专利名称：一种数字化地层回声信号模拟器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种信号模拟器，特别是涉及一种应用在地质声纳研发和生产过程中，利用现代电子技术产生模拟地层回声信号的数字化地层回声信号模拟器。
背景技术：
目前各类地质声纳中，比如探测各种深度的地层剖面仪、测深仪等声纳设备的研发和生产过程中，常常需要在实验室对设备进行测试，以检验是否达到预期的技术指标或产品性能指标，这个过程需要给待测试的设备一个测试信号。目前常用的测试信号是用普通的信号源加上键控信号来实现的。信号源可以是实验室常用的普通信号发生器；键控器的作用是将信号源发出的连续信号截断成如图1所示的带有填充的脉冲信号。现在也有比较高档的信号源可以直接输出如图1所示的信号，比如NF1930多功能信号发生器。但是，这种信号最大的问题是幅度恒定，输出的模拟声信号单一，和实际的地层回声信号相差甚远。
为了克服这些问题，有时将实测到的地层回声信号录制下来，再固化到一个存储体中，在使用时只要反复回放即可。这样获得的测试信号是真实的。但是，这种测试信号的周期和幅度是固定的，即使反复回放，得到的测试信号也只是一段信号的重复，没有变化，也不具备普遍性，使用起来不方便。
目前市场上没有专门用于地质声纳调试的专用信号源或模拟器，通常使用的是普通信号源，使用不方便，又没有地层回声的结构特性和时域特征。图2是本发明所提出的一种数字化地层回声信号模拟器产生的模拟地层回声的信号波形结构，比较波形图1和图2，不难看出目前常用普通信号源加键控的方式提供的模拟信号幅度恒定，在每次触发下一般只能输出一个回声信号，(因为幅度恒定，再输出第二个信号已没有太多的实际意义)，这与实际情况相差甚远。实际情况是声波遇到水底会反射回来一个回波，声波的一部份能量传入地下，遇到一个沉积层界面，就返回一个回波，由于能量的损失，回波幅度要减小一些，直到声波的能量消耗殆�。洳ㄐ谓峁拐缤�2所示。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有用于地质声纳调试时所采用的测试信号存在的问题，从而提供一种数字化地层回声信号模拟器，利用直接数字合成(DDS)技术与微控制器相结合，产生比较逼真的模拟地层回声信号；该模拟器可以根据需要来设置所提供的模拟声信号的频率、幅度、输出的位置、回声的次数；并且利用该模拟器产生的模拟地层回声信号具有普遍性，既可以作为各类地质声纳的测试信号和性能评估信号，也可以作为一般声纳的测试信号。
本发明的目的是这样实现的本发明提供的数字化地层回声信号模拟器(如图3所示)，包括一内同步信号输出端口、键盘和电源，其特征在于，还包括一控制器、DDS集成电路和乘法器。其中键盘与控制器直接相连，用于设定模拟器输出信号的各种参数，电源给控制器、内同步输出、DDS和乘法器等各功能部件供电；内同步输出与控制器电连接，用于向外部设备提供一个同步脉冲，该同步脉冲的极性和脉冲宽度可以根据需要通过键盘设定；DDS集成电路调节输出信号的幅度和频率；控制器一方面通过控制线来来设定DDS集成电路输出信号的频率，另一方面输出一个模拟信号来控制DDS集成电路输出的正弦波的幅度的大�。蔽Ｄ獬朔ㄆ鞣⑺头从ξ恢眯畔⒌目刂菩藕牛凰龀朔ㄆ鞯氖淙胗辛铰罚宦防醋訢DS集成电路的输出，另一路是由控制器送来的反应位置信息的控制信号；该乘法器对这两路信号进行乘法运算，然后输出信号。
该模拟器还包括功率放大器、外触发信号端和RS232/USB接口，所述功率放大器接受控制器的指令控制，用于将乘法器的输出信号放大，使得该模拟器可以直接与测试换能器尤其是高频换能器等设备连接；所述外触发信号端与控制器电连接，用于提供一个外触发信号，使本模拟器可以在外部设备的控制下同步工作，以便地层回声模拟器产生的回声信号在时间上与外部设备同步；所述内同步输出端与控制器电连接，用于向外部设备提供一个同步脉冲，该同步脉冲的极性和脉冲宽度可以根据需要设定；所述键盘、RS232/USB接口与控制器电连接，用于修改或设定模拟信号的波形结构，可以设定它所输出的填充信号的频率，脉冲宽度，其中包含的地层回波的个数、间隔、幅度、每秒重复输出的次数；所有键盘输入的参数都可以通过RS232/USB接口来实现。通过该RS232/USB接口可以实现自动化测量。
