CN104122559B - 一种用于流体在线监测成像的声纳镜装置 - Google Patents

Abstract

一种用于流体在线监测成像的声纳镜装置，给出了一个完整的水声通信系统，水声二位四通信道是公司科研的创新,由该信道传输后的接收信号,可视为经由不同路径到达的、具有不同时延和幅度的多个分量的叠加，发射换能器与接收换能器之间的声传播主要由界面反射和直达路径组成，到达接收端换能器的各条路径的信号有着不同的路径长度,因而到达接收机的时间各不相同的信号幅度，在水声信道中的收发两端始终存在着一条以上的传播路径,因此多途在任何时候都可发生,由于水声场的时间‑空间‑频率变化特性,使得多途现象尤为突出，本发明主要作用于在工业容器、反应器、搅拌器等极近距离的非均相性状的检测控制，能够克服多途干扰、时域和多普勒扩展、时变衰落，重点解决了水声通信中的问题。

Description

一种用于流体在线监测成像的声纳镜装置

技术领域

本实用是在回顾声纳技术发展简史的基础上，研发的一种用于流体在线监测成像的声纳镜装置，属于声纳技术检测中用于封闭容器内物料的在线成像技术创新领域。

背景技术

当今世界已进入了飞速发展的信息时代,通信是这一进程中发展最为迅速进步最快的行业，陆地和空中通信领域包括的两个最积极、最活跃和发展最快的分支Internet网和移动通信网日臻完善，而水中通信的发展刚刚崭露头角，有缆方式的信息传输由于目标活动范围受限制、通信缆道的安装和维护费用高昂以及对其它水域活动可能存在影响等缺点，极大地限制了它在水域环境中的应用，另外由于在浑浊、含盐的水域中光波、电磁波的传播衰减都非常大，即使是衰减最小的蓝绿光的衰减也达到了40dB/km,因而它们在水中的传播距离十分有限，远不能满足人类在水域活动的需要.在非常低的频率(200Hz以下)，声波在水域中却能传播几百公里,即使20kHz的声波在水中的衰减也只有2—3dB/km,因此水下通信一般都使用声波来进行通信，而在这个频率范围内，声波在水中(包括海水)的衰减与频率的平方成正比，声波的这个特性导致了水下声信道是带宽受限，采用声波作为信息传送的载体是目前海中实现中、远距离无线 通信的唯一手段。

对比文件：申请(专利)号 CN201410209162.6一种水下声学视频成像装置；申请(专利)号 CN201410167065.5一种被动声纳阵列信号仿真中的海洋信道仿真方法；申请(专利)号CN201410166921.5一种开放式阵列信号的仿真方法；在仔细分析了上述发明内容后，感觉其还是缺少新颖性介绍及不足，别说本行业的普通技术员按照公开内容能够理解，不能够根据公开内容直接地、毫无疑义地确定的内容来复制，而本发明是在回顾声纳技术发展简史的基础上的进一步创新，明确、清晰地介绍了“一种用于流体在线监测成像的声纳镜装置”， 主要作用于封闭容器内物料的在线成像技术，参考文件：声纳技术及其应用专题35卷(2006年)12期。

发明内容

声纳系统一般是由发射机、换能器(水听器)、接收机、显示器和控制器等几个部件组成，发射机用于产生需要的电信号，以便激励换能器将电信号转变为声信号向水中发射，水听器接收后又将其转变为电信号，电信号经接收机放大和各种处理，再将处理结果反馈至控制器或显示系统，最后根据这些处理的信息可测出目标的位置，判断出目标的性质等，从而完成声纳的使命，这是常见的“主动声纳”工作原理.还有“被动声纳”和“主、被动综合声有益效果，“被动声纳”是利用目标辐射的声波,因此声波在水域中只是单程传播，系统的核心部件是用来测听目标声波的水听器。

综合声纳系统在水下声学通信信道两端都有发射换能器和接收换能器，声纳的水上部分都是以电子计算机为中心的数据采集、处理、图像显示等设备，水下部分则是水声换能器(或基阵) 水声换能器是声纳系统的重要部件，根据工作状态的不同可分为两类：一类称为发射换能器，它将电能转换为机械能，再转换为声能；另一类称为接收换能器，它将声能转换为机械能，再转换为电能，实际应用中的水声换能器兼有发射和接收两种功能，现代声纳技术对水声发射换能器的要求是：低频、大功率、高效率以及能在深海中工作等特性。

