專利名稱：一種水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于水聲通信和水下探測的水聲信號發(fā)射系統(tǒng)，尤其是涉及一種用于水 聲通信和水下探測的水聲信號發(fā)射機(jī)與換能器之間的寬帶自適應(yīng)匹配方法及其裝置，特別適 用于各類寬帶水聲實(shí)驗、科考活動使用的水聲信號發(fā)射儀器。
背景技術(shù)：
隨著海洋戰(zhàn)略意義的提升與海洋開發(fā)需求的日益增長，國內(nèi)外研究者越來越重視對寬頻 帶大功率聲源的研究與開發(fā)。性能良好的寬頻帶大功率聲源可以滿足水聲通信、水聲遙測遙 控、海洋勘探和水下監(jiān)測等領(lǐng)域的應(yīng)用需求。寬頻帶大功率發(fā)射技術(shù)是現(xiàn)代水聲發(fā)展的重要方向，也是水聲應(yīng)用技術(shù)的一個難點(diǎn)問題。 要實(shí)現(xiàn)水聲信號的寬頻帶和大功率發(fā)射，除了需要性能良好的發(fā)射機(jī)和換能器陣元外，在很 大程度上還依賴于換能器與發(fā)射機(jī)之間的良好匹配。在寬帶聲納系統(tǒng)中，由于寬帶換能器的帶內(nèi)阻抗起伏變化不規(guī)則，難用解析式表示，阻 抗匹配比較困難?，F(xiàn)在常采用的方法是多諧振法和;r型帶通濾波器法。多諧振法在多個窄帶 換能器組成寬帶基陣進(jìn)行匹配時，效果比較好，但對于單個寬帶換能器，多諧振法不適用；；r 型帶通濾波器存在近似問題，而且不能匹配輻射阻抗，因此實(shí)際應(yīng)用吋效果也不理想。關(guān)于水聲信號發(fā)射機(jī)與換能器的寬帶匹配技術(shù)研究，國內(nèi)外做過大量工作，取得了一定 效果，但仍難以同時滿足寬帶、大功率、高分辨率海洋探測儀器所需的要求。傳統(tǒng)水聲探測 應(yīng)用中，由于應(yīng)用背景、功率放大器以及換能器的不同，對匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計要求也不同，水 聲信號發(fā)射機(jī)更是一機(jī)一樣，造成研發(fā)工作的嚴(yán)重重復(fù)和浪費(fèi)。申請?zhí)枮?00410089145.X的中國發(fā)明專利申請?zhí)峁┮环N水聲超寬帶組合聲陣與發(fā)射的 方法及其裝置。申請?zhí)枮?00420110714.X的中國實(shí)用新型專利提供一種水聲超寬帶組合聲陣 與發(fā)射裝置。上述專利采用分頻段多型振動模式發(fā)射換能器聲陣合成技術(shù)與多陣發(fā)射技術(shù)， 較好地解決了超寬帶發(fā)射問題。但是該方法和裝置只是對特定單一的發(fā)射換能器陣進(jìn)行的有 效匹配，無法適應(yīng)各種場合，發(fā)射換能器改變后仍需重新設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)，通用性不強(qiáng)；且要 求組裝的發(fā)射換能器陣過于龐大，對制作精度提出了更高的要求，研制成本高，對普通科研 工作者的使用帶來不便，普通海試中采用的可能性受到影響。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有的水聲信號發(fā)射機(jī)工作頻帶窄、發(fā)射換能器匹配網(wǎng)絡(luò)一機(jī)一 樣的缺點(diǎn)，提供一種水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配裝置。本發(fā)明的另一目的是提供一種基于數(shù)字信號處理器(DSP)技術(shù)的水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶 自適應(yīng)匹配方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是采用數(shù)字信號處理器分析待發(fā)射信號的參數(shù)和發(fā)射換能器的發(fā)射響 應(yīng)特性，自動選擇最佳匹配網(wǎng)絡(luò)，計算出匹配所需的電感、電容參數(shù)，通過繼電器自動配置 所需的匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)在全頻帶范圍內(nèi)，根據(jù)發(fā)射換能器的特征參數(shù)， 自動選擇匹配網(wǎng)絡(luò)和參數(shù)，完成寬帶范圍的最大功率、最高效率和最大平坦響應(yīng)的水聲信號 發(fā)射任務(wù)。本發(fā)明所述的水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配裝置設(shè)有匹配網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字信號處理器；匹 配網(wǎng)絡(luò)設(shè)有繼電器選擇開關(guān)和諧振電路，繼電器選擇開關(guān)的輸入端(即匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入端) 接數(shù)字信號處理器的輸出端并外接功率放大器的輸出端，諧振電路的輸入端接繼電器選擇開 關(guān)的輸出端，諧振電路的輸出端外接發(fā)射換能器的輸入端；數(shù)字信號處理器設(shè)有信號參數(shù)提 取模塊、發(fā)射換能器參數(shù)分析模塊、匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)計算模塊、控制信號產(chǎn)生模塊和DSP芯片； 信號參數(shù)提取模塊的輸入端外接信號發(fā)生器的輸出端，信號參數(shù)提取模塊的輸出端和發(fā)射換 能器參數(shù)分析模塊的輸出端接匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)計算模塊的輸入端；匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)計算模塊的輸 出端接控制信號產(chǎn)生模塊的輸入端；控制信號產(chǎn)生模塊的輸出端接匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入端。