CN101335573B - 一种水声信号发射机宽带自适应匹配方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种水声信号发射机宽带自适应匹配方法及其装置，涉及一种水声信号发射***。提供一种水声信号发射机宽带自适应匹配装置及其自适应匹配方法。自适应匹配装置设有匹配网络和数字信号处理器。1.测量待发射换能器特性参数，确定工作频段：2.构建宽带自适应匹配水声发射***；3.由数字信号处理器的发射信号参数提取模块采集信号发生器的待发射信号，分析特性参数，输入发射换能器参数分析模块；4.确定分频段匹配工作方式；5.产生相应的控制信号送至匹配网络；6.发射水声信号，实现最佳发射响应；7.改变输入信号频段或改变发射换能器，重复步骤3～6，完成同一发射换能器或不同发射换能器全频段最大功率、最高效率和最大平坦响应的水声信号发射任务。

Description

一种水声信号发射机宽带自适应匹配方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种用于水声通信和水下探测的水声信号发射***，尤其是涉及一种用于水声通信和水下探测的水声信号发射机与换能器之间的宽带自适应匹配方法及其装置，特别适用于各类宽带水声实验、科考活动使用的水声信号发射仪器。

背景技术

随着海洋战略意义的提升与海洋开发需求的日益增长，国内外研究者越来越重视对宽频带大功率声源的研究与开发。性能良好的宽频带大功率声源可以满足水声通信、水声遥测遥控、海洋勘探和水下监测等领域的应用需求。

宽频带大功率发射技术是现代水声发展的重要方向，也是水声应用技术的一个难点问题。要实现水声信号的宽频带和大功率发射，除了需要性能良好的发射机和换能器阵元外，在很大程度上还依赖于换能器与发射机之间的良好匹配。

在宽带声纳***中，由于宽带换能器的带内阻抗起伏变化不规则，难用解析式表示，阻抗匹配比较困难。现在常采用的方法是多谐振法和π型带通滤波器法。多谐振法在多个窄带换能器组成宽带基阵进行匹配时，效果比较好，但对于单个宽带换能器，多谐振法不适用；π型带通滤波器存在近似问题，而且不能匹配辐射阻抗，因此实际应用时效果也不理想。

关于水声信号发射机与换能器的宽带匹配技术研究，国内外做过大量工作，取得了一定效果，但仍难以同时满足宽带、大功率、高分辨率海洋探测仪器所需的要求。传统水声探测应用中，由于应用背景、功率放大器以及换能器的不同，对匹配网络的设计要求也不同，水声信号发射机更是一机一样，造成研发工作的严重重复和浪费。

申请号为200410089145.X的中国发明专利申请提供一种水声超宽带组合声阵与发射的方法及其装置。申请号为200420110714.X的中国实用新型专利提供一种水声超宽带组合声阵与发射装置。上述专利采用分频段多型振动模式发射换能器声阵合成技术与多阵发射技术，较好地解决了超宽带发射问题。但是该方法和装置只是对特定单一的发射换能器阵进行的有效匹配，无法适应各种场合，发射换能器改变后仍需重新设计匹配网络，通用性不强；且要求组装的发射换能器阵过于庞大，对制作精度提出了更高的要求，研制成本高，对普通科研工作者的使用带来不便，普通海试中采用的可能性受到影响。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的水声信号发射机工作频带窄、发射换能器匹配网络一机一样的缺点，提供一种水声信号发射机宽带自适应匹配装置。

本发明的另一目的是提供一种基于数字信号处理器(DSP)技术的水声信号发射机宽带自适应匹配方法。

本发明的技术方案是采用数字信号处理器分析待发射信号的参数和发射换能器的发射响应特性，自动选择最佳匹配网络，计算出匹配所需的电感、电容参数，通过继电器自动配置所需的匹配网络结构和相关参数，从而实现在全频带范围内，根据发射换能器的特征参数，自动选择匹配网络和参数，完成宽带范围的最大功率、最高效率和最大平坦响应的水声信号发射任务。

