基于IPM的水声发射机的设计与应用

在声呐系统中,水声发射机通常由功率、驱动等分立器件实现,为提高电路的可靠性,还需要设计各种保护电路、监控电路等,这使得电路设计变得复杂、发射机体积增加。为了解决这一问题,文章提出采用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)作为数字控制芯片,完成发射机的信号产生、控制、通信等功能;以智能功率模块(Intelligent Power Module,IPM)作为功率级的智能声呐发射机方案。文中给出了发射机的电路设计方案,为减小工作带宽内的声源级起伏,提高发射机的性能,同时对换能器负载进行匹配。最后进行了发射机的电气性能测试和水池声源级测试等,结果表明该数字发射机具有稳定可靠、保护功能多、体积小等优势,该设计方案在水声发射机领域中有很好的应用前景。

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。

一种新型水声信号发射机的设计与研究

设计并实现了一种体积小、效率高的水声信号发射机,是一些使用电池供电的水声设备(如便携式水声通信设备、便携式水下探测设备等)的关键技术。为满足这些需求,该文从基本理论出发,结合现代音响功放的理论、经验和设计方法,提出了一种全新的微型水声信号发射机设计方案,且通过2007年3月的湖上试验验证了所提出的方案。

智能宽带声纳发射机的研制

在主动式声纳系统中,信号产生器、功率放大器和发射换能器等组成的发射机是不可或缺的。传统的水下声纳发射机存在效率低,功率小,带宽窄,功能简单及易损坏等缺点。该文提出了一种大功率、小体积且包含信号产生、监控与通信等功能的智能宽带声纳发射机的设计方案。该方案以现场可编程门阵列(FPGA)为核心,采用移相脉宽调制(PWM)的D类功率放大器结构。湖试和海试表明,以此方案设计的声纳发射机达到了1.03 kW的平均输出功率、84%的效率及50%的带宽。从制成至今2年时间,发射机工作一直稳定可靠。

多接收阵合成孔径声纳线频调变标成像算法

目前,多接收阵合成孔径声纳快速成像算法一般都需要将各接收阵的回波融合成适于传统收发合置合成孔径声纳处理的数据,因此避免不了耗时的插值和空变的相位误差补偿。根据多接收阵合成孔径声纳的实际模型,将各接收阵和发射阵作为一个子系统,并采用驻相原理将其二维频域点扩展函数表示为距离向空变项和非空变项的乘积。在此基础上,运用线频调变标成像算法先完成各子系统数据的成像,然后再实现各子图像的相干叠加,以获得所需的高分辨合成孔径声纳复图像。最后,仿真实验和湖试结果验证了该方法的有效性。

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。

主动声呐舰速补偿的研究

主动声呐系统中,平台运动会导致目标回波信号存在多普勒频偏,目标的径向速度会估计错误。文中推导了本舰运动产生多普勒频偏的原因和两者之间的关系,并结合主动声呐的工作特点,提出在接收机和发射机同时进行舰速补偿的方案,可以实时响应舰船运动状态变化,准确补偿本舰运动引起的多普勒频偏。提出在发射机信号源中采用插值法,通过改变发射信号的长度进行舰速补偿的方法,该方法经过验证,解决了本舰运动时发射机产生多普勒频偏的问题。

基于FPGA多波束成像的声纳系统设计

给出了一种基于FPGA的多波束成像声纳整机的硬件电路设计方案,介绍了该方案中各分系统的具体电路实现,以Xilinx公司的FPGA芯片作为核心器件,根据干端PC下发的控制指令实现对180个基元的发射接收电路的控制,完成数字波束形成,并将波束数据通过千兆网上传至干端PC进行显示。系统电路设计简洁,具有较强的灵活性和扩展性。文中介绍了系统的硬件架构,论证了多波束成像声纳系统接收前端和数字信号处理模块的硬件设计方案。实际测试结果表明,系统能够清晰地对水底地形特征进行实时成像,具有15帧/s的刷新率。

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%.

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。

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。

基于IPM的声纳发射机的设计与实现

针对常规声纳发射电路复杂、集成度低、保护措施不足导致元件容易烧毁的情况,提出以智能功率模块(IPM)为核心、以数字信号处理器(DSP)为控制的智能声纳发射机的设计方案。通过分析IPM的结构与原理,确定使用IPM中的4个单元组成单相全桥,设计IPM功放需要的隔离电源电路、光耦驱动电路、软件与硬件保护电路、门级逻辑保护电路、变压器及换能器匹配电路。对于系统的软件部分,根据上位机的信号参数,采用TMS320VC5509A开发板产生相应脉冲宽度调制(PWM)方波供给发射机,并可在接收到IPM的故障信号时产生中断。测试结果表明,基于IPM的声纳发射机能够稳定安全地输出大功率信号。

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。

宽带声纳发射机设计与实现

基于合成孔径声纳系统的实际需求,设计并实现了一种高效节能、功率可调的宽带声纳发射机。声纳发射机主要由电源电路、功放电路和宽带匹配网络组成,其线性调频脉冲信号频率范围为60~100kHz,最大输出功率为300W。电源电路通过4路电压切换输出实现发射功率调节。D类功放电路全桥差分驱动,提高效率、功率的同时有助于消除推尾波形。结合CAD技术,采用实频法设计宽带匹配网络能够获得比较平稳的声源级幅值和最大功率输出。实验结果表明:宽带声纳发射机带宽约40kHz,其发射电功率较窄带阻抗匹配提高约58 W,最大输出功率接近300 W,声源等级达200dB以上,起伏约3dB,满足合成孔径声纳系统的实际应用需求。

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。