諧振電路可設(shè)有串聯(lián)諧振電路、并聯(lián)諧振電路和復(fù)合諧振電路。諧振電路的輸入端可設(shè) 輸入選擇開關(guān)，諧振電路的輸出端可設(shè)輸出選擇開關(guān)。在數(shù)字信號處理器的控制下，匹配網(wǎng)絡(luò)中的繼電器選擇開關(guān)根據(jù)數(shù)字信號處理器對待要 發(fā)射的信號的波形、頻率等參數(shù)分析以及預(yù)先已輸入到數(shù)字信號處理器的發(fā)射換能器的阻抗 特性和發(fā)射響應(yīng)特性參數(shù)，自動配置所需的電感、電容參數(shù)和諧振電路，從而實(shí)現(xiàn)了從發(fā)射 信號——功率放大器——發(fā)射換能器三者之間最佳的匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。DSP芯片是整個數(shù)字信號處理器的計算和控制中心，即CPU，由發(fā)射信號參數(shù)提取模塊 采集信號發(fā)生器待要發(fā)射的信號，分析信號波形、頻率等特性參數(shù)；發(fā)射換能器參數(shù)分析模 塊預(yù)先采集并分析所要使用的不同發(fā)射換能器的阻抗特性和發(fā)射響應(yīng)特性參數(shù)；匹配網(wǎng)絡(luò)參 數(shù)計算模塊按照預(yù)先設(shè)定的程序分析待發(fā)射信號與發(fā)射換能器參數(shù)之間的匹配關(guān)系，計算最 佳匹配所需的電感、電容參數(shù)值，自動選擇最佳匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并由控制信號產(chǎn)生模塊產(chǎn)生 相應(yīng)的控制信號至匹配網(wǎng)絡(luò)的選擇開關(guān)輸入端上，直接控制繼電器選擇開關(guān)和諧振電路選擇 的選擇開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的自動選擇和相關(guān)參數(shù)的自動配置。本發(fā)明所述的一種水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配裝置與信號發(fā)生器、功率放大器、發(fā)射換能器等外圍設(shè)備構(gòu)成寬帶自適應(yīng)匹配水聲信號發(fā)射系統(tǒng)。功率放大器和數(shù)字信號處理器的輸入端均接信號發(fā)生器的輸出端，匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入端接 功率放大器的輸出端和數(shù)字信號處理器的輸出端，發(fā)射換能器的輸入端接匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出端。 數(shù)字信號處理器從信號發(fā)生器采集待發(fā)射信號，并分析發(fā)射信號的特性參數(shù)，如頻率帶寬、 信號幅度等，數(shù)字信號處理器的輸出端接匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入端，功率放大器將水聲信號放大并 輸出到匹配網(wǎng)絡(luò)，驅(qū)動發(fā)射換能器。信號發(fā)生器用于產(chǎn)生各種水聲信號。實(shí)際應(yīng)用中可采用各類通用的信號發(fā)生器，以增強(qiáng) 本水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配裝置的通用性。功率放大器可選擇D類數(shù)字功率放大器、線性功率放大器等。發(fā)射換能器的功能是在水中將電信號轉(zhuǎn)換為聲信號輻射出去。實(shí)際應(yīng)用中可以是各種型 號的發(fā)射換能器(如不同阻抗特性、不同頻率寬度，與以往只能匹配單一的換能器所不同)， 但使用前需將其阻抗特性和發(fā)射響應(yīng)特性參數(shù)采集到數(shù)字信號處理器(DSP)中，供DSP分 析調(diào)用。