本发明所述的水声信号发射机宽带自适应匹配装置设有匹配网络和数字信号处理器；匹配网络设有继电器选择开关和谐振电路，继电器选择开关的输入端(即匹配网络的输入端)接数字信号处理器的输出端并外接功率放大器的输出端，谐振电路的输入端接继电器选择开关的输出端，谐振电路的输出端外接发射换能器的输入端；数字信号处理器设有信号参数提取模块、发射换能器参数分析模块、匹配网络参数计算模块、控制信号产生模块和DSP芯片；信号参数提取模块的输入端外接信号发生器的输出端，信号参数提取模块的输出端和发射换能器参数分析模块的输出端接匹配网络参数计算模块的输入端；匹配网络参数计算模块的输出端接控制信号产生模块的输入端；控制信号产生模块的输出端接匹配网络的输入端。

谐振电路可设有串联谐振电路、并联谐振电路和复合谐振电路。谐振电路的输入端可设输入选择开关，谐振电路的输出端可设输出选择开关。

在数字信号处理器的控制下，匹配网络中的继电器选择开关根据数字信号处理器对待要发射的信号的波形、频率等参数分析以及预先已输入到数字信号处理器的发射换能器的阻抗特性和发射响应特性参数，自动配置所需的电感、电容参数和谐振电路，从而实现了从发射信号——功率放大器——发射换能器三者之间最佳的匹配网络结构。

DSP芯片是整个数字信号处理器的计算和控制中心，即CPU，由发射信号参数提取模块采集信号发生器待要发射的信号，分析信号波形、频率等特性参数；发射换能器参数分析模块预先采集并分析所要使用的不同发射换能器的阻抗特性和发射响应特性参数；匹配网络参数计算模块按照预先设定的程序分析待发射信号与发射换能器参数之间的匹配关系，计算最佳匹配所需的电感、电容参数值，自动选择最佳匹配网络结构，并由控制信号产生模块产生相应的控制信号至匹配网络的选择开关输入端上，直接控制继电器选择开关和谐振电路选择的选择开关，从而实现匹配网络结构的自动选择和相关参数的自动配置。

本发明所述的一种水声信号发射机宽带自适应匹配装置与信号发生器、功率放大器、发射换能器等***设备构成宽带自适应匹配水声信号发射***。

功率放大器和数字信号处理器的输入端均接信号发生器的输出端，匹配网络的输入端接功率放大器的输出端和数字信号处理器的输出端，发射换能器的输入端接匹配网络的输出端。数字信号处理器从信号发生器采集待发射信号，并分析发射信号的特性参数，如频率带宽、信号幅度等，数字信号处理器的输出端接匹配网络的输入端，功率放大器将水声信号放大并输出到匹配网络，驱动发射换能器。

信号发生器用于产生各种水声信号。实际应用中可采用各类通用的信号发生器，以增强本水声信号发射机宽带自适应匹配装置的通用性。

功率放大器可选择D类数字功率放大器、线性功率放大器等。

发射换能器的功能是在水中将电信号转换为声信号辐射出去。实际应用中可以是各种型号的发射换能器(如不同阻抗特性、不同频率宽度，与以往只能匹配单一的换能器所不同)，但使用前需将其阻抗特性和发射响应特性参数采集到数字信号处理器(DSP)中，供DSP分析调用。

本发明所述的水声信号发射机宽带自适应匹配的方法包括以下步骤：

1)测量待发射换能器的特性参数，确定发射换能器的可用工作频段；

2)构建宽带自适应匹配水声发射***，宽带自适应匹配水声发射***的结构组成包括本发明所述的水声信号发射机宽带自适应匹配装置和所需要的***设备两部分；

3)由水声信号发射机宽带自适应匹配装置中的数字信号处理器的发射信号参数提取模块采集信号发生器的待发射信号，分析信号波形、频率等特性参数，并将发射换能器的阻抗特性和发射响应特性参数输入到数字信号处理器中的发射换能器参数分析模块；

4)数字信号处理器根据所需工作频带的要求和发射信号的特性，结合发射换能器的阻抗特性和发射频率响应特性参数，确定分频段匹配工作的方式，并按照预先设定的程序，选择所需的匹配网络结构，计算电感电容参数值，分析匹配性能，优化匹配网络和匹配参数；

