水声功率放大器国产化项目介绍

 

 

编制部门：云南拓普特种电源科技有限公司

 

http://www.yntoptech.com/

 

 

 

本报告为云南拓普特种电源科技有限公司内部报告

 

 

辑要页

报告名称	水声功率放大器国产化项目
完成单位	云南拓普特种电源科技有限公司   http://www.yntoptech.com/
总 页 数	共17页
关 键 词	水声技术  声纳  水声发射机  美国国防部军事禁运  研制及产品系列化
摘     要
项目背景	声呐系统作为舰艇的眼睛和耳朵，在水中兵器领域以及海洋技术等领域具有至关重要地位。而水声功率放大器（声呐发射机）作为声呐系统的重要组成部分，其性能直接决定了整个声呐系统的性能指标。 与欧美发达国家相比，我国的水声技术还相对落后，水声信号的处理能力、核心的水声换能器 （声呐）以及水声发射机等核心组件的设计、制造能力也较为薄弱。由于水声设备军事用途广泛且意义重大，为遏制我国海军水声装备的发展，欧美国家对一些高端的水声设备和技术采取了禁运等保护措施。 为了提升我国水声装备的水平，打破欧美发达国家的技术封锁，项目组通过自主开发，研制出了高性能的水声功率放大器，其性能指标完全达到和超越了国外同类装备的水平，产品已通过多家国内科研院所试用和军工检测机构检测。
应用领域	水声功率放大器技术运用领域广泛，在军事领域、海洋科考、渔业和海底资源探测、河道探测以及航道规划等领域均有广泛运用。 若运用于海上舰艇，将有助于提升舰艇的水声侦测能力，获得更好的侦测距离和精度。
打破美国对华技术封锁	水声功率放大器技术目前仅美国仪器设备公司( INSTRUMENTS,INC.，)掌握，该公司的水声发射机（线性功率放大器 Series Linear Amplifiers）已垄断全球市场，但该系列产品仅对北约国家销售， 2012年中国市场已被美国国防部列入重点军事禁运名单。 项目组以自主创新为基础，在无任何借鉴的情况下，大胆创新，采用了多种新技术和新工艺，最终完全掌握了水声功率放大器核心技术。 最新研发的水声功率放大器）已在多个军工科研单位得到应用，其性能指标完全达到和超越了国外同类装备的水平，获得了高度好评。该产品的成功研发打破国美国长期以来对我国军事禁运的被动局面。 项目组目前正计划开展舰船用超大功率水声发射机以及水生成像用超高频水声发射机的研制工作。

 

 

 

1. 军事需求及军民融合应用

1.1 军事需求分析

纵观全球，世界各国对海洋的开发愈加重视，争抢海洋开发先机，争取海洋资源，由此而引发的领海争端不断。我国是海洋大国，拥有300多万平方公里的内水和领海，但我国并非海洋强国，目前我国存在纠纷的领海面积达200多万平方公里，实际为我国控制的海域更少。在这种情况下，水声技术显得尤为重要，无论在海洋军事领域还是民用海洋开发领域都具有重要的意义。水声技术已成为各国海军进行水下监视的主要技术手段，可用于水声对抗、水下战术通讯、对水下目标的探测、定位和跟踪等。

随着电子技术及水声技术的发展，以及各国对水声技术的重视，现代声纳技术发展迅速，新原理、新技术、新型声纳设备纷纷涌现，这一变化也对水声信号发射机提出了新的需求，宽带、大功率、模块化、数字化是现代声纳发展的主要方向。

水声技术及相关装备关系到国家海军装备以及海洋技术的发展水平，为达到技术封锁、技术制约我国的目的，当前西方国家严禁对华出口水声技术、水声设备。因此，为了提升我国水中兵器及装备的实力、打破西方垄断，研制我们自己的高端水声装备具有重要意义。由于我国水声技术发展较晚，且受国际技术封锁严重，总体来讲，水声技术及装备相对发达的欧美国家差距甚远，所以加快我国水声技术研究以及水声装备研制迫在眉睫。

