專利名稱：一種等離子體聲納浮標(biāo)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于水下探測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種等離子體聲納浮標(biāo)。
背景技術(shù)：
聲納浮標(biāo)是一種水聲遙感探測器，它與浮標(biāo)信號(hào)接收處理設(shè)備等組成浮標(biāo)聲納系統(tǒng)，可用于水下噪聲測量、水下溫度深度測量、水下信道測量、水下目標(biāo)探測和水下通訊等。目前，按工作方式分，聲納浮標(biāo)可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種。其中，被動(dòng)式聲納浮標(biāo)只接收信號(hào)，無水聲信號(hào)發(fā)射裝置；而主動(dòng)式聲納浮標(biāo)多采用收發(fā)共用的單個(gè)圓柱壓電式換能器，探測目標(biāo)的同時(shí)可以進(jìn)行測距，其工作頻段一般在9 13kHz范圍，發(fā)射的聲波波形為脈沖波形。目前，隨著水下目標(biāo)隱身性能逐漸提高，尤其是消聲覆瓦對(duì)中高頻波段有較好的吸聲效果，使得常規(guī)主被動(dòng)聲納浮標(biāo)的探測距離逐漸變小，這就要求聲納浮標(biāo)探測頻率往低頻發(fā)展。等離子體聲源是一種新型的水下脈沖聲源，與壓電式換能器相比，能效較高，且具有脈沖窄、頻帶寬、源級(jí)高等特點(diǎn)。其工作原理與壓電式換能器也有很大區(qū)別，屬于爆炸式聲源。等離子體聲源的技術(shù)原理是水中高壓脈沖放電的機(jī)械效應(yīng)，又稱為“液電效應(yīng)”。水中高壓脈沖放電根據(jù)其放電形式又可分為水中脈沖電弧放電和水中脈沖電暈放電。美國德州科技大學(xué)奧斯汀分校 在水中脈沖電弧放電技術(shù)及其相關(guān)聲源產(chǎn)品的研發(fā)開展了有近20年的工作。美國鳳凰科學(xué)技術(shù)公司也開發(fā)了一種以水中脈沖電弧放電為基礎(chǔ)的等離子體聲源并將其應(yīng)用至聲納浮標(biāo)。該聲納浮標(biāo)每次充電后只能進(jìn)行20次放電，且產(chǎn)生的聲信號(hào)存在多次振蕩。這種振蕩是由氣泡脈動(dòng)引起的。氣泡脈動(dòng)存在很大的隨機(jī)性，因此使得聲信號(hào)的重復(fù)性變差，不利于目標(biāo)探測和水聲測量方面的應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了一種等離子體聲納浮標(biāo)，采用模塊化設(shè)計(jì)優(yōu)化了電磁環(huán)境，避免了高壓脈沖放電對(duì)低壓模塊的電磁干擾，輸出脈沖聲波無多次振蕩，信號(hào)重復(fù)性好。一種等離子體聲納浮標(biāo)，包括低壓模塊和與之相連的高壓模塊；所述的低壓模塊包括定位單元、通訊單元和儲(chǔ)能單元；定位單元與通訊單元相連，儲(chǔ)能單元與定位單元和通訊單元相連；其中:定位單元用于接收衛(wèi)星提供的定位信息；通訊單元用于與外部上位控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，接收其發(fā)送的控制信號(hào)，并向其發(fā)送所述的定位信息；儲(chǔ)能單元用于存儲(chǔ)直流電并為定位單元、通訊單元和高壓模塊供電；所述的高壓模塊包括DC-DC變換單元和脈沖放電單元，DC-DC變換單元與儲(chǔ)能單元和脈沖放電單元相連,脈沖放電單元與通訊單元相連；其中:DC-DC變換單元用于抬升所述的直流電的電壓等級(jí)，輸出高壓直流電；[0013]脈沖放電單元用于利用所述的高壓直流電，定時(shí)自主進(jìn)行脈沖放電或根據(jù)所述的控制信號(hào)進(jìn)行脈沖放電。