Page 90 - 《应用声学》2024年第6期

1266 2024 年 11 月

density is increased by 27.3%. The measured phase control angle error is less than 0.3 , and the original
◦
frequency sound source level of the parametric array can reach 236.7 dB the differential frequency source level
can reach 200.5 dB. The accurate phase-controlled emission and high original frequency sound source level
output ability of the phased parameter array are realized by a miniaturized transmission system.
Keywords: Phased parametric array; Sonar transmitter; Miniature transformer; Miniaturization; Class D
power amplifier

ory of inventive problem solving, TRIZ) 中的剪裁
0 引言
思想 [25] ，结合相控参量阵声呐发射系统的工作特点
近年来，近海底声学观测与测绘对小型水下移 以及设计指标，提出一种简化的 D 类声呐发射机电
动平台的需求越来越大，相应的对平台声学载荷的 路结构。充分利用发射换能器频率特性整合实现滤
体积和质量指标也提出了更高要求 [1−7] 。参量阵 波功能，进而有效减小多通道电路规模，实现多通
声呐具有小孔径基阵可相控发射低频、宽带、无旁 道参量阵声呐功放电路的小型化、紧凑型设计；同
瓣高指向性探测声束的特点 [8−11] ，能以优越的便 时，联合 K g 法和脉冲变压器设计技术，研究微型变
携性实现海洋环境及掩埋目标物的高分辨探测，水 压器设计方法。通过优化变压器设计方法进一步控
下小平台搭载使用潜力巨大。目前，国内外均研制 制多通道发射机整体体积和质量，提高系统整体功
了适用于水下无人航行器的参量阵声呐，如德国 率密度。此外，开展高集成度电路装配研究，论证分
Innomar 公司的 standard-rov 型、英国 Tritech 公司 析储能电容紧凑布局方案，提高声呐电子舱空间的
的 SeaKing、中国科学院声学研究所的 PLS 系列参 利用率。实测试验验证了设计的小型相控参量阵发
量阵声呐。而这些声呐的相控探测能力较弱，商用 射系统的精准相控发射和高原频声源级输出能力。
参量阵声呐系统仍存在体积和质量较大、不适用于 本文设计的 D 类声呐发射机电路简化结构以及提
小平台搭载的问题。如 standard-rov 型系统的电子 出的微型变压器设计方法，可为包括超高频相控阵
舱直径 28 cm、长 75 cm、质量 58 kg，换能器直径 声呐发射机在内的相关发射机系统的小型化设计
47 cm、厚度6 cm、质量32 kg。 提供借鉴与参考。
在传统声呐发射系统设计中，研究人员普遍采
用匹配或滤波技术手段对发射电路与发射换能器 1 小型化相控发射系统设计
进行匹配，以获得更高质量的输出信号波形 [12−20] 。
1.1 相控发射系统构成
虽然这些方法对高质量、大功率、高效发射技术具
设计小型相控参量阵声呐发射系统的构成框
有重要意义，但由于实现相控发射需要多通道发射
图如图 1 所示。多通道发射机采用 D 类推挽功放电
机，发射系统体积和质量会随通道数量的增加而等
比例增大。且发射机(尤其是高电压输出发射机)的 路形式。在优化相控参量阵设计的基础上，以剪裁
匹配电路、滤波电路占用体积大，不利于发射系统的 思想简化传统发射机的滤波电路与匹配电路，以声
小型化设计。另外，变压器是发射机电路的核心部 学基阵的带通特性实现功放输出信号滤波，电路结
件，其体积和质量对发射系统的整体规模也影响较 构更加简单，元件数量更少，体积和质量更小。设
大。目前常用的变压器设计方法有磁芯面积积(A p ) 计的发射系统具体由相控数字信号源、40 通道小型
法、磁芯几何常数 (K g ) 法等，在具体设计时也需充 功率放大电路、系统电源、相控参量阵四部分构成。
分考虑变压器类型，如高频变压器、脉冲变压器、声 系统中心频率 200 kHz，工作带宽 20 kHz，相控角度
◦
◦
◦
◦
频变压器等 [21−24] 。尽管这些方法在声呐变压器设 −60 ∼ 60 (步距为5 )，相控角度偏差不超过0.5 ，
计领域得到了广泛应用，但进行相控参量阵声呐发 原频声源级不低于 230 dB。其中，为实现参量阵相
射机设计时，为满足水下小平台对高性能、轻小型 控发射功能，支撑整机小型化、功能集成化设计，
载荷的高要求，仍需进一步优化设计以缩小发射机 设计相控数字信号源采用了 ZYNQ 7000 系列的现
变压器的体积。 场可编程门阵列 (Field programmable gate array,
针对相控参量阵声呐发射系统的小型化、高集 FPGA)芯片，既实现相控信号源功能又可用于数字
成度设计问题，本文引入发明问题解决理论 (The- 信号处理。