CN106646371A - 一种水下超声源定位系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水下超声源定位系统，至少包括：由压电元件交叉排列构成的感应阵列和电压检测设备；所述压电元件的信号输出端均与所述电压检测设备的信号输入端通讯连接；所述电压检测设备获得各压电元件的输出电压值，所述输出电压值最大的两个压电元件的交叉点距离超声源最近。本发明先设计由压电元件交叉排列构成的感应阵列和电压检测设备。接着由各压电元件基于压电效应监测到由超声波引起的水纹扰动，并通过电压的形式输出到电压检测设备，输出电压值最大的两个压电元件的交叉点距离超声源最近，从而实现了对水下超声源的定位。
Description
技术领域
本发明涉及定位技术领域，尤其涉及一种水下超声源定位系统。
背景技术
水下超声源定位是建立在超声波传播技术基础上的一种海上定位技术和方法。电磁波在海水高导电解质中传播有极大的衰减，而与之相反，声信号却在海水中衰减很小，能传播很远的距离，因此水声技术被广泛地应用到水下声学定位、目标追踪、传感预警等领域中。其中，水下超声源定位技术对海洋生物研究、海洋资源勘探、海上救援、潜艇追踪预警等都具有十分重要的意义。当前我国的海洋事业正在进入一个快速发展的新阶段，对水下超声源定位技术的研究也是对我国海洋开发和技术装备研制的重要贡献，是十分必要的。
但是，目前我国还没有针对水下超声源进行定位的定位系统。
发明内容
本发明通过提供一种水下超声源定位系统，实现了对水下超声源的定位的技术效果。
本发明提供了一种水下超声源定位系统，至少包括：由压电元件交叉排列构成的感应阵列和电压检测设备；所述压电元件的信号输出端均与所述电压检测设备的信号输入端通讯连接；所述电压检测设备获得各压电元件的输出电压值，所述输出电压值最大的两个压电元件的交叉点距离超声源最近。
进一步地，所述感应阵列至少包括：三个横向压电元件和三个纵向压电元件；所述横向压电元件与所述纵向压电元件交叉排列。
进一步地，所述三个横向压电元件相互平行，所述三个纵向压电元件相互平行；所述横向压电元件与所述纵向压电元件相互垂直交叉排列。
进一步地，所述压电元件至少包括：第一导线、第二导线、第一导电层、压电层、第二导电层及绝缘层；所述第一导电层和所述第二导电层分别设置在所述压电层的两面；所述第一导线设置在所述第一导电层上；所述第二导线设置在所述第二导电层上；所述绝缘层包裹在所述第一导线、所述第二导线、所述第一导电层、所述压电层和所述第二导电层的外部；所述第一导线和所述第二导线穿过所述绝缘层与所述电压检测设备的信号输入端通讯连接。
进一步地，所述第一导线和所述第二导线分别设置在所述第一导电层和所述第二导电层相反的两端。
进一步地，所述第一导线和所述第二导线分别设置在所述第一导电层和所述第二导电层相反的最远端，以实现所述第一导线和所述第二导线之间的最大间距。
进一步地，还至少包括：
数据处理模块，用于根据公式V/V0＝e-αL计算得到所述超声源距离所述输出电压值最大的两个压电元件的交叉点的距离L；其中，V为所述压电元件的输出电压值，V0为所述压电元件输出的初始电压值，α为衰减系数。
进一步地，还至少包括：
存储模块，用于存储衰减值V/V0与距离L的对应关系；其中，V为所述压电元件的输出电压值，V0为所述压电元件输出的初始电压值；
查询模块，用于接收由所述电压检测设备输出的电压值，并根据所述电压值得到衰减值，再通过查询所述存储模块得到与所述衰减值对应的距离L。
进一步地，所述衰减值V/V0与所述距离L的对应关系以衰减曲线和/或对应关系表的形式存储在所述存储模块中。
进一步地，还至少包括：示波器和处理器；所述示波器的信号输入端与所述电压检测设备的信号输出端通讯连接，所述示波器的信号输出端与所述处理器的信号输入端通讯连接。
本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
先设计由压电元件交叉排列构成的感应阵列和电压检测设备。接着由各压电元件基于压电效应监测到由超声波引起的水纹扰动，并通过电压的形式输出到电压检测设备，输出电压值最大的两个压电元件的交叉点距离超声源最近，从而实现了对水下超声源的定位。
附图说明
图1为本发明实施例提供的水下超声源定位系统中感应阵列的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的水下超声源定位系统中压电元件的结构示意图；
其中，1-横向压电元件，2-纵向压电元件，3-第一导线，4-第二导线，5-第一导电层，6-压电层，7-第二导电层，8-绝缘层。
具体实施方式
本发明实施例通过提供一种水下超声源定位系统，实现了对水下超声源的定位的技术效果。
本发明实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