5)数字信号处理器根据步骤4)确定的匹配网络结构和电感电容参数值，由数字信号处理器中的控制信号产生模块产生相应的控制信号送至匹配网络，直接控制继电器选择开关和谐振电路中的选择开关，自动配置匹配网络结构和选择所需的电感电容参数值；

6)水声信号发射机宽带自适应匹配装置确定匹配网络结构和参数后，发射该频段的水声信号，实现最佳发射响应；

7)改变输入信号频段或改变发射换能器型号，重复步骤3)～6)，完成同一发射换能器或不同发射换能器全频段的最大功率、最高效率和最大平坦响应的水声信号发射任务。

测量待发射换能器的特性参数，确定发射换能器的可用工作频段可采用阻抗分析仪测试所使用的发射换能器的阻抗特性曲线数据，利用消声水池中的宽带信号发射、接收、测量定标***(消声水池中宽带发射、接收、测量***为水声测量中的公知***，可参见教科书《水声测量》、《声学计量》等)测量定标该发射换能器的发射响应特性曲线，如果发射换能器已经定标或者出厂定标数据还有效，该项测试工作可以省略。

水声信号发射机宽带自适应匹配装置设有匹配网络和数字信号处理器，所需要的***设备包括信号发生器、功率放大器和发射换能器。

选择所需的匹配网络结构可采用多谐振法或π型带通滤波器等各类宽带网络匹配理论和方法，匹配网络结构可选择串联谐振式、并联谐振式、串并联复合谐振式等。

为了分析水声信号发射机宽带自适应匹配方法及其装置的匹配性能，检验全频段自适应匹配效果，可在消声水池中构建“宽带自适应匹配水声信号发射及其接收***”，该***包含了宽带自适应匹配水声发射***和接收***。宽带自适应匹配水声发射***包含如上所述的本发明的核心部件水声信号发射机宽带自适应匹配装置(包括匹配网络和数字信号处理器)和***设备(包括信号发生器、功率放大器和发射换能器)；接收***包括水听器、信号前级放大器、放大滤波器和示波器。

根据构建的宽带自适应匹配水声信号发射及其接收***，观测接收***在采用本发明装置前后所接收到的信号的幅度及波形变化，从而可判断水声信号发射机宽带自适应的匹配效果。

本发明具有以下突出的优点：

1)本发明给出的水声信号发射机宽带自适应匹配方法和水声信号发射机带宽自适应匹配装置，充分利用了待发射信号的特性参数和发射换能器的特性参数，实现自适应匹配，采用本发明方法和装置后能实现单一水声信号发射机与多种型号发射换能器之间良好的性能匹配，以得到最大频带宽度范围内的最大发射功率、最高发射效率和最大平坦频率响应的水声信号发射，大大提高了水声信号发射机的负载适应性和通用性，克服了传统水声信号发射机和发射换能器匹配网络中一机一样的缺点。

2)本发明给出的水声信号发射机宽带自适应匹配装置和水声信号发射机带宽自适应匹配方法，可充分利用同一发射换能器不同工作频段的阻抗特性和发射响应特性，自适应匹配，可实现单一发射换能器的超宽频带发射，拓展了发射换能器的工作频段，能满足宽带水声通信和宽带探测仪器工作频带从几百Hz到几十kHz的应用需求。

3)本发明给出的水声信号发射机宽带自适应匹配装置和水声信号发射机宽带自适应匹配方法，对发射机的信号发生器和功率放大器没有严格的规定，可充分利用了现有设备，提高了本匹配方法和装置的适应性和通用性，避免了目前自适应匹配装置中一机一样的重复研制，可批量模块化生产，经济效益高。

4)本发明给出的水声信号发射机宽带自适应匹配装置和水声信号发射机宽带自适应匹配方法，其发射换能器与功率放大器之间的匹配网络结构和匹配参数由数字信号处理器实时自动计算、配置和控制，提高了网络设计和参数匹配的效率和通用性。

