AD8310在網(wǎng)箱聲學(xué)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

1 引言
    網(wǎng)箱聲學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用超聲波監(jiān)視魚群的位置和數(shù)量，為網(wǎng)箱養(yǎng)殖的過(guò)程管理和安全生產(chǎn)提供必要的技術(shù)支持和監(jiān)測(cè)手段。魚群的回波具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍，線性放大器無(wú)法處理這樣寬的動(dòng)態(tài)范圍，因此在處理回波信號(hào)時(shí)，必須將其動(dòng)態(tài)范圍壓縮。目前大部分超聲探魚設(shè)備都使用了根據(jù)時(shí)間修正放大器增益(TVG)的方式，這種方式需要一個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃?，并預(yù)設(shè)一條時(shí)間增益控制曲線。由于增益變化是事先設(shè)定的，因此TVG不具備瞬時(shí)壓縮的能力，對(duì)于混響、目標(biāo)強(qiáng)度變化、掠射角變化和其他因素造成的信號(hào)起伏，它是無(wú)能為力的。為了得到相對(duì)穩(wěn)定的輸出，有人提出了TVG和自動(dòng)增益控制(AGC)相結(jié)合的方法，雖然能達(dá)到較好的效果，但它不適用于網(wǎng)箱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
    與可變?cè)鲆娣糯笃鞑煌?strong>對(duì)數(shù)放大器增益自動(dòng)與信號(hào)大小成反比。隨著技術(shù)發(fā)展，對(duì)數(shù)放大器從分立元件變?yōu)榧呻娐?，體積更小、可靠性高，性價(jià)比日益突出。利用對(duì)數(shù)放大器可直接實(shí)現(xiàn)信號(hào)瞬時(shí)非線性壓縮的特點(diǎn)，處理魚群的回波信號(hào)，該系統(tǒng)無(wú)須像TVG或AGC那樣對(duì)放大器增益進(jìn)行調(diào)整，對(duì)于網(wǎng)箱內(nèi)生物監(jiān)測(cè)有較好的實(shí)用意義。

2 網(wǎng)箱聲學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理
    網(wǎng)箱聲學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理如圖1所示。

    該系統(tǒng)主要由超聲發(fā)射、超聲接收、信號(hào)處理、顯示4個(gè)部分組成，它利用對(duì)多個(gè)通道內(nèi)魚群的回波信號(hào)積分，得到生物量的估計(jì)值。由于魚體對(duì)聲的反射和折射是一個(gè)無(wú)法預(yù)測(cè)的過(guò)程，因此這個(gè)系統(tǒng)給出的結(jié)果只在統(tǒng)計(jì)意義下有效。

3 對(duì)數(shù)放大器AD8310在超聲接收中的應(yīng)用
3．1 AD8310原理
    AD8310是ADI公司生產(chǎn)的多級(jí)解調(diào)對(duì)數(shù)放大器，有95dB的動(dòng)態(tài)范圍，頻率范圍為DC~440 MHz，±0．4 dB的線性度，是一性價(jià)比很高的對(duì)數(shù)放大器。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。AD8310內(nèi)部有6個(gè)串聯(lián)的放大器／限幅器單元，每個(gè)單元帶寬900 MHz，提供14．3dB的增益，總的增益帶寬積(GBW)有10 000 GHz。解調(diào)部分由9個(gè)檢測(cè)器共同完成．其中的6個(gè)與放大器／限幅器相連用來(lái)處理整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍的低2／3部分的信號(hào)，其余的信號(hào)由剩余的3個(gè)檢波器處理。9個(gè)檢測(cè)器輸出相加后具有分段的近似對(duì)數(shù)特性，它們輸出電流匯合相加后轉(zhuǎn)換為單邊模式(2μA／dB)，再經(jīng)由高速緩沖放大器放大后輸出。

