专利名称：用于声学多普勒海流剖面仪的相控换能器阵和相控方法
技术领域：
本发明涉及一种相控换能器阵，主要是一种用于声学多普勒海流剖面仪和计程仪等海洋仪器的换能器阵及相控方法。
背景技术：
常规的声学多普勒海流剖面仪和计程仪等海洋仪器的换能器阵为由4个独立的换能器组成(如图1所示，图中X、Y、Z为直角坐标，4个发射波束与Z轴呈30°的夹角，4个发射波束在XY平面上的投影与X轴和Y轴重合)，每个换能器的辐射面与中垂线夹角为20°～30°，构成斜正交结构的4个发射波束和接收波束。它的优点是换能器阵加工简单方便，不需要进行发射和接收波束形成。它的缺点主要有以下几点①换能器阵的发射和接收旁瓣较大；②因测量原理要求组成的换能器阵的发射面与水平面之间有一定的角度，换能器阵的发射面无论是内凹的还是外凸的都会引起阵旁的水流扰动，影响声波的发射和接收；③换能器阵的体积大，重量重；RD公司的75kHzADCP换能器阵直径约1米，重量约160kg，如果要求测量较深海域而降低发射声波频率为38kHz，它的换能器阵直径为2米，重量为1600kg。因而安装和使用的限制较多。
④测量精度不高。
发明内容
本发明的目的在于要解决上述现有技术的缺点和不足，而提供一种用于声学多普勒海流剖面仪的相控换能器阵和相控方法，为了减小声学多普勒海流剖面仪和计程仪等海洋仪器的换能器阵的体积和重量，使之具有更好的适装性和使用方便，发明了相控换能器阵。
本发明解决其技术问题采用的技术方案。这种用于声学多普勒海流剖面仪的换能器阵，包括相控换能器阵，水下基阵内安装的水下电子设备，水上舱内安装的水上电子设备，一根联接水下和水上电子设备的长电缆。所述的相控换能器阵是一个平面阵，其内部由一组换能器基元按正方形网格布置而成；用包含4个换能器基元为边长的正方形网格，即对称于圆心将所有换能器基元按其所在位置分成若干组，以相控换能器阵中心的16个换能器为基准，将其它各组换能器基元与基准组中相同位置的换能器基元进行并联，形成16路换能器组，第一排1、2、3、4路，第二排5、6、7、8路，第三排9、10、11、12路，第四排13、14、15、16路；收发共用的相控换能器阵通过收发转换电路与相控发射机的功率放大器末级及相控接收机的前置放大器相连。
本发明所述的这种换能器阵的相控方法，将相控换能器阵中所有换能器进行分组，以相控换能器阵中心的那一组为基准组，将每一组中相对位置相同的换能器与基准组中的相对换能器进行并联，形成16路换能器，通过对这16路换能器组的发射、接收信号的相位和幅度控制，实现与相控换能器阵垂线成30°夹角的斜正交结构的4个相控发射波束和接收波束。
本发明的有益的效果是相控换能器阵由近千个阵元组成，按照波束形成原理，形成4个所需的发射和接收波束，研制相控换能器阵的主要目的在于不增大换能器阵的体积和重量的基础上把发射频率降下来，从而扩大测量范围。我们研制的38kHz相控换能器阵的直径为0.60米，重量小于100kg。本发明在不增加电路复杂性的前提下，大大减小了声学多普勒海流剖面仪和计程仪等海洋仪器的换能器阵的物理尺寸和重量，降低了设备的安装要求。
图1是声学多普勒海流剖面仪的常规换能器阵的4个发射波束。
图2是近千个换能器在相控换能器阵中的布置。
图3是相控换能器阵中的换能器分组。
图4是基准组中16个换能器相对位置编号。
图5是相控发射机构成框图。
图6是相控发射及收发转换电路1。
图7是相控发射及收发转换电路2。
图8是相控接收机功能框图。
附图标记说明1为基准组的换能器、2为换能器正极、3为换能器负极、4为变压器初级同名端、5为变压器初级异名端、6为变压器次异名端、7为变压器次级同名端、8为滤波电感和电容、9为换能器匹配电感、10为电阻、11为双向二极管对、12为换能器接收信号、13为变压器初级、14为变压器次级、15为反向电路。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步介绍将近千个换能器放在圆形(也可以是椭圆形或长方形)平面的矩形网格上(如图2所示)，相邻换能器之间的距离为半波长d＝λ/2＝c/2f(海水中的声速c在1400米/秒～1600米/秒之间，通常假定c为1500m/s，如果工作频率f选为37.5kHz，则相邻换能器之间的距离为2cm；如果工作频率f选为18.75kHz，则相邻换能器之间的距离为4cm；如果工作频率f选为150kHz，则相邻换能器之间的距离为0.5cm；)。相控换能阵的直径一般在10～20倍波长，可根据实际安装要求选取。