声呐发射机及成像声呐的制作方法

1.本发明涉及声呐技术领域，尤其涉及一种声呐发射机及具有该声呐发射机的成像声呐。


背景技术：

2.成像声呐一般需要对其作用距离范围内的目标进行成像观测，而该观测通常会根据应用场景的不同对成像声呐的性能提出不同的要求。
3.在成像声呐的主要应用场景中，用户一方面希望可以通过成像声呐观测到开阔水域下远距离的小型目标，另一方面又希望可以对较浅水域(例如河道、内湖等)的近距离目标进行成像，如此，既需要成像声呐的探测距离能够根据应用场景调整，以在各类场景下均能获得较好的观测效果，而这可以通过调节发射换能器发射声波的功率大小来实现。
4.鉴于一般成像声呐要求发射机体积小、效率高，因此声呐发射机一般采用d类功率放大器。目前，主要通过声呐发射机调整激励发射换能器两端的发射信号的脉冲宽度或占空比的方式以调节发射信号的功率，从而改变发射换能器发射声波的功率。
5.采用调整发射信号的脉冲宽度的方式虽然可以获取较大的功率调整范围，但存在如下问题：
6.一、发射信号的脉冲宽度越大，就需要声呐发射机可以存储更多的能量，其也意味着需要增大储能电容的容量，相对的就需要较大体积的储能电容，从而增大储能电路的规模，使声呐发射机的整体规模增大；
7.二、储能电容的容量增大了，会导致储能电容的充电时间增加，而充电时间的增加又会导致成像声呐的最高帧率降低。但成像声呐往往又需要较高的帧率，因此就需要声呐发射机电源可以供给高电流，而高电流会使发射机制造成本增加；
8.三、在声呐发射机的发射信号为单频脉冲信号时，若增加脉冲宽度，则会降低成像声呐的距离分辨率，影响成像声呐的远距离观测效果，而为了保持成像声呐的距离分辨率，则需要将声呐发射机发射信号调整为线性调频信号，如此，接收机则需要对接收的信号进行脉冲压缩，而脉冲压缩算法的运算量很大，从而使接收机的解调计算量大大增加。
9.而采用调整发射信号的占空比的方式虽然可以避免上述问题，但采用调节发射信号占空比的方式使得发射信号的功率可调范围较小，从而导致发射换能器发射声波功率的动态范围较小，使成像声呐无法适应更多的场景需求。另外，当占空比很小时，发射机效率有较大的降低。


技术实现要素：

10.为了解决现有技术所存在的问题，本发明提供了一种声呐发射机，该声呐发射机采用以下技术方案实现：
11.一种声呐发射机，包括：控制电路、电源电路和功率放大器，所述控制电路用于接收上位机发出的第一控制信号以向所述功率放大器输出具有一定占空比的pwm信号；所述
控制电路用于接收上位机发出的第二控制信号以控制所述电源电路向所述功率放大器输出与所述具有一定占空比的pwm信号相适配的激励电压，所述功率放大器根据接收到的pwm信号和激励电压输出要求功率的发射信号至发射换能器。
12.优选的，所述电源电路包括依次连接的电压选择电路、电源模块和电容充放电电路，所述电压选择电路用于接收上位机发出的第二控制信号以选取与所述具有一定占空比的pwm信号相适配的电压从而通过电源模块向所述电容充放电电路供电，所述电容充放电电路在接收所述电源模块的供电后向所述功率放大器输出激励电压。
13.优选的，所述电源模块包括电源芯片，所述电压选择电路包括第一可变电阻电路和分压电路，所述控制电路通过控制所述第一可变电阻电路的阻值并经分压电路的分压作用以使所述电源芯片向所述电容充放电电路输出不同的电压。
14.优选的，所述第一可变电阻电路多路复用器，所述多路复用器具有控制端、电源端、输出端以及多个输入端；所述多路复用器的控制端与所述控制电路的输出端连接，用于接收所述第二控制信号，所述多路复用器的电源端用于获取工作电源，所述多路复用器的多个输入端分别串联不同阻值的电阻后接地；所述多路复用器的输出端与电源芯片的fb引脚连接，同时通过分压电路连接于电源芯片的电源输出端。
15.优选的，所述电压选择电路还包括与所述多路复用器的输出端连接的接地保护电路；
16.或者，所述电压选择电路还包括稳压电路，所述稳压电路连接于所述多路复用器的输出端与工作电源之间。
17.优选的，所述电容充放电电路包括充电模式选择电路、储能电容和电压检测电路，所述电源芯片的电源输出端通过所述充电模式选择电路与所述储能电容连接以向所述功率放大器输出激励电压，所述电压检测电路用于将所述储能电容输出的激励电压信息反馈至所述控制电路。
