一種全數(shù)字式主動聲納發(fā)射機及聲納發(fā)生方法
【技術領域】
[0001 ]本發(fā)明涉及水聲工程領域，特別涉及一種全數(shù)字式主動聲納發(fā)射機。
【背景技術】
[0002] 發(fā)射機是主動探測聲納或水下通信設備的重要組成部分，由信號發(fā)生器、功率放 大器、匹配網(wǎng)絡和發(fā)射換能器組成。為了達到預期的聲源級和發(fā)射指向性，幾十路甚至上百 路換能器構成陣列，相控發(fā)射。相控陣發(fā)射機電子部分包含多路并行的功率放大器，設備龐 大復雜，系統(tǒng)可靠性受到限制。
[0003] 信號發(fā)生器一般處于信號處理機柜中，便于與接收機進行收發(fā)同步，與聲納控制 計算機通信。信號發(fā)生器根據(jù)控制計算機的下達的工作參數(shù)，讀取存儲器中的波形數(shù)據(jù)或 實時產生波形，進行發(fā)射波束形成，數(shù)字信號進行D/A轉換，形成多路模擬信號，通過電纜輸 送給功率放大器。除了模擬信號外，電纜中仍需傳輸功放控制信號及功放工作狀態(tài)信號。
[0004] 在艦艇嘈雜的工作環(huán)境中，信號傳輸過程中容易受到噪聲干擾;為了達到預期的 發(fā)射功率或波束形狀，模擬信號高達幾十路甚至上百路，模擬信號間、模數(shù)信號間容易形成 串擾，嚴重影響信號質量。此外，信號處理機柜與功放機柜之間需要粗笨電纜連接，在狹窄 的艙室內不容易安裝調試。功放機柜中，模擬信號與比較器進行比較，生成驅動D類功放的 PWM信號，這個過程也容易引入噪聲干擾，降低系統(tǒng)的性能和可靠性。

【發(fā)明內容】

[0005] 為了克服上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種全數(shù)字化主動聲納發(fā)射機，將信 號發(fā)生器、D類功放控制器、串行通信等模塊集中在FPGA中，簡化了發(fā)射機結構的復雜度和 調試難度，提高了系統(tǒng)的可靠性。
[0006]為達到上述目的，本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的：
[0007] -種全數(shù)字式主動聲納發(fā)射機，包括：
[0008] (1) -個控制中心，所述控制中心連接存儲器；
[0009] (2)多個并行的與所述控制中心連接的功放組件；
[0010]其特征在于:所述控制中心在FPGA中集成信號發(fā)生器、功放控制器、串行通信模 塊，用于在FPGA內部利用數(shù)字延遲線完成波束形成，由數(shù)字波形直接生成HVM波形并實現(xiàn) PWM波形的死區(qū)控制；
[0011] 所述功放組件包括驅動電路、Η橋、低通濾波、匹配網(wǎng)絡；
[0012] 所述驅動電路將控制中心產生的PWM信號進行隔離后，送入驅動器，產生場效應管 的驅動信號；
[0013] 所述Η橋由大功率場效應管組成，將驅動電路產生的驅動信號變?yōu)楦唠妷?、大電?信號；
[0014] 所述低通濾波將高電壓大電流的PWM波形低通濾波，產生大功率的發(fā)射波形；
[0015] 所述匹配網(wǎng)絡與發(fā)射換能器進行阻抗匹配，將大功率波形輸送給發(fā)射換能器。
[0016] 進一步的，所述信號發(fā)生器包括命令解析模塊、波形產生模塊、幅度控制模塊、波 束形成模塊;所述D類功放控制器包括PWM產生模塊、死區(qū)控制模塊；
[0017] 所述串行通信模塊與控制計算機進行通信并將接收的信息發(fā)送給命令解析模塊；
[0018] 所述命令解析模塊將串行通信模塊接收到的信息進行解析，解析后的命令傳送給 波形產生模塊、幅度控制模塊、波束形成模塊；
[0019] 所述信號產生模塊根據(jù)解析的命令，讀取所述存儲器中存取的波形，或者根據(jù)解 析的命令，利用DDS技術實時產生單頻信號或調頻信號；