在上述的技术方案中，所述的DDS集成电路采用AD9834芯片，或者AD9833、AD9850；该芯片带有输出幅度调节功能，直接数字合成(DDS)单元用来产生频率非常精准的正弦信号输出，它的频率精确度可以达到最大输出频率的1/228或者更高，而且失真非常�。挥筛肈DS集成电路芯片输出的信号的波形图如图4所示；在上述的技术方案中，所述的控制器采用ADUC812芯片或者AduC832、AduC841、MSP430系列微控制器，该微控制器一方面通过控制线来设定DDS集成电路输出信号的频率，也可以输出一个模拟信号来控制DDS输出的正弦波的幅度的大�。庋涂梢栽贒DS的输出端得到一个频率稳定、幅度可调的连续正弦波信号；由控制器送往乘法器的信号的波形如图5所示；在上述的技术方案中，乘法器采用AD835芯片、AD834芯片或者MPY634芯片，提供给该乘法器的输入有两路，一路来自DDS的输出，另一路是由微控制器送来的反应位置信息的控制信号。该乘法器对这两路信号进行乘法运算，经乘法器运算后就得到了所需要的地层回声信号，该输出的信号的波形图如图6所示；该模拟器的工作过程如下在外部设备提供的外触发脉冲的触发下(外触发方式)或者在内部程序的控制下(自主工作方式)定时发出预定的声信号。在使用前，应该先通过键盘或者RS232/USB接口设定模拟信号的波形结构，键盘输入的模拟信号的参数如果正确会被立即完成设置，如果错误会被放弃，仍旧使用原来的设置。控制器接到外触发信号后(或者在内部程序的控制下自主工作)，启动DDS集成电路，开放功率放大器，输出预设的模拟信号。一旦输出完成，控制器会立即关闭功率放大器，使其处于省电状态。如果外触发信号再次到来或者内部程序控制时间间隔结束，又会启动下一次信号的输出，如此反复下去。
图6中给出该模拟器输出的三个地层回波信号的情形，当然可以有多个或只有一个。如果需要多个地层回波信号，就让控制器送出的波形中的波包的数量增加到所需的数量；如果要模拟不同厚度的地层的回声，就将相邻两个波包的间隔根据地层的厚度来设定，地层厚度越大，两相邻波包的间隔越大。地层回波的幅度可以逐个衰减(对于均匀地层)，也可以有大有小。可以通过微控制器送出的波形改变幅度，也可以通过DDS送出的波形改变幅度，达到比较真实的模拟地层回波的时间和幅度结构。
该模拟器也具有普通信号发生器的功能，它可以输出常用信号发生器所能输出的正弦波、三角波、方波等信号，而且输出的频率可以低到0.1Hz以下，高达20MHz以上。
本发明的优点在于本发明提供的地层回声信号模拟器利用直接数字合成(DDS)技术与乘法器和控制器相结合，从而可以产生比较逼真的地层回声信号，该信号无论频率、幅度、输出的位置、数量都可以根据需要来设置。
该地层回声信号模拟器用能产生具有与地层回声信号相似的时间和幅度结构的模拟信号，该信号对于地质声纳设备的研发和调试来说是很有必要的。而且该模拟器输出的信号可以满足目前大多数声纳设备的调试信号的要求。同样，适当提高工作频率可以作为雷达设备目标反射回波的模拟信号发生器。
图1是目前常用的声纳调试信号波形图；图2是本发明提供的地层回声信号模拟器输出的波形示例；图3是本发明的地层回声信号模拟器的组成框图；图4是本发明的由DDS输出的波形图；图5是本发明的由控制器送往模拟乘法器的信号波形图；图6是本发明的由功率放大器输出的地层模拟信号波形图；图7是本发明的数字化地层回声信号模拟器电原理框图；具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的描述。