18.优选的，所述电压检测电路包括比较器、输出上拉电阻、第一分压电阻、第二分压电阻、第三分压电阻和第二可变电阻电路，所述比较器的正向输入端通过所述第一分压电阻接地，所述第二分压电阻连接于所述比较器的正向输入端与所述电容的输出端之间，所述比较器的负向输入端通过所述第三分压电阻连接工作电源，所述第二可变电阻电路的输出端连接至所述比较器的负向输入端，所述第二可变电阻电路的输入端接地，所述控制电路通过控制所述第二可变电阻电路以调整所述比较器负向输入端所接收的参考电压的电压值，所述比较器的输出端接入所述控制电路且所述比较器的输出端又通过输出上拉电阻与工作电源连接。
19.优选的，所述充电模式选择电路包括开关电路、慢充电路和快充电路，所述控制电路通过控制所述开关电路选择慢充电路或快充电路向所述电容供电。
20.优选的，所述开关电路包括第一上拉电阻、第一电阻、第二电阻、第一三极管、第一mos管，所述第一上拉电阻将所述控制电路的输出端上拉至工作电源，所述控制电路的输出端通过所述第一电阻与所述第一三极管的基极连接，所述第一三极管的发射极接地，所述第一三极管的集电极与所述第一mos管的栅极连接，所述第一mos管的源极与电源芯片的电源输出端连接，所述第二电阻连接于所述第一mos管的栅极与源极之间，所述第一mos管的漏极分别通过所述慢充电路、所述快充电路与所述储能电容连接。
21.优选的，所述慢充电路包括第一二极管和第一限流电阻，所述mos管的漏极与所述第一二极管的正极连接，所述第一二极管的负极与所述储能电容之间并联有多个所述第一限流电阻。
22.优选的，所述快充电路包括第二上拉电阻、第三电阻、第四电阻、第二三极管、第二mos管、第二分流电阻、第二二极管，所述第二上拉电阻将所述控制电路的输出端上拉至工作电源，所述控制电路的输出端通过第三电阻与所述第二三极管的基级连接，所述第二三极管的发射极接地，所述第二三极管的集电极与所述第二mos管的栅极连接，所述第二mos管的源极与所述第一mos管的漏极连接，所述第四电阻连接于所述第二mos管的栅极与源极之间，所述第二mos管的漏极与所述第二二极管的正极之间并联有两个第二限流电阻，所述第二二极管的负极与所述储能电容连接。
23.为了解决相同的技术问题，本发明还提供一种成像声呐，包括上述的声呐发射机。
24.相比现有技术，本发明的有益效果在于：
25.本发明实施例的声呐发射机所采用的调节发射信号功率的方式，相比于单纯使用占空比的方式，增设了与占空比相适配的激励电压，而激励电压、占空比同时可调，使得功率放大器输出发射信号的功率的动态范围不再单纯受占空比限制，因为通过改变激励电压，可以进一步调节输出功率，弥补单纯的占空比调节范围的不足，使声呐发射机发射信号的功率可调范围增加，从而增大发射换能器发射声波功率的动态范围，使成像声呐可以适应更多的场景需求。并且，因增加激励电压的调节而实现的功率放大器输出发射信号的可调功率范围的增加，能够减少发射信号功率调节对占空比调节的依赖，使得占空比参数可以位于较优的比例区间，以使功率放大器的开关管的工作状态更加稳定、能量消耗更少，从而大大提高发射机效率，而成像声呐发射声波的功率调节也可以更加精确(即实际输出功率达到预期或者达到理论计算值)。此外，由于发射信号的占空比位于较优的比例区间，可以使功率放大器不存在开关瞬时多次切换开关的工作状态，如此，也降低了对开关元件的性能指标要求，扩大器件选型范围，降低成本。
26.此外，由于本实施例中采用了占空比与激励电压双控制的方式来实现对发射信号功率的调节，而占空比的方式就决定了本实施例的声呐发射机既不要求发射信号具有较大的脉冲宽度，也不需要将发射信号调整为线性调频信号，而激励电压的产生可以在声呐发射机原有电源电路中增设简单的电路来实现，因而本实施例中声呐发射机所采用的通过调节发射信号占空比以及调整发射信号激励电压的方式不仅可以实现对声呐发射机发射信号功率的大范围调节，能够保障声呐发射机效率在功率调节过程中始终较高，而且不会导致声呐发射机的整体规模和成本增大，也不会导致成像声呐的接收机解调计算的计算量增加，同时，也保证了声呐发射机的距离分辨率。
附图说明
27.图1为本发明实施例中含有上位机、声呐发射机以及发射换能器的结构示意图；
