CN114527455A - 一种密布式mimo声呐发射系统及发射方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种密布式MIMO声呐发射系统及发射方法，可实现最多5个通道的正交波形信号同步发射；本发明采用高低压电源统一管理方案，降低无用功耗，增加发射系统的湿端的供电可靠性；本发明采用隔离结构的模块化设计，将信号源模块、驱动模块模块和功放模块进行物理隔离，在保证大功率发射的同时，减小前后模块之间影响，降低通道之间的干扰，同时增加系统的易维护性。

Description

一种密布式MIMO声呐发射系统及发射方法

技术领域

本发明属于水下探测技术领域，特别涉及一种密布式MIMO声呐发射系统及发射方法。

背景技术

由于MIMO技术能够在不增加带宽和发射功率的条件下，有效的抑制多径衰落、增加系统物理容量，从20世纪90年代起，其在通信和雷达领域获得广泛应用。一般来说，MIMO系统可以分为两大类：一类是分布式MIMO系统，其收发各单元分布式布局，各单元间距与其到目标的距离可以比拟，发射信号、接收信号均不相关，利用系统的多样性提高对目标的探测性能；另一类是密布式MIMO系统，其收发各单元相距较近，间距与信号波长可以比拟，每个单元发射不同的信号波形，从而获得波形分集，通过不同波形的特征来集中分析目标特性。

随着MIMO系统的发展，声呐研究人员也开始了对MIMO声呐的研究，由于分布式MIMO声呐与多基地声呐比较相似，形式上更加灵活，系统的复杂程度也更高，因此距离实用还有很长的发展过程。相比较而言，密布式MIMO声呐的收发单元进行紧凑布置，系统集成度更高，更容易实现，同时可以充分利用现有声呐系统中的发射波束图设计、匹配滤波等处理方法进行深入研究。

密布式MIMO声呐本质上是一种主动声呐，由于每个发射单元发射独立信号，其在发射端形成不了相干波束，丢失了发射阵增益。和传统的主动声呐相比，后者可以获得更高的相干处理增益，从而得到更高的检测概率，而前者在进行长脉冲累积之后，可以弥补这一缺陷，获得相同的检测性能。作为主动声呐的一种，其声呐探测距离同样受到声源级的影响，而高声源级意味着大功率输出，因此，优良的密布式MIMO声呐发射系统首先需要具备长脉冲、大功率信号发射能力，这对发射系统的稳定性、可靠性又提出了更高的要求。同时，密布式MIMO声呐发射系统要求各发射单元的发射波形具有良好的正交性，一般各发射单元的发射带宽各不相同，每个发射单元的发射换能器也各有差异，谐振频率各不相同，因此需要对每个发射换能器分别进行匹配，目前大多数发射系统主要以A类或AB类功率放大电路为核心，通过匹配网络，实现对发射换能器的最佳驱动，其优点是波形失真度较低，但体积较大，功率密度低，如果以此为基础搭建密布式MIMO声呐发射系统，系统体积将过于庞大，电源利用效率太低。

综上所述，密布式MIMO声呐的发射系统需要具备长脉冲、大功率、小体积、多通道同步正交波形发射的能力，现有的传统声呐系统难以满足要求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有的声呐系统难以满足MIMO声呐在实际探测时进行大功率、多通道、同步正交波形发射的问题，本发明具有针对性的设计了一种具有较小体积的MIMO声呐发射系统，通过该发明可以实现MIMO声呐多通道正交波形同步发射，同时针对长脉冲大功率信号发射的需求，采用隔离结构的模块化设计，提高整个MIMO声呐发射系统的可靠性、维护性，使其能够长时间在水下稳定工作。

本发明的技术方案是：一种密布式MIMO声呐发射系统，包括干端组件和湿端组件，其中干端组件位于海平面上方，湿端组件位于海平面下方，干端组件和湿端组件之间通过电缆连接；

所述干端组件包括电源管理模块和显示控制模块，其中电源管理模块用于密布式MIMO声呐发射系统的整体供电，显示控制模块用于密布式MIMO声呐发射系统的人机交互；

所述湿端组件用于大功率、多通道正交波形信号的同步脉冲发射，湿端组件中包括发射系统监控模块、信号源模块、信号驱动模块、功放模块、阻抗匹配模块和发射换能器；信号源模块、信号驱动模块和功放模块之间信号为隔离传输，并且在信号驱动模块和功放模块中实现通道间信号隔离；通过发射系统监控模块对湿端各个子模块的电源进行统一调配，实现各模块之间电源隔离供电。

