智能宽带声纳发射机的研制

　　在海洋声学探测及水声通信领域中,主动式声纳发挥着重要作用。在主动式声纳系统中,由信号产生器、功率放大器和发射换能器等组成的发射机系统是不可或缺的。发射换能器通常由压电陶瓷组成,其阻抗较高,若获得较大输出功率需较高的驱动电压,这使得发射机必须工作在高电压、大功率及恶劣的电磁环境中。传统的水下发射机大多存在以下几个方面的不足:

　　(1)效率较低,体积、质量与发射功率的矛盾尖锐。对于主动式声纳,大的输出功率意味着更远的探测距离和通信距离,但实现较大的输出功率常意味着大量大体积功率器件的使用并带来突出的散热问题,如美国Instrument Inc.公司生产的S11-2功放[1],连续输出功率高达1 kW,体积约为483mmx559mmx356mm,质量约为64 kg,且无法在水下环境使用;而专为水下设计的发射机[2],虽解决了散热问题,但功率较小,满足不了远程探测的目的。

　　(2)带宽较小。现代声纳系统多采用宽带设计,如合成孔径声纳(SAS)和主动拖曳阵声纳等,有些SAS的带宽甚至超过了其中心频率的50%。若使用传统发射机设计理论设计宽带发射机,则会带来频率响应较差、效率急剧下降等问题。

　　(3)功能较简单,可靠性差。水下发射机受体积限制,功能较单一,需外部信号源,且缺乏充足的保护措施,使用有诸多不便。大功率、高电压的工作方式和恶劣的电磁环境使发射机的功率器件易损坏,监控系统失灵,这使发射机成为整个声纳系统中最薄弱的环节。

　　本文提出一种高性能的智能宽带发射机的方案。以此方案设计的发射机工程样机达到1.03 kW的平均输出功率和211 dB的声源级,较小的体积、84%的效率及50%的带宽,具有极高的可靠性。

　　1 系统方案

　　本发射机的系统方案如图1所示。发射机由控制中心、功率管及驱动器、变压器、匹配器等组成。控制中心产生待发射的信号,将其隔离后送入H桥驱动器产生功率管的驱动信号驱动功率场效应管;后者将能量送入变压器,转换为高压,经匹配网络送入换能器转换为声能量。整个过程由控制中心进行监控并负责和上位机的通信。

　　1.1 功放工作点的选择

　　D类工作在晶体管的开关区,效率高但失真最大。随着开关器件速度和性能的提高,结合了脉宽调制(PWM)技术的D类放大器技术可同时实现低失真与高效率。换能器功放对失真的要求较低,而对功率容量及效率要求较高,适合使用D类放大器。

　　1.2 开关管及驱动器

　　功率场效应管具有很高的功率容限和较高的开关速度,且不会出现磁通不平衡的现象。本方案采用72 V电压供电,全桥式开关结构,因此功率管的耐压(VDSS)需超过144 V,每只功率管承受大于500 W的瞬时功率。本方案选择国际整流器公司(IR)的IRFP240[3],其栅极电容为1.2 nF。这里采用IR2183[4]组成H桥驱动器,其最大可提供电流为1.8 A的输出和1.4 A的吸入,因此以150 kHz开关频率计,可得栅极电压的上升、下降时间(10%~90%计):