所述的低壓模塊通過連接器或纜線與高壓模塊相連，兩者可分離，低壓模塊可重復(fù)充電使用；優(yōu)選采用纜線，長度可以調(diào)節(jié)，可根據(jù)需要將高壓模塊沉放至不同深度，以此調(diào)節(jié)聲納的工作頻段；連接器可采用電連接器或光電復(fù)合型連接器，纜線可采用防水電纜或光電復(fù)合纜。所述的儲(chǔ)能單元可采用超級(jí)電容、鋰電池或光伏電池；優(yōu)選采用鋰電池，鋰電池儲(chǔ)能密度大，工作時(shí)間長。所述的DC-DC變換單元由一全橋逆變器、一 LC諧振電路、一升壓變壓器和一全橋整流器依次連接構(gòu)成。所述的脈沖放電單元包括一限流電感、一高壓脈沖電容、一續(xù)流二極管、一放電開關(guān)、一觸發(fā)器和一放電電極組成；其中，限流電感的一端與DC-DC變換單兀的高壓輸出端相連，限流電感的另一端與高壓脈沖電容的一端、續(xù)流二極管的一端和放電開關(guān)的一端相連，放電開關(guān)的另一端與放電電極相連，高壓脈沖電容的另一端與續(xù)流二極管的另一端和DC-DC變換單元的低壓輸出端相連并接地，放電開關(guān)的觸發(fā)極與觸發(fā)器相連，所述的觸發(fā)器定時(shí)觸發(fā)放電開關(guān)或根據(jù)所述的控制信號(hào)觸發(fā)放電開關(guān)。所述的高壓脈沖電容可采用油浸式電容器或干式電容器，所述的放電開關(guān)采用半導(dǎo)體開關(guān)。所述的放電電極由絕緣介質(zhì)和至少一根金屬電極組成；所述的金屬電極嵌入于所述的絕緣介質(zhì)中，金屬電極一端裸露且為放電尖端，另一端與放電開關(guān)的另一端相連；若所述的金屬電極為多個(gè)，則所有金屬電極的另一端并聯(lián)后與放電開關(guān)的另一端相連。所述的放電電極為單電極或多電極，單電極的只包含一根金屬電極，多電極包含多根金屬電極。所述的絕緣介質(zhì)采用可聚乙烯、環(huán)氧樹脂或四氟材料。本實(shí)用新型有兩種工作模式，一種為自主工作模式，一種為被動(dòng)工作模式。自主工作模式如下:儲(chǔ)能單元中的低壓直流源通過DC-DC變換單元向高壓脈沖電容充電，當(dāng)充電到一定電壓時(shí)，DC-DC變換單兀停止工作,放電開關(guān)的觸發(fā)器自動(dòng)定時(shí)向放電開關(guān)輸出觸發(fā)信號(hào)，放電開關(guān)觸發(fā)導(dǎo)通后，高壓脈沖電容通過放電電極向水中產(chǎn)生脈沖等離子體放電，放電過程引發(fā)等離子體氣泡脈動(dòng)，從而產(chǎn)生脈沖聲波。觸發(fā)器觸發(fā)放電開關(guān)的同時(shí)，定位單元接收定位信號(hào)，并將浮標(biāo)的定位信息通過通訊單元定時(shí)發(fā)送給上位控制系統(tǒng)(母船或母機(jī)上的控制系統(tǒng));放電完畢后，DC-DC變換單元重新開始工作，儲(chǔ)能單元再一次開始對(duì)高壓脈沖電容進(jìn)行充電，如此往復(fù)。被動(dòng)工作模式與自主工作模式的區(qū)別在于放電開關(guān)的觸發(fā)是被動(dòng)的，觸發(fā)控制信號(hào)由外部上位控制系統(tǒng)發(fā)出，經(jīng)通訊單元傳送給放電開關(guān)的觸發(fā)器，以對(duì)其觸發(fā)。與此相比，本實(shí)用新型采用的是水中脈沖等離子電暈放電技術(shù)，與水中脈沖電弧放電相比，主要技術(shù)區(qū)別有兩個(gè)方面。首先，前者采用的放電開關(guān)為半導(dǎo)體復(fù)合開關(guān)，而非火花隙開關(guān)，開關(guān)壽命比后者長很多；其次放電電極為單極性的單電極或多電極結(jié)構(gòu)，而非雙極性的電極對(duì)結(jié)構(gòu)，且放電只在電極尖端進(jìn)行，無高低壓電極對(duì)之間的導(dǎo)通電弧。水中脈沖電暈放電技術(shù)的主要特點(diǎn)是壽命長，聲源穩(wěn)定性好，脈沖聲波無多次振蕩，重復(fù)性高，同時(shí)源級(jí)高，頻段寬，其主要 工作頻段可調(diào)，從幾百Hz至幾千Hz，比目前聲納浮標(biāo)采用的壓電換能器頻率低，適合用于水下隱身目標(biāo)的主動(dòng)探測，同時(shí)其窄脈沖和高重復(fù)特性也適合用于水聲測量。