本发明进一步的技术方案是：所述湿端组件还包括湿端壳体和水密连接器，湿端壳体内自上而下依次布置有电缆水密连接器、发射系统监控模块、信号源模块、信号驱动模块、功放模块、阻抗匹配模块和发射换能器高压水密连接器；其中电缆水密连接器用于与电缆连接，发射换能器高压水密连接器用于与发射换能器连接。

本发明进一步的技术方案是：所述发射系统监控模块包括温度传感器、霍尔传感器、光电传感器和直流继电器，通过温度传感器和霍尔传感器对发射通道进行温度数据和电流数据的采集，通过光电传感器和直流继电器实现对发射通道的电源控制。

本发明进一步的技术方案是：所述功放模块下方分别装配有铝板，大功率器件通过氧化铝陶瓷片装配在铝板上。

本发明进一步的技术方案是：所述信号驱动模块包括采用两级隔离放大结构，其中第一级隔离放大结构采用隔离运算放大器进行信号放大，实现信号源模块和信号驱动模块之间的信号隔离；第二级隔离放大结构采用隔离变压器进行信号放大，实现信号驱动模块和功放模块之间的信号隔离，变压器的输出信号用于驱动功放模块，同时利用变压器实现通道之间的驱动信号隔离。

本发明进一步的技术方案是：所述功放模块采用D类功放方案，采用大功率MOS管构成的单端推挽式全桥功率放大电路实现信号的功率放大，每个桥臂采用2个MOS管并联使用。

本发明进一步的技术方案是：所述阻抗匹配模块采用串联谐振电路，选用纳米晶作为变压器的铁芯材料；采用变压器、电感一体化封装方案，将变压器和电感通过环氧树脂灌封在一个封装中，电感与变压器的次级线圈在封装内部由一根漆包线无间断缠绕而成；所述阻抗匹配模块中变压器的匝数比、谐振电感的感值、谐振电感的气息大小根据发射换能器的谐振频率和功放的输出功率而定。

本发明进一步的技术方案是：所述发射换能器为若干弯张换能器，整体形成一个圆形，其中圆心处设有一弯张换能器，其他弯张换能器均匀布置在半径为R的圆形阵架上，使用弹簧将发射换能器与阵架进行柔性连接，组成一个发射基阵，通过调整半径R实现调整发射基阵尺寸。

本发明进一步的技术方案是：一种声呐发射系统的发射方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、使用船电/蓄电池为密布式MIMO声呐发射系统供电，电源管理模块降压隔离转换工作，工控机开机，显示控制模块程序运行，对供电端电压、电量进行检测，当电压正常时，继电器闭合，进行升压隔离装换，通过电缆为湿端组件供电；当出现欠压或过压时，显控模块报警，继电器断开；

步骤2、湿端组件上电后，发射系统监控模块开始工作，信号源模块、信号驱动模块首先上电，温度传感器、电流传感器开始工作；

步骤3、在人机交互软件中选择发射系统的发射通道，设置每个通道的信号频率、信号脉宽、信号周期、发射功率，通过RS485总线将命令发送到湿端组件；

步骤4、湿端组件接收到命令后，信号源模块根据协议解析得到发射通道号、信号频率、信号脉宽、信号周期、发射功率，对应通道的继电器闭合，功放模块上电，信号源模块产生相应的同步正交波形信号，经过隔离驱动后，在对应通道的功放模块进行功率放大，然后通过对应的阻抗匹配网络，将信号加载到相应的发射换能器上，最后利用发射换能器将信号辐射到水中；

步骤5、通过温度传感器、电流传感器获取发射机的温度状态、电流状态，并通过RS485总线上传状态信息，在人机交互软件中进行显示，当某个通道出现状态异常时，保护机制开启，信号源模块停止该通道的信号输出，对应通道的功放模块断电，同时人机交互软件中进行报警提示；