本發(fā)明所述的水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配的方法包括以下步驟1) 測量待發(fā)射換能器的特性參數(shù)，確定發(fā)射換能器的可用工作頻段；2) 構(gòu)建寬帶自適應(yīng)匹配水聲發(fā)射系統(tǒng)，寬帶自適應(yīng)匹配水聲發(fā)射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成包括本 發(fā)明所述的水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配裝置和所需要的外圍設(shè)備兩部分；3) 由水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配裝置中的數(shù)字信號處理器的發(fā)射信號參數(shù)提取模塊 采集信號發(fā)生器的待發(fā)射信號，分析信號波形、頻率等特性參數(shù)，并將發(fā)射換能器的阻抗特 性和發(fā)射響應(yīng)特性參數(shù)輸入到數(shù)字信號處理器中的發(fā)射換能器參數(shù)分析模塊；4) 數(shù)字信號處理器根據(jù)所需工作頻帶的要求和發(fā)射信號的特性，結(jié)合發(fā)射換能器的阻抗 特性和發(fā)射頻率響應(yīng)特性參數(shù)，確定分頻段匹配工作的方式，并按照預(yù)先設(shè)定的程序，選擇 所需的匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，計算電感電容參數(shù)值，分析匹配性能，優(yōu)化匹配網(wǎng)絡(luò)和匹配參數(shù)；5) 數(shù)字信號處理器根據(jù)步驟4)確定的匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和電感電容參數(shù)值，由數(shù)字信號處 理器中的控制信號產(chǎn)生模塊產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號送至匹配網(wǎng)絡(luò)，直接控制繼電器選擇開關(guān)和 諧振電路中的選擇開關(guān)，自動配置匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和選擇所需的電感電容參數(shù)值；6) 水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配裝置確定匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)后，發(fā)射該頻段的水聲 信號，實(shí)現(xiàn)最佳發(fā)射響應(yīng)；7) 改變輸入信號頻段或改變發(fā)射換能器型號，重復(fù)步驟3) 6)，完成同一發(fā)射換能 器或不同發(fā)射換能器全頻段的最大功率、最高效率和最大平坦響應(yīng)的水聲信號發(fā)射任務(wù)。測量待發(fā)射換能器的特性參數(shù)，確定發(fā)射換能器的可用工作頻段可采用阻抗分析儀測試所使用的發(fā)射換能器的阻抗特性曲線數(shù)據(jù)，利用消聲水池中的寬帶信號發(fā)射、接收、測量定 標(biāo)系統(tǒng)(消聲水池中寬帶發(fā)射、接收、測量系統(tǒng)為水聲測量中的公知系統(tǒng)，可參見教科書《水 聲測量》、《聲學(xué)計量》等)測量定標(biāo)該發(fā)射換能器的發(fā)射響應(yīng)特性曲線，如果發(fā)射換能器 已經(jīng)定標(biāo)或者出廠定標(biāo)數(shù)據(jù)還有效，該項測試工作可以省略。水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配裝置設(shè)有匹配網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字信號處理器，所需要的外圍設(shè) 備包括信號發(fā)生器、功率放大器和發(fā)射換能器。選擇所需的匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可采用多諧振法或;r型帶通濾波器等各類寬帶網(wǎng)絡(luò)匹配理論和 方法，匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可選擇串聯(lián)諧振式、并聯(lián)諧振式、串并聯(lián)復(fù)合諧振式等。為了分析水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配方法及其裝置的匹配性能，檢驗全頻段自適應(yīng) 匹配效果，可在消聲水池中構(gòu)建"寬帶自適應(yīng)匹配水聲信號發(fā)射及其接收系統(tǒng)"，該系統(tǒng)包 含了寬帶自適應(yīng)匹配水聲發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)。寬帶自適應(yīng)匹配水聲發(fā)射系統(tǒng)包含如上所述 的本發(fā)明的核心部件水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配裝置(包括匹配網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字信號處理器) 和外圍設(shè)備(包括信號發(fā)生器、功率放大器和發(fā)射換能器)；接收系統(tǒng)包括水聽器、信號前 級放大器、放大濾波器和示波器。根據(jù)構(gòu)建的寬帶自適應(yīng)匹配水聲信號發(fā)射及其接收系統(tǒng)，觀測接收系統(tǒng)在采用本發(fā)明裝 置前后所接收到的信號的幅度及波形變化，從而可判斷水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)的匹配效 果。