CN107918132A - 水下超声相控阵探测***及水下探测方法 - Google Patents

水下超声相控阵探测***及水下探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种水下超声相控阵探测***及水下探测方法，属于水下探测技术领域，该水下超声相控阵探测***包括超声相控阵换能器、接收端和处理器，通过控制各阵元发射信号的相位激励顺序及延时，合成方向连续变化的超声波束，以对水中不同方位进行扫描，并且各阵元能够接收反射波并将反射波发送至接收端；接收端将反射波转化为回波信号并发送至处理器；处理器能够对所述阵元发射信号进行激励顺序和延时控制，同时，还能够根据所述接收换能器接收的回波信号计算目标位置信息；实现对水下任意方向的探测，有效扩大了目标的扫描范围。该水下探测方法是基于上述水下超声相控阵探测***的使用方法。

Description

水下超声相控阵探测***及水下探测方法
技术领域
本发明涉及水下探测技术领域，具体涉及一种水下超声相控阵探测***及水下探测方法。
背景技术
近年来，海底地貌探测、大面积海洋坏境监测、水下信息获取、海洋救险与捕捞等民用领域的不断发展，对水下探测技术提出越来越高的要求。目前水下探测器主要是基于声纳的设备的应用。
目前的声呐设备通常是垂直式的反波束声呐，其探测范围固定且有限。以水下捕捞为例，选好位置通常是收获的关键，如果位置选择的不对不仅浪费时间，还可能会收获寥寥。目前，在国内外能够查阅到的关于探鱼器的资料、专利以及产品，涉及的基本都是围绕垂直式单波束探鱼器开展的设计与应用。
垂直式波束探鱼器的工作原理为：采用向渔船正下方波束发射探测超声波，然后再接收鱼群及海底回波，从而判断鱼群的有无等信息。这种探鱼器的探测范围固定且有限，已经不适合当前人们的高效获取水中的鱼群信息的迫切需求。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种水下超声相控阵探测***，该水下超声相控阵探测***通过利用超声相控阵换能器向水下发射方向连续变化的超声波束，以完成对水中不同方位目标的扫描，并能够接收目标反射的反射波并计算目标位置信息，从而实现对水下任意方向的探测，而不必局限于只能探测正下方的目标。
本发明的第二目的在于提供一种水下探测方法，该水下探测方法利用上述的水下超声相控阵探测***，能够准确、方便地对水下目标位置信息进行探测，满足当前人们的高效获取水中的目标信息的迫切需求。
基于上述第一目的，本发明提供的水下超声相控阵探测***，包括：
超声相控阵换能器，其包括多个阵元，通过控制各阵元发射信号的相位激励顺序及延时，合成方向连续变化的超声波束，以对水中不同方位进行扫描，并且各阵元能够接收目标的反射波并将反射波发送至接收端；
接收端，用以接收所述反射波，将反射波转化为回波信号并发送至处理器；
处理器，与所述超声相控阵换能器和接收端连接，能够对所述超声相控阵换能器中各阵元发射信号进行激励顺序和延时控制，同时，还能够根据所述接收端提供的回波信号计算目标位置信息。
进一步的，所述超声相控阵换能器采用多个独立的压电晶片组成阵列，通过处理器按照激励顺序及时序控制激发各个所述压电晶片，使各个所述压电晶片发射的超声波叠加形成方向连续变化的超声波束，以对水中各方位进行扫描。
进一步的，所述压电晶片还能够接收目标反射的反射波，并将反射波输送至接收端。
进一步的，所述超声相控阵采用二维平面相控阵。
进一步的，所述处理器通过有线或无线信号传输方式与超声相控阵换能器连接。
进一步的，所述无线信号传输方式采用WIFI或蓝牙。
进一步的，所述目标选自：水下动物个体或群体、暗礁、船体、水生植物、潜水者和岸边中的至少其中之一。
进一步的，所述水下动物个体或群体为鱼或鱼群。
进一步的，还包括显示器，所述显示器与处理器连接，所述显示器能够以图像和/或文字信息显示所述目标位置信息。
基于上述第二目的，本发明提供的一种水下探测方法，包括如下步骤：
