远洋渔业多波束声呐主机高效散热设计与验证

孙崇洋，李国栋，杨育红，隋江华

远洋渔业多波束声呐主机高效散热设计与验证

孙崇洋1,2，李国栋2，杨育红2，隋江华1※

（1. 大连海洋大学航海与船舶工程学院，大连 116023；2.中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092）

为了解决多波束渔用声呐主机在远洋渔船高温、高湿环境下工作时面临的散热问题，该研究从多波束渔用声呐主机的散热分析出发，运用传热学和结构设计的相关理论，对渔用声呐主机进行了热设计。首先运用系统分析法对声呐主机整个散热过程中的结构和散热方式展开研究；然后，利用热仿真软件对声呐主机的散热过程进行仿真，对比信号处理机在不同风道设计方案下声呐主机的整机温度的变化，多款散热风扇对整机散热效果的影响，在不同环境温度下（20、30、40、50 ℃）声呐主机的散热能力，以及热设计前后的温度分布；最后，搭建了声呐主机散热测试平台，验证声呐主机的真实散热能力。结果表明，强迫对流与自然冷却结合的散热方式可以解决声呐主机的热量堆积问题。仿真结果表明，4条风道的设计可作为声呐主机的散热方案，选用的FFB0612SHE和FFB0612EHE散热风扇符合声呐主机的散热要求，通过热设计可使声呐主机的温升控制在25 ℃以内，热量堆积现象大幅改善。散热试验结果表明，热设计后的渔用声呐主机散热能力大幅提升，声呐主机的温升控制在25 ℃以内，各板卡之间的温度控制在5 ℃以内，验证了仿真分析结果，在热源与主机外部环境之间形成了一条低热阻的通道。研究结果提高了声呐主机的工作稳定性，为声呐主机在远洋渔船高温、高湿环境下的正常工作提供了解决方案和理论分析方法。

热；设计；仿真；声呐；多波束；渔用；远洋探鱼仪

0 引 言

渔用声呐（又名探鱼仪）是一种主动声呐，它工作时，由水下换能器的阵子向水中发射水声信号，水声信号在水中传播时遇到鱼群而反射，反射的信号被换能器中阵子接受，然后声呐主机根据声波在水中的传播速度、发射和接受水声信号的时间间隔、水声信号返回的方向，进行相应信号处理，解算出探测目标数据，上传到显控设备，确定水下鱼群的距离和方位，从而进行捕捞作业[1]。渔用声呐主要安装在大型的远洋渔船上，通过多个换能器阵子协同工作，可在较短的时间内进行扫海[2]。中国远洋作业渔场多分布在热带，常年温度较高，且最佳捕捞时间通常在夏季气温最高的时间，此时船舱内最高温度可达45 ℃，远洋渔船需在恶劣的高温环境中作业，对渔船船舱内的渔用声呐主机的稳定性提出了很大的挑战[3]。

渔用声呐经历了单波束、双波束、分裂波束和多波束的发展阶段[4]。其中，单波束探鱼仪可用来估计单个目标的距离，只发射一种频率的信号[5]，需要的计算资源极少、声呐主机的集成度很低且设备不需要考虑散热，如上海生产的67-3型探鱼仪；双波束探鱼仪采用一个宽波束和一个窄波束估计单个目标的极角[6]，需要的计算资源较少、声呐主机的集成度较低、设备通过自然散热就可以将热量排出，如广东生产的Kfish-7探鱼仪；分裂波束声呐具有很宽的频带范围，可同时在不同频段上对海洋生物、海底资源进行探测[7]，需要较多的计算资源，声呐主机的集成度高，需要运用散热片、导热管对主机内部热量进行疏导，如挪威生产的EK80声学探测系统；多波束声呐是利用相控阵技术在一定的扇区内形成多个发射波束，定向顺序地发射，然后对多个波束同时接收来探测和定位生物位置，提高海洋生物探测的分辨率的同时对声呐主机整体的运算能力提出了极高的要求[8]，如日本生产的FSV-35。多波束声呐相较于其他技术可以在复杂地水文条件下，对鱼类的行为和规模进行准确的测量和检测，近年来在渔业探测捕捞方面表现出良好的应用前景。现有的远洋渔船散热系统设计，大多通过降低船舱内部温度来满足远洋渔船设备的散热需求，结构复杂，建造、维护成本高，造成大量的能源消耗，稳定性差。声呐主机的集成度越来越高，发射功率越来越高，体积逐渐趋于小型化，这对渔用声呐主机的散热性能提出了极高要求，需要进行针对性设计。

热设计是多波束渔用声呐主机设计的一项关键技术，能够提高声呐主机稳定性和可靠性。声呐主机需要建立一条低热阻的热流通道，保证热量快速传递出机体内部，以满足可靠性要求[9]。常用在电子设备上的散热方式包括自然散热、强迫风冷、强迫液冷、蒸发冷却、热管传热等形式[10]，对于应用在远洋渔船上的声呐主机来说，简单的自然散热能力不足[11-12]；传统的强迫风冷需要与外部环境形成对流，不适用于密闭的声呐主机[13]；强迫液冷的结构复杂、稳定性差[14]；蒸发冷却很难在剧烈晃荡的渔船进行使用[15]；热管传热的成本高、使用寿命短[16]。因此，散热方式既要保证渔用声呐主机在规定的热环境下能按设计方案进行正常工作，也需要综合考虑多方面影响因素，在满足热设计要求的同时达到设备的性能指标，而且要求成本要低、结构要简单。

