专利名称：一种集成式深水水声换能器基阵的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种集成式水声换能器基阵，特别是涉及深水情况下使用的水声换能器基阵。
背景技术：
水声换能器基阵是声纳探测设备传感最主要的组成部分，其向水中发射探测声波，并接收来自目标的反射回波，与声纳探测设备使用要求和功能相匹配，在形式和结构上较为简单，常在深度小于300m的水中使用。
单一的前视声纳探测设备通常只使用前视平面阵，根据声纳设备的功能和要求， 有的基阵多达上百基元，可采用收发合置或收发分置的模式。测深声纳设备大多配置的换能器基阵只有垂直向下的平面阵，根据功能和使用要求而言，可以是多波束阵或单波束阵。 环形阵形式多见于蛙人警戒声纳设备，根据所形成波束的不同，基元数各不相同，多采用收发分置的模式。以上的各种声纳设备所配备的水声换能器基阵较少同时集成压力传感器和温度传感器。深水的换能器基阵目前见报道的有杭州应用声学研究所、哈工程大水声学院和中科院声学所使用过，其换能器基阵结构形式较为简单，多为单基元基阵形式。
目前，国外只有美国TOSMAR公司的TCS380及TCS780型网位仪具有如此复杂的组合换能器基阵，且其使用深度达到1800m的水深，但其专利情况不详，在国内尚未见有其申请的报道。发明内容
本发明提供一种集成式深水水声换能器基阵，将多种功能水声换能器基阵组合及温度与压力传感器集成在一起，且能在深水环境下使用。
本发明提供了一种集成式深水水声换能器基阵，包括钢性支架、前视多通道平面阵、垂直单通道平面阵、环形多通道接收阵、环形多扇面发射阵和温度传感器、压力传感器和导流罩，其中钢性支架是以上基阵的安装载体，其结构为框架式结构，在钢性支架的中后部垂直安装密封隔板，密封隔板可承受2000m海水压力，用于防止海水渗透到密封隔板右端的电子舱内，温度传感器和压力传感器均安装在密封隔板上，温度传感器安装在密封隔板的左侧，压力传感器安装的密封隔板的右侧位于电子舱内部；前视多通道平面阵安装在钢性支架的左端面；垂直单通道平面阵上下对称安装在钢性支架右端的外圆周上；环形多通道接收阵和环形多扇面发射阵均勻分布在刚性支架的中部的圆周上，各换能器基阵均采用压电陶瓷芯片按照距离间隔要求等间距安装在声耦合材料上，再将其整体固定在钢性支架上；前视多通道平面阵和环形多通道接收阵之间的钢性支架上均勻分布有注水孔，海水经注水孔流入到换能器基阵内部，使得安装在内部的压力、温度传感器可以正常工作，同时，由于海水注入到了内部，使得换能器基阵的内外压力可达到平衡状态并可适当减少钢性支架的壁厚，前视多通道平面阵和环形多通道接收阵的电缆可通过水密接插件与电子舱内的设备连接；换能器基阵经过硫化和密封处理，再在外层安装导流罩。
其中前视多通道平面阵采用8通道收发合置工作模式，工作频率ΙΙΟΚΗζ，通道间的幅度一致性小于2dB，波束宽度为10° X 10°，发射声源级最大为210dB，接收灵敏度不小于_185dB，要求相控士40°范围内无栅瓣(由此确定基元间距和波长之间的关系约为d < λ/1.5)，绝缘电阻大于100M Ω ；将8片经过测试满足要求的压电陶瓷芯片按照距离间隔要求等间距安装在声耦合材料上，再将其整体固定在钢性支架上；
垂直单通道平面阵通道数为2通道，收发合置工作模式，工作频率ΙΙΟΚΗζ，波束宽度为30° X 30°，发射声源级最大为210dB，接收灵敏度不小于-185dB，绝缘电阻大于100M Ω ；
环形多通道接收及环形多扇面发射阵工作频率为窄带180ΚΗΖ，通道间的幅度一致性小于2dB，绝缘电阻不小于100Μ Ω ；多通道接收阵的通道数为60通道，环形多扇面发射阵在360°空间扇面有10个小的窄弧面组成，每个弧面的波束宽度为36° Χ30°，每个发射弧面发射指向性在36°有快速衰减，以保证接收栅瓣接收影响最小化，发射声源级最大为 210dB ；
前视多通道平面阵为8通道，工作中心频率为ΙΙΟΚΗζ，单通道_3dB波束宽度为10° X10°，采用收发共用工作模式，用于探测前方目标信息，通过相控技术向前方士40°的空间发射扫描探测声波，并接收目标回波，采用相控阵波束形成技术形成-3dB束宽为2. 5° X 10°的多波束。
垂直单通道平面阵为垂直向上和向下方式布置，工作中心频率为ΙΙΟΚΗζ，采用收发共用工作模式，单通道_3dB波束宽度为30° X30°，用于测量垂直方向的目标信息；
