CN107356927A - 一种基于调频超声阵列的水体暗流检测方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于调频超声阵列的水体暗流检测方法与装置，使用一个超声换能器和一个调频超声阵列分别作为发射探头和接收阵列，利用发射探头对水下进行超声波发射，根据不同流速分界面会产生强回波的特点，对接收阵列接收到的回波信息进行能量检测，从而能够确定水下是否存在水体暗流，并实现了对暗流位置和暗流速度的测量。本发明在水体暗流的检测中具有实用性，能够对海洋、河流和湖泊里的水体暗流起到预防效果。
Description
技术领域
本发明涉及水体暗流检测技术领域，特别涉及一种基于调频超声阵列的水体暗流检测方法与装置。
背景技术
水体暗流，是指潜伏于地下的水流，更确切的说，是指平静水面下的汹涌水流。水域占据了地球上的大部分面积，在太阳的照射下，水域会出现受热不均的现象，受热不均将会产生对流，从而产生水体暗流。除此之外，由于地理环境的复杂，水域附近的山川和水域底部的地形大部分是坎坷的，并且有可能会灌入地下水或泉水，这也会产生水体暗流。因此，在我们看不见的水域里，暗流是无所不在的；海洋，河流和湖泊里都存在许多暗流，这些暗流冲击力大小不均匀，而且方向也不规则，完全是随机发生的。由于暗流的这些特性，使得海洋，河流和湖泊里的水体暗流危害极大，暗流的反向会让人不能及时意识到危险，一旦被水流卷入，将很难脱离，就会有生命危险，水下暗流淹死人的报道是屡见不鲜。因此对海洋，河流和湖泊里的水体暗流检测对预防危险显得至关重要。
目前，对暗流大部分的研究都集中在发电和压滤机上。如一些专利提出了一种利用水面对流或水下暗流发电的人工浮岛，它通过水域底部暗流推动暗流阻板进行往复回旋运动，从而带动做功杆进行机械运动，最后将机械能转化为电能；还有一些专利提出了一种用于暗流压滤机的压滤装置和一种具有明流和暗流出液的厢式滤板，从而解决了物料过滤时厢式滤板排液困难和及时检查滤布有无漏料的情况，并能够对滤布损坏及时确认快速更换。但这些研究都只是在利用水体暗流，并没有涉及到暗流检测技术，而如今对暗流检测的报道也是非常少见，因此水体暗流检测的相关技术方法非常少且不成熟。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于调频超声阵列的水体暗流检测方法，利用发射探头对水下进行超声波发射，根据不同流速分界面会产生强回波的特点，对接收阵列接收到的回波信息进行能量检测，从而能够确定水下是否存在水体暗流，实现在海洋、河流和湖泊里对暗流位置和暗流速度的精确测量测量。
本发明的另一目的在于提供一种基于上述方法的检测装置。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种基于调频超声阵列的水体暗流检测方法，包括以下步骤：
S1：测量水底的最大深度Hmax以及声波最大往返时间τmax：
在水面上使用超声波发射器向水底正下方发射频率为fs的单频超声波，并利用超声波接收阵列接收反射回来的声波信号，超声波接收阵列包括至少三个超声波接收器，其中每个超声波接收器与超声波发射器之间的距离都为L，从而得到超声波接收器的声波能量图；
声波能量图中纵坐标表示声波能量大小A，而横坐标表示声波从发射器中发射到在接收器上接收所经历的时间τ，声波能量图中波峰对应的声波是分界面或者水底反射的声波；
以声波从发射器发射出去的时间为起点时间0，则τi(i＝1,2,…,max-1)表示声波遇到第i 个反射界面反射的往返时间；
因为最深的界面是水底，所以声波能量图中最后一个波峰所对应的声波即为水底反射的声波，往返时间为τmax，设水底的最大深度为Hmax，则有：
其中c为超声信号在水中的传播速度；
S2：确定每个暗流反射界面的位置；
第i个反射界面相对于水面的位置为：
其中Hi表示靠近水面第i个反射界面的深度位置，τi表示声波遇到第i个反射界面反射的往返时间；
S3：计算每个暗流反射界面的运动速度；
选取地面为参考系，并以超声发射位置为坐标原点O，以垂直水平面向下为Z方向，建立三维坐标系；
声波在靠近水面第i个反射界面上的反射点的坐标为Mi(0,0,Hi)，i＝1,2,…,max-1，第j 个超声波接收器的位置坐标为Rj(xj,yj,zj)，j＝1,2,3...，并且有