步骤6、发射系统工作完成，通过人机交互软件，控制所有通道的功放模块断电，干端继电器断开，湿端断电，如有需要，可以通过网络连接器将记录有发射位置信息、发射时刻信息、发射信号参数、发射机状态的日志发送给其他用户，最后工控机关机，断开密布式MIMO声呐发射系统的供电电源。

本发明进一步的技术方案是：人机交互软件在发射系统工作时，对当前的发射信息，包括发射位置信息、发射时刻信息、发射信号参数、发射机状态进行记录，生成测试日志文件，软件每次运行会生成一个测试日志文件，通过测试日志可以查看历史发射信息，并且可以通过网络连接器，将测试日志发送共享给其他用户。

发明效果

本发明的技术效果在于：本发明设计了一种密布式MIMO声呐发射系统及发射方法，可实现最多5个通道的正交波形信号同步发射，每通道的最大脉冲输出功率不小于800W，最大声源级不小于190dB；本发明采用高低压电源统一管理方案，降低无用功耗，增加发射系统的湿端供电可靠性；本发明采用隔离结构的模块化设计，将信号源模块、信号驱动模块和功放模块进行物理隔离，在保证大功率发射的同时，减小前后模块之间影响，降低通道之间的干扰，同时增加系统的易维护性。

附图说明

图1为系统设计框图

图2为干端系统设计框图

图3为湿端结构示意图

图4为湿端系统设计框图

图5为发射换能器布阵示意图

图6为发射系统信息反馈界面

图7为发射机参数设置界面

图8为发射机状态显示界面

图9为发射系统测试日志界面

图10为测试方案示意图

图11～图15分别为5个发射换能器在各自工作频带内时，发射换能器两端的信号波形图，其中图11(a)为发射换能器1发射信号，图11(b)为发射换能器1发射信号展开；图12(a)为发射换能器2发射信号，图12(b)为发射换能器2发射信号展开；图13(a)为发射换能器3发射信号，图13(b)为发射换能器3发射信号展开；图14(a)为发射换能器4发射信号，图14(b)为发射换能器4发射信号展开；图15(a)为发射换能器5发射信号，图15(b)为发射换能器5发射信号展开

图16～图20分别为5个发射换能器在各自工作频带内时，标准接收水听器接收信号的波形，其中图16(a)为标准水听器接收信号1，图16(b)为标准水听器接收信号1展开；图17(a)为标准水听器接收信号2，图17(b)为标准水听器接收信号2展开；图18(a)为标准水听器接收信号3，图18(b)为标准水听器接收信号3展开；图19(a)为标准水听器接收信号4，图19(b)为标准水听器接收信号4展开；图20(a)为标准水听器接收信号5，图20(b)为标准水听器接收信号5展开

附图标记说明：1-湿端壳体；2-电缆水密连接器；3-发射系统监控模块；4-信号源模块；5-信号驱动模块；6-攻放模块；7-阻抗匹配模块；8-发射换能器高压水密连接器

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参见图1-图20，本发明设计了一种密布式MIMO声呐发射系统，可以实现最多5个通道的正交波形同步发射，每通道的最大脉冲输出功率不小于800W。该系统主要分为干端和湿端两个部分，两部分通过电缆连接；干端包括一个电源管理模块和一个显示控制模块，负责整个密布式MIMO声呐发射系统的整体供电以及系统的人机交互；湿端包括发射系统监控模块、信号源模块、信号驱动模块、功放模块、阻抗匹配模块和发射换能器，负责大功率、多通道正交波形的同步脉冲发射。系统设计框图如图1所示。

干端部分各模块功能具体如下：

电源管理模块：负责对输入电源进行滤波、电源高低压隔离转换，低压电源为显示控制模块供电，高压电源通过电缆为湿端供电；

显示控制模块：负责控制湿端上电启动，设置发射系统各通道的发射参数，并显示湿端各发射通道的发射状态；

湿端部分采用隔离结构的模块化设计，信号源模块、信号驱动模块和功放模块之间信号隔离传输，同时通过发射系统监控模块对湿端各个模块的电源进行统一调配，实现各模块间电源隔离供电，采用该设计的优点是各通道、各模块之间相互独立，降低了在大功率工作期间各通道间、系统前后级之间的干扰，维护时可以独立检修、独立更换，各模块的具体功能如下：