而本设计的是应用于工业容器、反应器、搅拌器等极近距离的非均相性状的检测控制装置，简单地说,是让接收机或已知或估计出发射机的载频频率和相位信息来进行解调处理，而非相干通信接收机一般不需要知道发射机载频的相位信息，根据水下信道传播的特性，信号的频率成分包含在其原始信号的带宽中，而信号的幅度和相位由于混响的作用在空间和时间域上变化很大，因此多频移键控调制(量子)创意成了非相干调制方案选择。

系统使用不同的音频（量子）脉冲来表示数字信息，在接收端判断是哪个音频（量子）被发送，是基于窄带滤波器的输出端的能量检测原理，我公司根据水声量子学的研究发现用低频声波传递信号，对于远距离目标的定位和检测有着明显的优越性，因为低频声波在水域中传播时，被水吸收的量子数值比高频声波量子要低，故能比高频声波传播更远的距离,这对增大探测范围非常有益，对于主要作用在工业容器、反应器、搅拌器等极近距离的非均相性状的检测控制中，克服了多途干扰、时域和多普勒扩展、时变衰落，重点解决了水声通信中的问题，应用在工业容器、反应器、搅拌器等极近距离的非均相性状的成像，方便检测控制。

有益效果

具有流场动态测量能力，能够测量流场的水平流速分层及垂直流速分层；具有液面测量能力；通过对颗粒散射特性的分析，测试颗粒的粒径及浓度；具有对滤芯直径测量的能力，主要作用在工业容器、反应器、搅拌器等极近距离的非均相性状的检测控制，能够克服多途干扰、时域和多普勒扩展、时变衰落,重点解决了水声通信中的问题。

附图说明

图1是装置系统图图；

图 2是回声测距示意图；

图解：阵列换能器1、A组量子发射器2、A组量子接收机3、A组信号处理器4、B组量子发射器2-1、B组量子接收机3-1B组信号处理器4-1，显示控制计算机5、上位模块6、下位模块7、声控管8；

技术方案：

一种用于流体在线监测成像的声纳镜装置，包括以下步骤：采用换能器阵列内存设计与AB二组量子发射器、量子接收机链接，通过信号处理器将流体参数显示在控制计算机上，是由阵列换能器、量子发射器、量子接收机、信号处理器、显示控制计算机、上位模块、下位模块、声控管用回转线路连接组成，其特征是：换能器反应采用二位四通结构阵列信号排序，上位模块、下位模块以嵌入方式按插在回转线路板上，集成上、下二位的四通导向结构，再用固定法安装在阵列换能器的设计部位上，(A组)：通过量子接收机接收的信息输入信号处理器处理，由信号处理器将流体参数通过量子发射器返回与换能器阵列内存中数据对比，将对比结果由（B组）的量子接收机将信号输入信号处理器，A、B二组的量子发射器、量子接收机之间的信号可智能互换（见附图）。

A、B二组的量子发射器、量子接收机、信号处理器用串联法链接成组，每组的量子发射器、量子接收机各用一根单相金属屏蔽线连接二脚插接件，量子发射器、量子接收机串联法插接在阵列换能器内存上的不同位置点上，所述的上、下二位四通导向结构是由四道水下声学通信信道串联组成，其两端都链接有发射换能器和接收换能器。

A、B二组的量子发射器、量子接收机由四通导向结构中的线路分别连接信号处理器，再分别连接在显示控制计算机上，上位模块、下位模块中至少有一个以上不同数据设计的换能器基元，每个阵列换能器基元中至少安装有一个以上单独的发射和接收电路，并由四通线路接受显示控制计算机的控制（二位四通结构之特点），所有阵列换能器的基元可以独立工作，也可以同步工作，可按照系统工作的方式转换，在阵列换能器基元完成的信号形成、发射驱动、功率放大及匹配输出后，完成回波信号的接收、放大、滤波及信号处理，并将处理结果发送至显示控制的计算机上，其功能主要作用在工业容器、反应器、搅拌器等极近距离的非均相性状的检测控制，能够克服多途干扰、时域和多普勒扩展、时变衰落,重点解决了水声通信中的问题。