先设计由压电元件交叉排列构成的感应阵列和电压检测设备。接着由各压电元件基于压电效应监测到由超声波引起的水纹扰动，并通过电压的形式输出到电压检测设备，输出电压值最大的两个压电元件的交叉点距离超声源最近，从而实现了对水下超声源的定位。
为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
本发明实施例提供的水下超声源定位系统，至少包括：由压电元件交叉排列构成的感应阵列和电压检测设备；压电元件的信号输出端均与电压检测设备的信号输入端通讯连接；电压检测设备获得各压电元件的输出电压值，输出电压值最大的两个压电元件的交叉点距离超声源最近。
参见图1，对感应阵列的结构进行说明，感应阵列至少包括：三个横向压电元件1和三个纵向压电元件2；横向压电元件1与纵向压电元件2交叉排列。
对感应阵列的结构进行进一步说明，三个横向压电元件1相互平行，三个纵向压电元件2相互平行；横向压电元件1与纵向压电元件2相互垂直交叉排列。
在本实施例中，三个横向压电元件1相互之间的间距在10-20cm之间，三个纵向压电元件2相互之间的间距在10-20cm之间，此间距可根据实际需求进行调整。
这里需要说明的是，可以根据不同的定位需求，设置更多的横向压电元件1和纵向压电元件2，且横向压电元件1和纵向压电元件2的数量可以不相等，即除了可以是3*3阵列之外，还可以是4*4阵列、5*5阵列、4*5阵列等，本发明实施例对感应阵列的具体形式不做出具体限制。
参见图2，对压电元件的结构进行说明，压电元件至少包括：第一导线3、第二导线4、第一导电层5、压电层6、第二导电层7及绝缘层8；第一导电层5和第二导电层7分别设置在压电层6的两面；第一导线3设置在第一导电层5上；第二导线4设置在第二导电层7上；绝缘层8包裹在第一导线3、第二导线4、第一导电层5、压电层6和第二导电层7的外部；第一导线3和第二导线4穿过绝缘层8与电压检测设备的信号输入端通讯连接。
在本实施例中，第一导线3和第二导线4均为金属导线，且直径均为20-40μm。第一导电层5和第二导电层7均为聚合物层，压电层6为复合压电聚合物层，且第一导电层5、压电层6和第二导电层7的厚度均为8-20μm，宽度均为0.8-1.5mm。绝缘层8的材料为绝缘防水材料，且为截面呈矩形的聚合物绝缘层。
为了降低第一导线3和第二导线4之间的信号干扰，第一导线3和第二导线4分别设置在第一导电层5和第二导电层7相反的两端。
具体地，第一导线3和第二导线4分别设置在第一导电层5和第二导电层7相反的最远端，以实现第一导线3和第二导线4之间的最大间距。
在本实施例中，压电元件为压电纤维，且单根压电纤维的内部整体结构的高度为300-500μm，宽度为1-2mm。压电纤维都是利用压电聚合物、导电聚合物、绝缘聚合物等材料在拉丝塔中拉制而成的。
为了得到超声源距离输出电压值最大的两个压电元件的交叉点的距离，还至少包括：
数据处理模块，用于根据公式V/V0＝e-αL计算得到超声源距离输出电压值最大的两个压电元件的交叉点的距离L；其中，V为压电元件的输出电压值；V0为压电元件输出的初始电压值；α为衰减系数，其由超声源频率和水质情况决定。
本发明实施例还提供了另一种得到超声源距离输出电压值最大的两个压电元件的交叉点的距离的方法。具体地，还至少包括：
存储模块，用于存储衰减值V/V0与距离L的对应关系；其中，V为压电元件的输出电压值；V0为压电元件输出的初始电压值；
查询模块，用于接收由电压检测设备输出的电压值，并根据电压值得到衰减值，再通过查询存储模块得到与衰减值对应的距离L。
在本实施例中，衰减值V/V0与距离L的对应关系以衰减曲线和/或对应关系表的形式存储在存储模块中。
本发明实施例的定位过程如下：
将感应阵列与水面贴合。当水下存在超声源扰动时，感应阵列中的压电纤维会因压电效应而输出电压到电压检测设备；再从这些电压值中获得输出电压值最大的横向压电纤维和输出电压值最大的纵向压电纤维，则在这两根压电纤维的交叉点处能得到最大的压电响应，说明水下超声源离此交叉点最近(相对其他交叉点而言)。那么通过这两根压电纤维的交叉点的所在位置就指示了超声源的二维方位。超声源离水面的这两根压电纤维的交叉点的距离能通过数据处理模块和/或查询模块得到。这样，就确定了水下超声源的三维位置信息。
本发明实施例还提供了另一种水下超声源定位系统，至少包括：由压电元件交叉排列构成的感应阵列、电压检测设备、示波器和处理器；其中，压电元件、感应阵列和电压检测设备的结构如上所述，这里不做赘述。示波器的信号输入端与电压检测设备的信号输出端通讯连接，示波器的信号输出端与处理器的信号输入端通讯连接。
在本实施例中，示波器为数字示波器。
为了对信号进行放大，还至少包括：放大模块；放大模块的信号输入端与电压检测设备的信号输出端通讯连接，放大模块的信号输出端与示波器的信号输入端通讯连接。
在本实施例中，放大模块的放大范围为34dB-54dB。
本发明实施例的定位原理如下：
