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具有共同波束角的声学双频相控阵的制作方法

文档序号:24892258发布日期:2021-04-30 13:19
具有共同波束角的声学双频相控阵的制作方法

相关申请

本申请要求于2018年10月1日提交的第62/739,785号美国临时申请的权益,所述申请的全部内容以引用的方式并入本文中。

所公开的技术涉及水下声学测量系统,且更确切地说,涉及以两种不同的频率操作的相控阵多普勒(doppler)声纳。



背景技术:

包含多普勒计程仪(dvl)和声学多普勒流速剖面仪(adcp)的多普勒声纳通过沿着指向不同方向的多个波束传输声脉冲来测量仪器与散射体组之间的相对速度,并测量每一波束中向仪器散射回的声学信号的多普勒频移。散射体组可由水柱中的悬浮粒子组成以测量流速或由例如海洋底部的边界表面组成以测量地面上的速度。adcp通过估计从水柱中的悬浮粒子散射的声音的多普勒频移来测量流速。dvl通过估计从边界表面散射的声音的多普勒频移来测量地面上的速度。常见的配置100包括来自仪器110的四个波束120a、120b、120c和120d,所述波束相隔90°方位角且相对于竖直线140升高被称作杰纳斯(janus)角度αj130,如图1所示。

通过波束测得的径向多普勒频率近似为

其中vr是径向速度,ftx是发射频率,c是音速,约为1500米/秒。

adcp是一种声纳系统,其用于远程测量变化范围内的水速。adcp用于例如河流、湖泊和河口的淡水环境,以及例如海洋的咸水环境,以用于研究流速的影响。在例如天气预报、营养物的生物研究、污水扩散环境研究以及对包含石油在内的自然资源进行商业勘探的各个领域中,准确的流速测量非常重要。

通常,adcp用以针对高达最大范围的每一深度水“池”测量竖直水柱中的流速,从而产生水速的“剖面”。通用剖面仪系统包含用以产生声脉冲的换能器,所述声脉冲作为来自水中浮游生物、小粒子和小规模不均匀性的回声而反向散射。反向散射的声音通常是由产生所述声音的同一换能器接收的;这种配置被称为单静态声纳。接收到的声音具有与散射体和换能器之间的相对速度成比例的多普勒频移。

由此类多普勒频移确定仪器框架中单个水平速度矢量分量vx的物理学可简明地表示为以下等式

其中θ是相对于竖直线的声束角度。因此,通过知道发射频率ftx、发射器换能器的波束角并测量多普勒频移fd,可确定速度矢量分量。通过减去平台地球参考速度vp的测量值来确定所测深度单元的地球框架速度。可通过每当海底进入声纳范围内时对海底进行探查或通过例如远距离无线电导航系统(longrangenavigation,loran)或全球定位系统(globalpositioningsystem,gps)的导航系统来测量平台的参考地球速度。

商业多普勒声纳通常配置为在电子设备外壳周围以90°方位角彼此隔开的四个散开的换能器的组合件。此换能器布置在技术上已知为杰纳斯配置。假设流速在垂直于换能器的共同的轴线的平面内是均匀的,则三束系统允许测量三个速度分量vx、vy和vz(在海洋学文献中分别标识为u、v和w)。然而,四个波束通常用于冗余和可靠性,从而允许测量可用于质量筛选的错误速度分量ve。多普勒声纳可附接到船体、保持在固定浮标上,也可停泊在海底。

对于船载adcp而言,重要的是精确地确定船速。然后,可通过减去船速来计算出地球参考水速。

dvl通过测量从通常为海底的边界表面散射的声音的多普勒频移来确定地球参考框架中的船速。第一步是检测与边界表面相对应的回声。第二步是估计与检测到的边界表面相对应的回声段的多普勒频移。出于导航目的,希望测量在地球框架中的船速而非在水框架中的速度,以避免由于流速而引起的导航误差。

