AD8310在网箱声学监测中的应用

1 引言
    网箱声学监测系统利用超声波监视鱼群的位置和数量，为网箱养殖的过程管理和安全生产提供必要的技术支持和监测手段。鱼群的回波具有很宽的动态范围，线性放大器无法处理这样宽的动态范围，因此在处理回波信号时，必须将其动态范围压缩。目前大部分超声探鱼设备都使用了根据时间修正放大器增益(TVG)的方式，这种方式需要一个可变增益放大器，并预设一条时间增益控制曲线。由于增益变化是事先设定的，因此TVG不具备瞬时压缩的能力，对于混响、目标强度变化、掠射角变化和其他因素造成的信号起伏，它是无能为力的。为了得到相对稳定的输出，有人提出了TVG和自动增益控制(AGC)相结合的方法，虽然能达到较好的效果，但它不适用于网箱监测系统。
    与可变增益放大器不同，对数放大器增益自动与信号大小成反比。随着技术发展，对数放大器从分立元件变为集成电路，体积更小、可靠性高，性价比日益突出。利用对数放大器可直接实现信号瞬时非线性压缩的特点，处理鱼群的回波信号，该系统无须像TVG或AGC那样对放大器增益进行调整，对于网箱内生物监测有较好的实用意义。

2 网箱声学监测系统原理
    网箱声学监测系统的原理如图1所示。

    该系统主要由超声发射、超声接收、信号处理、显示4个部分组成，它利用对多个通道内鱼群的回波信号积分，得到生物量的估计值。由于鱼体对声的反射和折射是一个无法预测的过程，因此这个系统给出的结果只在统计意义下有效。

3 对数放大器AD8310在超声接收中的应用
3．1 AD8310原理
    AD8310是ADI公司生产的多级解调对数放大器，有95dB的动态范围，频率范围为DC~440 MHz，±0．4 dB的线性度，是一性价比很高的对数放大器。其结构框图如图2所示。AD8310内部有6个串联的放大器／限幅器单元，每个单元带宽900 MHz，提供14．3dB的增益，总的增益带宽积(GBW)有10 000 GHz。解调部分由9个检测器共同完成．其中的6个与放大器／限幅器相连用来处理整个动态范围的低2／3部分的信号，其余的信号由剩余的3个检波器处理。9个检测器输出相加后具有分段的近似对数特性，它们输出电流汇合相加后转换为单边模式(2μA／dB)，再经由高速缓冲放大器放大后输出。

3．2 AD8310的电路连接
    图3为AD8310在超声接收电路中的应用连接图。该超声发射频率100 kHz，脉宽0.2 ms。

    VPOS为电源输入，AD8310的工作电压范围很宽。为2．7~5．5 V，极限电压7．5 V。AD8310的高增益和高带宽使它对噪声信号很敏感，在VPOS的引脚旁边放置退耦电容，并为COMM设置一个低阻抗的地层都是很有必要的，除了做好电源退耦和屏蔽，在信号输入的前级必须做好滤波，尽量使用低噪声的器件，否则信号会淹没在噪声里，无法再区分出来。
    ENBL为AD8310的使能端，大于2.3 V时，器件完全工作。可以使用单片机控制，使它在超声脉冲发出后工作，采样结束后立即关闭以降低能耗。
    INHI和INL0都为信号输入端，AD8310的输入阻抗大约l kΩ，这里使用Cl、C2、C3、Rl、R2与AD8310输入端一起组成了一个带通滤波器，其幅频特性如图4所示，相频特性如图5所示。C1、C2为输入耦合电容，当使用单片机控制ENBL时，为了避免启动时的瞬态过程，C1、C2的值必须一样。C3为输出滤波电容，用来减小输出电压的纹波，输出滤波电容CFILT大小为：

   

式中，视频带宽VideoBandWidth一般设为输入信号最低频率的l／10。 
    C4用来降低偏置补偿回路的转折频率。OFLT悬空时，该补偿回路的高通转折频率为2 MHz，添加一个680 pF的电容，降到约90 kHz。转折频率COFLT的大小可以用下面的公式计算：

   
3．3 对数转换后的传播损失补偿
    由于存在传播损失，网箱声学监测系统对回波信号进行积分前，必须对信号进行补偿。
    声波的传播是靠水中质点的振动而依次传递能量，事实上，质点不可能把能量全部传给临近的质点，由于振动的阻尼作用，有一部分能量直接变成热能，消耗在海水中了，这种传播损失称为吸收损失。
    把一个具有声功率W的声源放在无限均匀媒质中，假定传播媒质中功率不损耗，则在距离r处的声功率要分布在的球面上，因此：

   
    声场强度与离声源中心距离的平方成反比，1m处的回波强度与10 m处的回波强度会相差10 000倍，这种能量扩散造成的传播损失称为扩散损失。综上所述，r米处的回波的传播损失为：

   
式中，α称为吸收系数，单位为dB／m。
    AD8310的输入输出关系为：

   
式中，VSLOPE为对数斜率，单位V／dB；PIN为输入电压相，对于参考电平的对数，P0为截距相对于同一参考电平的对数。在图2的电路中，如PIN的单位为dBV，则：

   
    使用AD8310后，扩散损失的补偿由乘法变成了加法，由于换能器输出电压与声压成线性关系，因此补偿后的输出大小为：

   
式中：r为距离，α为吸收系数，DI为指向角增益。

4 试验结果与结论
    AD83lO对鱼群回波信号有很好的动态转换能力，并且简化了传播损失补偿的计算，AD8310能够很好地区分一70dB以上的回波信号，如果提高电路对宽频噪声的抑制能力，它的分辨力还能提高。需要注意的是，AD8310是一款解调对数放大器，在转换的过程中丢失了信号的相位和频率信息，因此只适用于网箱监视系统，对于一些要求精确估计目标方位的系统并不适用。