实施例1(不带远程控制的模拟器)参考图7，制作一数字化地层回声信号模拟器，它包括一DDS集成电路采用AD9834芯片，该芯片带有输出幅度调节功能，直接数字合成(DDS)单元用来产生频率非常精准的正弦信号输出，它的频率精确度可以达到最大输出频率的1/228或者更高，而且失真非常�。挥筛肈DS集成电路芯片输出的信号的波形图如图4所示；一控制器采用ADUC812芯片，该微控制器一方面通过控制线来设定DDS集成电路输出信号的频率，也可以输出一个模拟信号来控制DDS输出的正弦波的幅度的大�。庋涂梢栽贒DS的输出端得到一个频率稳定、幅度可调的连续正弦波信号；由控制器送往乘法器的信号的波形如图5所示；乘法器采用AD835芯片，该乘法器的输入有两路，一路来自DDS的输出，另一路是由微控制器送来的反应位置信息的控制信号。该乘法器对这两路信号进行乘法运算。经乘法器后就得到了所需要的地层回声信号；经乘法器运算后输出的信号的波形图如图6所示；外触发信号端(外触发信号由外部其它设备提供，比如待测声纳等)，该模拟器可以自主工作(自主工作方式)，也可以在外部设备的控制下同步工作(外触发方式)。需要外触发方式工作时，外部设备(比如待测地质声纳设备)提供一个外触发信号，以便地层回声模拟器产生的回声信号在时间上与外部设备同步。
内同步输出端，该端口的输出信号为一脉冲信号，脉冲信号的极性和脉冲宽度可以通过键盘来设定。如果该模拟器工作在自主方式，它利用内同步输出向外部设备提供一个同步脉冲(同步脉冲的极性和脉冲宽度可以根据需要设定)，该模拟器输出的地层回声信号在时间上与此信号同步，外部设备通过这个同步信号来保持和模拟器输出信号的同步工作。
键盘采用4×5阵列(共20个键)键盘，可以通过该键盘来修改或设定模拟信号的波形结构。比如可以设定它所输出的填充信号的频率，脉冲宽度，其中包含的地层回波的个数、间隔、幅度、每秒重复输出的次数等。
功率驱动电路采用一高速小功率放大器(可以根据实际要模拟的信号的频率选用)，这里考虑到该模拟器的通用性，本实施例功率驱动电路采用的是AD8021，由于经乘法器输出的地层回声信号驱动能力比较弱，加上一级功率驱动电路可使模拟器输出的信号带有一定的功率，使模拟器可以直接用与测试换能器，尤其是高频换能器电连接。经功率放大器输出的信号的波形图如图6所示。
所述外触发信号端和内同步输出端分别插入了电平转换电路，这里采用Max232，为的是满足不同设备的使用。因为早期的设备的触发电压一般比较高，而最近研发的设备的触发信号的电平越来越低；该模拟器的电源取自市电(220V)，220V交流电经变压器降压，再经整流滤波后给出+/-15V和+/-5V电压，供给该模拟器的各功能部件控制器、DDS集成电路、内同步信号输出、外同步输入、电平转换和功率驱动等，功率不超过10W。
该模拟器的内部工作过程如下在外部设备提供的外触发脉冲的触发下(外触发方式)或者在内部程序的控制下(自主工作方式)定时发出预定的模拟信号。在使用前，应该先通过键盘设定模拟信号的波形结构，键盘输入的模拟信号的参数如果正确会被立即完成设置，如果错误会被放弃，仍旧使用原来的设置。波形结构设定好之后，模拟器就按照预设的工作方式开始输出模拟信号。控制器接到外触发信号后，启动DDS，开放功率放大器，输出预设的模拟信号。一旦输出完成，控制器会立即关闭功率放大器，使其处于省电状态。如果外触发信号再次到来或者内部程序控制时间间隔结束，又会启动下一次信号的输出，如此反复下去。
作为举例，在图6中给出该模拟器输出的三个地层回波信号的情形，当然可以有多个或只有一个。如果需要多个地层回波信号，就让控制器送出的波形中的波包的数量增加到所需的数量；如果要模拟不同厚度的地层的回声，就将相邻两个波包的间隔根据地层的厚度来设定，地层厚度越大，两相邻波包的间隔越大。地层回波的幅度可以逐个衰减(对于均匀地层)，也可以有大有小。可以通过微控制器送出的波形改变幅度，也可以通过DDS送出的波形改变幅度，达到比较真实的模拟地层回波的时间和幅度结构。
