本发明专利技术揭示改进型二维平面阵列换能器及波束形成器设备及方法。在一个实施例中，二维平面阵列换能器能够在两个轴上且在两个或两个以上远远分开的声频下从单一平坦平面阵列换能器同时或连续形成多个声束。所述换能器平面阵列由在不同频率下操作的两个或两个以上电学上且声学上独立的二维平面换能器阵列结构组成，所述结构在物理上集成到单一多频配置上。在示范性实施例中，第二较高频率换能器阵列位于较低频率平面阵列换能器的孔口区域内。本发明专利技术还揭示了使用上述二维平面阵列换能器及波束形成器的方法。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多频二维相控阵列换能器优先权本申请案主张对2011年10月26日申请的标题相同的第13/282，257号的共同拥有且共同待决的美国专利申请案的优先权，其主张2010年11月I日申请的标题相同的第61/456，086号美国临时专利申请案的优先权，所述申请案的全部内容以引用的方式并入本文中。版权本专利文献的揭示内容的部分包含受版权保护的材料。版权所有者并不反对任何人对专利文献或专利揭示内容进行传真复制，正如在专利商标局专利文件或记录中所显示，但除此之外无论如何都保留所有版权权利。
本专利技术一般涉及平面阵列声纳换能器，且在一个示范性方面中涉及用于产生声音多普勒流速剖面的多频平面阵列声纳换能器。
技术介绍
声纳换能器当前用于测量二维或三维速度及/或距离的不同类型的声学反向散射系统。在揭示声学平面阵列换能器的第5，808，967号美国专利中揭示一种此类声纳换能器，所述声学平面阵列换能器沿着单一二维(“2D”)相控阵列换能器的两个轴在单一的或相对较窄的频率范围下形成多个波束。图1说明此一声学阵列换能器I))。通过将波束形成器连接到换能器的一侧上的第一组电极形成一对波束110且通过将第二波束形成器连接到换能器的另一侧上的第二组电极而形成另一对波束120。换能器的每一侧上的电极为紧密间隔的且在一个方向上越过换能器的整个尺寸延伸的平行薄铜线。换能器的一侧上的电极在与换能器的另一侧上的电极正交的方向上延伸。为了同时地且单独地在发射及接收通道两者上形成每一对波束，使用两个个别的且独立的发射波束形成器130及两个个别的且独立的接收波束形成器140。还使用发射/接收开关(未图示)来将一个发射波束形成器及一个接收波束形成器连接到换能器的一侧上的电触点。通过第二发射/接收开关而将第二个独立的发射及接收波束形成器对连接到换能器的第二侧上的触点。使用两个发射及接收波束形成器以同时在每一X及Y轴上产生两对或两对以上的独立波束。一对从侧面倾斜且与换能器的一侧上的电极正交且另一对从侧面倾斜且与换能器的另一侧上的电极正交。虽然这些波束处于固定位置中，但波束形成器既同步又独立的事实允许可能同时且独立地相对于另一组波束操纵一组波束。此外，如果将换能器电极个别地带到波束形成器内，那么每一波束形成器可沿着两个正交的X及Y轴中的每一个潜在地产生一组完全独立的任意同步波束。在每一轴中的波束组不同步或是独立形成的地方还使用替代的2D平面阵列换能器。虽然这些类别的2D平面阵列声纳一般仅需要单一波束形成器用于发射及/或接收进而导致明显较少的波束形成器复杂性，但这些类型的替代2D平面阵列换能器具有缺点，例如具有数目较少的同步形成的波束以及多个2D波束的不完全独立。此外，这些2D平面阵列换能器及波束形成器可产生声束的频率范围受换能器阵列自身的带宽可实现的带宽的限制。此约为标称操作频率的百分之五十(50%)或0.5倍。因此，换能器受限于约标称操作频率的百分之二十五(25% )以上或百分之二十五(25% )以下。在许多应用(例如声学多普勒流速剖面仪(ADCP)应用)中，需要至少三(3)个且通常四个(4)沿着两个轴的倾斜窄波束150来测量水柱中的三(3)维流速。在ADCP应用中，从水面船舶来看，需要在给定水柱各处测量流速剖面，然而，靠近表面的水柱区相比于较深水柱来说更占空间且速度更富动态化(以水流速度的小尺度变化及水中的分散粒子为特征)。因此，相比于较长的距离区，需要以较高的空间、时间及速度分辨率来测量较浅的、近的换能器区。对于此类2D声纳应用来说，对于近的动态的及较深动态较小的水流运动来说，可通过使用通过约四(4)的因数而在频率上分开的两个声纳来操作而最佳地获得此情形。虽然在较低频率下的操作提供较大声纳距离(用于在较深水柱深度下使用)，但具有较少空间、速度及时间分辨率。相反，虽然在较高频率下的操作具有较少距离，但在其可达到的距离(即，深度)上提供较佳的距离、速度及时间分辨率。当前，当针对应用(例如，流速剖面)使用2D平面阵列换能器时，通过使用两个物理上分开的且独立的2D平面阵列换能器而获得此双声纳频率操作。图2中说明在通过四(4)的因数分开的频率下操作的这两个2D平面阵列换能器200的前视图。对于来自两个阵列的等效波束宽度来说，高频换能器202具有比低频换能器204小四(4)的因数的直径，因为水中的声音波长要小四(4)的因数。每一圆形换能器为其中心线的每一侧上的波长宽度的八(8)又二分之一(1/2)。此双换能器声纳提供对短距离及长测距仪较低分辨率的所需高分辨率性能；然而，此一配置是不合需要的，原因在于每一换能器必须单独安装到船体上位于两个换能器面都暴露在水中的位置。因此，当安装在船体中时，此换能器方法需要两个船体贯穿，其可:(I)对于安装来说是昂贵的 '及(2)难以放置在船体中。因此，仍然迫切需要可在单一离散波形因数内体现的同时提供不同水平的空间、速度及时间分辨率的换能器阵列。理想地，此一解决方案将在以多个离散换能器设计提供相媲美的性能的同时获得此一所需的形状因数。