5)由于本发明所述的水声信号发射机宽带自适应匹配装置结构简单、体积小、便于携带，采用本发明所述的水声信号发射机宽带自适应匹配装置所构成的宽带自适应匹配水声信号发射***，具有体积小、重量轻、便于携带等优点，对从事海洋科考、简易水下科研活动提供了极大的便利，将大大提高现有的水声信号发射在海洋调查船或舰艇上的适装性。

6)本发明具有很强的易更新性。在本发明所述的设计方法下，利用复合谐振网络等匹配技术和宽带网络匹配技术的最新设计理论和研究成果，研究和更新DSP主控程序和分析程序的算法和参数，可进一步提高本发明水声发射机宽带自适应匹配方法及其装置的实施效果和性能。

7)本发明所述的水声信号发射机宽带自适应匹配方法及装置，可应用于水声通信、水声遥测遥控、海洋勘探等其它海洋仪器中，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为包含本发明所述的水声信号发射机宽带自适应匹配装置(虚线框部分)的宽带自适应匹配水声信号发射***。图中包括信号发生器1、功率放大器2、匹配网络3、发射换能器4和数字信号处理器(DSP)5。

图2是本发明所述的水声信号发射机宽带自适应匹配装置的宽带自适应匹配网络的内部结构框图(虚线框部分)。图中包括选择开关31、串联谐振32、并联谐振33、复合谐振34和选择开关35。

图3是本发明所述的水声信号发射机宽带自适应匹配装置的数字信号处理器的内部结构框图(虚线框部分)。图中包括发射信号参数提取模块51、发射换能器参数分析模块52、匹配网络结构参数计算模块53、控制信号产生模块54及DSP芯片55。

图4为本发明所述的水声信号发射机宽带自适应匹配装置(虚线框内)与***设备的结构组成示意图。虚线框外为本发明所述的水声信号发射机宽带自适应匹配装置的***设备。

图5是包含本发明所述水声信号发射机宽带自适应匹配装置实施例的宽带自适应匹配水声信号发射及其接收***组成框图。图中包括信号发生器1、功率放大器2、匹配网络3、发射换能器4和数字信号处理器5、消声水池6、水听器7、信号前级放大器8、放大滤波器9和示波器10；虚线框内为消声水池内设备。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

图1给出包含本发明所述的水声信号发射机宽带自适应匹配装置(虚线框部分)的宽带自适应匹配水声信号发射***。在图1中包括信号发生器1、功率放大器2、匹配网络3、发射换能器4和数字信号处理器(DSP)5。

图2给出本发明所述的水声信号发射机宽带自适应匹配装置的宽带自适应匹配网络的内部结构框图(虚线框部分)。在图2中包括选择开关31、串联谐振32、并联谐振33、复合谐振34和选择开关35。

图3给出本发明所述的水声信号发射机宽带自适应匹配装置的数字信号处理器的内部结构框图(虚线框部分)。在图3中包括发射信号参数提取模块51、发射换能器参数分析模块52、匹配网络结构参数计算模块53、控制信号产生模块54及DSP芯片55。

为了在宽带范围内实现和检验本发明水声信号发射机宽带自适应匹配方法和装置的性能，首先要选择工作频段尽可能宽的发射换能器。本实施例选择了两个发射换能器，其中一个为切向极化的某型结构压电陶瓷条和硬铝条混合镶拼而成的圆管型发射换能器，在2～20kHz的工作频段范围内，其特性阻抗约为220Ω，发射电压响应级约为129～143dB，起伏为14dB，最大声源级可达195dB；另一个发射换能器为切向极化的凹筒结构压电陶瓷条镶拼而成的弯张型发射换能器，在2～20kHz的工作频段范围内，其特性阻抗约为260Ω，发射电压响应级约为119～135dB，起伏为16dB，最大声源级可达190dB。

以下给出单一发射换能器在不同工作频段的宽带自适应匹配以及不同发射换能器负载下的宽带自适应匹配两种实施例。

实施例1：单一发射换能器不同工作频段的宽带自适应匹配

实施例1选择了镶拼圆管型发射换能器，工作频段范围为2～20kHz，根据发射换能器的液腔谐振特性、径向谐振特性和发射信号的要求，可分为2～5kHz低频段、4～10kHz中频段、9～20kHz高频段等3个频段进行匹配。

