分別送給讀取波形、幅度控制、波束形成模塊。讀取波形模塊根據(jù)信號類型 參數(shù)讀取存儲器的發(fā)射波形、在時間同步信號有效時，將數(shù)據(jù)發(fā)送給幅度控制模塊。幅度控 制模塊根據(jù)發(fā)射功率參數(shù)，控制乘法器的系數(shù)，調(diào)整發(fā)射信號的幅度。調(diào)整幅度后的信號進(jìn) 入波束形成模塊，根據(jù)發(fā)射方式參數(shù)，控制多路信號通道中各個通道是否發(fā)射信號，發(fā)射信 號的通道通過數(shù)字延時線進(jìn)行延時發(fā)射。波束形成后的多路信號進(jìn)入PWM產(chǎn)生模塊，與計數(shù) 器的結(jié)果進(jìn)行比較，生成P麗波形。各路P麗波形進(jìn)入死區(qū)控制模塊，生成對應(yīng)的互補(bǔ)的P麗 波形，每對PWM信號進(jìn)行死區(qū)時間設(shè)置。
[0055] 2.發(fā)射波束形成的實(shí)現(xiàn)方法
[0056] 本發(fā)明提出的全數(shù)字化主動聲納發(fā)射機(jī)進(jìn)行發(fā)射波束形成，相控陣發(fā)射，目的是 提高發(fā)射聲源級和波束指向性。發(fā)射陣列中，陣元個數(shù)為N，各陣元坐標(biāo)表示為pi= [xi，yi, Zi]T，發(fā)射波束指向為a(a為單位方向矢量），可以表示為a=[sin0cos<i) ,sin0sin<i) ,cos0 ]T〇
[0057] 對于陣元排布較規(guī)則的陣列(直線陣或圓弧陣），可以通過陣列幾何形狀得到陣元 坐標(biāo)Pl，直接計算出各個陣元的延時時間
[0059] 其中，c為水中聲速。對Ti進(jìn)行規(guī)整化處理，
[0061]對于不規(guī)則陣列，陣元準(zhǔn)確坐標(biāo)難以獲得時，可以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?，
[0063] 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
[0064] 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(jìn)一步對接收延時進(jìn)行 規(guī)整化處理，得到發(fā)射波束形成的延時時間，
[0066] FPGA實(shí)現(xiàn)可控數(shù)字延遲線，使用延時法設(shè)計發(fā)射波形成系統(tǒng)。由于數(shù)字延時的離 散性，延時量不能做到連續(xù)變化，只能是采樣周期的整數(shù)倍，實(shí)際延時時間與理論值將會有 一定誤差，誤差為
[0067] ATi = Ti-kTs (7)
[0068] 其中，Ts為采樣周期，l^rouncKTiTs)，round〇表示四舍五入取整，則-T s2< Δ τ?< Ts2，采樣頻率越高，延時誤差△ η越小。本發(fā)明中，設(shè)置采樣頻率大于發(fā)射信號中心頻率十 倍以上，發(fā)射波束圖和理論波束圖的差異可以忽略。
[0069] 3.PWM波形的實(shí)現(xiàn)方法
[0070] 圖3為全數(shù)字主動聲納發(fā)射機(jī)控制中心產(chǎn)生PWM波形的方法。波形數(shù)據(jù)在存儲、幅 度調(diào)整、波束形成時均是以補(bǔ)碼形式存在，進(jìn)入PWM生成前，幅度為-Α/2~Α/2。波形首先經(jīng) 過幅度偏移，偏移量為L/2，L為計數(shù)器的進(jìn)制。偏移后的數(shù)字信號與L進(jìn)制的計數(shù)器進(jìn)行比 較，比較結(jié)果即HVM波形。HVM波形的最小脈寬
，T。為計數(shù)器時鐘周期，則HVM信號
[0071] 4.死區(qū)時間控制的實(shí)現(xiàn)方法
[0072] D類放大器一般采用半橋或全橋結(jié)構(gòu)，同一橋臂兩個開關(guān)管的驅(qū)動信號呈互補(bǔ)結(jié) 構(gòu)，為了防止開關(guān)管發(fā)生直通現(xiàn)象，互補(bǔ)的兩個驅(qū)動信號應(yīng)存在一定的死區(qū)時間。圖4為全 數(shù)字主動聲納發(fā)射機(jī)控制中心調(diào)制死區(qū)時間的方法。圖4中，CLK為時鐘信號，PWM為CLK時鐘 下產(chǎn)生的數(shù)字波形，CTRL調(diào)整死區(qū)時間的控制字，PQ1和PQ2為互補(bǔ)的兩路WM信號。可以通 過CTRL控制字，可以在線調(diào)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(diào)整精度為 一個時鐘周期。
