宽带声纳发射器、宽带声纳和声纳的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请
[0002]本申请要求2011年10月26日提交的第61/551，883号和第61/551，859号美国 临时专利申请的权益，这些文献通过引用整体并入本文中。
技术领域
[0003]本实用新型总体上涉及声纳，尤其涉及一种具有数字脉冲压缩的声纳系统。
【背景技术】
[0004] 生产用于例如鱼群探测这样的商业应用的调频声纳系统惯常性地面临成本压力。 因此，必须以有效、成本效益的方式实施高级的信号处理技术。例如，最好在例如25kHz至 255kHz这样的宽带频率范围内提供相对高的功率（例如IkW)。然而，商业实现的成本压力 阻止了例如线性功率放大器这样的方便的解决方案的使用。
[0005]在传统的声纳中，功率放大器通过变压器驱动换能器。变压器隔离换能器，而且还 起到使换能器和放大器阻抗匹配的作用。总的来说，这样的变压器应当具有相对低的插入 损耗以使传送至换能器的功率最大化，而且还使来自插入损耗的关联的发热效应最小化。 但由于例如变压器绕组和关联的寄生元件之间的耦合这样的真实世界影响，维持低的插入 损耗是有问题的。
[0006]在宽带声纳应用中对变压器性能的要求加剧。这样的宽带性能是可取的，因为浅 水域性能利于相对高的频率声纳脉冲，而较深水域性能在相对较低的频率声纳脉冲的情况 下提高。变压器必须以相对低的频率以及相对高的频率执行，因此需要合适的宽度性能。 由于当在宽的带宽内操作换能器时遇到的电抗增加，因此难以在宽度声纳系统中实现用于 隔离变压器的期望性能。宽带隔离变压器必须满足相互冲突的要求，因为低频率操作需要 高的并联电感，而适合的高频率操作需要低的电感（具体地，低的漏电感）以避免与由换能 器提供的电容性负载共振。
[0007]因此，在所属技术领域需要改进的声纳系统，该系统以低的成本提供频率捷变性 能和相对高的功率。此外，所属技术领域需要满足由宽带声纳应用提出的相互冲突的要求 的隔离变压器。 【实用新型内容】
[0008]根据本实用新型的第一方面，提供一种宽带声纳发射器，该反射器包括：电源；一 对开关；以及具有次级线圈和初级线圈的宽带变压器，其中次级线圈用于驱动换能器，初级 线圈具有由电源驱动的中心抽头，其中初级线圈的第一端通过开关中的第一个接地，并且 初级线圈的第二端通过开关中的第二个接地。
[0009] 根据本实用新型的第二方面，提供一种宽带声纳，包括：电源；一对开关；包括宽 带变压器的功率放大器，该宽带变压器具有用于驱动换能器的次级线圈和连接到该对开关 并由电源驱动的中心抽头的初级线圈；及连接至电源、该对开关以及功率放大器的数字逻 辑，用于检测期望的宽带声纳信号的正半周期和负半周期；以及针对每一个半周期，通过驱 动该对开关而逼近半周期，以跨越次级线圈产生至少一个电压脉冲，从而产生逼近期望的 宽带声纳信号的一系列电压脉冲。。
[0010] 根据本实用新型的第三方面，提供一种声纳，该声纳包括：电源；一对开关；以及 包括宽带变压器的功率放大器，其中宽带变压器具有用于驱动换能器的次级线圈和由电源 驱动的中心抽头初级线圈，中心抽头耦合该对开关，其中宽带变压器包括：次级线圈，所述 次级线圈包括布置为第一部分、中间部分和最后部分的多个绕组；以及初级线圈绕组，所述 初级线圈仅与形成中间部分的次级线圈绕组缠绕。
【附图说明】
[0011] 图1是根据实施例的示例声纳发射器的方框图。
[0012] 图2表示根据实施例的期望的波形和一系列脉冲宽度调制矩形脉冲，这一系列脉 冲宽度调制矩形脉冲用于逼近期望的波形使得单个脉冲逼近期望的波形的每一个半周期。
[0013] 图3是根据实施例计算图2的脉冲的打开和关闭脉冲时间的方法的流程图。
[0014] 图4表示根据实施例的期望的波形和一系列脉冲宽度调制矩形脉冲，这一系列脉 冲宽度调制矩形脉冲用于逼近期望的波形使得一对脉冲逼近期望的波形的每一个半周期。
[0015] 图5a表示根据实施例具有30%的脉冲间隔的图4的波形的单周期。
[0016] 图5b表示显示第三个谐波的抑制的图5a的波形的频谱。
[0017] 图6a表示根据实施例具有66%的脉冲间隔的图4的波形的单周期。
[0018] 图6b表示显示第五个谐波的抑制的图6a的波形的频谱。
[0019] 图7是根据一个实施例的变压器等效电路的视图。
[0020] 图8是图7的变压器等效电路的综合图。
[0021] 图9a是图8的变压器等效电路的低频等效电路的视图。