下面结合图4和图5，详细描述实施例1的水声信号发射机宽带自适应匹配装置和水声信号发射机宽带自适应匹配方法，介绍单一发射换能器在不同工作频段的宽带自适应匹配的实施过程、工作原理和实施效果。

本发明水声信号发射机宽带自适应匹配装置和水声信号发射机宽带自适应匹配方法对于单一发射换能器不同工作频段的实施例在消声水池中的宽带自适应匹配水声信号发射及其接收***的分布示意图如图5所示。发射***接线方式为：信号发生器1的输出端接功率放大器2的输入端，功率放大器2的输出端接匹配网络3的输入端，数字信号处理器5连接在信号发生器1与匹配网络3之间，匹配网络3输出通过电缆线连接到发射换能器4，发射换能器4放在消声水池6的一端。接收***接线方式为：接收用的水听器7置于消声水池6的另一端，与发射换能器4置于同一垂直深度(取2m)、水平距离合适(取5m)，水听器7通过电缆线连接到信号前级放大器8，再连接到信号放大滤波器9，终端连接到示波器10，进行接收信号的观测。

实施例1的具体实施过程：

1)首先将发射换能器出厂定标或自行测试数据的阻抗特性和发射响应特性参数输入到数字信号处理器；

2)由数字信号处理器对信号发生器的输入信号波形、频率等参数进行采集分析，根据所需的工作频带要求，结合发射换能器的阻抗特性和发射频率响应特性参数，确定分频段匹配方式，选定拟构成的匹配网络结构，如串联谐振式、并联谐振式、串并联复合谐振式等结构；

3)数字信号处理器按照预先设定的程序分析匹配网络结构，计算确定所需的电感和电容参数值，控制继电器自动配置匹配网络结构和所需的电感电容参数值。

4)自适应匹配装置确定匹配网络结构和参数后，匹配完成指示灯亮，发射该频段的水声信号，实现最佳发射响应。

5)改变输入信号频段，重复2)～4)步骤，完成全频段的最大功率、最高效率和最大平坦响应的水声信号发射任务。

6)计算各频段测量结果，分析水声信号发射机宽带自适应匹配***对同一发射换能器不同工作频段的匹配效果，检验本方法和装置的全频段自适应匹配功能和性能。

实施例1的具体实施效果：

经过本方法和装置的宽带自适应匹配，使水声信号发射机在2～20kHz工作频段范围内的发射声源级约为185～191dB，起伏为6dB，远远小于发射换能器的电压响应级起伏(14dB)。

实施例2：不同发射换能器负载下的宽带自适应匹配

实施例2选择了镶拼圆管型和凹筒弯张型两种发射换能器，在2～20kHz的工作频段范围内，其发射电压响应级分别为129～143dB和119～135dB，起伏分别为14dB和16dB，特性阻抗分别为220Ω和260Ω，最大声源级分别为195dB和190dB。根据两个发射换能器的谐振特性和对发射信号的要求，设定在4～16kHz工作频段进行宽频带匹配。

下面结合附图4和附图5，详细描述实施例2的宽带自适应匹配方法和装置对不同发射换能器相同工作频段的宽带自适应匹配的实施过程、工作机理和实施效果。

本发明水声信号发射机宽带自适应匹配方法和装置对于不同发射换能器负载下的实施例2在消声水池宽带自适应匹配水声发射及其***中的分布示意图如图5所示。两种发射换能器负载下的接线方式均如同实施例1所述。

实施例2的具体实施过程：

1)首先将镶拼圆管型发射换能器出厂定标或自行测试数据的阻抗特性和发射响应特性参数输入到数字信号处理器；

2)由数字信号处理器对输入信号波形频率等参数进行采集分析，根据所需的工作频带要求，结合发射换能器的阻抗特性和发射频率响应特性参数，选定拟构成的匹配网络结构，如串联谐振式、并联谐振式、串并联复合谐振式等结构；