为了形成如图1所示的相控换能器阵的4个信号发射波束(以XY平面为相控换能器阵平面，4个波束分别落在XZ平面和YZ平面上且与Z轴的夹角为30°)，采用了增强换能器阵栅瓣的方法，通过对图2所示的各个换能器基元的发射信号进行相位和幅度控制实现，具体实现方法如下首先，对如图2所示的相控换能器阵中的换能器，只有在虚线框内的16个换能器的接收信号和发射信号的相位是独立的，其它任一个换能器都能在这16个换能器中找到一个与其接收信号和发射信号相位相同的换能器。因此，首先将相控换能器阵中所有换能器进行分组，如图3所示。以相控换能器阵中心的那一组为基准组，将每一组中相对位置相同的换能器与基准组中的相对换能器进行并联，形成16路换能器。通过对基准组中16个换能器发射信号的相位和幅度控制，实现相控发射波束形成和接收波束形成。对如图4所示的基准组16个换能器发射信号的相位和幅度控制具体的加权方法如下给1、2、4、5、13路换能器加幅度为A、相位为0°的发射电信号；给7、10、11、12、15路换能器加幅度为A、相位为180°的发射电信号；而3、6、8、9、14、16路换能器不发射声信号。
发明了2种最简单的电路实现幅度相同相位相反的两路大功率电信号。第一种电路(如图6所示，相控换能器阵中的换能器为收发共用换能器，双向二极管对、电阻构成收发转换电路。)采用双次级绕组变压器实现，将绕组1的同名端与绕组2的异名端相连作为地线与相控换能器阵中的换能器负极相连，绕组1的异名端通过二极管对与基准组7、10、11、12、15路换能器的正极相连，绕组2的同名端通过二极管对与基准组1、2、4、5、13路换能器的正极相连。而基准组3、6、8、9、14、16路换能器通过二极管对与地线相连。
第二种电路如图7所示，相控换能器阵中的换能器为收发共用换能器，双向二极管对、电阻构成收发转换电路。输出功率信号通过二极管对与基准组7、10、11、12、15路换能器的正极相连和7、10、11、12、15路换能器的负极相连，而基准组3、6、8、9、14、16路换能器通过二极管对与地线相连。由于7、10、11、12、15路换能器的正、负极颠倒，故在接收电路中须进行相应的反向。
其中相控发射机由四块电路板和一些外围器件组成，发射信号源板、信号转换板、功放板、收发转换板、选频匹配网络等(见图5)。由发射信号源产生发射信号和发射包络信号，发射信号包含宽带信号和窄带信号；通过信号转换形成可驱动IGBT功放管的发射信号，中间包含过流保护电路；功放工作在开关放大状态，功放输出联接输出变压器，形成①两路相位相反、幅度相等的发射大功率信号，分别通过选频网络和二极管对将发射大功率信号加到相控换能器阵的1、2、4、5、13路换能器的正极和相控换能器阵的7、10、11、12、15路换能器的正极；②一路发射大功率信号，分别通过选频网络和二极管对将发射大功率信号加到相控换能器阵的1、2、4、5、13路换能器的正极和相控换能器阵的7、10、11、12、15路换能器的负极，实现发射信号180°相位改变；而3、6、8、9、14、16路换能器不发射声信号，通过二极管对与地线相连。从而实现与相控换能器阵垂线成30°夹角的斜正交结构的4个相控发射波束，其中电阻、二极管对构成特殊的收发转换电路。
其中所述相控接收机由前置放大器，预波束形成，滤波，时间增益控制等部分组成(组成框图见附图8)。相控接收机的通道数和工作频率与相控换能器阵的分组数目和工作频率一致。对附图1所示的波束1的回波信号，编号为1、2、3、4的换能器接收信号相位相同，因此对编号为1、2、3、4的换能器接收信号放大后进行相加形成1路信号，输入到带通滤波器，滤去通带外的噪声，再经时间增益控制(TGC)进行增益补偿，得到形成接收波束1的第1路信号。同理，对编号为5、6、7、8的换能器接收信号，对编号为9、10、11、12的换能器接收信号和对编号为13、14、15、16的换能器接收信号进行相同的处理，得到形成接收波束1的第2路信号、第3路信号、第4路信号。对第1、2、3路信号通过移相电路分别移相270°、180°、90°后将该4路信号进行相加得到与相控换能器阵垂线成30°夹角的接收波束1的输出信号。用同样的方法可得到接收波束2、接收波束3、接收波束4的输出信号，从而实现附图1所示的接收波束。
权利要求
1.一种用于声学多普勒海流剖面仪的换能器阵，包括相控换能器阵，水下基阵内安装的水下电子设备，水上舱内安装的水上电子设备，一根联接水下和水上电子设备的长电缆；其特征是所述的相控换能器阵是一个平面阵，其内部由一组换能器基元按正方形网格布置而成；用包含4个换能器基元为边长的正方形网格，即对称于圆心将所有换能器基元按其所在位置分成若干组，以相控换能器阵中心的16个换能器为基准，将其它各组换能器基元与基准组中相同位置的换能器基元进行并联，形成16路换能器组，第一排1、2、3、4路，第二排5、6、7、8路，第三排9、10、11、12路，第四排13、14、15、16路；收发共用的相控换能器阵通过收发转换电路与相控发射机的功率放大器末级及相控接收机的前置放大器相连。