圖1為本實(shí)用新型聲納浮標(biāo)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為負(fù)極性輸出下高壓模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為正極性輸出下高壓模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本實(shí)用新型聲納浮標(biāo)的聲脈沖波形圖。圖5為現(xiàn)有聲納浮標(biāo)的聲脈沖波形圖。
具體實(shí)施方式
為了更為具體地描述本實(shí)用新型，
以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案及其工作原理進(jìn)行詳細(xì)說明。如圖1所示，一種等離子體聲納浮標(biāo)，包括低壓模塊和與之相連的高壓模塊，兩個(gè)模塊均置于直徑為20cm的圓柱型容 器中，低壓模塊的圓柱容器采用高強(qiáng)度塑料材質(zhì)，長度約為35cm，而高壓模塊的圓柱容器采用不銹鋼材質(zhì)，用于接地，長度約為45cm。低壓模塊包括定位單元、通訊單元和儲(chǔ)能單元，高壓模塊包括DC-DC變換單元和脈沖放電單元；定位單元與通訊單元相連，儲(chǔ)能單元與定位單元和通訊單元相連，DC-DC變換單元與儲(chǔ)能單元和脈沖放電單元相連，脈沖放電單元與通訊單元相連。兩個(gè)模塊通過光電復(fù)合型連接器相連，其具有兩芯電連接和兩芯光連接，其中兩芯電連接為儲(chǔ)能單元與DC-DC變換單元連接，要求低電壓大電流，兩芯光連接為通訊單元與脈沖放電單元連接。低壓模塊可卸下充電并重復(fù)使用，每次充滿電可以進(jìn)行200次左右的脈沖等離子體放電。低壓模塊中，定位單元用于接收衛(wèi)星提供的定位信息；本實(shí)施方式中，其采用商用GPS模塊，配有衛(wèi)星接收天線，定位精度小于2m。通訊單元用于與外部上位控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，接收其發(fā)送的控制信號(hào)，并向其發(fā)送定位信息；本實(shí)施方式中，通訊單元采用NRF905單片無線收發(fā)器，通過收發(fā)天線與母船上的控制系統(tǒng)通訊，工作于433/868/915MHZ三個(gè)ISM頻道，收發(fā)器也含有光電模塊，經(jīng)光電復(fù)合型連接器的光纖接口與脈沖放電單元中半導(dǎo)體開關(guān)的觸發(fā)器光纖通訊。定位單元的GPS衛(wèi)星接收天線以及通訊單元的通訊收發(fā)天線都設(shè)置在低壓模塊容器的頂部，并裸露在水面上。儲(chǔ)能單元用于存儲(chǔ)直流電，為定位單元、通訊單元和高壓模塊供電；本實(shí)施方式中，其包括兩塊鋰電池組，其中一塊為3V，800mAh的鋰電池組為定位單元和通訊單元供電，另一部分采用12V，2500mAh的鋰電池組，為高壓模塊供電，其輸出經(jīng)光電復(fù)合型連接器中的電纜接口與高壓模塊中的DC-DC變換單元連接；兩塊鋰電池組都配有充電適配器，可重復(fù)充電使用。