本發(fā)明具有以下突出的優(yōu)點(diǎn)1) 本發(fā)明給出的水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配方法和水聲信號發(fā)射機(jī)帶寬自適應(yīng)匹配 裝置，充分利用了待發(fā)射信號的特性參數(shù)和發(fā)射換能器的特性參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)匹配，采用 本發(fā)明方法和裝置后能實(shí)現(xiàn)單一水聲信號發(fā)射機(jī)與多種型號發(fā)射換能器之間良好的性能匹 配，以得到最大頻帶寬度范圍內(nèi)的最大發(fā)射功率、最高發(fā)射效率和最大平坦頻率響應(yīng)的水聲 信號發(fā)射，大大提高了水聲信號發(fā)射機(jī)的負(fù)載適應(yīng)性和通用性，克服了傳統(tǒng)水聲信號發(fā)射機(jī) 和發(fā)射換能器匹配網(wǎng)絡(luò)中一機(jī)一樣的缺點(diǎn)。2) 本發(fā)明給出的水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配裝置和水聲信號發(fā)射機(jī)帶寬自適應(yīng)匹配 方法，可充分利用同一發(fā)射換能器不同工作頻段的阻抗特性和發(fā)射響應(yīng)特性，自適應(yīng)匹配， 可實(shí)現(xiàn)單一發(fā)射換能器的超寬頻帶發(fā)射，拓展了發(fā)射換能器的工作頻段，能滿足寬帶水聲通 信和寬帶探測儀器工作頻帶從幾百Hz到幾十kHz的應(yīng)用需求。3) 本發(fā)明給出的水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配裝置和水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配 方法，對發(fā)射機(jī)的信號發(fā)生器和功率放大器沒有嚴(yán)格的規(guī)定，可充分利用了現(xiàn)有設(shè)備，提高 了本匹配方法和裝置的適應(yīng)性和通用性，避免了目前自適應(yīng)匹配裝置中一機(jī)一樣的重復(fù)研制，可批量模塊化生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)效益高。4) 本發(fā)明給出的水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配裝置和水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配 方法，其發(fā)射換能器與功率放大器之間的匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和匹配參數(shù)由數(shù)字信號處理器實(shí)時自 動計算、配置和控制，提高了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和參數(shù)匹配的效率和通用性。5) 由于本發(fā)明所述的水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配裝置結(jié)構(gòu)簡單、體積小、便于攜帶， 采用本發(fā)明所述的水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配裝置所構(gòu)成的寬帶自適應(yīng)匹配水聲信號發(fā) 射系統(tǒng)，具有體積小、重量輕、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，對從事海洋科考、簡易水下科研活動提供 了極大的便利，將大大提高現(xiàn)有的水聲信號發(fā)射在海洋調(diào)查船或艦艇上的適裝性。6) 本發(fā)明具有很強(qiáng)的易更新性。在本發(fā)明所述的設(shè)計方法下，利用復(fù)合諧振網(wǎng)絡(luò)等匹配 技術(shù)和寬帶網(wǎng)絡(luò)匹配技術(shù)的最新設(shè)計理論和研究成果，研究和更新DSP主控程序和分析程序 的算法和參數(shù)，可進(jìn)一步提高本發(fā)明水聲發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配方法及其裝置的實(shí)施效果和 性能。7) 本發(fā)明所述的水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配方法及裝置，可應(yīng)用于水聲通信、水聲 遙測遙控、海洋勘探等其它海洋儀器中，具有廣泛的應(yīng)用前景。


圖1為包含本發(fā)明所述的水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配裝置(虛線框部分)的寬帶自 適應(yīng)匹配水聲信號發(fā)射系統(tǒng)。圖中包括信號發(fā)生器l、功率放大器2、匹配網(wǎng)絡(luò)3、發(fā)射換能 器4和數(shù)字信號處理器(DSP) 5。圖2是本發(fā)明所述的水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配裝置的寬帶自適應(yīng)匹配網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部 結(jié)構(gòu)框圖(虛線框部分)。圖中包括選擇開關(guān)31、串聯(lián)諧振32、并聯(lián)諧振33、復(fù)合諧振34 和選擇開關(guān)35。