一種低噪聲高精度多波束測深儀接收機的製作方法

2023-05-18 16:58:46

本實用新型涉及海洋探測領域，尤其涉及一種低噪聲高精度多波束測深儀接收機。

背景技術：

多波束測深系統可以實現超寬覆蓋範圍的高精度海底深度測量，是一種具有高測量效率、高測量精度、高解析度的海底地形測量設備，特別適合大面積的掃海測量作業，在海洋測繪等領域具有廣泛的應用。

系統工作時，通過發射換能器發射聲波，照射測量船下方的一條狹窄水域，聲波在水中傳播，碰到該水域底部泥沙等界面時發生反射，到達接收換能器的聲波包含了水下地形的起伏等信息。通過對回波信號進行固定方向的波束形成、能量積累、幅度相位檢測等一系列處理，可以得到與船體航向垂直方向的條帶式高密度水深數據，測量沿航線條帶內海底地形特徵。

發射換能器發射聲波經過水體吸收、散射、反射等影響後，到達接收換能器的信號強度非常弱，只有幾毫伏甚至微伏級，這些微弱信號經過多波束接收機電路的放大濾波後通過AD採樣，然後進行數位訊號的處理。微弱信號在放大濾波的過程中往往會引入很多噪聲，這些噪聲對地形測量的精度影響非常大。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於克服現有技術的不足，適應現實需要，從而提供了一種低噪聲高精度多波束測深儀接收機。

為實現上述目的，本實用新型提供了一種低噪聲高精度多波束測深儀接收機。該接收機包括接收換能器、電源單元、信號處理單元和ADC轉換單元，

所述接收換能器與所述信號處理單元相連，用以接收回波信號並發送至所述信號處理單元；

所述信號處理單元和所述ADC轉換單元均包括多路，每路信號處理單元對應一路ADC轉換單元，每路信號處理單元包括多級放大電路，每級放大電路各連接有濾波電路；

所述電源單元包括正電壓供給單元和負電壓供給單元，正電壓供給單元輸出的正電壓經每級放大電路對應的濾波電路濾波後再供給該級放大電路，負電壓供給單元輸出的負電壓經每級放大電路對應的濾波電路濾波後再供給該級放大電路。

優選地，所述信號處理單元的第一級放大電路採用LT6234IS8器件。

優選地，所述正電壓供給單元包括第一DC-DC 降壓控制器及與其連接的第一LDO穩壓器、第二LDO穩壓器和第三LDO穩壓器；通過第一DC-DC 降壓控制器將外接的電壓降壓，由第一LDO穩壓器輸出信號處理單元所需正電壓；由第二LDO穩壓器輸出ADC轉換單元所需模擬正電壓；由第三LDO穩壓器輸出ADC轉換單元所需數字正電壓；

所述負電壓供給單元包括第二DC-DC 降壓控制器及與其連接的第四LDO穩壓器，通過第二DC-DC 降壓控制器將外接的電壓降壓，由第四LDO穩壓器輸出信號處理單元所需負電壓。

進一步優選地，所述第一DC-DC 降壓控制器與第一LDO穩壓器、第二LDO穩壓器和第三LDO穩壓器之間分別連接有電感，所述第二DC-DC 降壓控制器與第四LDO穩壓器之間連接有電感，所述電感用以將DC-DC 降壓控制器過來的正電壓或負電壓進行分離，實現電源的清潔。

進一步優選地，所述第一LDO穩壓器與第四LDO穩壓器的模擬地與每路信號處理單元的隔離地相匯集。

優選地，所述ADC轉換單元分割為數字地和模擬地兩部分，兩地之間通過零歐姆電阻連接。

優選地，所述每路信號處理單元封裝成一個元器件，通過插針插接在母板上。

本實用新型的低噪聲高精度多波束測深儀接收機，採用器件選擇、電源處理、通道隔離、模擬數字地隔離等方法有效降低了信號的噪聲，提高信號信噪比。同時將每路信號處理單元封裝成一個元器件，加強了通道的一致性，保證通道間的幅度一致性和相位一致性，提高了系統性能。

附圖說明

圖1為本實用新型的一種低噪聲高精度多波束測深儀接收機的結構框圖；

圖2為本實用新型的電源單元的結構框圖；

圖3為本實用新型的信號處理單元各路間的隔離示意圖；

圖4為本實用新型的ADC轉換單元數字模擬地的分割示意圖；

圖5為本實用新型的信號處理單元與母板的連接示意圖。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。需要說明的是，附圖僅為示例性說明，並未按照嚴格比例繪製，而且其中可能有為描述便利而進行的局部放大、縮小，對於公知部分結構亦可能有一定預設。

圖1為本實用新型的一種低噪聲高精度多波束測深儀接收機的結構框圖。

如圖1所示，本實用新型的一種低噪聲高精度多波束測深儀接收機。該接收機包括接收換能器1、信號處理單元2、ADC轉換單元3和電源單元4。

接收換能器1與信號處理單元2相連，用以接收回波信號並發送至信號處理單元2。

信號處理單元2和ADC轉換單元4均包括多路（N路），每路信號處理單元2對應一路ADC轉換單元（如信號處理單元21對應與ADC轉換單元31相連，信號處理單元2N對應與ADC轉換單元3N相連），每路信號處理單元2包括多級放大電路（第一級至第N級），每級放大電路各連接有濾波電路。