环形多通道接收阵和多扇面发射阵主要用于探测换能器基阵所处位置360°区域目标信息，采用收发分置工作模式，工作中心频率180KHZ，多扇面发射阵共分10个发射扇面，单发射扇面的波束宽度为36° X 30°，多通道接收阵的接收通道数为60通道，在每个发射扇面所对应的波束宽度内由接收阵的12通道接收目标回波，这12通道采用相控阵波束形成技术形成9个以上4° X30°的波束，10个发射扇面依次进行扫描探测，覆盖整个 360°区域。
压力和温度传感器采用已有成熟的传感器，其中压力传感器可测量至少2000m水深的压力，精度为Im士0. 1% FS，温度传感器可耐2000m水深压力，精度为士0. 2°C。
有益效果本发明是通过将三种不同频率、性能换能器基阵和压力、温度传感器组合集成在于一体，实现前向、垂直、和环形水下超声探测以及该位置海水水深和温度检测， 具有集成化程度高，适于大深度水深使用的特点。
图1是本发明的结构示意图。
其中1-密封隔板、2-注水孔、3-前视多通道平面阵、4-环形多通道接收阵、5-环形多扇面发射阵、6-温度传感器、7-压力传感器、8-垂直单通道平面阵、9-钢性支架。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
如附图1所示，一种集成式深水水声换能器基阵，包括钢性支架9、前视多通道平面阵3、垂直单通道平面阵8、环形多通道接收阵4、环形多扇面发射阵5和温度传感器6、压力传感器7和导流罩，其中钢性支架9是以上基阵的安装载体，其结构为框架式结构，在钢性支架9的中后部竖直安装密封隔板1，密封隔板1可承受2000m海水压力，用于防止海水渗透到密封隔板1右端的电子舱内，温度传感器6和压力传感器7均安装在密封隔板1上， 温度传感器6安装在密封隔板1的左侧，压力传感器7安装在密封隔板1的右侧位于电子舱内部；前视多通道平面阵3安装在钢性支架9的左端面；垂直单通道平面阵8上下对称安装在钢性支架9右端的外圆周上；环形多通道接收阵4和环形多扇面发射阵5均勻分布在刚性支架9的中部的圆周上，各换能器基阵均采用压电陶瓷芯片按照距离间隔要求等间距安装在声耦合材料上，再将其整体固定在钢性支架9上；前视多通道平面阵和环形多通道接收阵之间的钢性支架9上均勻分布有注水孔2，海水经注水孔2流入到换能器基阵内部， 使得安装在内部的压力传感器7和温度传感器6可以正常工作，同时，由于海水注入到了内部，使得换能器基阵的内外压力可达到平衡状态并可适当减少钢性支架9的壁厚，前视多通道平面阵3和环形多通道接收阵的电缆通过水密接插件与电子舱内的设备连接；各换能器基阵经过硫化和密封处理，再在各换能器基阵外层安装导流罩。
其中前视多通道平面阵采用8通道收发合置工作模式，工作频率ΙΙΟΚΗζ，通道间的幅度一致性小于2dB，波束宽度为10° X 10°，发射声源级最大为210dB，接收灵敏度不小于_185dB，要求相控士40°范围内无栅瓣(由此确定基元间距和波长之间的关系约为d < λ/1.5)，绝缘电阻大于100M Ω ；将8片经过测试满足要求的压电陶瓷芯片按照距离间隔要求等间距安装在声耦合材料上，再将其整体固定在钢性支架上；
垂直单通道平面阵通道数为2通道，收发合置工作模式，工作频率ΙΙΟΚΗζ，波束宽度为30° X 30°，发射声源级最大为210dB，接收灵敏度不小于-185dB，绝缘电阻大于100M Ω ；
环形多通道接收及环形多扇面发射阵工作频率为窄带180ΚΗΖ，通道间的幅度一致性小于2dB，绝缘电阻不小于100Μ Ω ；多通道接收阵的通道数为60通道，环形多扇面发射阵在360°空间扇面有10个小的窄弧面组成，每个弧面的波束宽度为36° Χ30°，每个发射弧面发射指向性在36°有快速衰减，以保证接收栅瓣接收影响最小化，发射声源级最大为 210dB ；
前视多通道平面阵为8通道，工作中心频率为ΙΙΟΚΗζ，单通道_3dB波束宽度为10° X10°，采用收发共用工作模式，用于探测前方目标信息，通过相控技术向前方士40°的空间发射扫描探测声波，并接收目标回波，采用相控阵波束形成技术形成-3dB束宽为2. 5° X 10°的多波束。