每个超声波接收器与超声波发射器间的距离相同，所以每个超声波接收器接收到的声波能量图相同，并且某一个反射点的反射波达到任一个超声波接收器的时间相同，即对于某一个时间τi，任一个超声波接收器接收到的声波是同一个反射波点Mi上反射的波；
对第i个分界面的移动速度的计算具体包含以下步骤：
S3-1、由多普勒效应可知，当信号发射点静止时，第i个界面反射点Mi接收到的信号频率fi与信号发射频率fs之间关系为：
其中，c为超声信号在水中的传播速度，vMT为界面反射点Mi在反射点至发射点的方向上的移动速度；
S3-2、设第i个界面反射点，即接收点Mi的运动速度为：其中，vmix,vmiy,vmiz分别代表接收点Mi的运动速度在坐标轴X，Y，Z三个方向上的分量；
S3-3、计算声波信号到达第i个界面反射点Mi时的频率fi；
计算fi即是分析声波从超声发射探头至界面反射点Mi的过程；发射点O的坐标为(0,0,0)，界面反射点Mi的坐标为(0,0,Hi)，αi,βi,γi分别为向量与坐标轴X,Y,Z的夹角，此时则O→Mi方向上的单位向量可表示为：界面反射点Mi在Mi→O方向上的速度为：
由于声波信号在由发射点O到界面反射点Mi的过程中，超声波发射器处于静止状态，可以推导出界面反射点Mi接收到的频率fi为：
S3-4、计算声波信号从第i个界面反射点Mi到达超声波接收器Rj的频率fij；
计算fij即是分析声波从界面反射点Mi到超声波接收器Rj的过程；接收点Rj(xj,yj,zj)为多个超声波接收器当中的其中之一，αij,βij,γij分别为向量与坐标轴X,Y,Z的夹角，则 Mi→Rj方向上的单位向量可表示为：其中和的值可由界面反射点Mi的坐标位置和超声波接收器Rj的坐标位置求出；界面反射点在Mi→Rj方向上的速度为
由于声波信号在界面反射点Mi到超声波接收器Rj的过程中，超声波接收器Rj处于静止状态，由多普勒公式可推导出超声波接收器Rj接收到的频率fij为：
S3-5、联立以上公式，可得超声波接收器Rj接收到的频率fij为：
上式中，有3个未知数，分别是vmix,vmy,vmiz；因为每一个反射界面都对应着一个 i(i＝1,2,…,max-1)的值，所以对于每一个i值，在τi时刻对每个超声波接收器Rj接收到的信号进行频率估计，即可得到声波信号从界面反射点Mi到达每个超声波接收器Rj的频率fij；任选三个超声波接收器，分别对上式中的j取值为1，2，3，那么对于每个反射界面，可以得到三个接收器的接收信号频率为fi1,fi2,fi3，从而可以得到一个具有三个方程和三个未知数的方程组：
解此方程组即可求得vmix,vmiy,vmiz的值，从而求得第i个界面反射点Mi上的速度vmi的大小和方向。
优选的，步骤S3-5中每次取任意三个接收器进行计算，可以求得多个结果然后取平均值。
优选的，声波能量图中当波峰的能量值A大于阈值A0时才能认为此波峰对应的声波是分界面或者水底反射的声波。
优选的，对步骤S2得到的暗流界面进行筛选，具体方法如下：
1、计算第i个界面反射点Mi正上方和正下方的水流速度；
因为声波从第i个界面反射点Mi反射时的往返时间为τi，所以取τiu＝τi-μτmax,τid＝τi+μτmax，其中μ为一正数，具体值根据实际情况选定，则τiu表示声波在第i个界面反射点Mi正上方位置反射的往返时间，其中反射点位置坐标为τid表示声波在第i个界面反射点Mi正下方位置反射的往返时间，其中反射点位置坐标为
根据超声波接收器的声波能量图，重复步骤S3的方法，同样可以求出第i个界面反射点 Mi正上方的水流速度viu和界面反射点Mi正下方的水流速度vid；
2、筛选出暗流分界面；
如果步骤1计算出的第i个界面反射点Mi正上方的水流速度viu和界面反射点Mi正下方的水流速度vid满足以下公式：
则此反射界面才能成为暗流界面，并且该暗流界面的速度为此反射界面对应的速度，其中ε为一正数，具体值由实际情况而定。
一种基于上述方法的检测装置，包括操作模块、处理模块、AD转换模块、发射模块、接收模块、输出显示模块和电源模块；
操作模块与处理模块相连，处理模块分别与AD转换模块、输出显示模块相连，AD转换模块分别与发射模块、接收模块相连，电源模块与操作模块、处理模块、AD转换模块、发射模块、接收模块、输出显示模块相连；