[0073]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種全數(shù)字式主動聲納發(fā)射機(jī)，包括： (1) 一個控制中屯、，所述控制中屯、連接存儲器； (2) 多個并行的與所述控制中屯、連接的功放組件； 其特征在于:所述控制中屯、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(nèi)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(shí)現(xiàn)PWM波形 的死區(qū)控制； 所述功放組件包括驅(qū)動電路、Η橋、低通濾波、匹配網(wǎng)絡(luò)； 所述驅(qū)動電路將控制中屯、產(chǎn)生的PWM信號進(jìn)行隔離后，送入驅(qū)動器，產(chǎn)生場效應(yīng)管的驅(qū) 動信號； 所述Η橋由大功率場效應(yīng)管組成，將驅(qū)動電路產(chǎn)生的驅(qū)動信號變?yōu)楦唠妷骸⒋箅娏餍?號； 所述低通濾波將高電壓大電流的PWM波形低通濾波，產(chǎn)生大功率的發(fā)射波形； 所述匹配網(wǎng)絡(luò)與發(fā)射換能器進(jìn)行阻抗匹配，將大功率波形輸送給發(fā)射換能器。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全數(shù)字式主動聲納發(fā)射機(jī)，其特征在于:所述信號發(fā)生器 包括命令解析模塊、波形產(chǎn)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(chǎn)生模塊、死區(qū)控制模塊； 所述串行通信模塊與控制計算機(jī)進(jìn)行通信并將接收的信息發(fā)送給命令解析模塊； 所述命令解析模塊將串行通信模塊接收到的信息進(jìn)行解析，解析后的命令傳送給波形 產(chǎn)生模塊、幅度控制模塊、波束形成模塊； 所述信號產(chǎn)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(shù)實(shí)時產(chǎn)生單頻信號或調(diào)頻信號； 所述幅度控制模塊根據(jù)解析命令，利用乘法器調(diào)整數(shù)據(jù)的幅度，達(dá)到控制發(fā)射功率的 目的； 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(diào)整后的波形進(jìn)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(jìn)行延時發(fā)射； 所述PWM產(chǎn)生模塊將波束形成后的各路數(shù)字信號與計數(shù)器值進(jìn)行比較，生成PWM波形； 所述死區(qū)控制模塊將生成的多路pmi波形經(jīng)過處理，生成互補(bǔ)的pmi波形，同時每對互 補(bǔ)波形之間存在一定的死區(qū)時間。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種全數(shù)字式主動聲納發(fā)射機(jī)，其特征在于:所述PWM產(chǎn)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。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種全數(shù)字式主動聲納發(fā)射機(jī)，其特征在于: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CT化控制字在線調(diào)整D觸發(fā)器的數(shù)量， 控制死區(qū)時間的長度。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全數(shù)字式主動聲納發(fā)射機(jī)，其特征在于: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屯、，對Η橋的電流和溫度進(jìn)行監(jiān)測， 將工作狀態(tài)信息送入控制中屯、。6. 如權(quán)利要求1所述一種全數(shù)字式主動聲納發(fā)射機(jī)的聲納發(fā)生方法，其特征在于，包括 w下步驟： 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屯、，在 FPGA內(nèi)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(shí)現(xiàn)PWM波形的 死區(qū)控制;PWM波形進(jìn)入功放組件； 步驟二：功放組件中，通過驅(qū)動電路將控制中屯、產(chǎn)生的pmi信號進(jìn)行隔離后，送入驅(qū)動 器，產(chǎn)生場效應(yīng)管的驅(qū)動信號;通過Η橋?qū)Ⅱ?qū)動電路產(chǎn)生的驅(qū)動信號變?yōu)楦唠妷骸⒋箅娏餍?