圖3是本發(fā)明所述的水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配裝置的數(shù)字信號處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 框圖(虛線框部分)。圖中包括發(fā)射信號參數(shù)提取模塊51、發(fā)射換能器參數(shù)分析模塊52、匹 配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)計算模塊53、控制信號產(chǎn)生模塊54及DSP芯片55。圖4為本發(fā)明所述的水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配裝置(虛線框內(nèi))與外圍設(shè)備的結(jié) 構(gòu)組成示意圖。虛線框外為本發(fā)明所述的水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配裝置的外圍設(shè)備。圖5是包含本發(fā)明所述水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配裝置實(shí)施例的寬帶自適應(yīng)匹配水 聲信號發(fā)射及其接收系統(tǒng)組成框圖。圖中包括信號發(fā)生器l、功率放大器2、匹配網(wǎng)絡(luò)3、發(fā) 射換能器4和數(shù)字信號處理器5、消聲水池6、水聽器7、信號前級放大器8、放大濾波器9 和示波器10;虛線框內(nèi)為消聲水池內(nèi)設(shè)備。
具體實(shí)施方式
以下實(shí)施例將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。圖1給出包含本發(fā)明所述的水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配裝置(虛線框部分)的寬帶 自適應(yīng)匹配水聲信號發(fā)射系統(tǒng)。在圖l中包括信號發(fā)生器l、功率放大器2、匹配網(wǎng)絡(luò)3、發(fā) 射換能器4和數(shù)字信號處理器(DSP) 5。圖2給出本發(fā)明所述的水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配裝置的寬帶自適應(yīng)匹配網(wǎng)絡(luò)的內(nèi) 部結(jié)構(gòu)框圖(虛線框部分)。在圖2中包括選擇開關(guān)31、串聯(lián)諧振32、并聯(lián)諧振33、復(fù)合 諧振34和選擇開關(guān)35。圖3給出本發(fā)明所述的水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配裝置的數(shù)字信號處理器的內(nèi)部結(jié) 構(gòu)框圖(虛線框部分)。在圖3中包括發(fā)射信號參數(shù)提取模塊51、發(fā)射換能器參數(shù)分析模塊 52、匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)計算模塊53、控制信號產(chǎn)生模塊54及DSP芯片55。為了在寬帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)和檢驗本發(fā)明水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配方法和裝置的性 能，首先要選擇工作頻段盡可能寬的發(fā)射換能器。本實(shí)施例選擇了兩個發(fā)射換能器，其中一 個為切向極化的某型結(jié)構(gòu)壓電陶瓷條和硬鋁條混合鑲拼而成的圓管型發(fā)射換能器，在2 20 kHz的工作頻段范圍內(nèi)，其特性阻抗約為220Q，發(fā)射電壓響應(yīng)級約為129 143dB，起伏為 14dB，最大聲源級可達(dá)195dB;另一個發(fā)射換能器為切向極化的凹筒結(jié)構(gòu)壓電陶瓷條鑲拼而 成的彎張型發(fā)射換能器，在2 20 kHz的工作頻段范圍內(nèi)，其特性阻抗約為260Q，發(fā)射電 壓響應(yīng)級約為119 135dB，起伏為16dB，最大聲源級可達(dá)190dB。以下給出單一發(fā)射換能器在不同工作頻段的寬帶自適應(yīng)匹配以及不同發(fā)射換能器負(fù)載下 的寬帶自適應(yīng)匹配兩種實(shí)施例。實(shí)施例l:單一發(fā)射換能器不同工作頻段的寬帶自適應(yīng)匹配實(shí)施例1選擇了鑲拼圓管型發(fā)射換能器，工作頻段范圍為2 20 kHz，根據(jù)發(fā)射換能器 的液腔諧振特性、徑向諧振特性和發(fā)射信號的要求，可分為2 5kHz低頻段、4 10kHz中 頻段、9 20kHz高頻段等3個頻段進(jìn)行匹配。下面結(jié)合圖4和圖5，詳細(xì)描述實(shí)施例1的水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配裝置和水聲 信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配方法，介紹單一發(fā)射換能器在不同工作頻段的寬帶自適應(yīng)匹配的 實(shí)施過程、工作原理和實(shí)施效果。本發(fā)明水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配裝置和水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配方法對于 單一發(fā)射換能器不同工作頻段的實(shí)施例在消聲水池中的寬帶自適應(yīng)匹配水聲信號發(fā)射及其接 收系統(tǒng)的分布示意圖如圖5所示。