電源單元4包括正電壓供給單元41和負電壓供給單元42，正電壓供給單元41輸出的正電壓經每級放大電路對應的濾波電路濾波後再供給該級放大電路，負電壓供給單元42輸出的負電壓經每級放大電路對應的濾波電路濾波後再供給該級放大電路。

其中，信號處理單元的第一級放大電路採用LT6234IS8器件。這是由於一個運算放大電路的噪聲主要由3部分組成，分別為電阻的詹森噪聲、運算放大器的電壓噪聲和運放放大器各輸入端的電流噪聲。因為第一級放大電路的噪聲會在後級電路中疊加，對系統噪聲影響最大。所以，本發明的第一級運算放大電路可採用凌特公司低噪聲器件LT6234IS8，當然也可選用其它低噪聲器件，而其它各級放大電路也可採用低噪聲器件LT6234IS8或其它普通類型器件。

圖2為本實用新型的電源單元的結構框圖。

如圖2所示，本發明的電源單元採用的外接+48V供電，採用的是各部分分離供電方案。為了提高電源的效率，本發明先用DC-DC把電壓降下來，再由LDO把降下來的電壓變為各器件需要的供電電壓。因為採集的信號是正負信號，故需要正負電壓供給單元。具體如下：

正電壓供給單元41包括第一DC-DC 降壓控制器411及與其連接的第一LDO穩壓器412、第二LDO穩壓器413和第三LDO穩壓器414。通過第一DC-DC 降壓控制器411將外接的+48V電壓降壓至+5V，由第一LDO穩壓器412輸出信號處理單元2所需正電壓+4.5V；由第二LDO穩壓器413輸出ADC轉換單元所需模擬正電壓+3.3V；由第三LDO穩壓器414輸出ADC轉換單元所需數字正電壓+3.3V。

負電壓供給單元42包括第二DC-DC 降壓控制器421及與其連接的第四LDO穩壓器422，通過第二DC-DC 降壓控制器421將外接的電壓降壓+48V電壓降壓至+5V，由第四LDO穩壓器422輸出信號處理單元2所需負電壓-4.5V。

需要說明的是，第一DC-DC 降壓控制器411與第一LDO穩壓器412、第二LDO穩壓器413和第三LDO穩壓器414之間還可分別連接有電感，使用電感和外面第一DC-DC過來的電壓分離開來，這樣有助於電源的清潔，不至於幹擾後面的模擬處理電路。同樣，第二DC-DC 降壓控制器與第四LDO穩壓器之間也可連接有電感，使用電感和外面第二DC-DC過來的電壓分離開來，這樣有助於電源的清潔，不至於幹擾後面的模擬處理電路。

圖3為本實用新型的信號處理單元各路間的隔離示意圖。

多波束接收機系統的接收電路由多通道（多路信號處理單元）組成，為了保證通道間的隔離度，本發明採用各通道的回流地隔離的方式，並在LDO處地匯合（該地為第一LDO穩壓器與第四LDO穩壓器的共用的模擬地）這樣可以保證通道間回流路徑的獨立性，降低信號回流的相互幹擾，減少噪聲。另外在電路板的元器件布局層，各通道可採用屏蔽罩屏蔽，進一步降低通道間的信號串擾，提高通道的隔離度。

圖4為本實用新型的ADC轉換單元數字模擬地的分割示意圖。

如圖4所示，本實用新型的ADC轉換單元分割為數字地和模擬地兩部分，可防止數位訊號對模擬信號的幹擾。ADC轉換單元的一邊為數字地，另一邊為模擬地，中間是隔離區，此隔離區是在畫PCB 時人為隔離出來的，隔離區不鋪銅。數字地、模擬地分開保證各自獨立的回流路徑，同時通過中間的零歐姆電阻（OR電阻）連接共地保證電位的一致。數字電路部分的噪聲一般比較大，而模擬部分的噪聲是比較小的，分割後數字部分的電路不會干擾到模擬部分電路，這樣就有效降低了信號噪聲，提高了模擬部分測量信號的精度。

圖5為本實用新型的信號處理單元與母板的連接示意圖。

多波束接收機系統由多通道的接收電路組成，多通道的一致性（幅度一致性、相位一致性）對系統性能影響較大，尤其是相位一致性。因此，為了保證各通道的一致性，本實用新型採用模塊化設計。將每個通道（每路信號處理單元）封裝成一個元器件（21至2N），通過插針插接在母板5上，然後進行調用，這樣大大減小布局布線引起的誤差。採用此方法大大提高了通道一致性，也較大改善了系統的性能。

以上所述的具體實施方式，對本實用新型的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本實用新型的具體實施方式而已，並不用於限定本實用新型的保護範圍，凡在本實用新型的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。