将感应阵列与水面贴合。当水下存在超声源扰动时，感应阵列中的压电纤维会因压电效应而输出电压到电压检测设备。电压信号通过放大模块放大后到达数字示波器以时域变化波形和数据信息的方式呈现，处理器通过对变化波形和数据信息进行处理就能获取每根压电纤维受到的水下超声压力影响信息，从而得到输出电压值最大的横向压电纤维和输出电压值最大的纵向压电纤维，进而基于这两根压电纤维的交叉点实现对水下超声源的二维定位。
这里需要说明的是，可以将数据处理模块、存储模块和查询模块设置在处理器中，从而实现对水下超声源的三维定位。
【技术效果】
1、先设计由压电元件交叉排列构成的感应阵列和电压检测设备。接着由各压电元件基于压电效应监测到由超声波引起的水纹扰动，并通过电压的形式输出到电压检测设备，输出电压值最大的两个压电元件的交叉点距离超声源最近，从而实现了对水下超声源的定位。
2、本发明实施例中的压电元件为压电纤维，且压电纤维都是利用压电聚合物、导电聚合物、绝缘聚合物等材料在拉丝塔中拉制而成的，性质柔软、长度可控、性能稳定，因此，由多根压电纤维交叉排列构成的感应阵列的规模尺寸和构成形式都是可以根据需求灵活可变的。此外，由于压电纤维的高温拉丝工艺是在光纤拉制工艺的基础上改进而来的，因此，与光纤的批量生产类似，本发明实施例中的压电纤维的工艺制作同样适合大规模工业生产。
3、本发明实施例中的第一导线3和第二导线4分别设置在第一导电层5和第二导电层7相反的两端，从而降低了信号的干扰，进而提高了本发明实施例的定位精度。
4、本发明实施例还提供了两种获得超声源距离输出电压值最大的两个压电元件的交叉点的距离的方法，进一步实现了对超声源的定位。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种水下超声源定位系统，其特征在于，至少包括：由压电元件交叉排列构成的感应阵列和电压检测设备；所述压电元件的信号输出端均与所述电压检测设备的信号输入端通讯连接；所述电压检测设备获得各压电元件的输出电压值，所述输出电压值最大的两个压电元件的交叉点距离超声源最近。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述感应阵列至少包括：三个横向压电元件和三个纵向压电元件；所述横向压电元件与所述纵向压电元件交叉排列。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述三个横向压电元件相互平行，所述三个纵向压电元件相互平行；所述横向压电元件与所述纵向压电元件相互垂直交叉排列。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压电元件至少包括：第一导线、第二导线、第一导电层、压电层、第二导电层及绝缘层；所述第一导电层和所述第二导电层分别设置在所述压电层的两面；所述第一导线设置在所述第一导电层上；所述第二导线设置在所述第二导电层上；所述绝缘层包裹在所述第一导线、所述第二导线、所述第一导电层、所述压电层和所述第二导电层的外部；所述第一导线和所述第二导线穿过所述绝缘层与所述电压检测设备的信号输入端通讯连接。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第一导线和所述第二导线分别设置在所述第一导电层和所述第二导电层相反的两端。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第一导线和所述第二导线分别设置在所述第一导电层和所述第二导电层相反的最远端，以实现所述第一导线和所述第二导线之间的最大间距。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还至少包括：
数据处理模块，用于根据公式V/V0＝e-αL计算得到所述超声源距离所述输出电压值最大的两个压电元件的交叉点的距离L；其中，V为所述压电元件的输出电压值，V0为所述压电元件输出的初始电压值，α为衰减系数。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还至少包括：
存储模块，用于存储衰减值V/V0与距离L的对应关系；其中，V为所述压电元件的输出电压值，V0为所述压电元件输出的初始电压值；
查询模块，用于接收由所述电压检测设备输出的电压值，并根据所述电压值得到衰减值，再通过查询所述存储模块得到与所述衰减值对应的距离L。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述衰减值V/V0与所述距离L的对应关系以衰减曲线和/或对应关系表的形式存储在所述存储模块中。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还至少包括：示波器和处理器；所述示波器的信号输入端与所述电压检测设备的信号输出端通讯连接，所述示波器的信号输出端与所述处理器的信号输入端通讯连接。
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