發(fā)射系統(tǒng)接線方式為信號發(fā)生器1的輸出端接功率放大 器2的輸入端，功率放大器2的輸出端接匹配網(wǎng)絡(luò)3的輸入端，數(shù)字信號處理器5連接在信 號發(fā)生器1與匹配網(wǎng)絡(luò)3之間，匹配網(wǎng)絡(luò)3輸出通過電纜線連接到發(fā)射換能器4，發(fā)射換能器4放在消聲水池6的一端。接收系統(tǒng)接線方式為接收用的水聽器7置于消聲水池6的另 一端，與發(fā)射換能器4置于同一垂直深度(取2m)、水平距離合適(取5m)，水聽器7通 過電纜線連接到信號前級放大器8，再連接到信號放大濾波器9,終端連接到示波器10，進(jìn) 行接收信號的觀測。實(shí)施例1的具體實(shí)施過程1) 首先將發(fā)射換能器出廠定標(biāo)或自行測試數(shù)據(jù)的阻抗特性和發(fā)射響應(yīng)特性參數(shù)輸入到 數(shù)字信號處理器；2) 由數(shù)字信號處理器對信號發(fā)生器的輸入信號波形、頻率等參數(shù)進(jìn)行采集分析，根據(jù)所 需的工作頻帶要求，結(jié)合發(fā)射換能器的阻抗特性和發(fā)射頻率響應(yīng)特性參數(shù)，確定分頻段匹配 方式，選定擬構(gòu)成的匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如串聯(lián)諧振式、并聯(lián)諧振式、串并聯(lián)復(fù)合諧振式等結(jié)構(gòu)；3) 數(shù)字信號處理器按照預(yù)先設(shè)定的程序分析匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，計算確定所需的電感和電容 參數(shù)值，控制繼電器自動配置匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和所需的電感電容參數(shù)值。4) 自適應(yīng)匹配裝置確定匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)后，匹配完成指示燈亮，發(fā)射該頻段的水聲 信號，實(shí)現(xiàn)最佳發(fā)射響應(yīng)。5) 改變輸入信號頻段，重復(fù)2) ~4)步驟，完成全頻段的最大功率、最高效率和最大 平坦響應(yīng)的水聲信號發(fā)射任務(wù)。6) 計算各頻段測量結(jié)果，分析水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配系統(tǒng)對同一發(fā)射換能器不 同工作頻段的匹配效果，檢驗本方法和裝置的全頻段自適應(yīng)匹配功能和性能。實(shí)施例1的具體實(shí)施效果經(jīng)過本方法和裝置的寬帶自適應(yīng)匹配，使水聲信號發(fā)射機(jī)在2 20 kHz工作頻段范圍內(nèi) 的發(fā)射聲源級約為185 191 dB,起伏為6 dB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于發(fā)射換能器的電壓響應(yīng)級起伏 (14dB)。實(shí)施例2:不同發(fā)射換能器負(fù)載下的寬帶自適應(yīng)匹配實(shí)施例2選擇了鑲拼圓管型和凹筒彎張型兩種發(fā)射換能器，在2 20 kHz的工作頻段范 圍內(nèi)，其發(fā)射電壓響應(yīng)級分別為129 143 dB和119 135 dB，起伏分別為14dB和16dB, 特性阻抗分別為220 Q和260 Q ，最大聲源級分別為195dB和190dB。根據(jù)兩個發(fā)射換能器的 諧振特性和對發(fā)射信號的要求，設(shè)定在4 16kHz工作頻段進(jìn)行寬頻帶匹配。下面結(jié)合附圖4和附圖5，詳細(xì)描述實(shí)施例2的寬帶自適應(yīng)匹配方法和裝置對不同發(fā)射 換能器相同工作頻段的寬帶自適應(yīng)匹配的實(shí)施過程、工作機(jī)理和實(shí)施效果。本發(fā)明水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配方法和裝置對于不同發(fā)射換能器負(fù)載下的實(shí)施例 2在消聲水池寬帶自適應(yīng)匹配水聲發(fā)射及其系統(tǒng)中的分布示意圖如圖5所示。兩種發(fā)射換能器負(fù)載下的接線方式均如同實(shí)施例1所述。 實(shí)施例2的具體實(shí)施過程1) 首先將鑲拼圓管型發(fā)射換能器出廠定標(biāo)或自行測試數(shù)據(jù)的阻抗特性和發(fā)射響應(yīng)特性 參數(shù)輸入到數(shù)字信號處理器；2) 由數(shù)字信號處理器對輸入信號波形頻率等參數(shù)進(jìn)行采集分析，根據(jù)所需的工作頻帶要 求，結(jié)合發(fā)射換能器的阻抗特性和發(fā)射頻率響應(yīng)特性參數(shù)，選定擬構(gòu)成的匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如 串聯(lián)諧振式、并聯(lián)諧振式、串并聯(lián)復(fù)合諧振式等結(jié)構(gòu)；3) 