3．2 AD8310的電路連接
    圖3為AD8310在超聲接收電路中的應(yīng)用連接圖。該超聲發(fā)射頻率100 kHz，脈寬0.2 ms。

    VPOS為電源輸入，AD8310的工作電壓范圍很寬。為2．7~5．5 V，極限電壓7．5 V。AD8310的高增益和高帶寬使它對(duì)噪聲信號(hào)很敏感，在VPOS的引腳旁邊放置退耦電容，并為COMM設(shè)置一個(gè)低阻抗的地層都是很有必要的，除了做好電源退耦和屏蔽，在信號(hào)輸入的前級(jí)必須做好濾波，盡量使用低噪聲的器件，否則信號(hào)會(huì)淹沒(méi)在噪聲里，無(wú)法再區(qū)分出來(lái)。
    ENBL為AD8310的使能端，大于2.3 V時(shí)，器件完全工作?？梢允褂脝纹瑱C(jī)控制，使它在超聲脈沖發(fā)出后工作，采樣結(jié)束后立即關(guān)閉以降低能耗。
    INHI和INL0都為信號(hào)輸入端，AD8310的輸入阻抗大約l kΩ，這里使用Cl、C2、C3、Rl、R2與AD8310輸入端一起組成了一個(gè)帶通濾波器，其幅頻特性如圖4所示，相頻特性如圖5所示。C1、C2為輸入耦合電容，當(dāng)使用單片機(jī)控制ENBL時(shí)，為了避免啟動(dòng)時(shí)的瞬態(tài)過(guò)程，C1、C2的值必須一樣。C3為輸出濾波電容，用來(lái)減小輸出電壓的紋波，輸出濾波電容CFILT大小為：

   

式中，視頻帶寬VideoBandWidth一般設(shè)為輸入信號(hào)最低頻率的l／10。 
    C4用來(lái)降低偏置補(bǔ)償回路的轉(zhuǎn)折頻率。OFLT懸空時(shí)，該補(bǔ)償回路的高通轉(zhuǎn)折頻率為2 MHz，添加一個(gè)680 pF的電容，降到約90 kHz。轉(zhuǎn)折頻率COFLT的大小可以用下面的公式計(jì)算：

   
3．3 對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后的傳播損失補(bǔ)償
    由于存在傳播損失，網(wǎng)箱聲學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行積分前，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償。
    聲波的傳播是靠水中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)而依次傳遞能量，事實(shí)上，質(zhì)點(diǎn)不可能把能量全部傳給臨近的質(zhì)點(diǎn)，由于振動(dòng)的阻尼作用，有一部分能量直接變成熱能，消耗在海水中了，這種傳播損失稱為吸收損失。
    把一個(gè)具有聲功率W的聲源放在無(wú)限均勻媒質(zhì)中，假定傳播媒質(zhì)中功率不損耗，則在距離r處的聲功率要分布在的球面上，因此：

   
    聲場(chǎng)強(qiáng)度與離聲源中心距離的平方成反比，1m處的回波強(qiáng)度與10 m處的回波強(qiáng)度會(huì)相差10 000倍，這種能量擴(kuò)散造成的傳播損失稱為擴(kuò)散損失。綜上所述，r米處的回波的傳播損失為：

   
式中，α稱為吸收系數(shù)，單位為dB／m。
    AD8310的輸入輸出關(guān)系為：

   
式中，VSLOPE為對(duì)數(shù)斜率，單位V／dB；PIN為輸入電壓相，對(duì)于參考電平的對(duì)數(shù)，P0為截距相對(duì)于同一參考電平的對(duì)數(shù)。在圖2的電路中，如PIN的單位為dBV，則：

   
    使用AD8310后，擴(kuò)散損失的補(bǔ)償由乘法變成了加法，由于換能器輸出電壓與聲壓成線性關(guān)系，因此補(bǔ)償后的輸出大小為：

   
式中：r為距離，α為吸收系數(shù)，DI為指向角增益。

4 試驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論
    AD83lO對(duì)魚群回波信號(hào)有很好的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換能力，并且簡(jiǎn)化了傳播損失補(bǔ)償?shù)挠?jì)算，AD8310能夠很好地區(qū)分一70dB以上的回波信號(hào)，如果提高電路對(duì)寬頻噪聲的抑制能力，它的分辨力還能提高。需要注意的是，AD8310是一款解調(diào)對(duì)數(shù)放大器，在轉(zhuǎn)換的過(guò)程中丟失了信號(hào)的相位和頻率信息，因此只適用于網(wǎng)箱監(jiān)視系統(tǒng)，對(duì)于一些要求精確估計(jì)目標(biāo)方位的系統(tǒng)并不適用。