多普勒声纳通常利用活塞或相控阵换能器发射和接收声音。相控阵换能器可从单个孔中形成四个杰纳斯波束,而其需要四个离散的活塞换能器来形成四个波束。对于与给定波束宽度相对应的给定孔径,相控阵换能器的面积大致为四个活塞换能器总面积的四分之一。因此,在重要的是最小化尺寸的应用中,相控阵换能器通常优于活塞换能器。

多普勒声纳的最小工作范围与最大工作范围之间存在折衷。dvl和adcp的用户通常希翼能够在非常近的距离和非常远的距离使用单个仪器。具体来说,以低频信号操作的仪器具有相对较低的吸取损耗,且与高频信号相比,可到达距离仪器更远的位置。然而,与使用低频信号的仪器相比,以高频信号操作的仪器可更靠近仪器运行。

另外,对于固定的声频,在分辨率、范围和速度方差之间存在折衷。通过发射短脉冲可以实现高分辨率,但范围和速度方差都会受到影响。替代地,相比于短脉冲,长脉冲提供更长的距离和更低的速度方差,但空间分辨率减小。此外,可通过时间平均来减小速度方差,但代价是降低了时间分辨率。此折衷可通过利用较高频率转变成支撑较高分辨率和较低方差,或通过利用较低频率以支撑较长距离。

在图2中示出24元件直径的标准相控阵换能器200。标记为a、b、c和d的四个特有信号205连接到换能器200的每一侧,但在图2中仅示出一侧。此组四个信号205用于发射和接收一个平面中所含有的两个波束,且相对于竖直线升高杰纳斯角度。类似地,来自换能器相对侧的另一组四个信号在一个平面中形成另外两个波束,所述平面绕换能器的中心点相对于第一平面旋转了90°方位角。此标准相控阵换能器200的局限性在于,对于给定的元件间距,其只能在标称杰纳斯角度下以一个频率操作。如果频率受到标称频率干扰,那么波束角也会受到干扰。

所公开的开发克服了相控阵换能器的固定频率的问题,且支撑相隔大致一个倍频程的两个频率以及与以大致相同的杰纳斯角度形成的两个频率相对应的波束。因此,双频相控阵能够结合低频操作的长距离以及高频系统的紧密分布、较低方差和较高分辨率的优势。



技术实现要素:

对于一个标称频率,具有给定元件间距的相控阵换能器仅具有固定的标称波束角。如果频率受到标称频率干扰,那么波束角也会受到干扰。双频相控阵换能器通过能够为相距大致一个倍频程的两个不同频率产生基本相似的波束角的声束来克服传统相控阵换能器的缺点。

此通过以下方式实现:在较高频率下根据λ/2间距(或λ/3、λ/4或其它此类间距)对阵列进行切割,基于两个频率下的所要效率而设定较低与较高频率之间的谐振。然后在较高频率下以正常间距操作阵列,并通过将相邻元件组合为单个较大元件来操作较低频率。在下面给出的实例中,这些元件通过开关系统分组。

本发明的一个方面是一种双频相控阵声纳换能器系统,其包括:换能器元件的平面阵列;以及多路复用电路,其用于在发射操作、接收操作或发射和接收操作两者期间在第一状态与第二状态之间进行选择,多路复用器配置成将换能器元件连接到在所述第一状态与第二状态之间不同的多个连接,其中所述系统配置成在所述多路复用器处于所述第一状态时在第一频率下发射和接收波束,且在所述多路复用器处于所述第二状态时在第二频率下发射和接收波束,并且其中在所述第一和第二状态下,所述波束相对于竖直线的角度基本相似。

