專利名稱：一種數(shù)字化地層回聲信號(hào)模擬器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種信號(hào)模擬器，特別是涉及一種應(yīng)用在地質(zhì)聲納研發(fā)和生產(chǎn)過程中，利用現(xiàn)代電子技術(shù)產(chǎn)生模擬地層回聲信號(hào)的數(shù)字化地層回聲信號(hào)模擬器。
背景技術(shù)：
目前各類地質(zhì)聲納中，比如探測各種深度的地層剖面儀、測深儀等聲納設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)過程中，常常需要在實(shí)驗(yàn)室對設(shè)備進(jìn)行測試，以檢驗(yàn)是否達(dá)到預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)或產(chǎn)品性能指標(biāo)，這個(gè)過程需要給待測試的設(shè)備一個(gè)測試信號(hào)。目前常用的測試信號(hào)是用普通的信號(hào)源加上鍵控信號(hào)來實(shí)現(xiàn)的。信號(hào)源可以是實(shí)驗(yàn)室常用的普通信號(hào)發(fā)生器；鍵控器的作用是將信號(hào)源發(fā)出的連續(xù)信號(hào)截?cái)喑扇鐖D1所示的帶有填充的脈沖信號(hào)。現(xiàn)在也有比較高檔的信號(hào)源可以直接輸出如圖1所示的信號(hào)，比如NF1930多功能信號(hào)發(fā)生器。但是，這種信號(hào)最大的問題是幅度恒定，輸出的模擬聲信號(hào)單一，和實(shí)際的地層回聲信號(hào)相差甚遠(yuǎn)。
為了克服這些問題，有時(shí)將實(shí)測到的地層回聲信號(hào)錄制下來，再固化到一個(gè)存儲(chǔ)體中，在使用時(shí)只要反復(fù)回放即可。這樣獲得的測試信號(hào)是真實(shí)的。但是，這種測試信號(hào)的周期和幅度是固定的，即使反復(fù)回放，得到的測試信號(hào)也只是一段信號(hào)的重復(fù)，沒有變化，也不具備普遍性，使用起來不方便。
目前市場上沒有專門用于地質(zhì)聲納調(diào)試的專用信號(hào)源或模擬器，通常使用的是普通信號(hào)源，使用不方便，又沒有地層回聲的結(jié)構(gòu)特性和時(shí)域特征。圖2是本發(fā)明所提出的一種數(shù)字化地層回聲信號(hào)模擬器產(chǎn)生的模擬地層回聲的信號(hào)波形結(jié)構(gòu)，比較波形圖1和圖2，不難看出目前常用普通信號(hào)源加鍵控的方式提供的模擬信號(hào)幅度恒定，在每次觸發(fā)下一般只能輸出一個(gè)回聲信號(hào)，(因?yàn)榉群愣?，再輸出第二個(gè)信號(hào)已沒有太多的實(shí)際意義)，這與實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)。實(shí)際情況是聲波遇到水底會(huì)反射回來一個(gè)回波，聲波的一部份能量傳入地下，遇到一個(gè)沉積層界面，就返回一個(gè)回波，由于能量的損失，回波幅度要減小一些，直到聲波的能量消耗殆盡，其波形結(jié)構(gòu)正如圖2所示。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有用于地質(zhì)聲納調(diào)試時(shí)所采用的測試信號(hào)存在的問題，從而提供一種數(shù)字化地層回聲信號(hào)模擬器，利用直接數(shù)字合成(DDS)技術(shù)與微控制器相結(jié)合，產(chǎn)生比較逼真的模擬地層回聲信號(hào)；該模擬器可以根據(jù)需要來設(shè)置所提供的模擬聲信號(hào)的頻率、幅度、輸出的位置、回聲的次數(shù)；并且利用該模擬器產(chǎn)生的模擬地層回聲信號(hào)具有普遍性，既可以作為各類地質(zhì)聲納的測試信號(hào)和性能評估信號(hào)，也可以作為一般聲納的測試信號(hào)。