一種多波束測深儀多路相控發射機的製作方法
2023-12-01 15:54:01
本實用新型涉及海洋探測領域，尤其涉及一種多波束測深儀多路相控發射機。
背景技術：
圖像聲吶即利用聲波的成像系統，比普通聲吶具有更高的解析度，可以提供水下目標外形輪廓的更多細節描述，而不是把水下目標看成一個點目標。成像時，能夠提供高質量的圖像，可以對目標進行進一步的跟蹤和識別。為了使得圖像聲吶具有更高的解析度，單一換能器已經無法滿足需求，而要用換能器陣來實現。發射系統是圖像聲吶的重要組成部分，由於負載是換能器陣結構，這就需要用到波束形成技術，即要用到相控發射系統。現有的相控發射機硬體規模比較大，不適合在水下小平臺載體上搭載使用。另一方面，電源系統輸出電壓不可調節，導致聲源級不可調，提供不合適的能量來處理接收到的數據，會出現能量過弱或二次回波過強的現象。與此之外，發射換能器陣元所需的大功率電源電壓無法受到保證。
技術實現要素：
本實用新型的目的在於克服現有技術的不足，適應現實需要，從而提供了一種多波束測深儀多路相控發射機。
為實現上述目的，本實用新型提供了一種多波束測深儀多路相控發射機。該發射機包括信號產生單元、電源單元、儲能單元、電路橋接單元、多路發射電路處理單元和多個發射換能器陣元，
所述信號產生單元與電路橋接單元相連，用以產生多路差分信號；
所述電路橋接單元與所述多路發射電路處理單元和多個發射換能器陣元分別相連，用以將產生的差分信號送至發射電路處理單元，每路差分信號對應一路發射電路處理單元，每路發射電路處理單元對應一個發射換能器陣元；
所述每路發射電路處理單元包括隔離電路、保護驅動電路和功率放大電路，用以將每路差分信號進行隔離、保護驅動和功率放大後送入對應的發射換能器陣元；
所述電源單元包括第一固定DC-DC電源模塊、第二固定DC-DC電源模塊和第一可調DC-DC電源模塊和控制單元，第一固定DC-DC電源模塊與隔離電路和保護驅動電路相連，用以向隔離電路和保護驅動電路提供固定電壓；第二固定DC-DC電源模塊與控制單元相連，用以向控制單元提供固定電壓；控制單元與第一可調DC-DC電源模塊相連，用以控制第一可調DC-DC電源模塊，實現輸出電壓大小的調節；第一可調DC-DC電源模塊與儲能單元相連，用以輸出可調電壓並進行儲能後再供給功率放大電路。
優選地，所述信號產生單元由FPGA器件實現。
優選地，所述儲能單元包括多個並聯電容。
優選地，所述電路橋接單元包括多個變壓器。
優選地，所述隔離電路包括光電耦合器。
優選地，所述保護驅動電路包括觸發器、與門、驅動器和反饋電路，所述觸發器與與門相連，與門與驅動器和反饋電路相連，反饋電路與觸發器相連，與門輸出的信號經反饋電路處理後輸入到觸發器，觸發器輸出的差分信號分別與輸入端差分信號通過與門進行邏輯運算後輸出至驅動器。
優選地，所述功率放大電路採用MOS管D類推挽放大電路。
本實用新型的多路相控發射機採用的多路發射電路，能夠克服單路發射電路功率受限的問題，通過多路發射電路並聯使用來提高發射換能器陣元的聲源級，同時在保證聲源級的前提下，減小電路體積，實現發射換能器陣元高效、穩定工作。另一方面，多路相控發射機採用電源可調及大電容儲能技術，針對不同水深時，通過調節電壓的高低來調節發射換能器陣元的聲源級，這樣可以提供合適的能量來處理接收到的數據，不至於出現能量過弱或二次回波過強的現象；採用大電容儲能技術可以保證發射換能器陣元所需的大功率電源電壓。
附圖說明
圖1為本實用新型的一種多波束測深儀多路相控發射機的結構框圖；
圖2為圖1中電源單元和發射電路處理單元的具體結構框圖；
圖3為本實用新型的發射電路處理單元的保護驅動電路的結構示意圖；
圖4為本實用新型的發射電路處理單元的功率放大電路的結構示意圖；
圖5為本實用新型的電路橋接單元的結構示意圖；
圖6為本實用新型的儲能單元的結構示意圖。
具體實施方式
為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。需要說明的是，附圖僅為示例性說明，並未按照嚴格比例繪製，而且其中可能有為描述便利而進行的局部放大、縮小，對於公知部分結構亦可能有一定預設。
請參閱圖1至圖2，本實用新型的一種多波束測深儀多路相控發射機一個實施例，包括：信號產生單元、電源單元、儲能單元、電路橋接單元、多路發射電路處理單元和多個發射換能器陣元。
信號產生單元與電路橋接單元相連，主要負責產生多路差分信號。
電路橋接單元與多路發射電路處理單元和多個發射換能器陣元分別相連，用以將產生的差分信號送至多路發射電路處理單元，每路差分信號對應一路發射電路處理單元，每路發射電路處理單元對應一個發射換能器陣元。
每路發射電路處理單元包括隔離電路、保護驅動電路和功率放大電路，用以將每路差分信號進行隔離、保護驅動和功率放大後送入對應的發射換能器陣元。這是由於信號產生單元發出的差分PWM信號較弱，需經過保護放大等一系列處理後，方可輸出到發射換能器陣元端。