[0022] 图9b是图8的变压器等效电路的高频等效电路的视图。
[0023] 图10是根据本公开的一个实施例的宽带隔离变压器的剖视图。
[0024] 图11是图10的宽带隔离变压器的示意图。
[0025] 图12是图10和11的变压器的示例引脚排列（pinarrangement)的顶视图。
【具体实施方式】
[0026] 为了提供具有高效率又低成本的频率捷变声纳，数字逻辑控制联接变压器的中心 抽头初级线圈的开关，从而在附接于变压器的次级线圈的负载处逼近正和负半正弦曲线周 期。现在转到附图，图1所示的示例声纳发射器100利用CPU105和FPGA110作为数字逻辑。 CPU105基于突发长度、频率含量以及振幅成形要求在换能器负载115处为期望的波形发布 命令。发射器1〇〇通过利用正和负电压脉冲的脉冲宽度调制逼近期望的波形。一个或多个 正电压脉冲逼近期望的正弦曲线的正半周期。类似地，一个或多个负电压脉冲逼近期望的 正弦曲线的负半周期。
[0027]FPGA110控制MOSFET驱动器120以打开和关闭由M0SFET125和M0SFET135实施的 开关。M0SFET125和135联接至隔离变压器170内的中心抽头初级线圈130的相对端。诸 如电容器组140的电源驱动初级线圈130上的中心抽头145。M0SFET125和135的默认状 态是关闭的。然而，如果M0SFET135打开，则通过次级线圈150使正电压脉冲激发到换能器 负载115上。反之，如果MOSFET125打开，则负电压脉冲加在负载115上。
[0028]FPGA110还驱动升压控制电路155。升压控制电路提高来自电源160的电源电压， 以使电容器组140充电至期望的电压水平。照这样，电容器组140提供高的能量储藏以驱 动负载115。由升压控制电路155施加的电压升高的量取决于期望的输出功率和换能器阻 抗。在一个实施例中，升压控制电路通过在10. 2Vdc到32Vdc的范围提高电源电压使电容 器组140在OVdc到150Vdc的范围内充电。例如，升压控制电路可以使用开关升压稳压器 型电路实现该范围的输出电压。这样的电路在没有吸取过多电流的情况下（例如，8A最大 电流消耗）快速达到期望的电压水平。在一个实施例中，开关升压电路可以基于例如用于 照相机上的闪光操作的电容充电器。有利地，这样的电容充电器高效、操作简单并且包括诸 如欠压锁定和最大充电截止的附加防护措施。为了存储产生的电荷，电容器组140可以具 有超出150V的额定电压并且提供足够的电容以在没有过大的电压降的情况下支持全功率 最大长度声纳脉冲。
[0029] 考虑到可以由电容器组140存储的电荷和电压水平的量，发射器100可以包括放 电电路（未示出）以在例如几秒钟这样的短的时间内安全地使电容器组140放电。例如， FPGA110可以控制放电电路，从而当发射器100断电时自动使电容器组140放电。照这样， 电容器组140不会处在充电状态，从而提高了安全性。发射器100还可以包括在维护之前 用于由技术人员操作的手动放电控制。
[0030] 变压器170是升压变压器，在一个实施例中，该变压器使用1:6的匝数比。变压 器170、用于驱动中心抽头145的例如电容器组140的电源以及用于跨越换能器负载115 形成正或负电压脉冲的例如M0SFET125和135的开关的组合有效地形成效率明显比传统 线性功率放大器高的D类放大器165。此外，放大器165在印刷电路板上具有较小的脚位 (footprint)并且不需要沉重且昂贵的散热器。在一个实施例中，放大器165能够在25KHz 至255KHz的频率范围内以高达IKW的功率水平输出脉冲。虽有在该频率范围内传统换能 器的高达30nF的电容性阻抗分量，但该效率是可以实现的。以下进一步讨论实现该性能的 变压器170的新颖设计。
[0031] 通过改变例如M0SFET125和135这样的开关的打开时间周期来实现的脉冲宽度调 制可以采取许多可选的实施例。例如，可以利用宽度选择成在如图2所示的正弦曲线半周 期中产生相等能量的峰值的单个矩形脉冲逼近输出正弦曲线半周期。每一个脉冲通过在期 望的波形的峰值处设定参考位置而产生。然后基于期望的峰值波形振幅和距对应的零位的 距离计算脉冲的下降沿和上升沿。例如，下降沿零位205和上升沿零位210构成正矩形脉 冲200。脉冲200相对窄，从而逼近在零位205和210之间延伸的正半周期正弦曲线的相对 低振幅。相比之下，正矩形脉冲215与脉冲200相比相对较宽，因为由脉冲21