[0020] 所述幅度控制模塊根據(jù)解析命令，利用乘法器調整數(shù)據(jù)的幅度，達到控制發(fā)射功 率的目的；
[0021] 所述波束形成模塊根據(jù)解析指令，利用數(shù)字延遲線，將幅度調整后的波形進行發(fā) 射波束形成，在多個信號通道中選擇是否發(fā)射信號，對于發(fā)射信號的通道計算各信號的延 時時間，進行延時發(fā)射；
[0022] 所述PWM產生模塊將波束形成后的各路數(shù)字信號與計數(shù)器值進行比較，生成PWM波 形；
[0023]所述死區(qū)控制模塊將生成的多路PWM波形經過處理，生成互補的PWM波形，同時每 對互補波形之間存在一定的死區(qū)時間；
[0024] 更進一步的，所述PWM產生模塊包括偏移單元，計數(shù)器單元，數(shù)字比較器單元;所述 偏移單元連接波束形成模塊，所述偏移單元，計數(shù)器單元連接數(shù)字比較器單元。
[0025] 更進一步的，所述死區(qū)控制模塊包括2個多路選擇器，分別控制多個D觸發(fā)器，通過 CTRL控制字在線調整D觸發(fā)器的數(shù)量，控制死區(qū)時間的長度。
[0026] 進一步的，所述功放組件還包括功放監(jiān)測模塊，所述功放監(jiān)測模塊連接所述控制 中心，對Η橋的電流和溫度進行監(jiān)測，將工作狀態(tài)信息送入控制中心。
[0027] -種全數(shù)字式主動聲納發(fā)生方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0028]步驟一:通過在FPGA中集成信號發(fā)生器、功放控制器、串行通信模塊的控制中心， 在FPGA內部利用數(shù)字延遲線完成波束形成，由數(shù)字波形直接生成PWM波形并實現(xiàn)PWM波形的 死區(qū)控制;PWM波形進入功放組件；
[0029] 步驟二:功放組件中，通過驅動電路將控制中心產生的ΠΜ信號進行隔離后，送入 驅動器，產生場效應管的驅動信號;通過Η橋將驅動電路產生的驅動信號變?yōu)楦唠妷?、大?流信號;通過低通濾波將高電壓大電流的PWM波形低通濾波，產生大功率的發(fā)射波形;通過 匹配網(wǎng)絡與發(fā)射換能器進行阻抗匹配，將大功率波形輸送給發(fā)射換能器。
[0030] 進一步的，步驟一所述利用數(shù)字延遲線完成波束形成，延時時間有兩種計算方法：
[0031 ] (1)對于陣元排布規(guī)則的陣列，陣元坐標表示為pi = [Xi，yi，Zi]τ，發(fā)射波束指向為 a(a為單位方向矢量），表示為a=[sin0cos<i)，sin0sin<i)，cos0]T，直接計算出各個陣元的
[0032] 其中，c為水中聲速;對^進行規(guī)整化處理，
[0033] (2)對于不規(guī)則陣列，通過測量陣列的接收陣列流行矢量，間接得到陣元的延時時 間;通過水池或湖上試驗得到陣列在方向a時的接收陣列流行矢量υ，
[0035]其中ω為測試信號的角頻率，約為各個陣元接收信號的相位，則每個陣元的延時
由接收陣列流行矢量得到陣元接收波束形成的延時時間，進一步對接收延時進行 規(guī)整化處理，得到發(fā)射波束形成的延時時間，
[0037]實際延時時間與理論值有一定誤差，誤差為Λ Ti = Ti-kTs;其中，Ts為采樣周期，k =round (m)，round ()表示四舍五入取整，則-Ts2 < Δ η <Ts2，采樣頻率越高，延時誤差Δ Ti越小。
[0038] 更進一步的，所述采樣頻率大于發(fā)射信號中心頻率的10倍。
[0039] 優(yōu)選的，步驟一所述由數(shù)字波形直接生成HVM波形的方法為:數(shù)字波形的幅度為-A/2~A/2，首先進行幅度偏移，偏移量為L/2，L為計數(shù)器的進制;侷m Ε?々數(shù)字信號與L進制 的計數(shù)器進行比較，比較結果即PWM波形;PWM波形的最小脈寬為