2.根据权利要求1所述的用于声学多普勒海流剖面仪的换能器阵，其特征是所述的相邻换能器基元之间的间距为λ/2，λ为工作波长，其工作频率从15kHz到150kHz。
3.根据权利要求1所述的用于声学多普勒海流剖面仪的换能器阵，其特征是所述的相控换能器阵是一个圆形或椭圆形的平面阵。
4.根据权利要求1所述的用于声学多普勒海流剖面仪的换能器阵，其特征是水下基阵内安装的水下电子设备包括收发转换电路，相控接收机中的前置放大器及预波束形成电路；收发转换电路同时与相控换能器阵、相控接收机的前置放大器和相控发射机的功率放大器的末级相联，相控接收机的预波束形成通过长电缆与水上相控接收机中的滤波器相联。
5.根据权利要求1所述的用于声学多普勒海流剖面仪的换能器阵，其特征是所述的相控发射机由发射信号源板、信号转换板、功放板和收发转换板四块电路板和一些外围器件组成。
6.根据权利要求1所述的用于声学多普勒海流剖面仪的换能器阵，其特征是所述的相控接收机由前置放大器，预波束形成，滤波，时间增益控制等部分组成。
7.根据权利要求6所述的用于声学多普勒海流剖面仪的换能器阵，其特征是所述的相控接收机由四块接收机板组成，前置放大器和预波束形成电路为一块板，装在水下相控换能器阵内；滤波器为LC无源滤波器，单独为一块6U标准板，安装在水上舱内机箱里；时间增益控制和波束形成电路为一块6U标准板，安装在水上舱内机箱里；时间增益曲线控制板为一块6U标准板，安装在水上舱内机箱里。
8.根据权利要求1所述的用于声学多普勒海流剖面仪的换能器阵和相控方法，其特征是该长电缆为纵向水密电缆，其最外层为聚氯乙烯护套，其次为总屏蔽层，里面包含双绞屏蔽线、发射信号线、电源线及温度传感器线。
9.一种换能器阵的相控方法，其特征在于将相控换能器阵中所有换能器进行分组，以相控换能器阵中心的那一组为基准组，将每一组中相对位置相同的换能器与基准组中的相对换能器进行并联，形成16路换能器，通过对这16路换能器组的发射、接收信号的相位和幅度控制，实现与相控换能器阵垂线成30°夹角的斜正交结构的4个相控发射波束和接收波束。
10.根据权利要求9所述的换能器阵的相控方法，其特征在于由发射信号源产生发射信号和发射包络信号，发射信号包含宽带信号和窄带信号；通过信号转换形成可驱动IGBT功放管的发射信号，中间包含过流保护电路；功放工作在开关放大状态，功放输出联接输出变压器，形成①两路相位相反、幅度相等的发射大功率信号，分别通过选频网络和二极管对将发射大功率信号加到相控换能器阵的1、2、4、5、13路换能器的正极和相控换能器阵的7、10、11、12、15路换能器的正极；②一路发射大功率信号，分别通过选频网络和二极管对将发射大功率信号加到相控换能器阵的1、2、4、5、13路换能器的正极和相控换能器阵的7、10、11、12、15路换能器的负极，实现发射信号180°相位改变；而3、6、8、9、14、16路换能器不发射声信号，通过二极管对与地线相连；从而实现与相控换能器阵垂线成30°夹角的斜正交结构的4个相控发射波束，其中电阻、二极管对构成特殊的收发转换电路；相控接收机的通道数和工作频率与相控换能器阵的分组数目和工作频率一致；回波信号经前置放大，预波束形成后输入到带通滤波器，滤去通带外的噪声，再经时间增益控制进行增益补偿，通过移相电路得到相位差分别为0°、90°、180°、270°的移相信号，最后形成与相控换能器阵垂线成30°夹角的斜正交结构的接收波束。
全文摘要
本发明涉及一种用于声学多普勒海流剖面仪的相控换能器阵和相控方法，在相控换能器阵中有近千个换能器按半波长间隔均匀布放在一个圆形平面内，利用换能器阵产生栅瓣的条件对所有换能器进行分组，以相控换能器阵中心的那一组为基准组，将每一组中相对位置相同的换能器与基准组中的相对换能器进行并联，形成16路换能器，通过对这16路换能器组的发射、接收信号的相位和幅度控制，实现与相控换能器阵垂线成30°夹角的斜正交结构的4个相控发射波束和接收波束。本发明的有益的效果是使声学多普勒海流剖面仪的换能器阵尺寸大大减小，降低低频大深度声学多普勒海流剖面仪的生产制造成本，使声学多普勒海流剖面仪具有更好的适装性和更大的使用范围。
文档编号G01S7/53GK1588120SQ200410066560
公开日2005年3月2日 申请日期2004年9月22日 优先权日2004年9月22日
发明者沈斌坚, 唐义政, 朱武兵, 耿淘, 顾海东, 李小英, 蒋国军, 温宁 申请人:中国船舶重工集团公司第七一五研究所