步骤A利用处理器控制超声相控阵换能器中各阵元的激励顺序及延时，发射方向连续变化的超声波束，以探测水下目标的位置扫描；同时，各阵元能够接收反射波并将反射波发送至接收端；
步骤B
接收端接收目标反射的反射波，将反射波转化为回波信号发送至处理器；处理器根据回波信号计算目标位置信息；并将所述目标位置信息发送至显示器；所述显示器以图像和/或文字信息显示目标位置信息。
进一步的，所述步骤A中，超声相控阵的扫描过程为：
利用处理器产生电信号，通过处理器按照一定的激励顺序及时序输出电信号至压电晶片，控制激发各个所述压电晶片，使各个所述压电晶片发射的超声波叠加形成方向连续变化的波阵面，以对水下各方位进行扫描；
所述压电晶片还能够接收目标的反射波，并将反射波输送至接收端。
进一步的，所述目标选自：水下动物个体或群体、暗礁、船体、水生植物、潜水者和岸边中的至少其中之一。
本发明提供的水下超声相控阵探测***的有益效果：
本发明提供的水下超声相控阵探测***，包括超声相控阵换能器、接收端和处理器，超声相控阵换能器包括多个阵元，通过控制各阵元发射信号的相位激励顺序及延时，合成方向连续变化的超声波束，以对水中不同方位目标进行扫描，并且各阵元能够接收目标的反射波并将反射波发送至接收端；接收端将反射波转化为回波信号并发送至处理器；处理器与超声相控阵和接收端连接，能够对阵元发射信号进行激励顺序和延时控制，同时，还能够根据接收端提供的回波信号计算目标位置信息。实现对水下任意方向的探测，有效扩大了水下目标的扫描范围，能够满足经高效获取水中的目标信息的需求，解决了现有技术中采用向渔船正下方波束发射探测超声波，探测范围固定且有限的问题。同时，能够应用于海底地貌探测、大面积海洋坏境监测、水下信息获取、海洋救险与捕捞等民用领域，满足水下探测技术使用需求。
本发明提供的水下探测方法，利用上述的水下超声相控阵探测***，能够准确、方便地对水下目标位置信息进行探测，满足当前人们的高效获取水中的目标信息的迫切需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的水下超声相控阵探测***的原理示意图；
图2a是超声相控阵换能器通过同一激励源激励的示意图，
图2b是超声相控阵换能器通过时延控制而实现超声波束偏转的示意图；
图3a是各阵元被同一频率的信号激励时发射超声波示意图；
图3b是按照一定激励顺序和时序控制激发各个阵元发射声波示意图，
图4是鱼群的位置坐标示意图；
图5为水下超声相控阵探测***的探鱼显示效果示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参照图1所示；本发明实施例提供的水下超声相控阵探测***，包括：超声相控阵换能器、接收端和处理器。
超声相控阵换能器包括多个阵元，通过控制各阵元发射信号的相位激励顺序及延时，合成方向连续变化的超声波束，以对水中不同方位目标进行扫描，并且各阵元能够接收目标的反射波并将反射波发送至接收端。
具体实施时，该超声相控阵换能器采用多个独立的压电晶片组成阵列，通过处理器按照激励顺序及时序控制激发各个压电晶片，使各个压电晶片发射的超声波叠加形成方向连续变化的超声波束，以对水下进行扫描。
同时，上述的压电晶片还能够接收目标的反射波，并将反射波输送至接收端。
图2a是超声相控阵换能器各阵元同时受到同一激励源激励的示意图，该阵列换能器包括N个阵元，其中，阵元中心间距为d，换能器孔径为D，c为声源所在介质的纵波波速，如图2a所示，如果各阵元同时受到同一激励源激励，则其合成波束垂直于换能器表面，主瓣与阵列的对称轴重合。若相邻阵元按照移动时间τs被激励源激励，则各阵元产生的声脉冲将相应的延迟τs，这样合成的波将不再与阵列平行，则合成波束方向不垂直于阵列，而是与阵列轴线形成一夹角θ，从而实现了声束的偏转，如图2b所示,是超声相控阵换能器通过时延控制而实现超声波束偏转的示意图。
根据波合成理论可知，相邻两阵元的时间延迟为：