3)由数字信号处理器按照预先设定的程序分析匹配网络结构，计算确定所需的电感和电容参数值，控制继电器组自动配置匹配网络结构和所需的电感电容参数值；

4)自适应匹配装置确定匹配网络结构和参数后，匹配完成指示灯亮，发射水声信号，实现该频段的最佳发射响应；

5)改变发射换能器为凹筒弯张型换能器，输入同样发射信号，重复1)～4)步骤，完成两个换能器宽频带的最大功率、最高效率和最大平坦响应的水声信号发射任务；

6)计算两个不同发射换能器负载下的测量结果，分析水声信号发射机宽带自适应匹配***对不同换能器宽频带的匹配效果，检验本方法和装置对不同发射换能器的宽频带自适应匹配效果。

实施例2的具体实施效果：

经过本方法和装置的宽带自适应匹配，在4～16kHz工作频段范围内，水声信号发射机的发射声源级约为186～190dB，起伏为4dB，远远小于发射换能器的电压响应级起伏(14～16dB)。

Claims (5)

1.水声信号发射机宽带自适应匹配装置，其特征在于设有匹配网络和数字信号处理器；

匹配网络设有继电器选择开关和谐振电路，继电器选择开关的输入端接数字信号处理器的输出端并外接功率放大器的输出端，谐振电路的输入端接继电器选择开关的输出端，谐振电路的输出端外接发射换能器的输入端，谐振电路设有串联谐振电路、并联谐振电路和复合谐振电路，谐振电路的输入端设输入选择开关，谐振电路的输出端设输出选择开关；

数字信号处理器设有信号参数提取模块、发射换能器参数分析模块、匹配网络参数计算模块、控制信号产生模块和DSP芯片；信号参数提取模块的输入端外接信号发生器的输出端，信号参数提取模块的输出端和发射换能器参数分析模块的输出端接匹配网络参数计算模块的输入端，匹配网络参数计算模块的输出端接控制信号产生模块的输入端；控制信号产生模块的输出端接匹配网络的输入端。

2.水声信号发射机宽带自适应匹配的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)测量待发射换能器的特性参数，确定发射换能器的可用工作频段；

2)构建宽带自适应匹配水声发射***，宽带自适应匹配水声发射***的结构组成包括如权利要求1所述的水声信号发射机宽带自适应匹配装置和所需要的***设备两部分；

3)由水声信号发射机宽带自适应匹配装置中的数字信号处理器的发射信号参数提取模块采集信号发生器的待发射信号，分析信号波形、频率特性参数，并将发射换能器的阻抗特性和发射响应特性参数输入到数字信号处理器中的发射换能器参数分析模块；

4)数字信号处理器根据所需工作频带的要求和发射信号的特性，结合发射换能器的阻抗特性和发射频率响应特性参数，确定分频段匹配工作的方式，并按照预先设定的程序，选择所需的匹配网络结构，计算电感电容参数值，分析匹配性能，优化匹配网络和匹配参数；

5)数字信号处理器根据步骤4)确定的匹配网络结构和电感电容参数值，由数字信号处理器中的控制信号产生模块产生相应的控制信号送至匹配网络，直接控制继电器选择开关和谐振电路中的选择开关，自动配置匹配网络结构和选择所需的电感电容参数值；

6)水声信号发射机宽带自适应匹配装置确定匹配网络结构和参数后，发射该频段的水声信号，实现最佳发射响应；

7)改变输入信号频段或改变发射换能器型号，重复步骤3)～6)，完成同一发射换能器或不同发射换能器全频段的最大功率、最高效率和最大平坦响应的水声信号发射任务。

3.如权利要求2所述的水声信号发射机宽带自适应匹配的方法，其特征在于测量待发射换能器的特性参数，确定发射换能器的可用工作频段采用阻抗分析仪测试所使用的发射换能器的阻抗特性曲线数据，利用消声水池中的宽带信号发射、接收、测量定标***测量定标该发射换能器的发射响应特性曲线。

4.如权利要求2所述的水声信号发射机宽带自适应匹配的方法，其特征在于所需要的***设备包括信号发生器、功率放大器和发射换能器。

5.如权利要求2所述的水声信号发射机宽带自适应匹配的方法，其特征在于匹配网络结构选自串联谐振式、并联谐振式或串并联复合谐振式。

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