目前国内渔用大型声呐多用在远洋围网和拖网渔船上，受到海上高温、高湿、晃荡等作业环境的影响，声呐主机需要设计为密闭柜体，因而带来了相应的散热问题。针对上述问题，本文提出一种适用于海上作业的散热方案，对主机整个散热过程进行分析，给出相应的热设计建议；通过散热的仿真分析进行结构设计，研究环境温度对声呐主机散热的影响；最后通过散热试验对仿真研究和热设计研究进行验证，达到提升声呐主机的散热效率，降低因硬件温度过高引起的危害的目的，以期为中国远洋渔业尖端声学探测装备的热稳定性研究提供有效方法和思路。

1 多波束渔用声呐主机设计及散热分析

1.1 多波束渔用声呐系统

多波束渔用声呐系统由水下设备和水上设备组成。水下设备主要包括换能器基阵、升降机构；水上设备主要由显控设备、信号处理主机等组成。显控设备与声呐主机通过以太网线进行通信；声呐主机与换能器基阵之间通过线缆相连接。换能器基阵是声呐系统中声波的收发设备；显控设备是声呐系统中进行人机交互的平台，通过声呐状态的显示和命令的发送实现操作者对声呐系统的控制；多波束渔用声呐主机作为声呐系统的核心设备，设备集成度非常高，对自身散热性能的要求比较苛刻。

1.1.1 主机组成

主机由电源、交换机、信号处理机等组成（图1和表1），集成度非常高、对温度环境要求苛刻的器件。

图1 声呐主机组成

表1 声呐主机各设备的尺寸

电源是声呐能量的主要来源，为各个部件提供各种规格的电力，是声呐正常工作的基础保障。

交换机是通过它各器件间进行信息传输的中介，是声呐各器件电信号的中转站。

信号处理机由8块印刷电路板（printed circuit boards，PCB）组成，PCB上集成了现场可编程逻辑门阵列（field programmable gate array，FPGA）、信号收发芯片等多个电子器件，是声呐主机中最重要的元器件，其电子化集成度高、内部空间狭小、热功率高，其散热需求是否得到满足，直接影响到整个系统的正常运行，因此信号处理机的热设计至关重要。

1.1.2 散热方式

在对渔用声呐主机这种集成度高的设备进行温升控制时，需要通过运用相应的散热方式对热量进行排除，本文结合渔用声呐主机使用的客观条件，确定适当的散热方式。对声呐主机的散热进行针对性的仿真分析，指导声呐的结构设计，提高声呐主机整体的散热功率。

自然散热是一种利用空气温度差引起对流换热的基本被动散热方式，可靠性高，成本低[17-18]。它不需要通风机或泵之类的冷却剂驱动装置，避免了因机械部件的磨损或故障影响系统可靠性的弊病[19]。因此，在考虑声呐主机的冷却方法时，应优先考虑自然冷却方法。在主机机壳与外部环境的冷却方法的选择上，由于渔用声呐主机处在高温、高湿的工作环境中，为了防止主机内部遇水短路，声呐主机内部为密闭的空间。主机机壳与外部环境接触的表面积较大，选用自然冷却，可以达到不错的效果。机壳密封，元器件所释放的热量由机壳吸收，并通过机壳传导到设备外部，由外部自然冷却，机壳起到一个热交换器的作用[20]。

在主机内部的冷却方法的选择上，由于信号处理机中板卡上集成了各种芯片导致局部的温升过大，热量无法及时排除，会造成温度过载，影响声呐的正常工作。强迫风冷对流技术的散热能力较强，适合声呐这种高集成度的电子设备[21-22]，采用强制风冷的主动方法进行散热，在信号处理机外部安装轴向的散热风扇，通过信号处理机与主机内部空间的强制对流，使得热量集中区域的热量快速排除，实现了热量在主机内部的均匀分布，避免了信号处理机中各个芯片因温度过高造成的各种危害。强迫对流的使用让主机内部空气流动加快，提升了主机内部热交换的能力，成为了主机散热过程至关重要的环节。

图2所示为强迫对流与自然冷却结合的散热方式，信号处理机内部各种芯片产生的热量通过轴向风扇进行强制对流，使其传到主机内部空间，在主机机壳进行自然冷却，然后再传递到环境中，最终完成整个热量的传递过程。

图2 主机散热

1.2 多波束渔用声呐主机散热分析

在对声呐主机进行热分析中，为了解决声呐主机整体散热的问题，运用系统分析的方法将主机系统分为系统级、板卡级、元器件级（图3），系统级是声呐主机包含的声呐主机机壳、信号处理机、电源等的各种设备，板卡级是包括信号处理板卡在内组成各个设备的组成模块，元器件级是包含FPGA、各种芯片在内的各种元器件。对从热源产生热量到最终将热量传到外界环境的传热过程进行分析（图4），主要包括：1）作为元器件级的热源温升的分析；2）散热过程中板卡级的散热情况和系统级声呐主机机壳与主机外部空气之间的散热情况。下面对声呐主机整个散热过程进行分析，提出提高声呐主机整体散热效率的建议。

注：FPGA为现场可编程逻辑门阵列。

图4 热量传递过程

1.2.1 元器件级热分析

主机的热源主要来自于FPGA和收发芯片。芯片晶体管热量通过不同途径传到周围介质时，会遇到各种热阻，其过程可用电模拟的方法进行分析[23]。图5a为芯片晶体管模型，图5b为等效热路图。结面上的热量经由内部的热传导传至管壳和引线上，其中一部分通过管壳和引线与周围介质进行热交换。传至管壳上的热量大部分通过与其直接接触的散热器传至周围介质。

由等效热路图可知，总热阻为[24]

式中为总热阻，Ω。

若R>>R+R，则