τs也被成为发射偏转延迟，因此，可以通过改变发射偏转延迟τs来改变超声波的偏转角度θ。
图3a示意出了各阵元被同一频率的信号激励时发射超声波示意图，由于各阵元被同一频率的信号激励时，它们发出的声波的声压幅度在某一方向会因为同相叠加而增强。图3b示意出了按照一定激励顺序和时序控制激发各个阵元发射声波示意图，按一定激励顺序和时序用处理器控制激发各个阵元，使各阵元发射的超声波叠加形成一个方向连续变化的超声波束，能够对水下目标位置进行扫描。
作为本发明的一个优选实施方案，超声相控阵采用二维平面相控阵。利于平面相控阵能够控制两个维度的方向，进而为水下进行多方位的扫描。
本实施例中水下超声相控阵探测***中的接收端用以接收目标反射的反射波，将反射波转化为回波信号并发送至处理器。
处理器分别与超声相控阵和接收端连接，能够对各个阵元发射信号进行激励顺序和延时控制，同时，还能够根据所述接收端接收的回波信号计算目标位置信息。需要说明的使，这里的对于目标的位置信息算法属于现有技术，因此，本申请中不再对该算法进行详细说明。
作为本发明的一个优选实施方案，上述的水下超声相控阵探测***还包括显示器，所述显示器与处理器连接，显示器能够以图像和/或文字信息显示目标位置信息。
需要说明的是，上述的目标可以选自：水下动物个体或群体、暗礁、船体、水生植物、潜水者和岸边中的至少其中之一。
其中，上述的水下动物个体或群体在本发明实施例中为鱼类的个体或鱼群，下面本实施例以水下鱼群位置扫描为例，对鱼群的具***置计算进行说明。
鱼群位置的计算
图4示意出了鱼群的位置坐标示意图，由发射信号的声束角度，已知声束的方位角α和俯仰角θ，由接收信号的时延t计算出目标S的距离R＝1/2*ct，其中c为水中的声速，设其为1500m/s，继而可以得到目标S的坐标S’(x,y,z)，其中：
x＝R*sinθ*sinα
y＝R*sinθ*cosα
z＝R*cosθ
根据接收到的信号强度，绘制水平面的伪彩图，如：图5为水下超声相控阵探测***的探鱼显示效果示意图；
图中，信号强度越大，颜色越深，则代表鱼(群)越大。
与常规超声波探头比较，本发明提供的水下超声相控阵探测***具有明显的优势：
超声相控阵***突破了传统超声波探头只能对渔船正下方波束发射探测超声波导致探测范围固定且有限的问题，通过处理器能够对相应的区域进行多角度、多方向扫描，整个检测更加灵活。
作为本发明的一个优选实施方案，处理器通过有线或无线信号传输方式与超声相控阵换能器连接。
这里的处理器与超声相控阵换能器通过有线或无线方式信号连接。其中，处理器与超声相控阵换能器之间采用有线数据传输方式，处理器通过导线为超声相控阵换能器中各阵元传送信号，由于信号经导线传输，因此传输信号不受水体阻挡可布放到水面以下正常工作，更适合船钓、台钓等。处理器与超声相控阵换能器各阵元之间采用无线数据传输方式，由于没有导线的束缚，因此可以很方便的将设置有水下超声相控阵探测***的探鱼器投掷到很远的地方的水面上，水下超声相控阵探测***在探鱼器外壳作用下，漂浮在水面上并开始探测水下的鱼情，使用方便，较适合岸钓。
作为本发明的一个优选实施方案，所述无线信号传输方式采用WIFI或蓝牙。
作为本发明的一个优选实施方案，处理器可以采用智能手机、平板电脑或笔记本电脑等智能电子设备。
作为本发明的一个优选实施方案，上述的水下超声相控阵探测***还包括电源，所述电源用以供电。
另外，本发明实施例还提供了一种基于上述的水下超声相控阵探测***的水下探测方法，该方法包括如下步骤：
步骤A利用处理器控制超声相控阵换能器中各阵元的激励顺序及延时，发射方向连续变化的超声波束，以探测水下目标的位置进行全方位的扫描；同时，各阵元能够接收目标的反射波并将反射波发送至接收端；
步骤B
接收端接收目标反射的反射波，将反射波转化为回波信号发送至处理器；处理器根据回波信号计算目标位置信息；并将所述目标位置信息发送至显示器；所述显示器以图像和/或文字信息显示位置信息。
其中，在步骤A中，超声相控阵的扫描过程为：
