[发明专利]一种水声信号发射机宽带自适应匹配方法及其装置

说明书

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系统，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。

在宽带声纳系统中，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。