发射系统监控模块：负责对各个发射通道的温度、电流状态进行监测，同时负责对湿端的各模块进行电源控制和电源分配；

信号源模块：按照显控系统发送的各个通道的发射信号参数，产生相应的多通道、同步正交波形信号，同时判断各通道发射状态是否出现异常，出现异常时，触发保护机制，避免大功率、长脉冲信号发射时，由于过流、过热导致功放模块损坏，并将湿端各个发射通道的状态数据回传给显控系统；

信号驱动模块：负责将前端信号源模块产生的正交波形信号进行隔离放大，使其获得驱动后端功放模块的能力；

功放模块：由5个独立的D类功放模块构成，负责将每个通道的正交波形信号进行功率放大，每个功放模块采用独立供电，输入信号之间相互隔离，可单独控制；

阻抗匹配模块：由5套电感+变压器构成，负责将信号进行高压变换，每套电感和变压器参数设计与对应的发射换能器参数、发射功率相匹配，确保其在各自的频率范围内谐振，获得最佳的发射波形；

发射换能器：由5个工作带宽、谐振频率各不相同的弯张换能器构成，将电信号转化成声信号，向水下各个方向进行辐射。

为了更好的理解本发明，下面结合实例进一步阐述本发明的发明内容，对技术方案进行详细说明。

本发明包括上方的干端(水上部分)和下方的湿端(水下部分)，中间通过一根电缆连接。干端包括电源管理模块和显示控制模块两部分组成，系统设计框图如图2所示。

电源管理模块承担了整个系统电源分配的任务，由于密布式MIMO声呐发射系统的供电多来自于船电或者蓄电池，为了减少输入端的干扰和电压波动，需要对输入电源进行二次隔离稳压转换，一方面进行降压隔离转换，提供+24VDC1(20W功率)为工控机供电、+24VDC2(40W功率)为北斗定位系统供电、+12VDC1(1W功率)为电压电量采集模块供电、+12VDC2(20W)为继电器模块供电，+5VDC(3W)为网络连接器供电；另一方面进行升压隔离装换，为了降低电缆上的损耗，采用高压直流传输，将输入直流电源电压升高到350VDC，电缆阻抗约为0.03欧/m，发射系统总输出功率最大约为4kW，发射系统整体效率按照80％计算(实际效率不低于80％)，湿端最小输入电压为200VDC，则最大支持的缆长约为100m。采用高低压电源之间隔离的设计，能够有效降低大功率发射期间，浪涌电流、尖峰电压对干端低压电源的冲击，增加系统的供电可靠性。

显示控制模块的核心是一台工控机，具有体积小、功耗低、坚固抗震、耐高低温的特点，更适用于工业化应用场景。显示控制模块的主要功能包括：1)、通过电压传感器监测密布式MIMO声呐发射系统的供电电压；2)、显示输入电压、电量情况，根据监测值判断供电端是否出现欠压或过压等异常状况，异常时，及时断开继电器，切断湿端电源，避免湿端无法正常启动而导致损坏，3)、根据使用场景的变化，设置包括信号频率、信号脉宽、信号周期、发射功率、发射通道在内的发射信号参数；4)、根据湿端的反馈信息，显示各通道的温度状态、电流状态；5)、显示当前时间、位置信息，并可通过网络连接器与多个系统进行数据传输。

显示控制模块采用LabWindows/CVI设计，实现人机交互功能，进而实现对密布式MIMO声呐发射系统的一体化显示和控制。其显示控制模块实施步骤如下所示：

步骤1、模块开始运行，通过RS232总线从电压电量采集模块中获取供电端的电压、电量，并在界面中显示电压值，当电压V满足42V＜V＜56V时，允许继电器闭合，湿端上电；当出现V≤42V或V≥56V时，系统提示供电端欠压或过压，断开继电器，切断湿端电源，并且禁止用户闭合继电器，防止用户强行为湿端上电造成系统损坏；