1.2 军民融合应用

水声功率放大器，作为声呐系统的重要组成部分，不论是在军事领域还是民用领域都发挥着极其重要的作用。水声功率放大器可广泛应用于海洋资源探测、地形地貌扫描、渔业探测、航道规划以及码头垃圾清理等民用技术领域。另外，水声功率放大器还可做为大功率宽带高频正弦电源，用于航空航天领域非接触式供电技术的相关测试或是电化学领域的相关测试。

2. 国内外技术现状分析

2.1国外技术状况

现阶段，前沿的水声处理技术以及高端水声装备都被欧美发达国家所垄断，在水声发射机领域，业界比较熟悉的是美国INSTRUMENTS,INC公司。该公司生产的功率放大器（水声发射机）品种最为齐全，性能指标较高，可靠性较好，是目前国际上最权威的水声发射机制造企业，其设计制造的水声发射机已基本垄断全球市场。由于该类产品可广泛应用于军事用途，因此该公司产品的出口均需获得美国国防部出口许可。目前，除北约盟国家外，其他国家均无法获得。2012年，中国市场被美国国防部列入重点军事禁运名单，国内军工企业（包括民用领域）均无法获得该类设备。2014年，包括设备使用的相关电子元器件也遭到美国国防部的禁运。

2.1.1产品及技术禁运情况

 

2.1.2美国INSTRUMENTS,INC公司代表性产品介绍

n L系列线性功放（6款）

 

美国INSTRUMENTS公司L系列线性功放产品
Model Designations	L2	L6	L10	L20	L30	L40	L50
Output VA - continuous	260W	800W	1300W	2600W	4000W	5200W	6500W
Frequency range (-3 dB)	400Hz-150KHz	40Hz-120KHz	200Hz-120KHz
1 sec burst @ 10%	50	2,000	3,300	6,500	10,000	13,000	16,500
Depth (inches)	18	18	18	35	35	35	35
Height (inches overall)	5.25	14.00	26.25	52.00	80.00	80.00	80.00
Weight (pounds)	52	165	240	600	825	1,000	1,200

 

 

 

 

n M系列线性功放（3款）

美国INSTRUMENTS公司M系列线性功放产品
Model designation	M2	M4	M8
Frequency range (-3 dB)	10 kHz to 500 kHz
utput VA - continuous	200	400	800
- 1 sec burst @ 10 %	500	1,000	2,000
Depth (inches)	18	24	24
Height (inches)	5.25	19.25	19.25
Weight (pounds)	50	160	170

 

 

2.1.3美国INSTRUMENTS,INC公司基本情况介绍

美国仪器设备公司（INSTRUMENTS,INC.，） 该公司于1941年成立，主要从事开关功率放大器、线性功率放大器、传感器以及特种变压器的研发、生产及销售，该公司产品主要是为美国军方服务。相关产品除对北约盟国可以出售外，其他国家均无法买到。该公司联系方式见下：

公司网址：http://www.instrumentsinc.com/

公司地址：7263 Engineer Road, Suite GSan Diego, CA 92111-1493

联系电话：(858) 571-1111    Email: info@instrumentsinc.com 

 2.2国内技术状况

水声功率放大器作为声纳系统的重要组成部分，一直是欧美发达国家技术和相关装备封锁、制约的重点。该类技术主要掌握在美国、英国、丹麦、日本、俄罗斯等发达国家手中。

我国对这方面的研究起步相对较晚，再加上2012年以前，我国相关的运用机构一直采用美国INSTRUMENTS,INC公司的系列产品，无形中滞后了我国对该类技术的研究。直到2012年美国国防部采取了对华禁运后，该技术的重要性才突显出来。自上世纪80 年代中期以来，尤其是进入90年代后，国内一些科研单位以及企业都开展了一些相关技术的研究工作，并取得了一定的进展，但与欧美发达国家相比，国内该类技术和装备任然比较落后。项目主要研究目标、研究内容、关键技术以及完成情况