28.图2为本发明实施例中含有上位机、发射换能器以及具体声呐发射机电路的结构示意图；
29.图3为本发明实施例中电源模块电压选择电路连接的电路图；
30.图4为本发明实施例中电容充放电电路与电压检测电路连接的电路图。
具体实施方式
31.为了便于连接本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
32.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。
33.本发明实施例提供了一种成像声呐，该成像声呐所具有的声呐发射机100在工作时可以向发射换能器200发送不同功率的发射信号以使发射换能器200输出不同功率的发射声波。
34.具体的，如图1所示，该声呐发射机100包括控制电路1、电源电路2和功率放大器3。其中，控制电路1与上位机300通信，用于接收上位机300根据用户输入的参数信息而输出的各种控制信号，以控制功率放大器3最终输出满足功率要求的的发射信号，从而对发射换能器200的发射声波的功率进行控制。
35.为了对声呐发射机100发射信号的功率进行控制，上位机300会向控制电路1发送第一控制信号和第二控制信号。控制电路1在接收到第一控制信号后会向功率放大器3输出具有一定占空比的pwm信号，而该pwm信号经功率放大器3放大后可以使功率放大器3输出的发射信号具有相应的占空比；与此同时，控制电路1也会接收到第二控制信号，根据该第二控制信号，控制电路1会发送指令至电源电路2，以使电源电路2向功率放大器3输出与上述pwm信号相适配的激励电压，而功率放大器3在激励电压与占空比的共同作用下可以使声呐发射机100向发射换能器200输出特定功率的发射信号，从而使发射换能器200输出特定功率的声波信号，实现对发射信号功率的调节。
36.本实施例的声呐发射机100所采用的调节发射信号功率的方式，相比于单纯使用占空比的方式，增设了与占空比相适配的激励电压，而激励电压、占空比的同时可调性，使得功率放大器3输出发射信号的功率的动态范围不再单纯受占空比限制，因为通过改变激励电压，可以进一步调节功率放大器3输出发射信号的功率，弥补单纯的占空比调节范围的不足。并且，因增加激励电压调节而实现的功率放大器输出发射信号的可调功率范围的增加，能够减少发射信号功率调节对占空比调节的依赖，使得占空比参数可以位于较优的比例区间，以使功率放大器3的开关管的工作状态更加稳定、能量消耗更少，从而大大提高声呐发射机100效率，成像声呐发射声波的功率调节也可以更加精确。此外，由于发射信号的占空比位于较优的比例区间，可以使功率放大器3不存在开关瞬时多次切换开关的工作状态，如此，也降低了对开关原件的性能指标要求，扩大器件选型范围，降低成本。
37.此外，由于本实施例中采用了占空比与激励电压双控制的方式来实现对发射信号功率的控制，而占空比的方式就决定了本实施例的声呐发射机100既不要求发射信号具有较大的脉冲宽度，也不需要将发射信号调整为线性调频信号，而激励电压的产生可以在声呐发射机100原有电源电路中增设简单的电路来实现，因而本实施例中声呐发射机100所采用的通过调节发射信号占空比以及调整发射信号激励电压的方式不仅可以实现对声呐发射机100发射信号功率的大范围调节，能够保障发射机效率在调节过程中始终较高，，而且
不会导致声呐发射机100的整体规模和成本增大，也不会导致成像声呐的接收机解调计算的计算量增加，同时，也保证了声呐发射机100的距离分辨率。
38.如图2所示，本实施例中电源电路2需向功率放大器3供电并且提供不同电压值的激励电压，因而将电源电路1设置为包括依次连接的电压选择电路11、电源模块12和电容充放电电路13。其中，电压选择电路11用于接收上位机300发出的第二控制信号以选取与具有一定占空比的pwm信号相适配的电压从而通过电源模块12向电容充放电电路13供电，而电容充放电电路13在接收电源模块12的供电后向功率放大器3输出激励电压。
39.进一步的，如图3所示，电源模块12包括电源芯片121，而电压选择电路包括第一可变电阻电路111和分压电路112，如此，控制电路1可以通过控制第一可变电阻电路111的阻值并经分压电路112的分压作用以使电源芯片121向电容充放电电路13输出不同的电压。