步骤2、软件通过RS232总线从北斗定位系统中获取当前发射时刻的发射位置信息(经纬度信息)、发射时刻信息，发射系统信息反馈界面图6所示。

步骤3、湿端正常上电后，用户可以通过参数设置界面，对发射系统的发射通道、信号频率、信号脉宽、信号周期、发射功率进行设置，参数设置界面如图7所示，设置的参数包括发射周期、脉冲形式、脉宽选择、通道选择、功率选择，本实施例中，发射周期参数选择包括30s和60s，……；CW模式下，5个发射通道的发射信号形式为CW信号，每个通道信号频率分别为1550Hz、1650Hz、1750Hz、1850Hz、1950Hz；LFM模式下，5个发射通道的发射信号形式为LFM信号，每个通道信号带宽分别为1500～1600Hz、1600～1700Hz、1700～1800Hz、1800～1900Hz、1900～2000Hz。命令通过RS485总线发送到湿端，根据湿端的命令回复，判断发射参数是否设置成功，参数设置成功，参数设置指示灯显示为绿色，参数设置失败，参数设置指示灯显示为红色；

步骤4、发射系统参数设置成功后，每个发射周期软件可以通过RS485总线接收到由湿端上传的发射机状态信息，发射机状态显示界面如图8所示，左侧为发射机各通道电流状态显示，当电流状态正常时，对应通道的电流状态指示灯显示为绿色，当某一通道的电流状态异常时，对应通道的电流状态指示灯显示为红色；右侧为发射机各通道温度状态显示，软件采用颜色条+数值的方式进行显示，更加直观，温度值根据所落在的取值区域对应的等级变换颜色，温度值由低到高对应颜色条由绿到红，当温度大于50度时，软件进行过温提示；

步骤5、软件在发射系统工作时，对当前的发射信息，包括发射位置信息、发射时刻信息、发射信号参数、发射机状态进行记录，生成测试日志文件，软件每次运行会生成一个测试日志文件，发射系统测试日志界面如图9所示，通过测试日志可以查看历史发射信息，并且可以通过网络连接器，将测试日志共享给其他用户。

密布式MIMO声呐发射系统的关键在于湿端，本发明的湿端结构示意图如图3所示：1为湿端的壳体，壳体为圆柱形耐压壳体，其内径D约为300mm，由于长时间在海水中工作，为了减轻湿端重量，减小电缆承重负荷，同时增加壳体的耐腐蚀性，本发明采用钛合金作为壳体材料，壳体内从上到下的结构依次为：2-电缆水密连接器件、3-发射系统监控模块、4-信号源模块、5-信号驱动模块、6-功放模块5个、7-阻抗匹配模块5个、8-发射换能器高压水密连接器5个。其中，6和7通过5套M8的六角不锈钢螺柱连接，每套6根，3、4、5通过4套M4的六角不锈钢螺柱连接，每套4根，整个湿端的高度H约为：h1+h2+h3＝500mm，总重量(除去钛合金耐压壳体)约为25.3kg。为了提高功放的散热效果，每个功放模块底部装配一个厚度5mm的铝板进行散热，大功率器件通过氧化铝陶瓷片装配在铝板上，氧化铝陶瓷片的导热系数为29.3W/m.k，绝缘系数为22.5kV/mm，在保证绝缘性的同时，可以使功放模块获得更好的散热效果。5个弯张换能器通过8与密布式MIMO声呐发射系统连接，由于采用高压发射，8中的连接器的绝缘耐压不小于5000VAC。

发射系统监控模块中，电源控制功能主要通过多个隔离电压转换芯片来实现，将高压转化成各个模块所需要的电压，提供+5.0VCC、+3.3VCC给信号源模块，以及自身的监测模块供电、提供+5.0VDC，±12VDC给信号驱动模块供电、提供5路±48VDD分别给5个功放模块供电。其中，+5.0VCC、+3.3VCC电源系统、+5VDC、±12VDC电源系统、±48VDD电源系统之间互相隔离，彼此不供地；其系统监测功能主要通过5路温度传感器和5路霍尔传感器，实现对5个发射通道的温度数据和电流数据的采集，然后通过5路光电传感器和直流继电器实现对5个发射通道的控制，湿端系统设计框图如图4所示。

信号源模块采用ARM+CPLD的架构，其核心是一片ST公司的STM32F103芯片和一片Altera公司的CPLD芯片EMP1270。采用该架构可以在较低功耗下，尽可能的实现较强的功能，STM32F103芯片实现的功能为：1)、通过RS485总线接收发射信号参数；