两个频率可相隔大致一个倍频程。

所有波束的波束角可以相同,且波束角与竖直线成大致30°。

所有波束的波束角可以相同,且波束角与竖直线成大致20°。

多路复用电路将相邻元件组合成用于低频状态的单个有效元件。

可针对换能器的每一侧将相控阵换能器元件分成八种元件类型。

元件间的间距可在高频处为大致二分之一波长。

另一方面是一种双频相控阵声纳系统,其包括:换能器元件的平面阵列;以及用于在第一状态与第二状态之间对从换能器元件阵列到发射电路、接收电路或发射和接收电路的多个连接进行多路复用的装置,其中所述换能器元件阵列的至少一个方向上的有效元件间的间距在所述第一状态与第二状态之间是不同的,且所述声纳系统在所述第一状态与第二状态之间以不同频率操作。

两个频率可相隔大致一个倍频程。

所有波束的波束角可以相同,且波束角与竖直线成大致30°。

所有波束的波束角可以相同,且波束角与竖直线成大致20°。

可针对换能器的每一侧将相控阵换能器元件分成八种元件类型。

元件间的间距可在高频处为大致二分之一波长。

在第一和第二状态下,波束相对于竖直线的角度可基本相似。

附图说明

图1是在杰纳斯配置中发射四个波束的实例多普勒声纳的图。

图2是具有标称30°杰纳斯角度的标准相控阵换能器的二维图。

图3是在高频下操作的双频相控阵换能器的一维图。

图4是在低频下操作的双频相控阵换能器的一维图。

图5是具有标称30°杰纳斯角度的相控阵换能器的二维图。

图6是将相控阵谱表连接到接收器以实现双频操作的开关的一种一般实施方式的实例。

图7是如何将全桥发射器连接到相控阵谱表以实现双频发射操作的特定实例。

图8是全桥发射器的电路图。

图9是一组在低频下发射的实例波形。

图10是一组在高频下发射的实例波形。

图11是如何将接收器连接到相控阵谱表以实现双频接收操作的特定实例。

图12是多普勒声纳接收路径的实例。

图13是效率对比频率的实例发射效率图,其中效率峰值位于比竖直光标更高的频率处。

图14是效率对比频率的实例发射效率图,其中效率峰值位于比竖直光标低的频率处。

图15是效率对比频率的实例发射效率图,其中效率峰值位于竖直光标处。

具体实施方式

相控阵的波束角θ由以下等式确定

其中φ是元件之间的相位差,λ是波长,d是元件间距。标准配置是将相位差φ设置为90°(π/2弧度),并将阵列划分为四种元件类型:a、b、c和d,如图2所示。对于元件间距d1=λ1/2,标称波束角为θ1=30°。对应频率为f1=c/λ1,其中c为音速。

为了实现双频相控阵换能器300,需要将四种元件类型扩展为八种类型:a、b、c、d、e、f、g和h,如图3中沿一个维度所示。此扩展阵列的元件间距也为d1。为了在频率f1处实现波束角θ1=30°,八种元件类型之间的所需相位差分别为0°、90°、180°、270°、0°、90°、180°和270°。对于元件类型e、f、g和h,相位绕单位圆缠绕一次。因此,当在高频状态下操作时,具有八种元件类型的此阵列在功能上等效于具有四种元件类型的阵列。

如果频率减半,f2=f1/2时,波长增加2倍,λ2=2λ1。如果元件间距也增加2倍,d2=2d1,如图4的双频相控阵换能器400所示,则波束角θ2=θ1=30°不变。

为建立双频阵列,需要根据d1设置物理阵列元件间距,所述间距对应于较高频率。为了在低频率状态下操作阵列,将邻近元件组合到单个等效元件405a、405b、405c、405d中。在图5中示出具有以30°标称的杰纳斯角度形成波束的具有八种元件类型的双频相控阵换能器500的一侧的二维图。四波束杰纳斯配置相控阵由两组八种元件类型组成,其中两组连接到相控阵500的相对侧,且第二侧的谱表从第一侧的谱表旋转90°。

