CN218031249U - 一种相控阵声学多普勒流速剖面仪 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种相控阵声学多普勒流速剖面仪，涉及遥测监控技术领域，包括：一种相控阵声学多普勒流速剖面仪，包括：外壳，外壳的前端连接有相控换能器，外壳内侧设有保护蓄电池的缓冲机构，外壳顶端设有用于转动外壳的转动机构设置有相控换能器，相控换能器平面阵是一个圆面阵，由厚度相等的正方体压电陶瓷颗粒排列而成，圆面阵由于其形态特性比较容易和载体形成共形结构，从而避免气泡对测量结果的影响，还能通过相控延时来调整发射接收波束的指向性，并且可以做到免除声速补偿，设置有连接杆、阻尼器、弹簧和弧形板，当外壳受到外力冲击时，通过弹簧和阻尼器的配合作用下，有利于对冲击力进行缓冲，达到减小冲击、保护电池的效果。

Description

一种相控阵声学多普勒流速剖面仪

技术领域

本实用新型属于遥测监控技术技术领域，具体涉及一种相控阵声学多普勒流速剖面仪。

背景技术

在海洋相关测量中，某区域海水剖面流速测量是最重要的观测要素之一，海水流场数据是海洋相关研究最基本的信息，目前，海水流场剖面流速测试的主要方法为：将配置好工作任务和参数的声学多普勒流速剖面仪，简称ADCP，当ADCP向水体中发射的声波脉冲信号碰到水体中悬浮的、随水体运动的微粒后产生反射，ADCP可以根据被反射到ADCP的声波脉冲信号和ADCP发射的声波脉冲信号频率的差异(即多普勒频移)，计算出相对于ADCP的流速大小。

但该ADCP在使用过程中，发现上述技术至少存在如下问题：一、ADCP在水下进行测量工作时，经常受到暗流的冲击，容易使内部电池位置发生偏移，与其他部件碰撞，造成损坏，二、ADCP在工作时候需要经常转换方向测量不同方位的流速，常规的活塞换能器式ADCP体积较大，比较笨重，安装不够方便，且活塞换能器的角度是固定的，因此不能对发射与接收的波束方向进行调整，此外，由于海洋中声速随环境而变化，若采用固定值必然会带来测速误差，因此必须进行声速补偿，这也增加了***规模与复杂度。

实用新型内容

实用新型目的：提供一种相控阵声学多普勒流速剖面仪，解决了现有技术存在的上述问题。

技术方案：一种相控阵声学多普勒流速剖面仪，包括：外壳，所述外壳的前端连接有相控换能器，所述外壳内侧设有保护蓄电池的缓冲机构，所述外壳顶端设有用于转动外壳的转动机构。

在进一步实施例中，所述相控换能器由2144个厚度相等的正方体压电陶瓷颗粒排列而成。

在进一步实施例中，所述相控换能器是一个平面阵，平面阵可发射四个对称的波束。

在进一步实施例中，平面阵分为两部分，分别用来产生X方向和Y方向的波束，X方向和Y方向都同时产生对称的两个波束，且四个波束均具有固定角度。

在进一步实施例中，所述外壳的内壁通过缓冲机构连接有蓄电池，所述蓄电池通过电路与相控换能器电性连接。

在进一步实施例中，所述缓冲机构的内部包括四个套筒，所述套筒与外壳固定连接，所述套筒的内部连接有阻尼器，所述阻尼器的一端连接有连接杆，所述阻尼器的外侧套接有弹簧，所述弹簧的一端与连接杆固定连接，所述弹簧的另一端与套筒固定连接，所述连接杆的一端贯穿套筒的内部连接有弧形板，所述弧形板与蓄电池固定连接。

在进一步实施例中，所述转动机构包括设置在外壳上方的密封盖，所述密封盖的顶端内嵌有轴承，所述轴承的内部连接有安装支架，所述安装支架的末端连接有第二齿轮，所述密封盖的内壁靠近轴承的位置连接有伺服电机，所述伺服电机通过电路与外部控制器电性连接，所述伺服电机输出轴的一端连接有第一齿轮，所述第一齿轮与第二齿轮啮合连接。

有益效果：

1、设置有相控换能器，相控换能器平面阵是一个圆面阵，由厚度相等的正方体压电陶瓷颗粒排列而成，圆面阵由于其形态特性比较容易和载体形成共形结构，从而避免气泡对测量结果的影响，还能通过相控延时来调整发射接收波束的指向性，并且可以做到免除声速补偿，因此在实际应用中的优势已经越来越明显；