電源單元包括第一固定DC-DC電源模塊、第二固定DC-DC電源模塊和第一可調DC-DC電源模塊和控制單元。
第一固定DC-DC電源模塊與隔離電路和保護驅動電路相連，用以向隔離電路和保護驅動電路提供固定電壓；第二固定DC-DC電源模塊與控制單元相連，用以向控制單元提供固定電壓；控制單元與第一可調DC-DC電源模塊相連，用以控制第一可調DC-DC電源模塊，實現輸出電壓大小的調節；第一可調DC-DC電源模塊與儲能單元相連，用以輸出可調電壓並進行儲能後再供給功率放大電路。採用電源可調及大電容儲能技術，針對不同水深時，通過調節電壓的高低來調節發射換能器陣元的聲源級，這樣可以提供合適的 能量來處理接收到的數據，不至於出現能量過弱或二次回波過強的現象；採用大電容儲能技術可以保證發射換能器陣元所需的大功率電源電壓。
每個發射換能器陣元主要各自接收的差分電信號轉換成聲吶信號發出。
其中，信號產生單元可由FPGA器件來實現，而每路發射電路處理單元中隔離電路可通過光電耦合器來實現。隔離電路主要對信號產生單元發送過來的差分PWM信號進行隔離處理，並提高信號的驅動能力。
以上是對本實用新型提供的一種多波束測深儀多路相控發射機的一個實施例進行詳細的描述，以下將對本實用新型提供的發射電路處理單元的保護驅動電路的一個實施例進行詳細的描述。
請參閱圖3，本實用新型實施例提供了發射電路處理單元的保護驅動電路的一個實施例，由圖3可知，保護驅動電路主要由觸發器、與門和驅動器組成，與門輸出的信號經過反饋電路處理後，輸入到觸發器中，然後觸發器輸出的差分信號分別與輸入端差分PWM信號通過與門進行邏輯運算，這樣可實現對差分PWM信號的最大脈寬限制及避免差分PWM信號出現同時高電平的現象，燒壞後端的功率放大管；與門輸出的差分PWM信號再經過驅動器提高驅動能力。
以上是對本實用新型提供的發射電路處理單元的保護驅動電路的一個實施例進行詳細的描述，以下將對本實用新型提供的發射電路處理單元的功率放大電路的一個實施例進行詳細的描述。
請參閱圖4，本實用新型實施例提供了發射電路處理單元的功率放大電路的一個實施例，由圖4可知，功率放大電路採用MOS管D類推挽放大電路，D類放大器有效率高的優點，最高效率可達90％以上，尤其是在感性負載的情況下，效率可更高。其工作原理是：當差分PWM信號輸入後，當Q1導通時Q2截止，+48V可調電壓注入變壓器，經過初級線圈上半部分，通過Q1流入電源地；變壓器的初級線圈中有從下向上的電流，次級線圈中感應出從下向上的電流。同樣，當Q2導通時Q1截止，次級線圈中感應出從上向下的電流；這樣兩個半周期的信號結過變壓器耦合後在變壓器次級拼成完整的信號，經過發射換能器陣元發射出去。
以上是對本實用新型提供的發射電路處理單元的功率放大電路的一個實施例進行詳細的描述，以下將對本實用新型提供的電路橋接單元的一個實施例進行詳細的描述。
請參閱圖5，本實用新型實施例提供了電路橋接單元的一個實施例，由圖5可知，多路相控發射機的電路橋接單元主要起到信號連接的作用，信號產生單元發出的多路差分PWM信號通過電路橋接單元輸入到對應的發射電路處理單元中，各路PWM差分信號經過各自發射電路處理單元上的電路處理後，再通過電路橋接單元上的變壓器，將處理後的差分信號輸送到發射換能器陣元端，通過發射換能器陣元將電信號轉換成聲吶信號發射出去。
以上是對本實用新型提供的電路橋接單元的一個實施例進行詳細的描述，以下將對本實用新型提供的儲能單元的一個實施例進行詳細的描述。
請參閱圖6，本實用新型實施例提供了儲能單元的一個實施例，由圖6可知，儲能單元連接在電源單元與電路橋接單元之間，主要起到儲能的作用。儲能單元由若干個高壓大容值電容並聯而成，將電源單元輸出的可調電壓經過儲能後，再輸出給功率放大電路使用，提高供電能力。
本實用新型從提高圖像聲吶解析度的角度出發，提出了使用多路相控作為發射探測聲吶信號的方法和多路相控發射機的硬體電路組成，並詳細闡述了電路設計原理。通過本實用新型，解決了單波束髮射換能器陣元聲源級較低和硬體電路體積較大的問題，提高了多波束換能器圖像聲吶解析度。另外採用電源可調及大電容儲能技術，針對不同水深時，通過調節電壓的高低來調節發射換能器陣元的聲源級，這樣可以提供合適的能量來處理接收到的數據，不至於出現能量過弱或二次回波過強的現象；採用大電容儲能技術可以保證發射換能器陣元所需的大功率電源電壓。
以上所述的具體實施方式，對本實用新型的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本實用新型的具體實施方式而已，並不用於限定本實用新型的保護範圍，凡在本實用新型的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。