，Τ。為計數(shù)器時鐘 周期，PWM信號最小占空比為
[0040] 優(yōu)選的，步驟一所述實現(xiàn)HVM波形的死區(qū)控制的方法為:生成的多路ΠΜ波形經過 處理，生成互補的PWM波形，同時每對互補波形之間存在一定的死區(qū)時間；通過控制字，在線 調整D觸發(fā)器的數(shù)量，控制死區(qū)時間的長度，死區(qū)時間調整精度為一個時鐘周期。
[0041 ]相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0042] (1)本發(fā)明提供的全數(shù)字化聲納發(fā)射機將信號發(fā)生器、D類功放控制器、串行通信 等模塊集中在FPGA中，具有波形存儲、發(fā)射功率控制、發(fā)射波束形成、PWM波形生成、死區(qū)控 制等功能，并能進行收發(fā)同步，監(jiān)測功放的工作狀態(tài)。本發(fā)明節(jié)省了傳統(tǒng)發(fā)射機中的D/A轉 換過程，簡化了發(fā)射機結構的復雜度和調試難度，提高了系統(tǒng)的可靠性。
[0043] (2)本發(fā)明提供的全數(shù)字化聲納發(fā)射機在FPGA內部利用數(shù)字延時線完成波束形 成，提高了發(fā)射功率和發(fā)射指向性。
[0044] (3)本發(fā)明提供的全數(shù)字化聲納發(fā)射機由數(shù)字波形直接生成了 PWM波形，節(jié)省了傳 統(tǒng)D類功放模擬波形與調制載波比較生成PWM波形的環(huán)節(jié)，提高的抗干擾性能。
[0045] (4)本發(fā)明提供的全數(shù)字化聲納發(fā)射機在FPGA內部實現(xiàn)了 PWM波形的死區(qū)控制，可 以實時在線精確調整PWM波形的死區(qū)時間，降低了功放的調試難度。
【附圖說明】
[0046] 圖1為全數(shù)字主動聲納發(fā)射機的系統(tǒng)結構示意圖；
[0047] 圖2為全數(shù)字主動聲納發(fā)射機控制中心的結構示意圖；
[0048] 圖3為全數(shù)字主動聲納發(fā)射機控制中心產生PWM波形的方法示意圖；
[0049] 圖4為全數(shù)字主動聲納發(fā)射機控制中心調制死區(qū)時間的方法示意圖。
【具體實施方式】
[0050] 需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實施例及實施例中的特征可以相 互組合。
[0051 ]下面結合附圖對本發(fā)明提供的全數(shù)字化主動聲納發(fā)射機作進一步的詳細說明。
[0052] 1.發(fā)射機總體結構和功能
[0053] 圖1為全數(shù)字主動聲納發(fā)射機的系統(tǒng)結構。發(fā)射機安置在功放機柜中，包含控制中 心(FPGA)、存儲器和多個功放組件，其中每個功放組件包含驅動電路、Η橋、低通濾波和匹配 網(wǎng)絡等模塊。FPGA集成了信號發(fā)生器、D類功放控制器、串行通信等模塊，具有波形存儲、發(fā) 射功率控制、發(fā)射波束形成、pmi波形生成、死區(qū)控制等功能，并能進行收發(fā)同步，監(jiān)測功放 的工作狀態(tài)。FGPA使用RS485串行通信方式與信號處理機柜交互工作參數(shù)和狀態(tài)信息，并 使用時間同步信號與接收機實現(xiàn)收發(fā)同步。FPGA生成的PWM波形經過功放組件的驅動電路 后，連接至Η橋生成大功率數(shù)字信號，信號經過低通濾波，模擬波形通過匹配網(wǎng)絡輸出送給 發(fā)射換能器。
[0054]圖2為全數(shù)字主動聲納發(fā)射機控制中心的結構。FPGA通過串行通信模塊接收控制 計算機的控制指令，將指令發(fā)送給命令解析模塊，解析的命令包括信號類型、發(fā)射功率、發(fā) 射方式等內容，