一种基于集成式声呐阵列的声呐元件

摘要

本实用新型公开了一种基于集成式声呐阵列的声呐元件，其中，声纳元件由若干个在基板上阵列排布的声纳发射/接收微单元构成，每个声纳发射/接收微单元的底部基板和顶部基板上蚀刻电极/电路，所述声纳发射/接收微单元具有声纳发射以及接收功能。且所述声纳发射/接收微单元为集成电路或液晶面板生产工艺制作的微单元。本实用新型通过声纳发射/接收微单元标准化、小型化和通用化设计，再利用纳发射/接收微单元的阵列排布构建声纳元件，可以提升阵列式声纳元件的性能。

说明书

技术领域

本实用新型属于声呐技术领域，具体涉及一种基于集成式声呐阵列的声呐元件。

背景技术

声呐是一种声学探测设备，是利用声波在水中的传播和反射特性，通过电声转换和信息处理技术来实现对水下目标进行探测(存在、位置、性质、运动方向等)和通讯的电子设备。目前声呐应用领域，均为体积巨大的单体声呐或者由单体声呐组成的阵列声呐，主要是依靠机械部件改变声呐参数、方向，误差大、精度低，需要单独生产、组装、调试，成本高、产量低。其中，各独立声呐一致性差，不能精确控制各单元，也导致阵列声呐的性能受到局限。

然而，阵列信号处理是现代声呐设备的核心功能之一，通过接收阵列的信号处理，可以获取空间指向性增益，提高空间分辨和干扰抑制能力，实现对目标的检测与跟踪、方位与距离估计；通过发射阵列的信号处理，可以获取具有一定时延差或相位差的阵元信号，从而形成指向性发射波束，提高声源级；通过空-时自适应处理，还可以提高对弱目标的检测能力。

因此，研究一种能够实现阵列式分布的声呐元件对于扩展声呐功能实有必要。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有单体声呐构成的阵列声呐存在的至少部分问题，提供一种基于集成式声呐阵列的声呐元件。本实用新型通过集成声呐发射以及声呐接收功能的声呐发射/接收微单元构成阵列式的声呐元件，通过声呐发射/接收微单元标准化、小型化和通用化设计可以提升阵列式声呐元件的性能，改善传统单体声呐以及由传统单体声呐构建的阵列声呐的性能。

一方面，本实用新型提供的一种基于集成式声呐阵列的声呐元件，其包括：由若干个在基板上阵列排布的声呐发射/接收微单元构成；

其中，每个声呐发射/接收微单元的底部基板和顶部基板上蚀刻电极/电路，所述声呐发射/接收微单元具有声呐发射以及接收功能。

进一步可选地，所述声呐发射/接收微单元为集成电路或液晶面板生产工艺制作的微单元。

其中，本实用新型将单体声呐发射、接收部件重新按照标准化、小型化、通用化设计成声呐发射/接收微单元，并使用集成电路或液晶面板生产工艺制作。首先使用成熟的集成电路(对应硅晶圆片)、液晶面板(对应玻璃基板)设计技术和成熟的掩膜蚀刻工艺，在顶部基板和底部基板上制作电极、电路图形。由于集成电路和液晶面板生产工艺均为成熟技术，故对此实现过程不进行具体的陈述。

进一步可选地，所述声呐发射/接收微单元中顶部基板、底部基板以及隔离栅构成声振动腔；

所述声振动腔内填充压电材料，四周边沿密封。

其中，当声呐发射/接收微单元处于发射状态时，顶部基板和底部基板提供电压电流给压电材料，压电材料随之改变自身体积，产生振动。声振动腔产生的振动通过基板转换为声波信号发射。当声呐发射/接收微单元处于接收状态时，外部的声波信号转换为声振动腔的振动，进而改变声振动腔内的压电材料体积，形成电荷，从而使得顶部基板和底部基板上的电极上的电压电流产生变化。