环形多通道接收阵和多扇面发射阵主要用于探测换能器基阵所处位置360°区域目标信息，采用收发分置工作模式，工作中心频率180KHZ，多扇面发射阵共分10个发射扇面，单发射扇面的波束宽度为36° X30°，多通道接收阵的接收通道数为60通道，在每个发射扇面所对应的波束宽度内由接收阵的12通道接收目标回波，这12通道采用相控阵波束形成技术形成9个以上4° X30°的波束，10个发射扇面依次进行扫描探测，覆盖整个 360°区域。
压力和温度传感器采用已有成熟的传感器，其中压力传感器可测量至少2000m水深的压力，精度为Im士0. 1% FS，温度传感器可耐2000m水深压力，精度为士0. 2°C。
工作方式换能器基阵与电子舱一起通过绳索悬挂在拖网中间，由外部电子设备控制换能器基阵依次发射前向、环形及垂直方向的扫描探测声波，经处理后，可探测出前向网板、环形网纲及对底各目标信息及周围鱼群信息。实现前向、垂直、和环形水下超声探测， 以及该位置海水水深和温度检测；垂直换能器基阵可向上和向下探测目标，可防止拖网触底损坏。
权利要求
1.一种集成式深水水声换能器基阵，包括钢性支架(9)、前视多通道平面阵(3)、垂直单通道平面阵(8)、环形多通道接收阵G)、环形多扇面发射阵(5)和温度传感器(6)、压力传感器(7)和导流罩，其中钢性支架(9)是以上基阵的安装载体，其结构为框架式结构，在钢性支架(9)的中后部竖直安装密封隔板(1)，温度传感器(6)安装在密封隔板⑴的左侧，压力传感器(7)安装在密封隔板(1)的右侧并位于电子舱内部；前视多通道平面阵(3) 安装在钢性支架(9)的左端面；垂直单通道平面阵(8)上下对称安装在钢性支架(9)右端的外圆周上；环形多通道接收阵(4)和环形多扇面发射阵( 均勻分布在刚性支架(9)的中部的圆周上，各换能器基阵均采用压电陶瓷芯片按照距离间隔要求等间距安装在声耦合材料上，再将其整体固定在钢性支架(9)上；前视多通道平面阵C3)和环形多通道接收阵 (4)之间的钢性支架(9)上均勻分布有注水孔O)，前视多通道平面阵C3)和环形多通道接收阵(4)的电缆通过水密接插件与电子舱内的设备连接；各换能器基阵经过硫化和密封处理后在其外层安装导流罩。
2.如权利要求1所述的一种集成式深水水声换能器基阵，其特征在于所述前视多通道平面阵(3)采用8通道收发合置工作模式，工作频率ΙΙΟΚΗζ，通道间的幅度一致性小于 2dB，波束宽度为10° X10°，发射声源级最大为210dB，接收灵敏度不小于-185dB，要求相控士40°范围内无栅瓣，基元间距和波长之间的关系为d< λ/1.5，绝缘电阻大于100M Ω。
3.如权利要求1所述的一种集成式深水水声换能器基阵，其特征在于所述环形多通道接收阵(4)及环形多扇面发射阵(5)工作频率为窄带180ΚΗΖ，通道间的幅度一致性小于 2dB，绝缘电阻不小于100M ；环形多通道接收阵的通道数为60通道，环形多扇面发射阵(5)在360°空间扇面有10个小的窄弧面组成，每个弧面的波束宽度为36° X30°，每个发射弧面发射指向性在36°有快速衰减，发射声源级最大为210dB。
4.如权利要求1所述的一种集成式深水水声换能器基阵，其特征在于所述垂直单通道平面阵(8)通道数为2通道，工作中心频率为ΙΙΟΚΗζ，采用收发共用工作模式，单通道-3dB 波束宽度为30° X 30°，发射声源级最大为210dB，接收灵敏度不小于-185dB，绝缘电阻大于 100M Ω。
全文摘要
本发明公开了一种集成式深水水声换能器基阵，运用于远洋拖网渔船拖网位置形状的水下超声探测；本发明是通过将三种不同频率、性能换能器基阵和压力、温度传感器组合集成在于一体，实现前向、垂直、和环形水下超声探测，以及该位置海水水深和温度检测。该换能器基阵的前向扫描探测基阵可对前方拖网渔船的网板和鱼群信息进行探测，垂直换能器基阵可向上和向下探测目标，可防止拖网触底损坏，环形探测基阵可对拖网网口的形状进行扫描探测，压力传感器和温度传感器可用于测量换能器基阵所处位置的海水深度和温度。本发明具有集成化程度高，适于大深度水深使用的特点。
文档编号G10K9/122GK102509544SQ20111033519
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月28日 优先权日2011年10月28日
发明者张立杰, 邵华枫, 黄勇, 黎静 申请人:中国船舶重工集团公司第七一○研究所