基于FPGA的数字式程控声呐发射机设计与实现

高效率、小型化、高集成度的程控声呐发射机是便携式、数字化和智能化主动声呐的核心功能分机。本文研究了可调占空比数字信号驱动的数字式程控发射机设计方案,在分析可调占空比数字驱动信号技术优势的基础上,以FPGA为核心处理器件,采用D类功率放大电路设计并实现了8通道数字式程控发射机,在40%占空比条件下以超过80%的效率实现了单通道81.3W的功率输出,经各级电路测试和连续周期性工作,验证了设计方案的有效性和各项功能。

水下无人装备声呐发射机自动测试系统设计

针对某型水下无人装备声呐发射机的工作原理和现有声呐发射机检测方式落后、检测能力不足等问题,设计了基于国产PXI总线仪器平台的水下无人装备声呐发射机自动测试系统,实现了声呐发射机的工作电压电流、发射信号频率、发射电压一致性等特性参数的自动测试,同时还实现了测试数据管理、测试平台自检和计量等功能;首先分析了发射机的工作原理和检测需求,进行声呐发射机自动测试系统的总体设计;其次介绍自动测试系统的软硬件平台实现方法和关键技术,包括国产PXI总线仪器选型、接口单元设计、测试平台软件架构设计和实现以及数据处理算法设计和实现等技术;最后对声呐发射机自动测试系统的试验结果进行分析;应用结果表明:该系统能实现某型水下无人装备声呐发射机主要参数的测量,相较传统测试方法,自动测试系统能够节约大量的测试时间与人力,实现测试工作效果的最大化提高,并且还能防止人为因素对测试结果造成的不良影响。

基于D类功放的声呐发射机驱动信号分析

针对声呐发射机对功放电路提出的大输出功率、输出功率可调以及谐波能量小的需求,提出了一种改良的脉冲宽度调制方法.该方法选用中心宽脉冲,两边对称分布两个窄脉冲的半周期三脉冲信号形式,得到了宽窄脉冲间的比例关系,最后通过计算找到了最优的脉冲间距.MATLAB仿真以及水池声呐实验表明,该方法在基波能量的整个变化过程中,3次与5次谐波能量最大不超过基波能量最大处的2%.

一种新型的高频声呐发射机的研制

针对发射机的工作频率和发射功率的要求,设计并实现了一种高频声呐发射机。从基础理论出发,结合功率电路的理论、经验和设计方法,提出一种全新的高频声呐发射机的设计方案。对该声呐发射机进行了水池试验,在工作频率为5 MHz时匹配特定换能器可以满足发射功率要求。

减小声呐发射机余振时长的方法研究

为了解决目前声呐发射机中余振衰减时间较长的问题,首先分析了余振产生的原因及可能有效减小余振衰减时间的方法,并采用实验的方式验证了减少变压器匝数、采用引线电感小的连接线及减小换能器内阻这三种方法的有效性。实验证明这三种方法均可在不同程度上减小声呐发射机的余振时长;采用减少变压器匝数和减小换能器内阻这两种方法,发射机的余振时长可明显减小。余振时长直接影响余振盲区,余振时长的减小为进一步提高多普勒测速仪的性能提供了可能。

基于全桥拓扑的声呐发射机功率电路设计

声呐发射机完成特定形式的电信号的功率放大,通过发射换能器将电信号转换为声信号辐射到水中。介绍了全桥拓扑结构的工作原理和基本电路结构,详细分析了高输入电压下全桥功率电路设计技术难点,完成了全桥电路设计、利用ADuM5230芯片搭建驱动电路及相关波形设计,完成功率电路的制作和调试。实验室可靠性测试表明,该全桥拓扑功率电路工作性能良好,满足设计要求。

声呐发射机中D类功率放大器的设计

声呐发射机的主要作用是产生具有特定形式的大功率电信号,经过匹配网络(提高发射机输出效率)后再通过换能器将电信号转换为声信号。发射机一般包括信号产生器、功率放大器和发射换能器。详细介绍了一种基于MOSFET的半桥式D类功率放大器设计的步骤和方法,并给出了水声换能器假负载的实验波形,信号畸变与失真较小。根据测试结果证明输出50 k Hz左右PWM波时效率达到80%,符合声呐发射机高效率、小体积的设计要求。

声呐发射机驱动信号调制性能的研究

PWM(pulse width modulation)调制和ΣΔ调制方式均能将任意波形信号转化为一位比特流信号,可以作为声呐发射机的驱动信号。为对比研究这2种调制方式在声呐发射机驱动信号调制应用方面的性能,文中将理论分析通过仿真结果,从5种衡量声呐发射机驱动信号调制性能的指标着手做出评价。通过对比得出结论,在声呐发射机应用方面,两者具有相同的电效率,但ΣΔ调制具有更高的输出线性度和更小的谐波失真度。