2、设置有连接杆、阻尼器、弹簧和弧形板，当外壳受到外力冲击时，通过弹簧和阻尼器的配合作用下，有利于对冲击力进行缓冲，达到减小冲击、保护电池的效果；

3、设置有安装支架、伺服电机、第一齿轮和第二齿轮，通过安装支架将该相控阵ADCP固定在船上，开启伺服电机，带动第一齿轮旋转，通过第一齿轮和第二齿轮的连接作用下，带动伺服电机绕安装支架做圆周运动，进而实现带动密封盖和外壳进行角度调整，有利于对该相控阵ADCP探测的角度进行调整。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型外壳的内部剖视图；

图3是本实用新型相控阵ADCP的四波束示意图；

图4是本实用新型相控换能器圆形平面阵的布阵图；

图5是本实用新型相控换能器发射状态时的四个波束；

图6是本实用新型相控换能器接收状态时X方向的左波束；

图7是本实用新型相控换能器正下方单波束发射状态下的波束图；

图8是本实用新型密封盖的剖视图。

图中附图标记为：1、外壳；2、相控换能器；3、弧形板；4、蓄电池；5、套筒；6、连接杆；7、阻尼器；8、弹簧；9、安装支架；10、密封盖；11、轴承；12、伺服电机；13、第一齿轮；14、第二齿轮。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面将结合附图对本实用新型作进一步的详细介绍。

如图1-图7所示，一种相控阵声学多普勒流速剖面仪，包括：外壳1，外壳1的前端连接有相控换能器2，外壳1内侧设有保护蓄电池的缓冲机构，外壳1顶端设有用于转动外壳1的转动机构，如图1所示，相控阵ADCP的工作原理是通过水声平面阵换能器将电信号转化为声信号，对其发射指向性进行一定的相控后向水中发射，声波碰到水体中的散射体以及水底时会被散射，进而被相控阵ADCP所接收并进行相关的处理，获得所测水域的断面流速剖面，当由于水深较深使得声波无法到达水底时，PAADCP相对于水底的运动速度也可以通过GPS定位等辅助传感设备来测得，对测得的水体流速和相控阵ADCP自身相对于水底的运动速度作差，便可得到水体相对于水底的流速，深度不同的水层，其散射的回波信号被接收到的时间也不相同，这样就会使得PAADCP得到一个流速剖面，而且四个关于平面阵轴线对称的不同指向波束让相控阵ADCP不仅能测得不同水层的流速大小，还能测得水流的方向。

如图1所示，相控换能器2由2144个厚度相等的正方体压电陶瓷颗粒排列而成，如图4所示，将H1、H2、H3、H4方向的阵元(黑色阵元)并联起来，可以得到X方向的四个子阵，同理，将V1、V2、V3、V4方向的阵元(白色阵元)并联起来，便可得到Y方向的四个子阵，相控换能器2是一个平面阵，通过设置有相控换能器2，相控换能器2平面阵是一个圆面阵，由厚度相等的正方体压电陶瓷颗粒排列而成，圆面阵由于其形态特性比较容易和载体形成共形结构，从而避免气泡对测量结果的影响，还能通过相控延时来调整发射接收波束的指向性，并且可以做到免除声速补偿。

如图3所示，平面阵可发射四个对称的波束，平面阵分为两部分，分别用来产生X方向和Y方向的波束，X方向和Y方向都同时产生对称的两个波束，且四个波束均具有固定角度，如图5所示，当相控换能器平面阵处于发射状态时，对H1、H2输入相同信号，对H3、H4输入与之幅度相同，相位相反的信号，即对第二级二元子阵进行π的相位补偿，则可得到X方向的一对对称波束，与平面阵法线夹角为θ。同理，对V1、V2输入相同信号，对V3、V4输入与之幅度相同，相位相反的信号，即对第二级而元子阵进行π的相位补偿，则可得到Y方向的一对对称波束，与平面阵法线夹角也为θ，此时，平面阵可发射四个对称的波束；

如图6所示，当相控平面阵处于接收状态时，在X方向上，对H1、H2、H3、H4的接收信号相位分别相移±π/2、±π、±3π/2，则分别可以得到X方向上的右波束或左波束，如图4所示，同理，对V1、V2、V3、V4的接收信号相位分别相移±π/2、±π、±3π/2，则分别可得到Y方向上的前波束和后波束，从而实现单波束通道的区分接收。

如图7所示，在既定的换能器发射ping次里面，去固定间隔的ping次给全部阵元同加载信号源，无相移，无延时，可以得到一个指向性较好的能量集中在正下方的能量波形，接收时，在正下方无延时无相移也会得到图5的接受能量指向，根据低跟踪的回波算法计算，计算出当个ping次的水深，以600KHz换能器为例，分时测深状态下的单波束波束角约为3-4度，此种分时测深可用一个换能器代替原来五个换能器的活塞是测深ADCP，大大降低了成本的同时也节省了大量的空间，使得仪器小巧轻便还省钱。