存在通过开关将元件连接在一起以实现两个不同的有效元件间距距离d1和d2的存在方式。图6中示出一种方法。

其中频率间隔一个倍频程的图6中的30°波束角、双频相控阵换能器600的实施例包括:八个单刀单掷开关605、两个单刀双掷开关610以及阵列每一侧的两个发射和接收通道615。此特定实施例示出了当在低频和高频状态下操作时,元件类型如何通过开关605、610连接到差分发射器和接收器通道615以及开关605、610的位置。因此,相控阵换能器600可充当多路复用电路,以用于通过将换能器元件连接到在第一状态与第二状态之间不同的多个连接来在第一状态与第二状态之间进行选择。

通过扩展将相邻元件分组为较大相邻元件组的方法,两个频率之间的任何整数关系都是可能的。类似地,以额外的硬件为代价而改变相位差φ并增加从阵列输出的元件类型的数量,任何波束角都是可能的。

通常,双频相控阵可具有提供所要标称波束角的元件间距和元件间相位差。例如且如上所述,相控阵可配置成具有d=λ/2的元件间距和φ=90°的元件间相位差以提供标称波束角θ=30°。作为另一实例,相控阵可配置有元件间距d=λ/2和元件间相位差φ=60°,以提供大致为19.5°的标称波束角。

如上所述,双频声相控阵的波束角取决于操作频率的波长。由于操作频率的波长随着声速变化,因此声速的变化可能会引起波束角的变化。

使用发射和接收操作共有的开关的一个实际问题是开关承受高压发射信号的能力,所述高压发射信号通常在声换能器中使用以在波束内产生足够的声强。如图7和图11所示,可通过将发射功能与接收功能分离来解决此问题。

相控阵700每侧的四个全桥发射器705可产生所需波形,以在大致相隔一个倍频程的两个不同频率下以30°波束角发射杰纳斯波束,如图7所示。如图8所示,全桥发射器800包括四个开关:两个在左侧,两个在右侧,其中左上开关的一侧连接到恒定电压v,且另一侧连接到左信号tx_l;左下开关的一侧连接到左信号tx_l且另一侧连接到地面gnd;右上开关的一侧连接到恒定电压v,且另一侧连接到右信号tx_r,且右下开关的一侧连接到右信号tx_r且另一侧连接到地面gnd。

声换能器通常由方波驱动,以简化发射电路系统并获得与在完全饱和状态下操作的晶体管相关联的高发射效率。换能器充当滤波器并使方波发射波形的谐波衰减,以使水中的声信号主要由基频组成。

使用图7和图8中的拓扑的实例发射波形分别在表示低频和高频状态的图9和图10中示出。这些实例对应于从相控阵的一侧以波束角θ=30°和50%的接通时间占空比对单个波束进行波束成形。示出了一个对应于发射频率t=1/f的周期的完整周期。图9中的tx1_l与tx3_l和图10中的tx1_l与tx2_l之间的单个象限时间偏移对应于元件间的相位差φ=90°。可更改波形以一次发射多个波束、调整占空比、更改波束角和/或频率。

在图11中示出了用于实施30°波束角双频相控阵接收器的一侧的高压保护和开关电路系统1100。保护电路系统1105在发射期间保护开关1110免受高压,并允许利用无需承受高压的紧凑型开关1110。实例保护电路系统1105包括例如串联电容器的阻抗元件,紧接着的是接地的背靠背二极管。确实存在其他保护电路1105;较佳的保护电路1105取决于特定的应用。