2)、根据发射信号参数，产生MIMO声呐的发射时序；3)、从发射监控模块获取5个发射通道的温度数据和电流数据，并计算每个发射通道的温度状态和电流状态；4)、将状态信息通过RS485总线上传到干端的显示控制系统。CPLD拥有较多的I/O口，配置灵活，相比较与FPGA芯片拥有更低的功耗，但具有与FPGA类似的并行处理的优点，有很好的实时处理能力，在低功耗、低集成度场景下，可以很好的替代FGPA，在信号源模块中其实现的功能为：1)、控制5片DDS芯片产生5通道的正交波形信号，通过控制每个DDS芯片的逻辑时序，保证5个发射通道的同步性；2)、控制信号驱动模块中的信号放大倍数，提供3档可控增益，进而实现功放模块3档功率输出；3)、在温度过高或电流异常时，及时为功放模块提供过温保护和过流保护。

信号驱动模块采用两级隔离放大结构，首先通过隔离运算放大器对信号源模块产生的同步正交波形信号进行第一级隔离放大，将信号源模块、信号驱动模块进行隔离，然后通过隔离变压器，对信号进行第二级隔离放大，变压器的输出信号用于驱动功放模块，将信号驱动模块、功放模块进行隔离，同时利用变压器实现5通道正交波形信号之间的隔离。由于大功率信号更容易产生干扰，在5个通道的正交波形信号进行功率放大之前，在驱动端将信号彼此隔离，结合隔离供电设计，可以实现5个通道的正交波形信号的独立发射。采用该种设计的优点是降低了模块之间和不同发射通道之间的干扰，当其中一个模块或者一个通道发生故障时，前后模块和其他通道不受影响，更容易检修并进行部件更换，大大提高了系统的可靠性和可维护性。

功放模块采用D类功放方案设计，充分利用其效率高、体积小的特点，选用大功率MOS管构成单端推挽式全桥功率放大电路，考虑到单管发热量较大，本发明中每个桥臂将2个MOS管进行并联使用。采用该种设计的优点是，增大了功放的功率容量，降低了单管发热量，每个功放模块的脉冲输出功率可以达到800W以上，同时每个功放模块配有一个温度传感器和一个霍尔传感器，当某一通道的功放模块温度过高或电流异常时，监控系统会及时断开该通道的功放模块的电源，关闭该通道的信号源，避免功放模块损坏。

阻抗匹配模块的设计需要结合发射换能器的阻抗特性、功放的输出功率，选择合适的匹配网络类型和匹配网络参数。水声换能器的负载特性并非传统的阻性负载，而是呈现阻性+容性的负载特性，而且阻抗较大，一般在几百欧姆～1k欧姆，本发明中为了在发射换能器两端获取足够高的发射电压，选用串联谐振电路。由于5个发射换能器各有差异，谐振频率各不相同，需要对每个发射换能器分别进行阻抗匹配设计，因此需要5套参数各不相同的阻抗匹配模块，为了减小阻抗匹配模块的体积，本发明选用纳米晶作为变压器的铁芯材料，相比于其他材料，纳米晶在50kHz以下具有更低的损耗，变压器可以获得更高的功率密度，更小的体积。另外，随着输出电流的增大，电感的电感值会出现漂移，从而导致波形谐振后畸变，为此本发明选用加气息设计的电感作为谐振电感，增大电感的储能能力，减小大功率发射时的电感值漂移。由于经过变压器升压后，信号最大峰峰值在1000V以上，再经过谐振电感谐振后，信号的幅度更高，而高压信号更容易产生辐射干扰，本发明在现有变压器+电感结构的基础上，采用变压器、电感一体化封装方案，电感与变压器的次级线圈在封装内部由一根漆包线无间断缠绕而成，大大缩短了阻抗匹配模块内变压器和谐振电感之间连接线的长度，减少冗余连接，进一步降低通道间的高压信号的干扰。阻抗匹配模块中变压器的匝数比、谐振电感的感值根据发射换能器的谐振频率而定，谐振电感的气息大小根据功放的输出功率而定。

发射换能器直接决定了发射系统的指向性、系统工作频率、工作带宽、声源级等性能参数，本发明中采用的是弯张换能器，水平波束宽度为360度，发射带宽约为150Hz，其谐振频率和工作频带范围如表1所示：

表1发射换能器谐振频率和工作频带

每个发射通道有3档输出功率，输出功率为500W时，声源级可以达到约190dB；输出功率为250W时，声源级可以达到约187dB；输出功率为75W时，声源级可以达到约182dB。5个发射换能器的布阵示意图如图5所示。