一种用于声呐发射机的超级电容被动均压简易实用电路

超级电容器的性能不一致性会造成处于串联模式的电容组中个别电容器首先发生过压失效,进而加速整个储能组的失效。现有的均压电路一般工作在线性状态,电路也较复杂,不便于调试和生产。介绍了一种仅由5个元器件组成的简易、实用、高效的开关型被动均压电路,分析了其工作原理及均压特性。该电路在声呐发射机的储能电源中可长期使用,很好地保护了超级电容组。

一种大功率高频声呐发射机的电路设计

介绍大功率高频声呐发射机电路设计的实现方法,主要包括功率器件的单片式集成芯片IR21844的驱动电路设计、功率MOS(Metal Oxide Semiconductor)管驱动变压器电路的设计要求、变压器特性及其参数设计和换能器的阻抗匹配设计等,最终完成大功率、高频率的声呐发射机设计。

一种分时工作的双路声呐发射机研制

针对自容式波浪声学多普勒流速剖面仪(AcousticDopplerCurrentProfilers,ADCP)所需声呐发射机的设计要求,设计并实现了一种分时工作的双路声呐发射机。从工程实际需求出发,结合功率电路的理论、工作经验和设计方法,提出一种全新的分时工作的双路声呐发射机的设计方案,制作出样机,并进行了水池试验。实验结果表明,该分时工作的双路声呐发射机,所选择的发射机通道能准确地输出相应的发射电压,满足自容式波浪ADCP的需求。

高频大功率脉宽调制声呐发射机的研制

介绍了一种基于正弦脉宽调制技术(SinePulseWidthModulation-SPWM)的4kW高频大功率声呐发射机的设计。主要介绍了SPWM信号产生与控制电路、功率放大电路以及发射机与换能器的匹配设计,并给出了具体实验验证结果,突出了当代声呐发射机设计的智能化与小型化。

声呐发射机负载阻抗变化仿真分析

声呐发射机为声呐装备提供了电能支撑,当发射机的负载阻抗不同时其输出也不同。文章针对发射机负载阻抗的变化,分带通滤波拓扑、带通滤波连接电感或电容拓扑、低通滤波拓扑三种不同的典型电路结构,建立了从发射机桥式电路输出电压到负载电压的传递函数,分别给出了典型参数下的Matlab仿真结果,为发射机负载阻抗变化的分析和仿真提供理论参考。

一种基于传导散热的航空声呐发射机的实现方法

航空声呐发射机具有体积小重量轻的设计需求,同时工作温度范围宽,目前常用的散热形式有开放式机箱风冷散热与密封式双层机箱风冷散热。文章针对开放式机箱风冷散热方式内部易形成冷凝水导致器件损坏、密封式双层机箱风冷散热方式增加机箱体积重量的问题,给出了一种基于传导散热的航空声呐发射机的实现方法。文章分析了航空声呐发射机内部的主要热源及其散热设计方法,研制了实物样机并进行了温度试验,测试了主要热源的温升曲线。试验结果表明,热源在器件工作温度范围内达到热平衡,传导散热发射机的实现方法有效且可靠。

基于电压电流双闭环结构的声呐发射机逆变电路控制策略

为改善声呐发射机输出电压准确性并提高系统响应速度,将电压电流双闭环结构应用于声呐发射机控制,基于双闭环控制建立了声呐发射机的小信号模型,并结合换能器等效模型建立了发射机开环控制与闭环控制仿真模型,对比分析了两种控制策略,结果表明闭环控制系统有效抑制了输出电压受直流母线电压与换能器等效负载的干扰,并改善了系统动态性能。

宽带大功率声呐AM信号发射机的设计与实现

发射机是宽带大功率声呐的重要组成部分,其性能关系着声呐系统工作的有效性。本文研究一种程控的宽带大功率声呐AM信号发射机,信号源基于Delta-sigma DA原理设计,以现场可编程门阵列(Field-programmable gate array,FPGA)为核心器件,采用"FPGA+滤波器"的简化电路结构,单个IO引脚即可实现一个通道AM信号的产生,功率放大电路采用并联推挽的乙类线性放大电路结构,驱动相控基阵使其声源级水池测试可达238 d B,且具备连续相控发射15个脉宽5 ms脉冲信号的能力,达到了50%的相对带宽。水池测试验证了设计方案,工作稳定可靠。

小型化相控参量阵声呐发射系统设计与实现

针对相控参量阵声呐发射系统体积和质量大,难以搭载于水下小平台使用的问题,重点研究相控参量阵声呐发射系统的小型化、高集成度设计技术,设计并实现一种小型相控参量阵声呐发射系统。首先,基于发明问题解决理论中的剪裁思想,简化设计D类发射机功率放大电路的结构,减小多通道发射系统的体积。其次,联合磁芯几何常数法和脉冲变压器设计技术设计微型变压器,减小变压器体积的同时提升系统功率密度。与传统设计方法相比,系统电路整体体积缩小了24.6%,功率密度提升了27.3%。实测相控角度误差不超过0.3◦,参量阵原频声源级可达236.7 dB,差频声源级可达200.5 dB,以小型化发射系统实现了相控参量阵的精准相控发射和高原频声源级输出。