在单刀双掷开关1110中,由虚线和实线指示用于低频和高频状态的开关1110的位置。

单刀双掷开关1110的输出端连接到四个差分接收器rx1-rx4。使用两个接收器和额外开关的替代实施方式也将是可能的。也可使用单端接收器,但可能有利的是使用差分接收器来减少所需的接收器数量。在图12中示出接收器1200和后续处理1220的实例实施方式。仅示出一个接收器1200,但系统可含有任意数量的接收器1200。实例中的接收器1200包括差分放大器1205、实行抗混叠功能的低通滤波器1210和模数转换器(adc)1215。所有通道的公共组件是现场可编程门阵列(fpga)1225,所述现场可编程门阵列对来自adc和测量多普勒频移并估计相应速度的多普勒处理器1230的采样数据进行降频转换、滤波和抽取。对于图11中的特定接收器实施方式,可实施预处理步骤,以通过组合接收器的输出来形成信号s0和s90。用于低频状态的预处理步骤包含s0=rx1+rx2和s90=rx3+rx4,而对于高频状态的预处理步骤包含s0=rx1+rx3和s90=rx2+rx4。在替代实施例中,可在fpga1225或处理器1230中的数字域中或模拟域中实现此预处理步骤。最终波束成形是通过将s0和s90与调整90°相移的两个信号中的任何一个相加来实行的,其中相移90°的信号选择取决于要产生的波束。确实存在接收器1200和处理路径1220的其它实施方式;图12中给出的实例仅示出接收器1200和处理路径1220的一种可能的分区情况。

可能有利的是使两个频率间隔的量与一准确的倍频程相差少量,略低于或高于一倍频程,以避免阵列在谐振频率恰好两倍的情况下出现不良响应。如通过等式(3)所预测的,操作形成倍频程的副作用是在两个频率下波束角的小变化。当使用等式(2)估计速度时,应考虑与标称的偏差。

如上所述,可根据高频设置阵列元件的间距,但可将阵列的谐振调谐为更接近低频,以增加和/或优化最大范围。因此,高频下的效率将受到一定程度的影响,但对每路的影响可能不会超过10db,相当于高频下减小约20%的范围。这不会对性能造成太大影响,因为当高频处的信噪比变得不利时,仪器会在所述范围内切换至低频。作为实例,较低操作频率可低于较高操作频率上下约5%的倍频程,从而导致较低操作频率与较高操作频率之间的波束角的差相对较小。

对于单频相控阵应用,通常选择标称声频,使得其接近效率峰值的中心,以允许某些所要带宽内的平坦响应(例如,参见图15,其示出具有峰值发射效率的声换能器阵列,电功率除以声功率的77.5%大致为450khz。然而,效率峰值的宽度可能不足以容纳都在峰值内的间隔一倍频程的两个频率。如上所述,较低频率可用于长距离剖面,因此,如果目标是最大化范围,与较高频率相比,在较低频率下保持较高的效率则可能更为重要。本文所公开的双频相控阵的一个方面是选择接近峰值但更靠近左边缘的较低频率的位置,使得较高频率仍以可接受的频率操作。然而,通过将较低频率朝峰值的左侧放置,较高频率的效率仍保持在反谐振区域之外,如果如标准相控阵通常所设置的那样,较低频率位于效率峰值的中心,情况则并非如此。

另一策略可能是在两个频率下争取几乎相等的效率。图13、14和15的三个曲线图1300、1400和1500中示出相控阵换能器的典型发射效率随频率而变。图15中的曲线图1500含有示出在450khz-实例300-600khz对之间的中心频率处的效率的竖直虚线,图13中的曲线图1300含有在300khz处的竖直虚线,且图14中的曲线图1400含有在600khz处的竖直虚线。通过设计在两个所要工作频率之间以峰值效率调谐的换能器,300khz和600khz下的效率相似。使用此策略,可使两个频率下的平均效率高于效率峰值与两个频率中的任一者一致的情况下的平均效率。如图13所示,双频相控阵的效率在大致300khz处可大致为38.7%。如图14所示,相控阵的效率在600khz下可近似为46.7%。对于每一频率,这仅表示每路约2.6db的损耗,如果系统功耗不是主要考虑因素,则只会造成较小的范围损耗。