本发明中，处于圆心位置的发射换能器位置固定，其余四个发射换能器均匀布置在半径为R的圆形阵架上，使用弹簧将发射换能器与阵架进行柔性连接，组成一个发射基阵，为了适应不同使用场景，本发明中设计了多种发射基阵半径，以方便调节发射基阵尺寸。

为了更好的说明本发明的效果，通过实际试验，对本发明技术方案进行进一步的解释说明。

发射系统波形测试和声源级测试方案示意图如10所示，整个测试试验在消声水池中完成。其中，发射换能器和标准接收水听器放置在深度为5m的同一深度，两者的水平间距为1.6m。

从图11～图15可以看出，经过串联谐振匹配网络之后，发射换能器两端的发射电压峰峰值均在3000V以上，图11中发射换能器1的发射信号为1500Hz的CW信号，发射信号包络为规整的矩形包络，波形展开后，可以看出失真度较低，波形形状良好；图12～图15为发射换能器2～5对应的发射信号，分别为1600～1700Hz、1700～1800Hz、1800～1900Hz、1900～2000Hz的LFM信号，由于发射换能器呈现阻性+容性的负载特性，所以当经过串联谐振匹配网络之后，在工作频带内，其发射信号包络略有起伏，信号展开后可以看出，波形形状均表现良好，满足设计要求。

在声源级测试中，标准接收水听器选用丹麦B&K公司的8104标准水听器，声源级SL的计算公式如式(5.1)所示：

其中，e_oc为标准水听器接收信号的峰峰值，d为发射换能器与标准接收水听器的间距，206.5dB为标准接收水听器在1500～2000Hz内的接收灵敏度。图16～图20分别为5个发射换能器在各自工作频带内时，标准接收水听器接收信号的波形。

图16中发射换能器1的发射信号为1500Hz的CW信号，对应的接收信号包络为规整的矩形包络，波形展开后，可以看出接收信号波形形状良好；图17～20为发射换能器2～5对应的接收信号，对应的发射信号分别为1600～1700Hz、1700～1800Hz、1800～1900Hz、1900～2000Hz的LFM信号，由于发射换能器在工作频带内的发射电压响应级并非完全平坦，而是略有起伏的，因此接收信号的包络也是有起伏的，接收信号展开后，可以看出接收信号波形表现良好，表2中列出了发射换能器在工作频带内，标准接收水听器接收信号的最大峰峰值，以及根据式5.1计算后得到每个发射换能器的最大声源级。从表2可以看出，每个通道的最大声源级均达到190dB以上，达到了设计需求。

表2发射换能器声源级

Claims (10)

1.一种密布式MIMO声呐发射系统，其特征在于，包括干端组件和湿端组件，其中干端组件位于海平面上方，湿端组件位于海平面下方，干端组件和湿端组件之间通过电缆连接；

所述干端组件包括电源管理模块和显示控制模块，其中电源管理模块用于密布式MIMO声呐发射系统的整体供电，显示控制模块用于密布式MIMO声呐发射系统的人机交互；

所述湿端组件用于大功率、多通道正交波形信号的同步脉冲发射，湿端组件中包括发射系统监控模块、信号源模块、信号驱动模块、功放模块、阻抗匹配模块和发射换能器；信号源模块、信号驱动模块和功放模块之间信号为隔离传输，并且在信号驱动模块和功放模块中实现通道间信号隔离；通过发射系统监控模块对湿端各个子模块的电源进行统一调配，实现各模块之间电源隔离供电。

2.如权利要求1所述的一种密布式MIMO声呐发射系统，其特征在于，所述湿端组件还包括湿端壳体和水密连接器，湿端壳体内自上而下依次布置有电缆水密连接器、发射系统监控模块、信号源模块、信号驱动模块、功放模块、阻抗匹配模块和发射换能器高压水密连接器；其中电缆水密连接器用于与电缆连接，发射换能器高压水密连接器用于与发射换能器连接。

3.如权利要求2所述的一种密布式MIMO声呐发射系统，其特征在于，所述发射系统监控模块包括温度传感器、霍尔传感器、光电传感器和直流继电器，通过温度传感器和霍尔传感器对发射通道进行温度数据和电流数据的采集，通过光电传感器和直流继电器实现对发射通道的电源控制。