號;通過低通濾波將高電壓大電流的PWM波形低通濾波，產(chǎn)生大功率的發(fā)射波形;通過匹配 網(wǎng)絡(luò)與發(fā)射換能器進(jìn)行阻抗匹配，將大功率波形輸送給發(fā)射換能器。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種聲納發(fā)生方法，其特征在于，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： (l)對于陣元排布規(guī)則的陣列，陣元坐標(biāo)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=[sin目cos<!) ,sin目sin<!) ,cos0]T，直接計算出各個陣元的延時時 間其中，C為水中聲速;對Ti進(jìn)行規(guī)整化處理，(1)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U，其中ω為測試信號的角頻率，巧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(jìn)一步對接收延時進(jìn)行 似 規(guī)整化處理，得到發(fā)射波束形成的延時時間，實(shí)際延時時間與理論值有一定誤差，誤差為ATi = Ti-kTs;其中，Ts為采樣周期，k = round(Ti/Ts)，round()表示四舍五入取整，貝lJ-Ts/2< Δ Ti<Ts/2。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種聲納發(fā)生方法，其特征在于，采樣頻率1/Ts大于發(fā)射信號 中屯、頻率的10倍。9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種聲納發(fā)生方法，其特征在于，步驟一所述由數(shù)字波形直接 生成PWM波形的方法為:數(shù)字波形的幅度為-A/2~A/2，首先進(jìn)行幅度偏移，偏移量為L/2，L 為計數(shù)器的進(jìn)制；偏移后的數(shù)字信號與L進(jìn)制的計數(shù)器進(jìn)行比較，比較結(jié)果即PWM波形;PWM 波形的最小脈寬為^7：.，Τ。為計數(shù)器時鐘周期，PWM信號最小占空比為^。： 之 '么L·10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種聲納發(fā)生方法，其特征在于，步驟一所述實(shí)現(xiàn)PWM波形的 死區(qū)控制的方法為:生成的多路PWM波形經(jīng)過處理，生成互補(bǔ)的PWM波形，同時每對互補(bǔ)波形 之間存在一定的死區(qū)時間;通過控制字，在線調(diào)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(diào)整精度為一個時鐘周期。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種全數(shù)字式主動聲納發(fā)射機(jī)，包括一個控制中心和多個功放組件。所述控制中心集成了信號發(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、PWM波形生成、死區(qū)控制等功能。所述功放組件由驅(qū)動電路、H橋、低通濾波器、匹配網(wǎng)絡(luò)組成。本發(fā)明利用數(shù)字延時線實(shí)現(xiàn)發(fā)射波束形成，數(shù)據(jù)通過偏移后與計數(shù)器比較，生成PWM波形，并可以在線實(shí)時精確調(diào)整PWM波形的死區(qū)時間。本發(fā)明簡化了發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度和調(diào)試難度，提高了系統(tǒng)的抗干擾性能和可靠性。
【IPC分類】G01S7/534, G01S7/524
【公開號】CN105548992
【申請?zhí)枴緾N201510894342
【發(fā)明人】劉大利, 趙旭琛, 白生煒, 曹純重, 王正凱, 韓智銳, 陳杰鴻, 李文文
【申請人】天津工業(yè)大學(xué), 中國科學(xué)院聲學(xué)研究所
【公開日】2016年5月4日
【申請日】2015年12月7日