当液面测量在精度要求不高的情况下，阵列换能器也能够具有液面测量的能力，阵列换能器基元液体中的固体颗粒将对声波产生散射，通过对不同粒径的固体颗粒及不同浓度的液体形成对照数据库，将测量结果与数据库中的数据进行比对，确定颗粒的粒径分布及浓度的估计，发射一指向性波束遇到滤芯表面发生声反射，反射声波被同一阵列换能器接收到，并通过放大、滤波、检波等处理后测量回波与发射时刻的时间差τ，阵列换能器表面离开滤芯表面的距离通过如下公式计算： d=c ×τ/ 2其中c为液体中的声速。

具体实施

一种用于流体在线监测成像的声纳镜装置，包括以下步骤：采用换能器阵列内存设计与A、B二组量子发射器、量子接收机链接，通过信号处理器将流体参数显示在控制计算机上，是由阵列换能器1、量子发射器2、量子接收机3、信号处理器4、显示控制计算机5、上位模块6、下位模块7、声控管8用回转线路连接组成，其特征是：换能器反应采用二位四通结构阵列信号排序，上位模块6、下位模块7以嵌入方式按插在回转线路板上，集成上、下二位的四通导向结构，再安装在阵列换能器1的设计部位上，A组：通过量子接收机3接收的信息输入信号处理器4处理，由信号处理器4将流体参数通过量子发射器2返回与换能器阵列内存中数据对比，将对比结果由B组的量子接收机3将信号输入信号处理器4，A、B二组的量子发射器2、量子接收机3之间的信号可智能互换（见附图）。

A、B二组的量子发射器2、量子接收机3、信号处理器4用串联法链接成组，每组的量子发射器2、量子接收机3各用一根单相金属屏蔽线连接二脚插接件，量子发射器2、量子接收机3用串联法插接在阵列换能器内存上的不同位置点上， A、B二组的量子发射器2、量子接收机3由四通导向结构中的线路分别连接信号处理器4，再用余线分别连接在显示控制计算机5上，上位模块6、下位模块7中至少有一个以上不同数据设计的换能器基元。

每个阵列换能器1基元中至少安装有一个以上单独的发射和接收电路，并由四通线路接受显示控制计算机的控制（二位四通结构之特点），所有阵列换能器1的基元可以独立工作，也可以同步工作，可按照系统工作的方式转换，信息转换成电信号,并由信号处理器4将信息数字化处理后,换能器1中上位模块6又将电信号转换为声信号，声信号通过水这一介质,将信息传递到量子接收机3,这时声信号又转换为电信号, 信号处理器4将数字信息破译后, 量子接收机3的信息通过下位模块7变成声音、文字及图片，声能和电能相互转换,在空气中、水中、固体中任意发射和接收不同频率、不同强度的声信号在阵列换能器1基元完成的信号形成、发射驱动、功率放大及匹配后通过量子发射器2输出，完成回波信号的接收、放大、滤波及信号处理，并将处理结果发送至显示控制的计算机5上。

当液面测量在精度要求不高的情况下，阵列换能器1也能够具有液面测量的能力，阵列换能器1基元液体中的固体颗粒将对声波产生散射，通过对不同粒径的固体颗粒及不同浓度的液体形成对照数据库，将测量结果与数据库中的数据进行比对，确定颗粒的粒径分布及浓度的估计，量子发射器2发射一指向性波束遇到滤芯表面发生声反射，反射声波被同一阵列换能器1接收到，并通过放大、滤波、检波等处理后测量回波与发射时刻的时间差τ，阵列换能器1表面离开滤芯表面的距离通过如下公式计算： d=c ×τ/ 2其中c为液体中的声速。