利用处理器产生电信号，通过处理器按照一定的激励顺序及时序输出电信号至压电晶片，控制激发各个压电晶片，使各个压电晶片发射的超声波叠加形成方向连续变化的超声波束，以对目标方位扫描；
压电晶片还能够接收目标的反射波，并将反射波输送至接收端。
采用上述的水下探测方法，利用处理器控制超声相控阵换能器中各阵元发射方向连续变化的超声波束，以对水下目标位置的全方位扫描，同时，超声相控阵能够接收目标反射的反射波并发送至接收端，利用接收端将反射波转化为回波信号并发送至处理器以计算目标位置信息，显示器以图像和/或文字信息对水下目标位置的信息进行显示，满足当前人们的高效获取水中的目标信息的需求。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (12)

1.一种水下超声相控阵探测***，其特征在于，包括；
超声相控阵换能器，其包括多个阵元，通过控制各阵元发射信号的相位激励顺序及延时，合成方向连续变化的超声波束，以对水中不同方位进行扫描，并且各阵元能够接收目标的反射波并将反射波发送至接收端；
接收端，用以接收所述反射波，将反射波转化为回波信号并发送至处理器；
处理器，与所述超声相控阵换能器和接收端连接，能够对所述超声相控阵换能器中各阵元发射信号进行激励顺序和延时控制，同时，还能够根据所述接收端提供的回波信号计算目标位置信息。
2.根据权利要求1所述的水下超声相控阵探测***，其特征在于，所述超声相控阵换能器采用多个独立的压电晶片组成阵列，通过处理器按照激励顺序及时序控制激发各个所述压电晶片，使各个所述压电晶片发射的超声波叠加形成方向连续变化的超声波束，以对水中各方位进行扫描。
3.根据权利要求2所述的水下超声相控阵探测***，其特征在于，所述压电晶片还能够接收目标反射的反射波，并将反射波输送至接收端。
4.根据权利要求1所述的水下超声相控阵探测***，其特征在于，所述超声相控阵采用二维平面相控阵。
5.根据权利要求1所述的水下超声相控阵探测***，其特征在于，所述处理器通过有线或无线信号传输方式与超声相控阵换能器连接。
6.根据权利要求5所述的水下超声相控阵探测***，其特征在于，所述无线信号传输方式采用WIFI或蓝牙。
7.根据权利要求1所述的水下超声相控阵探测***，其特征在于，所述目标选自：水下动物个体或群体、暗礁、船体、水生植物、潜水者和岸边中的至少其中之一。
8.根据权利要求1所述的水下超声相控阵探测***，其特征在于，所述水下动物个体或群体为鱼或鱼群。
9.根据权利要求1-8任一项所述的水下超声相控阵探测***，其特征在于，还包括显示器，所述显示器与处理器连接，所述显示器能够以图像和/或文字信息显示所述目标位置信息。
10.一种水下探测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A利用处理器控制超声相控阵换能器中各阵元的激励顺序及延时，发射方向连续变化的超声波束，以探测水下目标的位置扫描；同时，各阵元能够接收反射波并将反射波发送至接收端；
步骤B
接收端接收目标反射的反射波，将反射波转化为回波信号发送至处理器；处理器根据回波信号计算目标位置信息；并将所述目标位置信息发送至显示器；所述显示器以图像和/或文字信息显示目标位置信息。
11.根据权利要求10所述水下探测方法，其特征在于，所述步骤A中，超声相控阵的扫描过程为：
利用处理器产生电信号，通过处理器按照一定的激励顺序及时序输出电信号至压电晶片，控制激发各个所述压电晶片，使各个所述压电晶片发射的超声波叠加形成方向连续变化的波阵面，以对水下各方位进行扫描；
所述压电晶片还能够接收目标的反射波，并将反射波输送至接收端。
12.根据权利要求10或11所述的水下探测方法，其特征在于，所述目标选自：水下动物个体或群体、暗礁、船体、水生植物、潜水者和岸边中的至少其中之一。
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