[发明专利]基于iTrack-UB系列超短基线水声定位系统的应答器

说明书

技术领域

本发明属于水声测量技术领域，涉及一种水声应答器，具体指一种能够满足iTrack-UB系列超短基线水声定位系统要求的应答器装置。

背景技术

超短基线iTrack-UB系列水声定位系统，利用水声通信和水声定位技术可以广泛运用于海洋勘探、海洋开发和军事等领域。应答器是超短基线水声定位系统的水下应答部件，应答器由水声换能器部分和信号处理硬件电路部分组成。换能器的性能指标直接影响定位系统功能的实现，对定位系统的测向、测距精度均有直接性影响。因此现有技术对换能器提出了新的要求，要求其在不同水文测试环境下均具有稳定性能。而现有换能器技术的缺陷和不足主要体现在以下几个方面：

a)换能器是配合超短基线定位系统的声头换能器使用，换能器采用收发合置的工作机制，工作在发射模式时是用18～22kHz的频率段发送声波，工作在接收模式时是用22～26kHz的频率段接收声波。这就要求换能器工作在发射模式时具有较高的发送电压响应，工作在接收模式时具备较高且起伏小于1dB的接收灵敏度。上述要求对换能器在设计上和制作工艺上有一定难度，如设计不当，很可能呈现出发送电压响应不高，且接收灵敏度起伏较大，不能同时兼顾换能器的发射和接收模式的性能要求。

b)要求换能器发射电压响应和接收灵敏度在水平方向呈现无指向性，在垂直方向呈现90°的开角。而由静水压力对换能器自身发射电压响应和接收灵敏度的影响，换能器随着布放深度的不同，对换能器的发射电压响应和接收灵敏度在垂直方向指向性呈现开角变化的趋势，因此其在垂直方向上可能不能满足90°开角，水平方向上呈现起伏增大的情况，从而降低了换能器的性能，对于应答器的接收和发射信号造成影响；

c)换能器的应用场合，例如满足深水的探测，要求换能器及其壳体能够具有优异的耐深水压力，现能满足在1000m稳定工作。而要在更深水深应用，就对换能器在加工制作及材料应用上有更高的要求。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了基于iTrack-UB系列超短基线水声定位系统的应答器，换能材料采用压电陶瓷，并在换能器制作的软件仿真流程和加工工艺上作出了相应改进，保证了耐静水压力和性能可靠性，使换能器能够在水下1000m以下稳定工作；满足iTrack-UB系列超短基线水声定位系统对发送电压响应、接收灵敏度以及指向性的性能指标。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种基于iTrack-UB系列超短基线水声定位系统的应答器，包括壳体、换能器、信号处理电路板以及为信号处理电路板提供电源的供电电池，其特征在于：所述换能器由PZT压电陶瓷圆管为换能材料制作，换能器安装在应答器壳体的顶部位置，其通过电缆线与信号处理电路板连接，所述信号处理电路板固定在应答器壳体的电子仓内，电子仓底部为安装供电电池的电池仓。

作为本案的优化方案，所述应答器壳体的后盖底部设有入水检测电路，入水检测电路通过电缆线与信号处理电路板连接。

作为本案的优化方案，所述换能器和应答器壳体采用可拆卸式结构，便于安装。

作为本案的优化方案，所述壳体内设有纵向支撑的装配支架，装配支架与壳体上、下端盖的连接处设有绝缘衬垫，通过装配支架和绝缘衬垫保持壳体上、下端盖间的相对固定。

作为本案的优化方案，所述信号处理电路板通过固定支架安装在电子仓内。

作为本案的优化方案，所述换能器外部灌注聚氨酯形成透声层。

作为本案的优化方案，所述换能器和电子仓通过O形圈静密封来保证水密性。

作为本案的优化方案，所述压电陶瓷圆管换能器在制作中利用ANSYS软件进行性能仿真，仿真流程包括以下步骤：

首先，从压电陶瓷圆管的实际模型出发，抽象出准物理模型；

然后，根据物理模型生成有限元网格，合理调整有限元网格的密度，并设定分析类型和添加载荷及边界条件，求解得到压电陶瓷圆管的发送电压响应仿真曲线、接收灵敏度仿真曲线及水平和垂直指向性图；

最后，利用软件的后处理工具提取答案，并根据结果反馈到具体问题中，进一步优化设计，经过多次反复，得到最优方案。

作为本案的优化方案，制作所述压电陶瓷圆管换能器的加工工艺具体包括以下步骤：

a、换能材料压电陶瓷圆管的订制与测试清洗；

b、焊接压电陶瓷圆管的正负极引出线；

c、结构件清洗，换能器装配；

d、换能器灌注聚氨酯及电缆头连接；

e、换能器性能测试。

本发明的有益效果是：