由于滤芯固定安装，其中心线与换能器表面的距离可以通过设计及实际测量得到，所以测量得到d就可以反推出滤芯的直径，通过阵列换能器1得到的所有测量数据反推出滤芯的直径图像，由于液体中固体颗粒存在干扰现象，在实际测量中需要对回声测距的数据进行统计和积分后取得，并将滤芯生长过程的记录，形成生长曲线，由于滤芯固定安装，其中心线与换能器表面的距离可以通过设计及实际测量得到，所以测量得到d就可以反推出滤芯的直径，通过阵列换能器1得到的所有测量数据可反推出滤芯的直径图像。

本设计的一种用于流体在线监测成像的声纳镜装置，给出了一个完整的水声通信系统，水声二位四通信道是公司科研的创新点,由该信道传输后的接收信号，可视为经由不同路径到达的、具有不同时延和幅度的多个分量的叠加，发射换能器与接收换能器之间的声传播主要由界面反射和直达路径组成，到达接收端换能器的各条路径的信号有着不同的路径长度，因而到达接收机的时间各不相同的信号幅度，在水声信道中的收发两端始终存在着一条以上的传播路径,因此多途在任何时候都可发生,由于水声场的时间-空间-频率变化特性，使得多途现象尤为突出，而本发明主要作用在工业容器、反应器、搅拌器等极近距离的非均相性状的检测控制，克服了多途干扰、时域和多普勒扩展、时变衰落，重点解决了水声通信中的问题。

最后，以上显示和描述了本设计的主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明设计不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本设计部分的结构原理，在不脱离本设计的精神和范围的前提下还会有各种变化和改进，这些变化和改进都应落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界。

Claims (1)

1.一种用于流体在线监测成像的声纳镜装置，是由阵列换能器（1）、A组量子发射器（2）、A组量子接收机（3）、A组信号处理器（4）、B组量子发射器（2-1）、B组量子接收机（3-1）、B组信号处理器（4-1）、显示控制计算机（5）、上位模块（6）、下位模块（7）、声控管（8）组成；采用换能器阵列内存与A、B二组的量子发射器、量子接收机连接，通过信号处理器将流体参数显示在控制计算机上；其特征是：换能器采用二位四通结构阵列信号排序，上位模块（6）、下位模块（7）以嵌入方式按插在阵列换能器（1）的回转线路板上，集成上、下二位的四通导向结构，再安装在阵列换能器（1）的设计部位上；A组量子接收机（3）接收上位模块（6）的信息输入A组信号处理器（4）；再由A组信号处理器（4）将流体参数通过A组量子发射器（2）返回与换能器阵列内存中数据对比，将对比结果由B组量子接收机（3-1）将信号输入B组信号处理器（4-1）；

A、B二组的量子发射器（2、2-1）之间的信号可智能互换，A、B二组的量子接收机（3、3-1）之间的信号可智能互换，A、B二组每组的量子发射器（2、2-1）、量子接收机（3、3-1）各用一根单相金属屏蔽线连接二脚插接件，A、B二组每组的量子发射器（2、2-1）、量子接收机（3、3-1）串联插接在阵列换能器内存上的不同位置点上；

所述的二位的四通导向结构由四道水下声学通信信道串联，其两端都连接有发射换能器和接收换能器；A、B二组每组的量子发射器（2、2-1）、量子接收机（3、3-1）由四通导向结构中的线路分别连接A、B二组每组的信号处理器（4、4-1），再分别连接在显示控制计算机（5）上；上位模块（6）、下位模块（7）中各有一个不同数据设计的换能器基元；

阵列换能器（1）的每个基元中安装有单独的发射和接收电路，并由四通线路接受显示控制计算机的控制；阵列换能器（1）的所有基元可以独立工作，也可以同步工作，可按照系统工作的方式转换，在阵列换能器（1）基元完成的信号形成发射驱动、功率放大及匹配输出后，完成回波信号的接收、放大、滤波及信号处理，并将处理结果发送至显示控制的计算机上；

当液面测量在精度要求不高的情况下，阵列换能器（1）也能够具有液面测量的能力，并通过放大滤波、检波处理后测量发射波接收时刻与指向性波速的时间差τ，阵列换能器（1）表面离开滤芯表面的距离通过如下公式计算： d=c ×τ/ 2其中c为液体中的声速。