[发明专利]集成式多阵元的小型换能器基阵设计方法及小型换能器基阵

说明书

本发明提供了一种集成式多阵元的小型换能器基阵设计方法及小型换能器基阵，解决现有多波束成像声纳为了获得高分辨率图像，采用大规模的换能器基阵，整体结构复杂、硬件成本较高、加工引线复杂的问题。该设计方法包括：1)确定基阵中阵元的基本布局结构；2)确定阵元的材质和尺寸；3)设计电路板；4)焊接基阵阵元完成小型换能器基阵设计。

技术领域

本发明属于水声换能器技术领域，具体涉及一种集成式多阵元的小型换能器基阵设计方法及小型换能器基阵。

背景技术

随着国家海洋战略布局的不断推进，中国在海洋资源勘探和国家海洋权益维护方面的科技投入不断加大。随着人类海洋探测和开发活动的不断增加，高质量的实时水下成像技术越来越受到人们的关注，在目标跟踪识别、海洋地貌勘探和水雷搜索等方面扮演着重要角色。

多波束成像声纳作为水下探测的重要设备，得到了大范围的应用。水下声学成像一般采用多个阵元构成的阵列来进行回波接收和波束加权处理，以形成高增益、低旁瓣的波束方向图。

然而，为了获得高分辨率图像，多波束成像声纳往往配有大规模的换能器基阵，由于基阵频率高，阵元个数多，间距小，正常的引线难以满足布阵的要求，同时其系统结构复杂，导致系统硬件成本较高。

发明内容

本发明的目的在于解决现有多波束成像声纳为了获得高分辨率图像，采用大规模的换能器基阵，整体结构复杂、硬件成本较高、加工引线复杂的问题，而提供一种集成式多阵元的小型换能器基阵设计方法及小型换能器基阵。

为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

一种集成式多阵元的小型换能器基阵设计方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)确定基阵中阵元的基本布局结构

根据换能器基阵的性能需求，对换能器基阵的阵元进行设计；其中，性能需求的衡量标准主要依靠换能器基阵的相关技术指标，具体包括：谐振频率、水平和垂直侧向精度、波束数、水平和垂直工作扇面以及阵元间距；

确定换能器基阵中阵元的行数为M、列数为M、数量为S＝M×M，相邻阵元的间距为D，并且S个阵元共负极，以减少引线数目；其中，M为正整数；

2)确定阵元的材质和尺寸

采用有限元仿真软件，模拟不同尺寸和材质的阵元，并进行阻抗特性仿真模拟计算，根据仿真计算出的导纳曲线得到阵元的谐振频率，确定满足换能器基阵性能需求(即设计需求)的阵元材质和尺寸；

3)设计电路板

3.1)根据步骤1)中阵元数量和引线方式确定电路板的层数，将电路板设计为多层；因电路板连线的线距有一定规则，阵元数目越多，为满足基阵小型化的结构，电路板也应满足在一定尺寸下，通过在有限范围内增加电路板的层数来进行布线，解决以往连线困难的情况；

3.2)在最上层电路板设置S个、间距为D的焊盘，形成焊盘区；

3.3)在电路板上焊盘区外相对两侧分别设置M行、M/2列个通孔，另外两侧分别设置GND和多个定位孔；通孔、定位孔以及GND均贯穿整个电路板；

3.4)电路板整体覆铜接GND，以减少地线阻抗，提高抗干扰能力；降低压降，提高电源效率；并且与地线相连，减少环路面积；

4)焊接基阵阵元

4.1)在步骤3)所设置的焊盘区上，以正极向下、负极向上的方式给每个焊盘上焊接步骤2)确定材质和尺寸的阵元；

4.2)对各个阵元进行去耦处理；

4.3)将所有阵元的负极连接成一体，实现S个阵元共负极；