3.1主要研究的目标

项目的主要研究目标：研制满足各种声呐系统应用的国产化先进宽带大功率水声发射机设备，技术指标达到国际先进水平，打破国外垄断并实现出口创汇。

项目主要的产品涵盖：大功率宽带线性水声发射机系列产品；超高频宽带线性水声发射机系列产品以及超水声功率放大器系列产品。其中：

大功率宽带线性水声发射机：频率范围达150Hz至180kHz，连续输出功率高达10kVA，输出电压高达4000VP-P,主要用于科研试验以及海洋科考等领域;

超高频宽带线性水声发射机：频率范围达10kHz至1MHz，连续输出功率高达1kVA，输出电压高达1400VP-P,主要用于水声成像领域;

舰载式超水声功率放大器：频率范围达0Hz至20kHz，连续输出功率高达数百kVA至数千kVA，输出电压高达5000VP-P,主要用于舰艇的大功率声呐系统，也可用于海洋科考等领域;

3.2主要研究内容及关键技术

主要研究内容及关键技术包括：

3.2.1大功率宽带线性放大器单元设计技术

目前国内外对于频率范围在20kHZ以内的普通大功率线性放大器研究较多，技术相对成熟。而频率带宽高达数百千赫兹乃至数兆赫兹的大功率线性放大器则少有报道，大功率宽带线性放大器单元技术难度大，且少有资料可供借鉴，完全依靠企业自主研发。

3.2.2宽带阻抗匹配变压器设计技术

宽带阻抗匹配变压器是水声发射机与换能器匹配的关键组件，具有频率范围宽，输出电压高、输出功率大等特点，受材料以及绕制工艺的影响非常突出，多年来一直是一个困扰水声界的一个难题。

3.2.3高压大功率CPS-SPWM调制技术

高压大功率CPS-SPWM调制技术是一种采用级联结构移相SPWM控制技术，该技术的优点在于通过多组低压逆变器级联的方式，可以实现高压输出，且输出频率达到单个逆变单元的2N倍（N为级联数），其级联数越多，则输出波形越趋近于标准正弦波，且谐波成份较低。该技术在高压大功率领域应用优势非常明显，是实现超大功率水声发射机模块化、小型化以及高转换效率的关键技术。

 

3.2.4大容性负载下设备的稳定性和可靠性设计技术

由于声呐换能器是一种大容性负载，一方面，如果阻抗匹配不好将导致输出电流超前电压太多，导致放大器模块过流损坏；另外，容性负载容易和回路电感产生破环性振荡，轻则影响设备稳定性，重则损坏设备，因此需要开展大容性负载下设备的稳定性和可靠性研究。

3.3项目研究完成情况

 国内不少科研单位在早些年都买过美国INSTRUMENTS,INC公司大功率宽带线性放大器用于水声试验，对其性能指标都比较满意，目前大都已经损坏，而该公司产品2012年被美国国防部对华军事禁运，因此非常迫切希望能够买到性能指标与美国INSTRUMENTS,INC公司类似的产品。鉴于此种情况，项目组决定优先研发美国INSTRUMENTS,INC公司替代型产品。

在没有任何借鉴的情况下，项目组经过近2年的不懈努力，终于成功研发了可以完全替代美国INSTRUMENTS,INC公司的大功率线性水声发射机，其性能指标完全达到，并部分超越了美国INSTRUMENTS,INC公司的技术水平，国产化型号主要有：

TOP-L系列：是专门为水声领域推出的宽频带大功率功率放大器，该系列产品额定功率范围1000W至6000W，频率范围150Hz至180kHz。

TOP-M系列：相对于L系列产品，M系列产品频率范围更高，可达500kHz。可广泛运用于水声以及航空航天等领域。该系列产品额定功率范围400W至800W，频率范围5kHz至500kHz。

TOP-H系列：最高工作频率达10MHz以上，输出电压高达数千伏，输出功率达100至300VA。

此外，还可以针对客户的特殊需求，开发各种规格大功率宽带线性放大器产品。

 

 