4.如权利要求2所述的一种密布式MIMO声呐发射系统，其特征在于，所述功放模块下方分别装配有铝板，大功率器件通过氧化铝陶瓷片装配在铝板上。

5.如权利要求2所述的一种密布式MIMO声呐发射系统，其特征在于，所述信号驱动模块包括采用两级隔离放大结构，其中第一级隔离放大结构采用隔离运算放大器进行信号放大，实现信号源模块和信号驱动模块之间的信号隔离；第二级隔离放大结构采用隔离变压器进行信号放大，实现信号驱动模块和功放模块之间的信号隔离，变压器的输出信号用于驱动功放模块，同时利用变压器实现通道之间的驱动信号隔离。

6.如权利要求2所述的一种密布式MIMO声呐发射系统，其特征在于，所述功放模块采用D类功放方案，采用大功率MOS管构成的单端推挽式全桥功率放大电路实现信号的功率放大，每个桥臂采用2个MOS管并联使用。

7.如权利要求2所述的一种密布式MIMO声呐发射系统，其特征在于，所述阻抗匹配模块采用串联谐振电路，选用纳米晶作为变压器的铁芯材料；采用变压器、电感一体化封装方案，将变压器和电感通过环氧树脂灌封在一个封装中，电感与变压器的次级线圈在封装内部由一根漆包线无间断缠绕而成；所述阻抗匹配模块中变压器的匝数比、谐振电感的感值、谐振电感的气息大小根据发射换能器的谐振频率和功放的输出功率而定。

8.如权利要求2所述的一种密布式MIMO声呐发射系统，其特征在于，所述发射换能器为若干弯张换能器，整体形成一个圆形，其中圆心处设有一弯张换能器，其他弯张换能器均匀布置在半径为R的圆形阵架上，使用弹簧将发射换能器与阵架进行柔性连接，组成一个发射基阵，通过调整半径R实现调整发射基阵尺寸。

9.一种如权利要求1所述密布式MIMO声呐发射系统的发射方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、使用船电/蓄电池为密布式MIMO声呐发射系统供电，电源管理模块降压隔离转换工作，工控机开机，显示控制模块程序运行，对供电端电压、电量进行检测，当电压正常时，继电器闭合，进行升压隔离装换，通过电缆为湿端组件供电；当出现欠压或过压时，显控模块报警，继电器断开；

步骤2、湿端组件上电后，发射系统监控模块开始工作，信号源模块、信号驱动模块首先上电，温度传感器、电流传感器开始工作；

步骤3、在人机交互软件中选择发射系统的发射通道，设置每个通道的信号频率、信号脉宽、信号周期、发射功率，通过RS485总线将命令发送到湿端组件；

步骤4、湿端组件接收到命令后，信号源模块根据协议解析得到发射通道号、信号频率、信号脉宽、信号周期、发射功率，对应通道的继电器闭合，功放模块上电，信号源模块产生相应的同步正交波形信号，经过隔离驱动后，在对应通道的功放模块进行功率放大，然后通过对应的阻抗匹配网络，将信号加载到相应的发射换能器上，最后利用发射换能器将信号辐射到水中；

步骤5、通过温度传感器、电流传感器获取发射机的温度状态、电流状态，并通过RS485总线上传状态信息，在人机交互软件中进行显示，当某个通道出现状态异常时，保护机制开启，信号源模块停止该通道的信号输出，对应通道的功放模块断电，同时人机交互软件中进行报警提示；

步骤6、发射系统工作完成，通过人机交互软件，控制所有通道的功放模块断电，干端继电器断开，湿端断电，如有需要，可以通过网络连接器将记录有发射位置信息、发射时刻信息、发射信号参数、发射机状态的日志发送给其他用户，最后工控机关机，断开密布式MIMO声呐发射系统的供电电源。

10.基于权利要求9所述的发射方法，其特征在于，人机交互软件在发射系统工作时，对当前的发射信息，包括发射位置信息、发射时刻信息、发射信号参数、发射机状态进行记录，生成测试日志文件，软件每次运行会生成一个测试日志文件，通过测试日志可以查看历史发射信息，并且可以通过网络连接器，将测试日志发送共享给其他用户。

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