40.第一可变电阻电路111的形式可以是多样的，例如采用数字电位器芯片或者采用多路复用器芯片搭建多路复用电阻等等本实施例中的第一可变电阻电路111采用多路复用器u5实现多路电压的控制。该多路复用器u5具有控制端a1/a0、电源端vdd、输出端d以及多个输入端s1/s2/s3/s4，其中多路复用器u5的控制端a1/a0与控制电路1的输出端连接，用于接收第二控制信号，多路复用器u5的电源端vdd用于获取工作电源，而多路复用器u5的多个输入端s1/s2/s3分别串联不同的电阻(即r7、r18、r25)后接地，多路复用器u5的输出端d与电源芯片(即u3、u1)的fb引脚连接，而多路复用器u5的输出端d还通过分压电路112与电源芯片的电源输出端vout连接。为了防止多路复用器u5在进行电压选择过程中，烧坏电源芯片(即u3、u1)，还可以在电压选择电路11中增设与多路复用器u5的输出端连接的接地保护电路114。例如，可以在多路复用器u5的输出端串联一接地电阻r26。
41.为了使多路复用器u5在进行电压选择过程中，其不同路的电压可以平稳转换，示例性的，如图2和图3所示，还可以在电压选择电路11中增设稳压电路115，并将该稳压电路115连接于多路复用器u5的输出端d与工作电源之间。具体的，稳压电路115可以根据需要设置一个或多个滤波电容c6。
42.电容充放电电路13作为向功率放大器3直接供电的电路，如图2至图4所示，在本实施例中将其设置为包括充电模式选择电路131、电压检测电路132、储能电容133。其中，电源芯片u1的电源输出端vout可以通过充电模式选择电路131与储能电容133连接以向功率放大器3输出激励电压，而电压检测电路132可以用于将储能电容133输出的激励电压信息反馈至控制电路1。通过激励电压信息的实时反馈，可以对充电模式选择电路131下的充电模式(例如慢充或快充)进行调整，以使电容充放电电路13可以高效且稳定的向功率放大器3供电，从而保证功率放大器3向发射换能器200输出发射信号功率的稳定性。
43.电压检测电路132作为反馈激励电压信息的电路，为了使其稳定工作，示例性的，如图4所示，可以将其设置为包括比较器u6、输出上拉电阻r21、第一分压电阻r13、第二分压电阻r12、第三分压电阻r18以及第二可变电阻电路。其中，比较器u6的正向输入端inb+通过第一分压电阻r13接地，而第二分压电阻r12连接于比较器u6的正向输入端inb+与储能电容133的输出端之间，两个分压电阻(即r13和r12)对储能电容133电压进行分压，分压后的电压值小于比较器u6的电源电压从而对比较器u6形成输入保护。比较器u6的负向输入端inb-通过第三分压电阻r18接电源，第三分压电阻r18通过第二可变电阻电路输出可调的参考电压至比较器u6的负向输入端inb-。比较器u6比较储能电容133电压分压值与参考电压的大
小并根据比较结果输出高电平或低电平至控制电路，而输出上拉电阻r21为输出信号提供高电平。
44.第二可变电阻电路也具有多路复用器u11，多路复用器u11的输出端d与比较器u6的负向输入端inb-连接，多路复用器u11的多个输入端s1/s2/s3/s4串联多个电阻(即r23、r30、r39、r42)后接地，形成可调的参考电压，多路复用器u11的控制端a1/a0与控制电路1连接。此外，多路复用器u11的电源端vdd并联有两个滤波电容(即c9、c19)，而多路复用器u11的输出端d还连接有接地电阻r56。
45.工作时，因第二可变电阻电路中多路复用器u11所连接的电阻(即r23、r30、r39、r56)阻值，与第一可变电阻电路111中多路复用器u5所连接的电阻(即r7、r18、r25、r26)阻值相匹配，使比较器u6负向输入端的参考电压值可以随着电源电路2输出电压的变化而变化。而比较器u6将其正向输入端所接收的储能电容的输出电压与其负向收入端所接收的参考电压比较，当储能电容两端输出电压达到预设值后，进入快充模式，用于限制充电电流，保护电源电路，同时提高充电效率，减少充电时间。而此预设值是与充电模式选择电路131中快充电路和慢充电路选择时所对应的预设值是保持一致的。