本实用新型通过将部件标准化、小型化实现了声呐发射/接收微单元的构建。

进一步可选地，相邻所述声呐发射/接收微单元之间通过隔离栅隔离。

进一步可选地，所述隔离栅为柔性减震胶体式隔离栅。其中，柔性减震胶体式隔离栅能够增强振动隔离功能，从而保证单个声呐发射/接收微单元之间相互影响。

进一步可选地，所述压电材料为液体、或凝胶、或固体压电材料。

进一步可选地，所述声呐发射/接收微单元中设有驱动控制单元或者每个所述声呐发射/接收微单元通过电极接入外部驱动控制单元，用以控制所述声呐发射/接收微单元的信号发射。

其中，在一些实现方式中，声呐发射/接收微单元可以视为具有驱动控制功能的微单元，内置控制单元以及利用集成电路、液晶面板的工艺在基板上制作驱动电路，进而构建驱动控制单元；在一些实现方式中，也可以通过电极接入外部驱动控制单元，进行统一声呐信号驱动控制。

有益效果

1.本实用新型提供的一种基于集成式声呐阵列的声呐元件，其通过标准化、小型化和通用化设计的声呐发射/接收微单元，可以提升阵列式声呐元件的性能，改善现有体积巨大的单体声呐以及由单体声呐构成的阵列声呐的性能。此外，声呐发射/接收微单元大规模排列组合集成一个声呐阵列，声呐发射/接收微单元的空间位置固定，可以减少测量误差、提高测量精度、缩减测量时间。

2.本实用新型针对声呐发射/接收微单元，进一步优选使用成熟的集成电路、液晶面板生产工艺制作，其一致性高、成本低。其中，比较两者工艺，更是优选使用液晶面板生产工艺，这是由于成熟的集成电路生产工艺对应硅晶元基板，微单元密度高，成本相对高，每个微单元体积较小，振动功率有限；而成熟的液晶面板生产工艺对应玻璃基板，微单元密度较低，成本低，体积可以做大，相应的振动功率也大，更加适合声呐阵列的需求。

附图说明

图1为单体声呐阵列发射/接收微单元顶视图。

图2为单体声呐阵列发射/接收微单元侧视图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本实用新型做进一步的说明。

如图1所示，声呐发射/接收微单元包括底部基板、顶部基板、隔离栅，其中，四周均设有隔离栅，顶部基板、底部基板以及隔离栅构成声振动腔，声振动腔内填充压电材料，四周边沿密封。

当声呐发射/接收微单元处于发射状态时，顶部基板和底部基板提供电压电流给压电材料，压电材料随之改变自身体积，产生振动。声振动腔产生的振动通过基板转换为声波信号发射。当声呐发射/接收微单元处于接收状态时，外部的声波信号转换为声振动腔的振动，进而改变声振动腔内的压电材料体积，形成电荷，从而使得顶部基板和底部基板上的电极上的电压电流产生变化。

因此，本实用新型提供的声呐发射/接收微单元兼具了声呐信号发射以及声纳信号接收的功能。

本实用新型为了提升阵列式的声呐元件的功能，将上述结构的单体声呐进行标准化、小型化处理形成了上述结构的声呐发射/接收微单元。其中，利用集成电路或液晶面板生产工艺制作，使得声呐发射/接收微单元能够以十万级数量在一片基板上排列组合集成一个声呐阵列。声呐发射/接收微单元都共用相同的顶部基板和底部基板，并且在其上蚀刻电极和驱动电路，不同的微单元通过隔离栅隔离，通过阵列式排布构成了本实用新型的声呐元件，实现对每个声呐发射/接收微单元进行单独调控。

