寬帶聲納發(fā)射器、寬帶聲納和聲納的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關申請
[0002]本申請要求2011年10月26日提交的第61/551，883號和第61/551，859號美國 臨時專利申請的權益，這些文獻通過引用整體并入本文中。
技術領域
[0003]本實用新型總體上涉及聲納，尤其涉及一種具有數(shù)字脈沖壓縮的聲納系統(tǒng)。
【背景技術】
[0004] 生產(chǎn)用于例如魚群探測這樣的商業(yè)應用的調(diào)頻聲納系統(tǒng)慣常性地面臨成本壓力。 因此，必須以有效、成本效益的方式實施高級的信號處理技術。例如，最好在例如25kHz至 255kHz這樣的寬帶頻率范圍內(nèi)提供相對高的功率（例如IkW)。然而，商業(yè)實現(xiàn)的成本壓力 阻止了例如線性功率放大器這樣的方便的解決方案的使用。
[0005]在傳統(tǒng)的聲納中，功率放大器通過變壓器驅(qū)動換能器。變壓器隔離換能器，而且還 起到使換能器和放大器阻抗匹配的作用?？偟膩碚f，這樣的變壓器應當具有相對低的插入 損耗以使傳送至換能器的功率最大化，而且還使來自插入損耗的關聯(lián)的發(fā)熱效應最小化。 但由于例如變壓器繞組和關聯(lián)的寄生元件之間的耦合這樣的真實世界影響，維持低的插入 損耗是有問題的。
[0006]在寬帶聲納應用中對變壓器性能的要求加劇。這樣的寬帶性能是可取的，因為淺 水域性能利于相對高的頻率聲納脈沖，而較深水域性能在相對較低的頻率聲納脈沖的情況 下提高。變壓器必須以相對低的頻率以及相對高的頻率執(zhí)行，因此需要合適的寬度性能。 由于當在寬的帶寬內(nèi)操作換能器時遇到的電抗增加，因此難以在寬度聲納系統(tǒng)中實現(xiàn)用于 隔離變壓器的期望性能。寬帶隔離變壓器必須滿足相互沖突的要求，因為低頻率操作需要 高的并聯(lián)電感，而適合的高頻率操作需要低的電感（具體地，低的漏電感）以避免與由換能 器提供的電容性負載共振。
[0007]因此，在所屬技術領域需要改進的聲納系統(tǒng)，該系統(tǒng)以低的成本提供頻率捷變性 能和相對高的功率。此外，所屬技術領域需要滿足由寬帶聲納應用提出的相互沖突的要求 的隔離變壓器。 【實用新型內(nèi)容】
[0008]根據(jù)本實用新型的第一方面，提供一種寬帶聲納發(fā)射器，該反射器包括：電源；一 對開關；以及具有次級線圈和初級線圈的寬帶變壓器，其中次級線圈用于驅(qū)動換能器，初級 線圈具有由電源驅(qū)動的中心抽頭，其中初級線圈的第一端通過開關中的第一個接地，并且 初級線圈的第二端通過開關中的第二個接地。
[0009] 根據(jù)本實用新型的第二方面，提供一種寬帶聲納，包括：電源；一對開關；包括寬 帶變壓器的功率放大器，該寬帶變壓器具有用于驅(qū)動換能器的次級線圈和連接到該對開關 并由電源驅(qū)動的中心抽頭的初級線圈；及連接至電源、該對開關以及功率放大器的數(shù)字邏 輯，用于檢測期望的寬帶聲納信號的正半周期和負半周期；以及針對每一個半周期，通過驅(qū) 動該對開關而逼近半周期，以跨越次級線圈產(chǎn)生至少一個電壓脈沖，從而產(chǎn)生逼近期望的 寬帶聲納信號的一系列電壓脈沖。。
[0010] 根據(jù)本實用新型的第三方面，提供一種聲納，該聲納包括：電源；一對開關；以及 包括寬帶變壓器的功率放大器，其中寬帶變壓器具有用于驅(qū)動換能器的次級線圈和由電源 驅(qū)動的中心抽頭初級線圈，中心抽頭耦合該對開關，其中寬帶變壓器包括：次級線圈，所述 次級線圈包括布置為第一部分、中間部分和最后部分的多個繞組；以及初級線圈繞組，所述 初級線圈僅與形成中間部分的次級線圈繞組纏繞。
【附圖說明】
[0011] 圖1是根據(jù)實施例的示例聲納發(fā)射器的方框圖。
[0012] 圖2表示根據(jù)實施例的期望的波形和一系列脈沖寬度調(diào)制矩形脈沖，這一系列脈 沖寬度調(diào)制矩形脈沖用于逼近期望的波形使得單個脈沖逼近期望的波形的每一個半周期。
[0013] 圖3是根據(jù)實施例計算圖2的脈沖的打開和關閉脈沖時間的方法的流程圖。
[0014] 圖4表示根據(jù)實施例的期望的波形和一系列脈沖寬度調(diào)制矩形脈沖，這一系列脈 沖寬度調(diào)制矩形脈沖用于逼近期望的波形使得一對脈沖逼近期望的波形的每一個半周期。
[0015] 圖5a表示根據(jù)實施例具有30%的脈沖間隔的圖4的波形的單周期。
[0016] 圖5b表示顯示第三個諧波的抑制的圖5a的波形的頻譜。
[0017] 圖6a表示根據(jù)實施例具有66%的脈沖間隔的圖4的波形的單周期。
[0018] 圖6b表示顯示第五個諧波的抑制的圖6a的波形的頻譜。
[0019] 圖7是根據(jù)一個實施例的變壓器等效電路的視圖。
[0020] 圖8是圖7的變壓器等效電路的綜合圖。
[0021] 圖9a是圖8的變壓器等效電路的低頻等效電路的視圖。