高壓模塊中，DC-DC變換單元用于抬升儲(chǔ)能單元存儲(chǔ)的直流電的電壓等級(jí)，輸出高壓直流電；本實(shí)施方式中，DC-DC變換單元由一全橋逆變器、一 LC諧振電路、一升壓變壓器和一全橋整流器依次連接構(gòu)成；對(duì)于負(fù)極性輸出，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所不；對(duì)于正極性輸出，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，全橋逆變器采用IGBT為開關(guān)器件，工作頻率為100kHz，其最高工作電流為250mA，LC諧振電路中L取值20 μ H，C取值120nF，升壓變壓器采用空心同軸變壓器，變比1:200，最高輸出電壓2400V，最高輸出電流1.25mA。脈沖放電單元用于利用高壓直流電，定時(shí)自主進(jìn)行脈沖放電或根據(jù)控制信號(hào)進(jìn)行脈沖放電；脈沖放電單元包括一限流電感、一高壓脈沖電容、一續(xù)流二極管、一半導(dǎo)體開關(guān)、一觸發(fā)器和一放電電極組成；對(duì)于負(fù)極性輸出如圖2所不,其中限流電感的一端與DC-DC變換單元的高壓輸出端相連，限流電感的另一端與高壓脈沖電容的一端、續(xù)流二極管的陽極和半導(dǎo)體開關(guān)的陰極相連，半導(dǎo)體開關(guān)的陽極通過輸出纜線與放電電極相連，高壓脈沖電容的另一端與續(xù)流二極管的陰極、DC-DC變換單元的低壓輸出端以及高壓模塊的容器外殼相連并接地，半導(dǎo)體開關(guān)的門極與觸發(fā)器連接。對(duì)于正極性輸出如圖3所示，其中限流電感的一端與DC-DC變換單元的高壓輸出端相連，限流電感的另一端與高壓脈沖電容的一端、續(xù)流二極管的陰極和半導(dǎo)體開關(guān)的陽極相連，半導(dǎo)體開關(guān)的陰極通過輸出纜線與放電電極相連，高壓脈沖電容的另一端與續(xù)流二極管的陽極、DC-DC變換單元的低壓輸出端以及高壓模塊的容器外殼相連并接地，半導(dǎo)體開關(guān)的門極與觸發(fā)器連接。本實(shí)施方式中，限流電感為100 μ H，高壓脈沖電容采用環(huán)氧樹脂封裝的CBB固態(tài)電容，容值18 4 ，耐壓400(^，工作電壓2400V，因此一次放電的能量在50J。半導(dǎo)體開關(guān)，為可控硅與續(xù)流二極管一起封裝的模塊，耐壓3600V，工作電壓2400V。半導(dǎo)體開關(guān)的觸發(fā)器與光電復(fù)合型連接器的光纖接口連接以接收上位系統(tǒng)發(fā)送的控制信號(hào)；本實(shí)施方式中，觸發(fā)器由Intel87C196KC的16位單片機(jī)為核心的觸發(fā)信號(hào)生成電路、信號(hào)放大電路和KCB系列脈沖變壓器構(gòu)成。該觸發(fā)器有兩種工作模式:自主模式下自動(dòng)定時(shí)觸發(fā)可控硅，被動(dòng)模式下通過連接器與低壓模塊的通訊單元連接，由母船上的控制系統(tǒng)提供的控制信號(hào)，經(jīng)過該觸發(fā)器信號(hào)轉(zhuǎn)換后再觸發(fā)可控硅。本實(shí)施方式中放電電極采用單電極，其由絕緣介質(zhì)和一根金屬電極組成；金屬電極嵌入于絕緣介質(zhì)中，金屬電極一端裸露且為放電尖端，另一端與半導(dǎo)體開關(guān)相連；金屬電極采用單芯銅電極，電極直徑0.5mm，絕緣介質(zhì)采用環(huán)氧樹脂，放電尖端與水體接觸，金屬電極與半導(dǎo)體開關(guān)連接處做硫化密封處理。本實(shí)施方式中，儲(chǔ)能單元采用鋰電池組，鋰電池組輸出12V低壓直流，經(jīng)IGBT逆變后成高頻交流電，經(jīng)LC諧振后輸入升壓變壓器，升壓后經(jīng)全橋整流成為高壓直流電，通過限流電感對(duì)高壓脈沖電容進(jìn)行充電。當(dāng)可控硅導(dǎo)通后，高壓脈沖電容中的儲(chǔ)能注入放電電極尖端，產(chǎn)生等離子體氣泡，并輻射出脈沖強(qiáng)聲聲波，如圖4所示，其采用的是靈敏度為_210dB的水聽器測得，測試距離為3m，由此換算得到源級(jí)約為215dB。圖5為美國鳳凰科學(xué)技術(shù)公司開發(fā)的聲納浮標(biāo)的聲脈沖波形圖，由圖4和圖5對(duì)比可知，本實(shí)施方式脈沖聲波為單脈 沖，沒有脈沖電弧放電產(chǎn)生多個(gè)振蕩波，因此重復(fù)性好，適合用于水聲測量和水下隱身目標(biāo)的探測。