46.充电模式选择电路可以包括开关电路、慢充电路和快充电路，控制电路通过控制开关电路选择慢充电路或快充电路以向电容充电。充电模式选择电路一方面能够限制充电电流、保护电源电路，另一方面能够提高充电效率，降低充电时间，减少充电时间对系统帧率的影响，同时提高发射信号功率的稳定性。
47.本实施例中开关电路包括第一电阻r59、第二电阻r57、第一三极管q8、第一mos管q7。控制电路1的一输出端insulate_cap_power_out通过第一电阻r59与所述第一三极管q8的基极b连接，第一三极管q8的发射极e接地，第一三极管q8的集电极c与第一mos管q7的栅极g连接，第一mos管q7的源极s与电源芯片的电源输出端vout连接，第二电阻r57连接于第一mos管q7的栅极g与源极s之间，第一mos管q7的漏极d分别通过慢充电路、快充电路与储能电容连接。
48.当控制电路1的输出端insulate_cap_power_out输出高电平信号时，第一三极管q8导通使第一mos管q7的栅极g接地，从而导通第一mos管q7，使电源芯片的电源输出端vout输出的电源进入慢充电路或快充电路以对储能电容充电；反之，第一三极管q8在控制电路1输出低电平时关闭，从而停止充电。
49.当第一mos管q7导通时，电源芯片u1和电源芯片u3通过慢充电路向储能电容充电。具体的，慢充电路包括第一二极管d16和第一限流电阻(即r3、r4、r5、r6、r19、rr20、r43、r46)，第一mos管q7的漏极d与第一二极管d16的正极连接，第一二极管d16的负极与储能电容之间并联有多个第一限流电阻。其中，第一二极管d16可以在慢充电路工作过程中防止反向电压击穿第一mos管q7，对第一mos管q7形成保护，而并联的多个第一限流电阻一方面可以在第一mos管q7导通时防止充电电流过大，另一方面可以实现对储能电容的慢充。
50.储能电容在经慢充后，当其两端的电压达到预设值时，快充电路开始工作。具体的，快充电路包括第三电阻、第四电阻、第二三极管、第二mos管、第二分流电阻、第二二极管，控制电路1的一输出端cap_to_source_out通过第三电阻r17与第二三极管q5的基级b连接，第二三极管q5的发射极e接地，第二三极管q5的集电极c与第二mos管q6的栅极g连接，第二mos管q6的源极s与第一mos管q7的漏极d连接，第四电阻r14连接于第二mos管q6的栅极g
与源极s之间，第二mos管q6的漏极d与第二二极管d17的正极之间并联有两个第二限流电阻(即r54、r55)，第二二极管d17的负极与储能电容连接。当储能电容两端的电压达到预设值时，控制电路1向第二三极管q5的基级b输出高电平，使第二三极管导通，从而导通第二mos管q6，使电源芯片u1和电源芯片u3输出的电流沿着第二mos管q6进入第二限流电阻，从而对储能电容进行快充。其中，并联的两个第二限流电阻的阻值小于并联的多个第一限流电阻的阻值，而第二二极管d17也可以防止反向电压损坏第二mos管q6。
51.需要说明的是，本实施例中的电源芯片为两个，在其他实施例中可以根据实际需要选用不同数量的电源芯片。此外，本实施例中为了获得较大的输出电压范围，采用的是buck-boost电源芯片，该芯片可以使电容的充电电压高于成像声呐的输入电压，也可以使电容的充电电压低于成像声呐的输入电压，而在其他实施例中也可以采用其他类型的电源芯片。
52.本实施例中的第一可变电阻电路和第二可变电阻电路均采用了型号为adg804的多路复用器，当然在其他实施例中也可以采用数字电位器等，只要其能使电源电路向功率放大器输出所需的激励电压即可。
53.如图2所示，本实施例中的功率放大器主要由h桥驱动电路31和功率放大电路32构成，本实施例中分压电路采用分压电阻r11。当然在其他实施例中功率放大器和分压电路也可以不限于本实施例的。此外，还可以在功率放大器与发射换能器之间增设匹配电路4，用于将功率放大电路32与发射换能器200进行阻抗匹配，进一步提高声呐发射机100的发射效率。
54.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
55.对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。