由數(shù)字信號處理器按照預(yù)先設(shè)定的程序分析匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，計算確定所需的電感和電 容參數(shù)值，控制繼電器組自動配置匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和所需的電感電容參數(shù)值；4) 自適應(yīng)匹配裝置確定匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)后，匹配完成指示燈亮，發(fā)射水聲信號，實(shí) 現(xiàn)該頻段的最佳發(fā)射響應(yīng)；5) 改變發(fā)射換能器為凹筒彎張型換能器，輸入同樣發(fā)射信號，重復(fù)1) 4)步驟，完 成兩個換能器寬頻帶的最大功率、最高效率和最大平坦響應(yīng)的水聲信號發(fā)射任務(wù)；6) 計算兩個不同發(fā)射換能器負(fù)載下的測量結(jié)果，分析水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配系 統(tǒng)對不同換能器寬頻帶的匹配效果，檢驗本方法和裝置對不同發(fā)射換能器的寬頻帶自適應(yīng)匹 配效果。實(shí)施例2的具體實(shí)施效果經(jīng)過本方法和裝置的寬帶自適應(yīng)匹配，在4 16 kHz工作頻段范圍內(nèi)，水聲信號發(fā)射機(jī) 的發(fā)射聲源級約為186 190dB，起伏為4dB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于發(fā)射換能器的電壓響應(yīng)級起伏(14 16dB)。
權(quán)利要求
1.水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配裝置，其特征在于設(shè)有匹配網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字信號處理器；匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)有繼電器選擇開關(guān)和諧振電路，繼電器選擇開關(guān)的輸入端接數(shù)字信號處理器的輸出端并外接功率放大器的輸出端，諧振電路的輸入端接繼電器選擇開關(guān)的輸出端，諧振電路的輸出端外接發(fā)射換能器的輸入端；數(shù)字信號處理器設(shè)有信號參數(shù)提取模塊、發(fā)射換能器參數(shù)分析模塊、匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)計算模塊、控制信號產(chǎn)生模塊和DSP芯片；信號參數(shù)提取模塊的輸入端外接信號發(fā)生器的輸出端，信號參數(shù)提取模塊的輸出端和發(fā)射換能器參數(shù)分析模塊的輸出端接匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)計算模塊的輸入端，匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)計算模塊的輸出端接控制信號產(chǎn)生模塊的輸入端；控制信號產(chǎn)生模塊的輸出端接匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入端。
2. 如權(quán)利要求l所述的水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配裝置，其特征在于諧振電路設(shè)有 串聯(lián)諧振電路、并聯(lián)諧振電路和復(fù)合諧振電路。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配裝置，其特征在于諧振電路 的輸入端設(shè)輸入選擇開關(guān)。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配裝置，其特征在于諧振電路 的輸出端設(shè)輸出選擇開關(guān)。
5. 水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配的方法，其特征在于包括以下步驟1) 測量待發(fā)射換能器的特性參數(shù)，確定發(fā)射換能器的可用工作頻段；2) 構(gòu)建寬帶自適應(yīng)匹配水聲發(fā)射系統(tǒng)，寬帶自適應(yīng)匹配水聲發(fā)射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成包括本 發(fā)明所述的水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配裝置和所需要的外圍設(shè)備兩部分；3) 由水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配裝置中的數(shù)字信號處理器的發(fā)射信號參數(shù)提取模塊 采集信號發(fā)生器的待發(fā)射信號，分析信號波形、頻率等特性參數(shù)，并將發(fā)射換能器的阻抗特 性和發(fā)射響應(yīng)特性參數(shù)輸入到數(shù)字信號處理器中的發(fā)射換能器參數(shù)分析模塊；4) 數(shù)字信號處理器根據(jù)所需工作頻帶的要求和發(fā)射信號的特性，結(jié)合發(fā)射換能器的阻抗 特性和發(fā)射頻率響應(yīng)特性參數(shù)，確定分頻段匹配工作的方式，并按照預(yù)先設(shè)定的程序，選擇 