统预留对外网口可进行参数设置和数据回收功能，接口采用水密接插件，具有高可靠性。

　　相控阵多普勒计程仪可通过内部记录装置，记录原始数据和航行数据；存储数据可通过网口进行回收，有助于系统的数据分析和故障诊断。