權(quán)利要求1.一種等離子體聲納浮標(biāo)，其特征在于:包括低壓模塊和與之相連的高壓模塊；其中: 所述的低壓模塊包括定位單元、通訊單元和儲(chǔ)能單元；定位單元與通訊單元相連，儲(chǔ)能單元與定位單元和通訊單元相連； 所述的高壓模塊包括DC-DC變換單元和脈沖放電單元，DC-DC變換單元與儲(chǔ)能單元和脈沖放電單元相連，脈沖放電單元與通訊單元相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲納浮標(biāo)，其特征在于:所述的低壓模塊通過連接器或纜線與高壓模塊相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲納浮標(biāo)，其特征在于:所述的DC-DC變換單元由一全橋逆變器、一 LC諧振電 路、一升壓變壓器和一全橋整流器依次連接構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要 求1所述的聲納浮標(biāo)，其特征在于:所述的脈沖放電單元包括一限流電感、一高壓脈沖電容、一續(xù)流二極管、一放電開關(guān)、一觸發(fā)器和一放電電極組成；其中，限流電感的一端與DC-DC變換單元的高壓輸出端相連，限流電感的另一端與高壓脈沖電容的一端、續(xù)流二極管的一端和放電開關(guān)的一端相連，放電開關(guān)的另一端與放電電極相連，高壓脈沖電容的另一端與續(xù)流二極管的另一端和DC-DC變換單元的低壓輸出端相連并接地，放電開關(guān)的觸發(fā)極與觸發(fā)器相連，所述的觸發(fā)器定時(shí)觸發(fā)放電開關(guān)或根據(jù)所述的控制信號(hào)觸發(fā)放電開關(guān)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的聲納浮標(biāo)，其特征在于:所述的放電電極由絕緣介質(zhì)和至少一根金屬電極組成；所述的金屬電極嵌入于所述的絕緣介質(zhì)中，金屬電極一端裸露且為放電尖端，另一端與放電開關(guān)的另一端相連；若所述的金屬電極為多個(gè)，則所有金屬電極的另一端并聯(lián)后與放電開關(guān)的另一端相連。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種等離子體聲納浮標(biāo)，包括低壓模塊和與之相連的高壓模塊；低壓模塊包括定位單元、通訊單元和儲(chǔ)能單元；高壓模塊包括DC-DC變換單元和脈沖放電單元。本實(shí)用新型采用水中脈沖等離子電暈放電技術(shù)，壽命長，聲源穩(wěn)定性好，脈沖聲波無多次振蕩，重復(fù)性高，同時(shí)源級(jí)高，頻段寬，其主要工作頻段可調(diào)，從幾百Hz至幾千Hz，比目前聲納浮標(biāo)采用的壓電換能器頻率低，適合用于水下隱身目標(biāo)的主動(dòng)探測，同時(shí)其窄脈沖和高重復(fù)特性也適合用于水聲測量。
文檔編號(hào)G01S7/537GK203117419SQ20132006860
公開日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月6日
發(fā)明者黃逸凡, 閆克平, 王榮華 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)