[0022] 圖9b是圖8的變壓器等效電路的高頻等效電路的視圖。
[0023] 圖10是根據(jù)本公開的一個實施例的寬帶隔離變壓器的剖視圖。
[0024] 圖11是圖10的寬帶隔離變壓器的示意圖。
[0025] 圖12是圖10和11的變壓器的示例引腳排列（pinarrangement)的頂視圖。
【具體實施方式】
[0026] 為了提供具有高效率又低成本的頻率捷變聲納，數(shù)字邏輯控制聯(lián)接變壓器的中心 抽頭初級線圈的開關，從而在附接于變壓器的次級線圈的負載處逼近正和負半正弦曲線周 期?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)到附圖，圖1所示的示例聲納發(fā)射器100利用CPU105和FPGA110作為數(shù)字邏輯。 CPU105基于突發(fā)長度、頻率含量以及振幅成形要求在換能器負載115處為期望的波形發(fā)布 命令。發(fā)射器1〇〇通過利用正和負電壓脈沖的脈沖寬度調(diào)制逼近期望的波形。一個或多個 正電壓脈沖逼近期望的正弦曲線的正半周期。類似地，一個或多個負電壓脈沖逼近期望的 正弦曲線的負半周期。
[0027]FPGA110控制MOSFET驅(qū)動器120以打開和關閉由M0SFET125和M0SFET135實施的 開關。M0SFET125和135聯(lián)接至隔離變壓器170內(nèi)的中心抽頭初級線圈130的相對端。諸 如電容器組140的電源驅(qū)動初級線圈130上的中心抽頭145。M0SFET125和135的默認狀 態(tài)是關閉的。然而，如果M0SFET135打開，則通過次級線圈150使正電壓脈沖激發(fā)到換能器 負載115上。反之，如果MOSFET125打開，則負電壓脈沖加在負載115上。
[0028]FPGA110還驅(qū)動升壓控制電路155。升壓控制電路提高來自電源160的電源電壓， 以使電容器組140充電至期望的電壓水平。照這樣，電容器組140提供高的能量儲藏以驅(qū) 動負載115。由升壓控制電路155施加的電壓升高的量取決于期望的輸出功率和換能器阻 抗。在一個實施例中，升壓控制電路通過在10. 2Vdc到32Vdc的范圍提高電源電壓使電容 器組140在OVdc到150Vdc的范圍內(nèi)充電。例如，升壓控制電路可以使用開關升壓穩(wěn)壓器 型電路實現(xiàn)該范圍的輸出電壓。這樣的電路在沒有吸取過多電流的情況下（例如，8A最大 電流消耗）快速達到期望的電壓水平。在一個實施例中，開關升壓電路可以基于例如用于 照相機上的閃光操作的電容充電器。有利地，這樣的電容充電器高效、操作簡單并且包括諸 如欠壓鎖定和最大充電截止的附加防護措施。為了存儲產(chǎn)生的電荷，電容器組140可以具 有超出150V的額定電壓并且提供足夠的電容以在沒有過大的電壓降的情況下支持全功率 最大長度聲納脈沖。
[0029] 考慮到可以由電容器組140存儲的電荷和電壓水平的量，發(fā)射器100可以包括放 電電路（未示出）以在例如幾秒鐘這樣的短的時間內(nèi)安全地使電容器組140放電。例如， FPGA110可以控制放電電路，從而當發(fā)射器100斷電時自動使電容器組140放電。照這樣， 電容器組140不會處在充電狀態(tài)，從而提高了安全性。發(fā)射器100還可以包括在維護之前 用于由技術人員操作的手動放電控制。
[0030] 變壓器170是升壓變壓器，在一個實施例中，該變壓器使用1:6的匝數(shù)比。變壓 器170、用于驅(qū)動中心抽頭145的例如電容器組140的電源以及用于跨越換能器負載115 形成正或負電壓脈沖的例如M0SFET125和135的開關的組合有效地形成效率明顯比傳統(tǒng) 線性功率放大器高的D類放大器165。此外，放大器165在印刷電路板上具有較小的腳位 (footprint)并且不需要沉重且昂貴的散熱器。在一個實施例中，放大器165能夠在25KHz 至255KHz的頻率范圍內(nèi)以高達IKW的功率水平輸出脈沖。雖有在該頻率范圍內(nèi)傳統(tǒng)換能 器的高達30nF的電容性阻抗分量，但該效率是可以實現(xiàn)的。以下進一步討論實現(xiàn)該性能的 變壓器170的新穎設計。
[0031] 通過改變例如M0SFET125和135這樣的開關的打開時間周期來實現(xiàn)的脈沖寬度調(diào) 制可以采取許多可選的實施例。例如，可以利用寬度選擇成在如圖2所示的正弦曲線半周 期中產(chǎn)生相等能量的峰值的單個矩形脈沖逼近輸出正弦曲線半周期。每一個脈沖通過在期 望的波形的峰值處設定參考位置而產(chǎn)生。然后基于期望的峰值波形振幅和距對應的零位的 距離計算脈沖的下降沿和上升沿。例如，下降沿零位205和上升沿零位210構(gòu)成正矩形脈 沖200。脈沖200相對窄，從而逼近在零位205和210之間延伸的正半周期正弦曲線的相對 低振幅。相比之下，正矩形脈沖215與脈沖200相比相對較寬，因為由脈沖21