实施例2：

本实施例的具体结构，如图1-8所示，外壳1的内壁通过缓冲机构连接有蓄电池4，蓄电池4通过电路与相控换能器2电性连接。

如图2所示，缓冲机构的内部包括四个套筒5，套筒5与外壳1固定连接，套筒5的内部连接有阻尼器7，阻尼器7的一端连接有连接杆6，阻尼器7的外侧套接有弹簧8，弹簧8的一端与连接杆6固定连接，弹簧8的另一端与套筒5固定连接，连接杆6的一端贯穿套筒5的内部连接有弧形板3，弧形板3与蓄电池4固定连接，通过设置有连接杆6、阻尼器7、弹簧8和弧形板3，当外壳1受到外力冲击时，通过弹簧8和阻尼器7的配合作用下，有利于对冲击力进行缓冲，达到减小冲击、保护电池的效果。

如图8所示，转动机构包括设置在外壳1上方的密封盖10，密封盖10的顶端内嵌有轴承11，轴承11的内部连接有安装支架9，安装支架9的末端连接有第二齿轮14，密封盖10的内壁靠近轴承11的位置连接有伺服电机12，伺服电机12通过电路与外部控制器电性连接，伺服电机12输出轴的一端连接有第一齿轮13，第一齿轮13与第二齿轮14啮合连接，通过设置有安装支架9、伺服电机12、第一齿轮13和第二齿轮14，通过安装支架9将该相控阵ADCP固定在船上，开启伺服电机12，带动第一齿轮13旋转，通过第一齿轮13和第二齿轮14的连接作用下，带动伺服电机12绕安装支架9做圆周运动，进而实现带动密封盖10和外壳1进行角度调整，有利于对该相控阵ADCP探测的角度进行调整。

工作原理：当外壳1受到外力冲击时，通过弹簧8和阻尼器7的配合作用下，有利于对冲击力进行缓冲，达到减小冲击、保护电池的效果，开启伺服电机12，带动第一齿轮13旋转，通过第一齿轮13和第二齿轮14的连接作用下，带动伺服电机12绕安装支架9做圆周运动，进而实现带动密封盖10和外壳1进行角度调整，有利于对该相控阵ADCP探测的角度进行调整。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (7)

1.一种相控阵声学多普勒流速剖面仪，其特征在于，包括：外壳(1)，所述外壳(1)的前端连接有相控换能器(2)，所述外壳(1)内侧设有保护蓄电池的缓冲机构，所述外壳(1)顶端设有用于转动外壳(1)的转动机构。

2.如权利要求1所述的一种相控阵声学多普勒流速剖面仪，其特征在于：所述相控换能器(2)由2144个厚度相等的正方体压电陶瓷颗粒排列而成。

3.如权利要求1所述的一种相控阵声学多普勒流速剖面仪，其特征在于：所述相控换能器(2)是一个平面阵，平面阵可发射四个对称的波束。

4.如权利要求3所述的一种相控阵声学多普勒流速剖面仪，其特征在于：平面阵分为两部分，分别用来产生X方向和Y方向的波束，X方向和Y方向都同时产生对称的两个波束，且四个波束均具有固定角度。

5.如权利要求1所述的一种相控阵声学多普勒流速剖面仪，其特征在于：所述外壳(1)的内壁通过缓冲机构连接有蓄电池(4)，所述蓄电池(4)通过电路与相控换能器(2)电性连接。

6.如权利要求5所述的一种相控阵声学多普勒流速剖面仪，其特征在于：所述缓冲机构的内部包括四个套筒(5)，所述套筒(5)与外壳(1)固定连接，所述套筒(5)的内部连接有阻尼器(7)，所述阻尼器(7)的一端连接有连接杆(6)，所述阻尼器(7)的外侧套接有弹簧(8)，所述弹簧(8)的一端与连接杆(6)固定连接，所述弹簧(8)的另一端与套筒(5)固定连接，所述连接杆(6)的一端贯穿套筒(5)的内部连接有弧形板(3)，所述弧形板(3)与蓄电池(4)接触。

7.如权利要求1所述的一种相控阵声学多普勒流速剖面仪，其特征在于：所述转动机构包括设置在外壳(1)上方的密封盖(10)，所述密封盖(10)的顶端内嵌有轴承(11)，所述轴承(11)的内部连接有安装支架(9)，所述安装支架(9)的末端连接有第二齿轮(14)，所述密封盖(10)的内壁靠近轴承(11)的位置连接有伺服电机(12)，所述伺服电机(12)通过电路与外部控制器电性连接，所述伺服电机(12)输出轴的一端连接有第一齿轮(13)，所述第一齿轮(13)与第二齿轮(14)啮合连接。

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