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供的數(shù)字化地層回聲信號(hào)模擬器(如圖3所示)，包括一內(nèi)同步信號(hào)輸出端口、鍵盤和電源，其特征在于，還包括一控制器、DDS集成電路和乘法器。其中鍵盤與控制器直接相連，用于設(shè)定模擬器輸出信號(hào)的各種參數(shù)，電源給控制器、內(nèi)同步輸出、DDS和乘法器等各功能部件供電；內(nèi)同步輸出與控制器電連接，用于向外部設(shè)備提供一個(gè)同步脈沖，該同步脈沖的極性和脈沖寬度可以根據(jù)需要通過鍵盤設(shè)定；DDS集成電路調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的幅度和頻率；控制器一方面通過控制線來來設(shè)定DDS集成電路輸出信號(hào)的頻率，另一方面輸出一個(gè)模擬信號(hào)來控制DDS集成電路輸出的正弦波的幅度的大小，同時(shí)為模擬乘法器發(fā)送反應(yīng)位置信息的控制信號(hào)；所述乘法器的輸入有兩路，一路來自DDS集成電路的輸出，另一路是由控制器送來的反應(yīng)位置信息的控制信號(hào)；該乘法器對這兩路信號(hào)進(jìn)行乘法運(yùn)算，然后輸出信號(hào)。
該模擬器還包括功率放大器、外觸發(fā)信號(hào)端和RS232/USB接口，所述功率放大器接受控制器的指令控制，用于將乘法器的輸出信號(hào)放大，使得該模擬器可以直接與測試換能器尤其是高頻換能器等設(shè)備連接；所述外觸發(fā)信號(hào)端與控制器電連接，用于提供一個(gè)外觸發(fā)信號(hào)，使本模擬器可以在外部設(shè)備的控制下同步工作，以便地層回聲模擬器產(chǎn)生的回聲信號(hào)在時(shí)間上與外部設(shè)備同步；所述內(nèi)同步輸出端與控制器電連接，用于向外部設(shè)備提供一個(gè)同步脈沖，該同步脈沖的極性和脈沖寬度可以根據(jù)需要設(shè)定；所述鍵盤、RS232/USB接口與控制器電連接，用于修改或設(shè)定模擬信號(hào)的波形結(jié)構(gòu)，可以設(shè)定它所輸出的填充信號(hào)的頻率，脈沖寬度，其中包含的地層回波的個(gè)數(shù)、間隔、幅度、每秒重復(fù)輸出的次數(shù)；所有鍵盤輸入的參數(shù)都可以通過RS232/USB接口來實(shí)現(xiàn)。通過該RS232/USB接口可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測量。
在上述的技術(shù)方案中，所述的DDS集成電路采用AD9834芯片，或者AD9833、AD9850；該芯片帶有輸出幅度調(diào)節(jié)功能，直接數(shù)字合成(DDS)單元用來產(chǎn)生頻率非常精準(zhǔn)的正弦信號(hào)輸出，它的頻率精確度可以達(dá)到最大輸出頻率的1/228或者更高，而且失真非常??；由該DDS集成電路芯片輸出的信號(hào)的波形圖如圖4所示；在上述的技術(shù)方案中，所述的控制器采用ADUC812芯片或者AduC832、AduC841、MSP430系列微控制器，該微控制器一方面通過控制線來設(shè)定DDS集成電路輸出信號(hào)的頻率，也可以輸出一個(gè)模擬信號(hào)來控制DDS輸出的正弦波的幅度的大小，這樣就可以在DDS的輸出端得到一個(gè)頻率穩(wěn)定、幅度可調(diào)的連續(xù)正弦波信號(hào)；由控制器送往乘法器的信號(hào)的波形如圖5所示；在上述的技術(shù)方案中，乘法器采用AD835芯片、AD834芯片或者M(jìn)PY634芯片，提供給該乘法器的輸入有兩路，一路來自DDS的輸出，另一路是由微控制器送來的反應(yīng)位置信息的控制信號(hào)。