该模拟器也具有普通信号发生器的功能。它可以输出常用信号发生器所能输出的正弦波、三角波、方波等信号，而且输出的频率可以低到0.1Hz以下，高达20MHz以上。
实施例2(带远程控制的模拟器)如图7所示，该模拟器还包括RS232接口，该RS232接口采用Max3232芯片，与控制器电连接，用于对该模拟器的远程控制。所有键盘输入的参数都可以通过RS232接口来实现，通过该接口可以实现自动化测量。其他要求如实施例1所述。
实施例3(带远程控制的模拟器)
如图7所示，该模拟器还包括USB控制器，该接口USB控制器采用Cy7c68013芯片，与控制器电连接，用于对该模拟器的远程控制。所有键盘输入的参数都可以通过USB控制器来实现，通过该USB控制器可以实现自动化测量。其他要求如
权利要求
1.一种数字化地层回声信号模拟器，包括一内同步信号输出端口、键盘和电源，其特征在于还包括一控制器、DDS集成电路和乘法器；其中键盘与控制器直接相连，用于设定模拟器输出信号的各种参数，电源给控制器、内同步输出、DDS和乘法器等各功能部件供电；内同步输出与控制器电连接，用于向外部设备提供一个同步脉冲，该同步脉冲的极性和脉冲宽度根据需要通过键盘设定；DDS集成电路调节输出信号的幅度和频率；控制器一方面通过控制线来设定DDS集成电路输出信号的频率，另一方面输出一个模拟信号来控制DDS集成电路输出的正弦波的幅度的大�。蔽Ｄ獬朔ㄆ鞣⑺头从ξ恢眯畔⒌目刂菩藕牛凰龀朔ㄆ鞯氖淙胗辛铰罚宦防醋訢DS集成电路的输出，另一路是由控制器送来的反应位置信息的控制信号；该乘法器对这两路信号进行乘法运算，然后输出信号。
2.按权利要求1所述的数字化地层回声信号模拟器，其特征在于它还包括功率放大器、外触发信号端和RS232/USB接口，所述功率放大器接受控制器的指令控制，用于将乘法器的输出信号放大，使得该模拟器直接与测试换能器设备连接；所述键盘、RS232/USB接口与控制器电连接，用于修改或设定模拟信号的波形结构，设定它所输出的填充信号的频率，脉冲宽度，其中包含的地层回波的个数、间隔、幅度、每秒重复输出的次数；所有键盘输入的参数通过RS232/USB接口实现。
3.按权利要求1或2所述的数字化地层回声信号模拟器，其特征在于，所述的DDS集成电路采用AD9834芯片、AD9833芯片或者AD9850芯片。
4.按权利要求1或2所述的数字化地层回声信号模拟器，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.按权利要求1所述的数字化地层回声信号模拟器，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
本发明涉及一种数字化地层回声信号模拟器，包括一内同步信号输出源与控制器电连接，用于向外部设备提供一个同步脉冲，该同步脉冲的极性和脉冲宽度可以根据需要设定；DDS集成电路调节输出信号的幅度；控制器一方面通过控制线来来设定DDS集成电路输出信号的频率，另一方面输出一个模拟信号来控制DDS集成电路输出的正弦波的幅度的大�。蔽Ｄ獬朔ㄆ鞣⑺头从ξ恢眯畔⒌目刂菩藕牛凰龀朔ㄆ鞯氖淙胗辛铰罚宦防醋訢DS集成电路的输出，另一路是由控制器送来的反应位置信息的控制信号；该乘法器对这两路信号进行乘法运算，然后输出信号。本发明的模拟器输出的信号可以满足目前大多数声纳设备的调试信号的要求。
文档编号G01S15/00GK1790055SQ20041009884
公开日2006年6月21日 申请日期2004年12月17日 优先权日2004年12月17日
发明者王润田, 朱群峰 申请人:中国科学院声学研究所
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