技术实现思路
本专利技术通过提供改进的换能器设备及使用方法而解决前述需要。在本专利技术的第一方面中，揭不一种换能器阵列。在一个实施例中，换能器阵列包含两个大小经不同地设定的分别与两个不同操作频率相关的换能器阵列，其体现在单一的整体平面阵列结构中。在一个变体中，第一换能器阵列包含不含所述第一换能器阵列的换能器元件中的任一者的中心部分。在另一变体中，第二换能器阵列位于此中心部分内。在又一变体中，第一换能器阵列占据单一平坦平面表面的第一对称区域部分，而第二换能器阵列占据单一平坦平面表面的第二对称区域部分。在又一变体中，第二对称区域部分完全位于第一对称区域部分内。在又一变体中，第二对称区域部分与第一对称区域部分实质同心。在又一变体中，第二对称区域部分占据第一对称区域部分的百分之十以下。在又一变体中，第一多个换能器元件由具有值M换能器元件的行及值N换能器元件的列构成。在又一变体中，换能器元件的第二阵列由具有值X换能器元件的行及具有换能器元件的值Y的列构成。在一个变体中，值M等于值X且值N等于值Y。在又一变体中，值M等于值N。在本专利技术的第二方面中，揭示一种用于在声学多普勒流速剖面仪(ADCP)应用中使用的多频换能器阵列。在一个实施例中，多频换能器阵列包含单一换能器阵列结构，所述结构具有经优化以用于在第一深度下操作的第一换能器阵列及经优化以用于在不同于第一深度的第二深度下操作的第二换能器阵列。在一个变体中，预期第一深度具有比第二深度更具空间及速度动态的流速。在替代变体中，第一及第二换能器阵列优化分别包括第一及第二换能器阵列的操作频率的配置。在又一变体中，第一换能器阵列包括完全填充阵列结构，而第二换能器阵列包括部分填充阵列结构。在又一变体中，第一换能器阵列经配置以在第一标称操作频率下操作，而第二换能器阵列经配置以在不同于第一标称操作频率的第二标称操作频率下操作。在又一变体中，第一及第二标称操作频率之间的差异大于或等于四的因数。在本专利技术的第三方面中，揭示一种换能器阵列。在一个实施例中，换能器阵列包含含有至少两个电学上且声学上独立的二维平面换能器的单一平面结构。在一个变体中，单一平面结构经配置以在两个或两个以上分本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种多频换能器阵列，其包括：单一平坦平面表面，其包括：第一换能器阵列，其包括针对第一标称频率进行配置的第一多个换能器元件；及第二换能器阵列，其包括针对第二标称频率进行配置的第二多个换能器元件。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.11.01 US 61/456,086;2011.10.26 US 13/282,2571.一种多频换能器阵列，其包括: 单一平坦平面表面，其包括: 第一换能器阵列，其包括针对第一标称频率进行配置的第一多个换能器元件；及 第二换能器阵列，其包括针对第二标称频率进行配置的第二多个换能器元件。2.根据权利要求1所述的多频换能器阵列，其中所述第一换能器阵列包括不含有所述第一多个换能器元件中的任一个的中心部分。3.根据权利要求2所述的多频换能器阵列，其中所述第二换能器阵列位于所述中心部分内。4.根据权利要求1所述的多频换能器阵列，其中所述第一换能器阵列占据所述单一平坦平面表面的第一对称区域部分，而所述第二换能器阵列占据所述单一平坦平面表面的第二对称区域部分。5.根据权利要求4所述的多频换能器阵列，其中所述第二对称区域部分完全安置在所述第一对称区域部分内。6.根据权利要求5所述的多频换能器阵列，其中所述第二对称区域部分与所述第一对称区域部分实质上同心。7.根据权利要求4所述的多频换能器阵列，其中所述第二对称区域部分占据所述第一对称区域部分的百分之十以下。8.根据权利要求1所述的多频换能器阵列，其中所述第一多个换能器元件包括具有一行值M换能器元件及一列值N换能器元件的阵列。9.根据权利要求8所述的多频换能器阵列，其中所述第二多个换能器元件包括具有一行值X换能器元件及一列值Y换能器元件的阵列。10.根据权利要求9所述的多频换能器阵列，其中所述值M等于所述值X且所述值N等于所述值Y。11.根据权利要求1...
【专利技术属性】
技术研发人员：弗朗西斯·达勒·罗韦，约翰·罗密欧，
申请(专利权)人：罗韦技术有限公司，
类型：
国别省市：
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