综上所述，本实用新型的声呐元件是声呐发射/接收微单元阵列排布构成的，其中，声呐发射/接收微单元共用同一顶部基板和底部基板；在顶部基板和底部基板上每个声呐发射/接收微单元的对应位置，分别利用集成电路(对应硅晶圆片)、液晶面板(对应玻璃基板)设计技术和成熟的掩膜蚀刻工艺制作电极和驱动电路，从而真正意义上实现了对声呐发射/接收微单元的声呐信号的控制。且本实施例中优选利用电极接入外部驱动控制单元(控制中心)，实现信号的统一驱动控制，更便于控制不同位置的声呐发射/接收微单元的声呐发射。应当理解，其他可行的实施例中，所有的声呐发射/接收微单元各自独立制作，并统一排布在一个基板上也是可行的。

其中，为了实现电气连接，还可以按照液晶面板制作工艺，采用相同的聚酰亚胺柔性电路板绑定在成品基板台阶边沿，以便连同电气线路。如外部电源板和信号驱动板连接到聚酰亚胺柔性电路板上，加上外壳结构件，即可完成大规模声呐阵列整机。

为了更加充分的说明本发明提供的阵列式声呐元件的功能，本发明从声呐信号发射控制、声呐信号接收控制以及干扰对方声呐的声呐信号三个方面进行陈述。

1.声呐信号发射控制过程：

获取需发射的目标声呐信号特征，再根据所述目标声呐信号特征解算所述声呐元件中阵列排布的每个声呐发射/接收微单元的发射特征，最后根据每个声纳发射/接收微单元的发射特征控制所述声呐发射/接收微单元的声呐信号发射。其中，发射特征包括是否发射、发射时间、频率、幅值、相位中的部分或全部特征。

上述过程，是利用本实用新型声呐元件的结构特性，控制不同位置的声呐发射/接收微单元的声呐信号，实现目标声呐信号的模拟生成，从而在不妨碍自身探测的前提下实现战术欺骗目的，使得该声呐元件具有战术欺骗功能。如通过控制声呐信号的发射时间、频率、幅值、相位等能够使得不同位置的声呐信号叠加形成常规声呐在水中传播过程的中间状态声呐信号波形，从而达到战术欺骗功能。应当理解，能够实现上述功能的基础是构建本实用新型所述的声呐元件。

2.声呐信号接收控制。

获取所述声呐元件中不同位置的声呐发射/接收微单元接收到的声呐信号的接收特征，所述接收特征包括：声呐发射/接收微单元的位置、信号接收时间、信号频率、信号幅值、信号相位中的部分或全部特征；根据同一目标对象下不同声呐发射/接收微单元接收的声呐信号的接收特征推演目标对象的信息，其中，目标对象的信息为：距离、和/或方向、和/或空间位置、和/或数量、和/或类型。

其中，利用本实用新型中阵列式的声呐元件中声呐发射/接收微单元的空间位置，能够提高空间分辨和干扰抑制能力，提高定位结果的可靠性。如目标对象的距离，通过分析不同位置声呐发射/接收微单元接收的声呐信号，得到各自对应的目标对象的距离，再利用其自身的空间属性，得到一个更为精确的距离值，尤其是可以避免局部声呐发射/接收微单元出错时，导致的定位精度问题。

3.干扰对方声呐的声呐信号。

若接收到对方声呐的声呐信号，根据所述对方声呐的声呐信号特征进行重新调制并加入干扰特征，将加入干扰特征后的声呐信号作为目标声呐信号。再按照所述声呐信号发射控制过程控制所述声呐元件中的声呐发射/接收微单元的声呐信号发射。

其中，干扰特征可以是对声呐信号的振幅、相位等信号特征进行了局部细微的调整，从而达到混淆效果。

需要说明的是，上述三个过程能够得以实现的前提均是构建了本实用新型所述的声呐元件，因此，所述声呐元件为后续扩展声呐功能，实现战术欺骗、干扰对方等功能奠定了基础。

综上所述，本实用新型提供的阵列式分布的声呐元件，其一方面提升了声纳元件阵列信号的性能，二方面，为后续声呐信号的应用以及实现战术欺骗等功能奠定了基础。

需要强调的是，本实用新型所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本实用新型不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本实用新型的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本实用新型宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本实用新型的保护范围。