[发明专利]水声超宽带组合声阵与发射的方法及其装置

摘要

本发明涉及用于水下声学探测的声波发射的换能器组合声阵及发射系统的方法及装置，提出了超宽带组合声阵与发射的方法，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，为实现海洋探测仪器对扫频信号组合的任意选择以及发射工作参数程控调整，提供了一种水声超宽带组合声阵和发射系统装置的实施例，使仪器的超宽带组合声阵发射工作于最佳状态，适用于不同地层、分辨率和地层穿透深度的探测要求。创新的水声超宽带换能器声阵组合和发射技术，还可适用于水下通信、遥测等其它海洋仪器。

主权项

1.水声超宽带组合声阵与发射的方法，包括多型水声宽带换能器的超宽带声阵组合方法和水声超宽带组合声阵的功率发射方法；(一)多型水声宽带换能器的超宽带声阵组合方法包括下列步骤：(1)首先根据所需超宽工作频带的要求和各种类型水声宽带换能器的发射频率响应特性，为拟构成水声超宽带组合声阵的多个异型水声宽带换能器分配工作频段；(2)合理选择构成超宽带组合声阵宽带换能器的类型及其发射频带宽度，所选宽带换能器的发射频率响应满足：工作频带宽度Δfbb≥(0.3～0.7)fi 的条件，以便保证超宽带组合声阵的发射频带宽度Δfubb≥0.5f0，其中f0为超宽带组合声阵中心频率，fi为宽带换能器中心频率；(3)水声超宽带组合声阵由安装在同一个平台内的多个异型水声宽带换能器组合而成，安装时必须精细调整，使所有参与声阵组合的宽带换能器的发射声中心保持在一个平面内；(4)通过对多个异型宽带换能器的布阵设计，使水声超宽带组合声阵获得全向的发射指向性，也可以采用声能聚焦设计来获得定向的发射指向性；(5)通过对宽带换能器的优化设计和带宽调整，使组合声阵中各宽带换能器的发射频率响应的相邻边缘互相重迭，在各个工作频段上实现无缝拼接，以便保证组合声阵的发射频率响应(-3～-5dB带宽)覆盖整个超宽工作频带；(6)超宽带组合声阵的各型水声宽带换能器选用抗高静水压设计，满足浅水和深水发射的要求。(二)水声超宽带组合声阵功率发射方法包括下列步骤：(1)按照水声超宽带组合声阵的组合数量及它们的声、电学特性，设计配置发射机的通道数；(2)多声阵-多路发射机采用同步和同相发射技术，在各分频段的相对应点实现同步和同相发射，并对信号源幅度进行反调制均衡，使多路发射机在超宽带范围内同步发射时适应负载阻抗幅度与相位的动态变化，从而提高系统的转换效率并获得所要求的系统响应曲线；(3)发射调制方式采用分频段线性调频以及钟形包络发射技术，有效提高声阵的发射工作频带宽度以及水声信号回波检测性能和海底地层的分辨率，保证超宽带多阵组合发射的各相邻工作频段边缘的合理重叠和无缝搭接；(4)发射信号源设计应兼顾各组换能器阵的发射响应以及实际应用领域对声信号的特殊要求和水声信号传播衰减规律，将信号源的数字信号转换成模拟信号，采用宽带线性功率放大和非均匀加权声功率发射，使多个频段合成的超宽带声阵发射响应相对较为平坦；(5)超宽带多阵多频段非均匀加权声功率发射的信号源采用CPU控制，在海洋地质水声测量时，声波对海底地层的分辨率是与声波的带宽成正比，即宽频带的分辨率高，而声波对海底地层的穿透率是与声波的工作频率成反比，即低频的穿透率强，而声波的传播衰减是与频率的平方成反比，在超宽带发射的条件下，不同频带声波的传播衰减不相等，鉴于水声测量性能受上述因素的综合影响，故多阵多频带的非均匀加权系数由CPU来计算、生成和传送，实现声波对地层的穿透率与分辨率及其传播达到优化选择和控制；(6)超宽带多路功率放大采用多路匹配传输和移相电路，在超宽带范围内，对参与组合的多个宽带换能器阵分别对应连接一组移相电路和匹配网络，保持多路发射同步发射点相位的一致性，有利于提高功率发射信号的质量和各路换能器的电声能量转换效率；(7)发射功率放大系统与水声超宽带组合声阵置于同一水下活动平台，或将其置于水面活动平台的船舱内；当发射功率放大系统置于水下活动平台时，发射功率放大系统机箱，应采用高静水压下的密封和固体热传导或液体散热技术，以便满足环境适应性要求；(8)发射功率放大系统采用水下发射储能电源，鉴于系统机箱置于实施深水作业的水下活动平台，依赖水面活动平台通过长缆传输给系统电路供电，为防止发射瞬间出现掉压现象，多路大功率发射机使用储能电源发射，长缆以小电流给储能电源供电，显著地减少长缆的传输损耗。