該乘法器對這兩路信號(hào)進(jìn)行乘法運(yùn)算，經(jīng)乘法器運(yùn)算后就得到了所需要的地層回聲信號(hào)，該輸出的信號(hào)的波形圖如圖6所示；該模擬器的工作過程如下在外部設(shè)備提供的外觸發(fā)脈沖的觸發(fā)下(外觸發(fā)方式)或者在內(nèi)部程序的控制下(自主工作方式)定時(shí)發(fā)出預(yù)定的聲信號(hào)。在使用前，應(yīng)該先通過鍵盤或者RS232/USB接口設(shè)定模擬信號(hào)的波形結(jié)構(gòu)，鍵盤輸入的模擬信號(hào)的參數(shù)如果正確會(huì)被立即完成設(shè)置，如果錯(cuò)誤會(huì)被放棄，仍舊使用原來的設(shè)置。控制器接到外觸發(fā)信號(hào)后(或者在內(nèi)部程序的控制下自主工作)，啟動(dòng)DDS集成電路，開放功率放大器，輸出預(yù)設(shè)的模擬信號(hào)。一旦輸出完成，控制器會(huì)立即關(guān)閉功率放大器，使其處于省電狀態(tài)。如果外觸發(fā)信號(hào)再次到來或者內(nèi)部程序控制時(shí)間間隔結(jié)束，又會(huì)啟動(dòng)下一次信號(hào)的輸出，如此反復(fù)下去。
圖6中給出該模擬器輸出的三個(gè)地層回波信號(hào)的情形，當(dāng)然可以有多個(gè)或只有一個(gè)。如果需要多個(gè)地層回波信號(hào)，就讓控制器送出的波形中的波包的數(shù)量增加到所需的數(shù)量；如果要模擬不同厚度的地層的回聲，就將相鄰兩個(gè)波包的間隔根據(jù)地層的厚度來設(shè)定，地層厚度越大，兩相鄰波包的間隔越大。地層回波的幅度可以逐個(gè)衰減(對于均勻地層)，也可以有大有小。可以通過微控制器送出的波形改變幅度，也可以通過DDS送出的波形改變幅度，達(dá)到比較真實(shí)的模擬地層回波的時(shí)間和幅度結(jié)構(gòu)。
該模擬器也具有普通信號(hào)發(fā)生器的功能，它可以輸出常用信號(hào)發(fā)生器所能輸出的正弦波、三角波、方波等信號(hào)，而且輸出的頻率可以低到0.1Hz以下，高達(dá)20MHz以上。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明提供的地層回聲信號(hào)模擬器利用直接數(shù)字合成(DDS)技術(shù)與乘法器和控制器相結(jié)合，從而可以產(chǎn)生比較逼真的地層回聲信號(hào)，該信號(hào)無論頻率、幅度、輸出的位置、數(shù)量都可以根據(jù)需要來設(shè)置。
該地層回聲信號(hào)模擬器用能產(chǎn)生具有與地層回聲信號(hào)相似的時(shí)間和幅度結(jié)構(gòu)的模擬信號(hào)，該信號(hào)對于地質(zhì)聲納設(shè)備的研發(fā)和調(diào)試來說是很有必要的。而且該模擬器輸出的信號(hào)可以滿足目前大多數(shù)聲納設(shè)備的調(diào)試信號(hào)的要求。同樣，適當(dāng)提高工作頻率可以作為雷達(dá)設(shè)備目標(biāo)反射回波的模擬信號(hào)發(fā)生器。


圖1是目前常用的聲納調(diào)試信號(hào)波形圖；圖2是本發(fā)明提供的地層回聲信號(hào)模擬器輸出的波形示例；圖3是本發(fā)明的地層回聲信號(hào)模擬器的組成框圖；圖4是本發(fā)明的由DDS輸出的波形圖；圖5是本發(fā)明的由控制器送往模擬乘法器的信號(hào)波形圖；圖6是本發(fā)明的由功率放大器輸出的地層模擬信號(hào)波形圖；圖7是本發(fā)明的數(shù)字化地層回聲信號(hào)模擬器電原理框圖；具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
