Page 91 - 《应用声学》2024年第6期

第 43 卷 第 6 期 孟新宝等： 小型化相控参量阵声呐发射系统设计与实现 1267

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图 1 小型相控参量阵声呐发射系统构成框图
Fig. 1 Block diagram of small-sized phased parametric array sonar emission system
1.2 相控数字信号源设计 别引入坐标旋转数字计算机 (Coordinate rotation
如图 1 所示，相控数字信号源的系统时钟模块 digital computer, CORDIC) 算法 [27−29] ，该方法计
为整个信号源提供所需的时钟，且既能够响应外部 算相控角度时仅需采用加减、移位运算，易于FPGA
同步信号工作，也能产生本地同步信号并输出给外 实现。具体采用 CORDIC 算法的圆周旋转方式，以
部设备。信号源可通过通信接口模块接收控制指令 如下迭代方程组表示相控角度 θ 及其余弦值 x 和正
并实时输出系统状态信息，指令解算模块解算信号 弦值y：
频率、脉冲宽度、相控角度等参数并传输给其他功 
−i
x i+1 = x i − d i y i 2 ,

能模块。状态监测与响应模块通过监测各模块的 

−i
y i+1 = y i + d i x i 2 , (2)
状态标志位以及温度传感器的回传信息，实现对系


 −1 −i
统工作状态的监测与响应。信号产生模块根据参  θ i+1 = θ i − d i tan 2 ,
数配置产生 40 通道相控发射控制信号，相控角度 其中，d i 代表旋转方向，+1 表示逆时针旋转，−1 表
−60 ∼ 60 (步距为 5 )，相控功能主要用于波束稳 示顺时针旋转。d i 取值如下：
◦
◦
◦
定和相控发射，可有效减小水下小平台姿态变化的 
 +1, θ i > 0,
影响，满足大角度范围高效探测的需求。 d i = (3)
具体采用时延波束形成方法实现相控发射 [26] 。  −1, θ i < 0.
工作原理如图 2 所示，θ 为相控角度，d 为相邻阵元
1.3 小型功率放大电路设计
间距，根据水中声速 c 可以得到相邻两个阵元间的
1.3.1 高集成度开关电路设计
时延∆t：
为了减小多通道发射电路的整体体积，本文
∆t = d sin θ/c. (1)
在剪裁思想指导下，以更加简化的瞬态电压抑制
 d   ⊲⊲⊲  二极管电路实现金属氧化物半导体场效应晶体管
(Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,
θ
∆t
MOSFET) 保护电路，同时选用利于小型化设计的
小封装 MOSFET，提升功放电路集成度。在印制电
路板 (Printed circuit board, PCB) 设计时，将不同
图 2 时延波束形成相控发射原理 发热量元器件合理布局，并根据不同元器件的电气
Fig. 2 Principle of phased emission of time-delay 特性设计元器件间距，得到高集成度开关电路原理
beamforming 图如图 3 所示。其中，MOSFET 为IRFH5015，长宽
为了保证相控精度和相控信号输出速率，同 为 5 mm×6 mm，厚度不超过 1 mm，其驱动电路芯
时简化 FPGA 逻辑模块设计，在信号产生模块中特 片为隔离型的ADuM3220。