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基于国产元件的超短基线定位系统的硬件研制

摘要

我国拥有广阔的海岸线，定位声纳具有高精度定位能力，可以直接为各种大洋深

处的探测设备提供绝对的位置坐标与轨迹，在民用与军用领域发挥着重大作用。芯片

器件作为系统硬件的核心，其性能的优劣直接决定整个系统的稳定性和可靠性程度。

我国声纳定位系统硬件单元目前主要采用国外芯片，随着美国半导体联盟的成立，全

球芯片局势加速恶劣，为保障海洋国防和海洋开发的安全稳定，有必要采用国产芯片

研制超短基线定位系统的硬件单元。

国外芯片的发展和应用较为成熟，由于开发习惯和市场性价比，国内科研人员应

用国产芯片的设计案例少，可参考资料匮乏，给系统硬件国产化带来一定的开发难度。

本文根据声纳硬件单元的板级特点与国内外芯片技术现状，进行系统的总体方案设计，

系统主要分为发射机、接收机、数字板、供电单元四部分。具体工作内容与结果如下：

（1）分析核算发射机技术指标，分别设计隔离电路、驱动电路、功放电路、变压

器与匹配电路。根据需求选取国产芯片，对于功放电路，北京宇翔的CS86N10场效应

管在开关时间、漏源耐压、导通损耗等技术参数上优于国外同类型IRF3710S；对于驱

动电路，中电58所的JS2110作为替代英飞凌IR2110的芯片，驱动电流与散热参数均

优于国外芯片，确保发射机长时间运行的稳定性。根据国产换能器特性，设计变压器

与匹配电路，确保发射机的高声源级。通过发射机电路仿真确认方案的可行性，单板

测试表明基于国产元件的发射机最大声源级达到190dB以上，其均值高于同时期基于

国外元件的发射机，效率达到79%，满足系统发射需求。

（2）分析核算接收机技术指标，分别设计前级放大、可变增益放大、前级滤波、

可变增益放大、后级滤波、末级放大电路。通过对电路的低噪声分析，从增益分配、

低噪声器件、电源滤波、PCB设计等方面进行设计。选取贵州振华的仪表放大器、运

算放大器、中电24所模拟开关等进行放大电路和滤波电路设计，仿真结果与理论相符。

关键芯片独立测试验证了实际环境下芯片性能良好，能够满足需求。单板测试表明基

于国产元件的接收机可以实现通道相位一致性±1°、幅值一致性±0.2dB，滤波器带

宽7kHz，放大器具备44dB、54dB、62dB、72dB的可变增益，单板功率为0.24W，等

效输入噪声最大仅为1.5uV，通过与同时期基于国外芯片的接收机对比，可见性能良好。

（3）根据数字板技术指标，选用国产芯片分别设计FPGA最小硬件系统、数据采

集电路、网络通信电路、串口通信电路等，实现接收信号的采集、转化、传输等功能。

哈尔滨工程大学硕士学位论文

根据需求选取紫光同创Logos系列FPGA、兆易创新FLASH、霍威数字电源板卡、晨

晶电子晶振、中电24所的SAD9240、中电24所的差分运放、国微电子的SM5100网络

接口芯片、中山汉仁电子的网络变压器、芯佰微的CBM232和CBM485串口通信芯片、

纳芯微的NSI8242专用数字隔离芯片等国产芯片设计电路。系统测试表明基于国产元

件的数字板可以实现数据采集功能，采集信号具备良好相位一致性，数字板网络通信

和串口通信功能正常。数字板可以为发射机输出良好的发射脉冲。

（4）根据系统28V/20A的电源供给条件，采用霍威电源等设计发射供电转换单板、

发射板载电源模块、接收板载电源模块、数字供电转换单板四个部分。添加电源滤波

电路从系统源头减少噪声的涉入。测试结果表明各电源模块电压准确，纹波噪声小，

可以满足系统的供电需求。

硬件电路设计完成后，进行单板PCB设计。各单板测试结果证明基于国产元件的

超短基线定位系统硬件单元达到指标需求，具有实际应用价值。

关键词：超短基线定位系统；国产芯片；发射电路；接收电路；数字信号预处理电路

基于国产元件的超短基线定位系统的硬件研制

ABSTRACT

Chinahasavastcoastline,andpositioningsonarhashigh-precisionpositioning