實(shí)施例1(不帶遠(yuǎn)程控制的模擬器)參考圖7，制作一數(shù)字化地層回聲信號(hào)模擬器，它包括一DDS集成電路采用AD9834芯片，該芯片帶有輸出幅度調(diào)節(jié)功能，直接數(shù)字合成(DDS)單元用來產(chǎn)生頻率非常精準(zhǔn)的正弦信號(hào)輸出，它的頻率精確度可以達(dá)到最大輸出頻率的1/228或者更高，而且失真非常??；由該DDS集成電路芯片輸出的信號(hào)的波形圖如圖4所示；一控制器采用ADUC812芯片，該微控制器一方面通過控制線來設(shè)定DDS集成電路輸出信號(hào)的頻率，也可以輸出一個(gè)模擬信號(hào)來控制DDS輸出的正弦波的幅度的大小，這樣就可以在DDS的輸出端得到一個(gè)頻率穩(wěn)定、幅度可調(diào)的連續(xù)正弦波信號(hào)；由控制器送往乘法器的信號(hào)的波形如圖5所示；乘法器采用AD835芯片，該乘法器的輸入有兩路，一路來自DDS的輸出，另一路是由微控制器送來的反應(yīng)位置信息的控制信號(hào)。該乘法器對這兩路信號(hào)進(jìn)行乘法運(yùn)算。經(jīng)乘法器后就得到了所需要的地層回聲信號(hào)；經(jīng)乘法器運(yùn)算后輸出的信號(hào)的波形圖如圖6所示；外觸發(fā)信號(hào)端(外觸發(fā)信號(hào)由外部其它設(shè)備提供，比如待測聲納等)，該模擬器可以自主工作(自主工作方式)，也可以在外部設(shè)備的控制下同步工作(外觸發(fā)方式)。需要外觸發(fā)方式工作時(shí)，外部設(shè)備(比如待測地質(zhì)聲納設(shè)備)提供一個(gè)外觸發(fā)信號(hào)，以便地層回聲模擬器產(chǎn)生的回聲信號(hào)在時(shí)間上與外部設(shè)備同步。
內(nèi)同步輸出端，該端口的輸出信號(hào)為一脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)的極性和脈沖寬度可以通過鍵盤來設(shè)定。如果該模擬器工作在自主方式，它利用內(nèi)同步輸出向外部設(shè)備提供一個(gè)同步脈沖(同步脈沖的極性和脈沖寬度可以根據(jù)需要設(shè)定)，該模擬器輸出的地層回聲信號(hào)在時(shí)間上與此信號(hào)同步，外部設(shè)備通過這個(gè)同步信號(hào)來保持和模擬器輸出信號(hào)的同步工作。
鍵盤采用4×5陣列(共20個(gè)鍵)鍵盤，可以通過該鍵盤來修改或設(shè)定模擬信號(hào)的波形結(jié)構(gòu)。比如可以設(shè)定它所輸出的填充信號(hào)的頻率，脈沖寬度，其中包含的地層回波的個(gè)數(shù)、間隔、幅度、每秒重復(fù)輸出的次數(shù)等。
功率驅(qū)動(dòng)電路采用一高速小功率放大器(可以根據(jù)實(shí)際要模擬的信號(hào)的頻率選用)，這里考慮到該模擬器的通用性，本實(shí)施例功率驅(qū)動(dòng)電路采用的是AD8021，由于經(jīng)乘法器輸出的地層回聲信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力比較弱，加上一級(jí)功率驅(qū)動(dòng)電路可使模擬器輸出的信號(hào)帶有一定的功率，使模擬器可以直接用與測試換能器，尤其是高頻換能器電連接。經(jīng)功率放大器輸出的信號(hào)的波形圖如圖6所示。