双频相控阵将有利于海底跟踪和水剖面。从方差、空间分辨率和时间分辨率之间的改进折衷的观点来看,对于水剖面,对于靠近仪器的容器,较高的频率更好。较低频率对于改进剖面的最大范围是有利的。因此,双频相控阵的使用将允许组合高频和低频的优势。

对于海底跟踪,较高频率允许较低的最小高度,而较低频率允许较高的最大高度。另外,大小设定为用于较低频率的相控阵具有在较高频率下两倍大的清楚的孔口(按波长测量),从而导致波束宽度极窄。这是合乎需要的,因为长期速度误差与波束宽度成反比。

作为实例,通过使用用于海底跟踪的极窄信号带宽,具有直径为12cm的换能器的300和600khz的双频相控阵dvl预期可在最小高度为0.15m或更小到最大高度为400m或更大的范围内操作。预期在70m以下的高度,长期准确性为±0.1%,在70m以上的高度,长期准确性为±0.3%。

本领域技术人员将理解,可使用多种不同技术和技艺中的任何一种来表示信息和信号。举例来说,可通过电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光粒子或其任何组合来表示在整个上文描述中可能参考的数据、指令、命令、信息、信号、位、符号和芯片。

本领域技术人员将进一步理解,结合本文所公开的实例描述的各种说明性的逻辑块、模块、电路、方法和算法可实施为电子硬件、计算机App或两者的组合。为清晰地说明硬件与App的此可互换性,上文已大体就其功能描述了各种说明性组件、块、模块、电路、方法和算法。此功能是实施为硬件还是App取决于特定应用和施加于整个系统的设计约束。技术人员可针对每一特定应用以不同方式来实施所描述的功能,但此类实施决策不应被说明为会引起脱离本开发的范围。

结合本文所公开的实例描述的各种说明性逻辑块、模块和电路可利用设计成实行本文所描述的功能的通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、fpga或其它可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或其任何组合来实施或实行。通用处理器可以是微处理器,但在替代方案中,处理器可以是任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可被实施为计算装置的组合,例如,dsp与微处理器的组合、多个微处理器、结合dsp核心的一或多个微处理器或任何其它此类配置。

结合本文所公开的实例描述的方法或算法可直接地以硬件、以由处理器实行的App模块或以两者的组合予以体现。App模块可驻留于ram存储器、快闪存储器、rom存储器、eprom存储器、eeprom存储器、寄存器、硬盘、可装卸盘、cd-rom或本领域中已知的任一其它形式的存储媒体中。存储媒体可连接到处理器,使得处理器可从存储媒体读取信息且将信息写入到存储媒体。在替代方案中,存储媒体可与处理器成一体式。处理器和存储媒体可以驻留于asic中。

取决于实施例,本文所描述方法中的任一者的某些动作、事件或功能可以不同顺序实行、可被添加、合并或全部省略(例如,实践方法并不需要所有的所描述的动作或事件)。此外,在某些实施例中,可同时而非循序地实行动作或事件。

提供对所公开实例的先前描述,以使得所属领域的技术人员能够制作或使用本开发。对这些实例的各种修改对于本领域技术人员而言将是显而易见的,并且在不脱离本开发的范围的情况下,本文中定义的一般原理可应用于其它实例。如将认识到,本文所描述的开发的某些实施例可以不提供本文所阐述的所有特征和优势的形式来体现,因为一些特征可与其它特征分开使用或实践。因此,本开发并不预期限于本文所示的实例,而应被赋予与本文所公开的原理和新颖特征相一致的最广泛范围。

出于总结本开发和优于现有技术而实现的优势的目的,上文中描述了本开发的某些目标和优势。当然,应当理解,未必所有这些目的或优势都可根据本开发的任何特定实施例来实现。因此,例如,所属领域的技术人员将认识到,本开发可以实现或优化本文所教示或表明的一个优点或一组优点的方式体现或实行,而未必实现本文中可能教示或表明的其它目标或优点。

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