国产TOP-L1000实物图片

 

l TOP-L1000大功率宽带放大器

 

	测试条件		最小		典型		最大			单位
输出功率	连续						1000			VA
	脉冲 (占空比≦1/10，持续时间≦100ms)						1600			VA
频率范围（-3dB）	TOP-L1000-180		0.2				180			kHz
	TOP-L1000-150		0.2				150			kHz
	TOP-L1000-120		0.2				120			kHz
谐波失真	输出功率500VA				0.5%
幅度输入信号							1			Vrms
输出电压 8档可调	负载功率小于10%	100，150，200，300，400，600，800，1200								Vrms
	满载	90，135，185，280，375，570，770，1100								Vrms
电压监测输出				1Vrms/200Vrms
电流监测输出				1Vrms/2Arms
远程485波特率						9600			Bps
保护	电源过压、输出过流、过温、超频、保险丝熔断
尺寸	10U，19英寸			480*450*440						mm
重量				约72						Kg

 

l TOP-L2000大功率宽带放大器

 

	测试条件	最小		典型		最大			单位
输出功率	连续					2000			VA
	脉冲 (占空比≦1/10，持续时间≦100ms)					3200			VA
频率范围（-3dB）	TOP-L1000-150	0.2				150			kHz
	TOP-L1000-120	0.2				120			kHz
	TOP-L1000-100	0.2				100			kHz
谐波失真	输出功率1000VA			0.8%
幅度输入信号						1			Vrms
输出电压 8档可调	负载功率小于10%	100，150，200，300，400， 600，800，1200							Vrms
	满载	90，135，185，280，375，570，770，1100							Vrms
电压监测输出			1Vrms/200Vrms
电流监测输出			1Vrms/5Arms
远程485波特率					9600			Bps
保护	电源过压、输出过流、过温、超频、保险丝熔断
尺寸	15U，19英寸		480*450*660						mm
重量			约110						Kg

 

l TOP-M400大功率宽带放大器

	测试条件		最小		典型		最大			单位
输出功率	连续						400			VA
	脉冲 (占空比≦1/10，持续时间≦100ms)						800			VA
频率范围（-3dB）	TOP-M400-500		10				500			kHz
	TOP-M400-400		5				400			kHz
谐波失真	输出功率200VA				0.5%
幅度输入信号							1			Vrms
输出电压	6档可调	60, 85, 120, 175, 245, 345								Vrms
电压监测输出				1Vrms/50Vrms
电流监测输出				1Vrms/1Arms
远程485波特率						9600			Bps
保护	电源过压、输出过流、过温、超频、保险丝熔断
尺寸	7U，19英寸			480*450*311						mm
重量				约55						Kg

 

 

l TOP-M800大功率宽带放大器

 

	测试条件		最小	典型	最大	单位
输出功率	连续				800	VA
	脉冲 (占空比≦1/10，持续时间≦100ms)				1600	VA
频率范围（-3dB）	TOP-M800-500		10		500	kHz
	TOP-M800-400		5		400	kHz
谐波失真	输出功率400VA			0.8%
幅度输入信号					1	Vrms
输出电压	8档可调	60, 85, 120, 175, 245, 345, 490, 690					Vrms
电压监测输出			1Vrms/100Vrms
电流监测输出			1Vrms/1Arms
远程485波特率				9600		Bps
保护	电源过压、输出过流、过温、超频、保险丝熔断
尺寸	10U，19英寸		480*450*440			mm
重量			约65			Kg

 

 

3. 项目后期规划

 后期，项目团队计划从三个系列产品及技术领域进行发展，主要包括：1、完善大功率宽带线性水声发射机系列产品；2、研发超高频宽带线性水声发射机系列产品；3、舰载式超水声功率放大器系列产品。

项目组通过自主创新，已整体掌握高性能水声功率放大器的核心关键技术，关键技术及性能指标已得到了验证，为后续项目的研发工作奠定了坚实的技术基础。

 

 

 

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云南拓普特种电源科技有限公司 编制

2016年4月18日