所述外觸發(fā)信號(hào)端和內(nèi)同步輸出端分別插入了電平轉(zhuǎn)換電路，這里采用Max232，為的是滿足不同設(shè)備的使用。因?yàn)樵缙诘脑O(shè)備的觸發(fā)電壓一般比較高，而最近研發(fā)的設(shè)備的觸發(fā)信號(hào)的電平越來越低；該模擬器的電源取自市電(220V)，220V交流電經(jīng)變壓器降壓，再經(jīng)整流濾波后給出+/-15V和+/-5V電壓，供給該模擬器的各功能部件控制器、DDS集成電路、內(nèi)同步信號(hào)輸出、外同步輸入、電平轉(zhuǎn)換和功率驅(qū)動(dòng)等，功率不超過10W。
該模擬器的內(nèi)部工作過程如下在外部設(shè)備提供的外觸發(fā)脈沖的觸發(fā)下(外觸發(fā)方式)或者在內(nèi)部程序的控制下(自主工作方式)定時(shí)發(fā)出預(yù)定的模擬信號(hào)。在使用前，應(yīng)該先通過鍵盤設(shè)定模擬信號(hào)的波形結(jié)構(gòu)，鍵盤輸入的模擬信號(hào)的參數(shù)如果正確會(huì)被立即完成設(shè)置，如果錯(cuò)誤會(huì)被放棄，仍舊使用原來的設(shè)置。波形結(jié)構(gòu)設(shè)定好之后，模擬器就按照預(yù)設(shè)的工作方式開始輸出模擬信號(hào)?？刂破鹘拥酵庥|發(fā)信號(hào)后，啟動(dòng)DDS，開放功率放大器，輸出預(yù)設(shè)的模擬信號(hào)。一旦輸出完成，控制器會(huì)立即關(guān)閉功率放大器，使其處于省電狀態(tài)。如果外觸發(fā)信號(hào)再次到來或者內(nèi)部程序控制時(shí)間間隔結(jié)束，又會(huì)啟動(dòng)下一次信號(hào)的輸出，如此反復(fù)下去。
作為舉例，在圖6中給出該模擬器輸出的三個(gè)地層回波信號(hào)的情形，當(dāng)然可以有多個(gè)或只有一個(gè)。如果需要多個(gè)地層回波信號(hào)，就讓控制器送出的波形中的波包的數(shù)量增加到所需的數(shù)量；如果要模擬不同厚度的地層的回聲，就將相鄰兩個(gè)波包的間隔根據(jù)地層的厚度來設(shè)定，地層厚度越大，兩相鄰波包的間隔越大。地層回波的幅度可以逐個(gè)衰減(對于均勻地層)，也可以有大有小。可以通過微控制器送出的波形改變幅度，也可以通過DDS送出的波形改變幅度，達(dá)到比較真實(shí)的模擬地層回波的時(shí)間和幅度結(jié)構(gòu)。
該模擬器也具有普通信號(hào)發(fā)生器的功能。它可以輸出常用信號(hào)發(fā)生器所能輸出的正弦波、三角波、方波等信號(hào)，而且輸出的頻率可以低到0.1Hz以下，高達(dá)20MHz以上。
實(shí)施例2(帶遠(yuǎn)程控制的模擬器)如圖7所示，該模擬器還包括RS232接口，該RS232接口采用Max3232芯片，與控制器電連接，用于對該模擬器的遠(yuǎn)程控制。所有鍵盤輸入的參數(shù)都可以通過RS232接口來實(shí)現(xiàn)，通過該接口可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測量。其他要求如實(shí)施例1所述。
實(shí)施例3(帶遠(yuǎn)程控制的模擬器)
如圖7所示，該模擬器還包括USB控制器，該接口USB控制器采用Cy7c68013芯片，與控制器電連接，用于對該模擬器的遠(yuǎn)程控制。所有鍵盤輸入的參數(shù)都可以通過USB控制器來實(shí)現(xiàn)，通過該USB控制器可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測量。其他要求如