所需的匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，計算電感電容參數(shù)值，分析匹配性能，優(yōu)化匹配網(wǎng)絡(luò)和匹配參數(shù)；5) 數(shù)字信號處理器根據(jù)步驟4)確定的匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和電感電容參數(shù)值，由數(shù)字信號處 理器中的控制信號產(chǎn)生模塊產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號送至匹配網(wǎng)絡(luò)，直接控制繼電器選擇開關(guān)和 諧振電路中的選擇開關(guān)，自動配置匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和選擇所需的電感電容參數(shù)值；6) 水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配裝置確定匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)后，發(fā)射該頻段的水聲 信號，實(shí)現(xiàn)最佳發(fā)射響應(yīng)；7) 改變輸入信號頻段或改變發(fā)射換能器型號，重復(fù)步驟3) 6)，完成同一發(fā)射換能 器或不同發(fā)射換能器全頻段的最大功率、最高效率和最大平坦響應(yīng)的水聲信號發(fā)射任務(wù)。
6. 如權(quán)利要求5所述的水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配的方法，其特征在于測量待發(fā)射 換能器的特性參數(shù)，確定發(fā)射換能器的可用工作頻段采用阻抗分析儀測試所使用的發(fā)射換能 器的阻抗特性曲線數(shù)據(jù)，利用消聲水池中的寬帶信號發(fā)射、接收、測量定標(biāo)系統(tǒng)測量定標(biāo)該 發(fā)射換能器的發(fā)射響應(yīng)特性曲線。
7. 如權(quán)利要求5所述的水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配的方法，其特征在于水聲信號發(fā) 射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配裝置設(shè)有匹配網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字信號處理器。
8. 如權(quán)利要求5所述的水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配的方法，其特征在于所需要的外 圍設(shè)備包括信號發(fā)生器、功率放大器和發(fā)射換能器。
9. 如權(quán)利要求5所述的水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配的方法，其特征在于選擇所需的 匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用多諧振法或;r型帶通濾波器等各類寬帶網(wǎng)絡(luò)匹配理論和方法。
10. 如權(quán)利要求5所述的水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配的方法，其特征在于匹配網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu)選自串聯(lián)諧振式、并聯(lián)諧振式或串并聯(lián)復(fù)合諧振式。
全文摘要
一種水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配方法及其裝置，涉及一種水聲信號發(fā)射系統(tǒng)。提供一種水聲信號發(fā)射機(jī)寬帶自適應(yīng)匹配裝置及其自適應(yīng)匹配方法。自適應(yīng)匹配裝置設(shè)有匹配網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字信號處理器。1.測量待發(fā)射換能器特性參數(shù)，確定工作頻段2.構(gòu)建寬帶自適應(yīng)匹配水聲發(fā)射系統(tǒng)；3.由數(shù)字信號處理器的發(fā)射信號參數(shù)提取模塊采集信號發(fā)生器的待發(fā)射信號，分析特性參數(shù)，輸入發(fā)射換能器參數(shù)分析模塊；4.確定分頻段匹配工作方式；5.產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號送至匹配網(wǎng)絡(luò)；6.發(fā)射水聲信號，實(shí)現(xiàn)最佳發(fā)射響應(yīng)；7.改變輸入信號頻段或改變發(fā)射換能器，重復(fù)步驟3～6，完成同一發(fā)射換能器或不同發(fā)射換能器全頻段最大功率、最高效率和最大平坦響應(yīng)的水聲信號發(fā)射任務(wù)。
文檔編號H04B13/00GK101335573SQ20081007153
公開日2008年12月31日 申請日期2008年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月4日
發(fā)明者張群飛, 峰 童, 許肖梅, 陳友淦, 毅 陶, 雷開卓, 黃建國 申請人:廈門大學(xué)