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字化地層回聲信號(hào)模擬器，包括一內(nèi)同步信號(hào)輸出端口、鍵盤和電源，其特征在于還包括一控制器、DDS集成電路和乘法器；其中鍵盤與控制器直接相連，用于設(shè)定模擬器輸出信號(hào)的各種參數(shù)，電源給控制器、內(nèi)同步輸出、DDS和乘法器等各功能部件供電；內(nèi)同步輸出與控制器電連接，用于向外部設(shè)備提供一個(gè)同步脈沖，該同步脈沖的極性和脈沖寬度根據(jù)需要通過鍵盤設(shè)定；DDS集成電路調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的幅度和頻率；控制器一方面通過控制線來設(shè)定DDS集成電路輸出信號(hào)的頻率，另一方面輸出一個(gè)模擬信號(hào)來控制DDS集成電路輸出的正弦波的幅度的大小，同時(shí)為模擬乘法器發(fā)送反應(yīng)位置信息的控制信號(hào)；所述乘法器的輸入有兩路，一路來自DDS集成電路的輸出，另一路是由控制器送來的反應(yīng)位置信息的控制信號(hào)；該乘法器對這兩路信號(hào)進(jìn)行乘法運(yùn)算，然后輸出信號(hào)。
2.按權(quán)利要求1所述的數(shù)字化地層回聲信號(hào)模擬器，其特征在于它還包括功率放大器、外觸發(fā)信號(hào)端和RS232/USB接口，所述功率放大器接受控制器的指令控制，用于將乘法器的輸出信號(hào)放大，使得該模擬器直接與測試換能器設(shè)備連接；所述鍵盤、RS232/USB接口與控制器電連接，用于修改或設(shè)定模擬信號(hào)的波形結(jié)構(gòu)，設(shè)定它所輸出的填充信號(hào)的頻率，脈沖寬度，其中包含的地層回波的個(gè)數(shù)、間隔、幅度、每秒重復(fù)輸出的次數(shù)；所有鍵盤輸入的參數(shù)通過RS232/USB接口實(shí)現(xiàn)。
3.按權(quán)利要求1或2所述的數(shù)字化地層回聲信號(hào)模擬器，其特征在于，所述的DDS集成電路采用AD9834芯片、AD9833芯片或者AD9850芯片。
4.按權(quán)利要求1或2所述的數(shù)字化地層回聲信號(hào)模擬器，其特征在于，所述的控制器采用ADUC812芯片或者ADUC832、ADUC841、MSP430系列微控制器。
5.按權(quán)利要求1所述的數(shù)字化地層回聲信號(hào)模擬器，其特征在于，所述的乘法器采用AD835芯片，或者AD834芯片、MPY634芯片。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種數(shù)字化地層回聲信號(hào)模擬器，包括一內(nèi)同步信號(hào)輸出源與控制器電連接，用于向外部設(shè)備提供一個(gè)同步脈沖，該同步脈沖的極性和脈沖寬度可以根據(jù)需要設(shè)定；DDS集成電路調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的幅度；控制器一方面通過控制線來來設(shè)定DDS集成電路輸出信號(hào)的頻率，另一方面輸出一個(gè)模擬信號(hào)來控制DDS集成電路輸出的正弦波的幅度的大小，同時(shí)為模擬乘法器發(fā)送反應(yīng)位置信息的控制信號(hào)；所述乘法器的輸入有兩路，一路來自DDS集成電路的輸出，另一路是由控制器送來的反應(yīng)位置信息的控制信號(hào)；該乘法器對這兩路信號(hào)進(jìn)行乘法運(yùn)算，然后輸出信號(hào)。本發(fā)明的模擬器輸出的信號(hào)可以滿足目前大多數(shù)聲納設(shè)備的調(diào)試信號(hào)的要求。
文檔編號(hào)G01S15/00GK1790055SQ20041009884
公開日2006年6月21日 申請日期2004年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月17日
發(fā)明者王潤田, 朱群峰 申請人:中國科學(xué)院聲學(xué)研究所