操作者通过操作模块输入指定的参数，使处理模块产生所需要的数字信号，该数字信号经过AD转换模块将其转换成模拟信号后，传送给发射模块对其进行发射；接收模块接收到反射回来的声波信号并将其传送给AD转换模块，信号转换为数字信号后传送给处理模块，处理模块处理这些数字信号从而获得每个超声波接收器上的声波信号频率大小、声波能量图，并计算出水下水体暗流的位置和速度；最后，处理模块将分析处理后的数据结果通过输出显示模块传送给外部设备或系统，工作的全程中，电源模块为所有模块供电。
优选的，处理模块包括一个数字信号处理器。
优选的，AD转换模块包括A/D转换器和D/A转换器。
具体的，数字信号处理器、A/D转换器和D/A转换器可用DSP芯片或者ARM芯片实现。
优选的，发射模块包括阻抗匹配电路和一个超声波发射探头。
优选的，接收模块包括阻抗匹配电路和三个超声波接收探头。
具体的，每个超声波接收探头摆放在一个正三角形的一个顶点上，而超声波发送探头摆放在正三角形的中心位置。
优选的，输出显示模块包括有线/无线接口和一块LCD显示屏。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明针对现在鲜有且不成熟的暗流检测技术，基于不同流速分界面会产生强回波的特点提出一种理论上可行的水体暗流检测方法，它能够较精确地确定暗流界面的位置，克服了现有相关技术少且不成熟的局限性，因此在水体暗流检测中具有较大的意义。
2、本发明基于多普勒效应，提出了一种对水体暗流速度进行测量的方法，使得本发明不仅能够确定暗流界面的位置，还能够较精确地测量出暗流的速度大小和方向，本发明在水体暗流检测中更具有实用性。
3、本发明的运算量和复杂度都相对适中，从而保证了算法的可行性。
4、本发明装置所使用的处理器等芯片的集成度高，并且计算能力强，本发明装置可行性强，成本较低，安装简单。
附图说明
图1为实施例1中基于调频超声阵列的水体暗流检测的场景图。
图2为实施例1中超声波接收器上声波信号的能量图。
图3为实施例1中场景图的三维坐标系图。
图4为实施例1中超声发射探头和超声接收探头的摆放位置俯视图。
图5为实施例1中超声发射探头至界面反射点方向上的单位向量在坐标轴X,Y,Z上的分解示意图。
图6为实施例1中界面反射点至超声接收探头方向上的单位向量在坐标轴X,Y,Z上的分解示意图。
图7为实施例1中暗流检测方法的流程图。
图8为实施例2中装置的模块连接组合示意图。
图9为实施例2中具体装置连接组合示意图。
图10为实施例2中具体工作步骤流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种基于调频超声阵列的水体暗流检测方法，本实施例方法主要是利用声波在不同流速分界面上会产生强回波的特点，得到超声波接收器上的声波信号能量图中波峰对应的声波即是界面反射波这个重要结论，从而计算出暗流分界面的深度；然后利用多普勒公式，得到发射信号频率、超声波接收器接收的声波频率和界面速度三者之间的关系式，最后根据三个超声波接收器上声波频率，联立求解三个关系式，从而获得暗流界面速度大小和方向。
本方法的具体步骤包括以下几步：
S1：测量水底的最大深度Hmax以及声波最大往返时间τmax。
利用调频超声阵列检测水体暗流的场景如图1所示，在水面上使用一个超声波发射器向水底正下方发射频率为fs的单频超声波，并利用超声波接收阵列接收反射回来的声波信号，其中超声波接收器与超声波发射器之间的距离为L。
由于声波在不同流速分界面会产生强回波，即发生强反射，所以声波在水下传播过程中遇到分界面所反射的波具有的能量相较于在水域其它位置反射的声波都更高。在场景图中可以看到，超声波发射器发送的声波在遇到暗流界面和水底时会发生强反射，因此，这些反射波的能量将大于其它接收到的声波。超声波接收器的声波能量图如图2所示，纵坐标表示声波能量大小A，其中A0是一个根据实际情况设定的定值，当波峰的能量值A的大于A0时才能认为此波峰对应的声波是分界面或者水底反射的声波；而横坐标表示声波从发射器中发射到在接收器上接收所经历的时间τ，以声波从发射器发射出去的时间为起点时间0，则τi(i＝1,2,…,max-1)表示声波遇到第i个反射界面反射的往返时间。因为最深的界面是水底，所以声波能量图中最后一个能量值大于A0的波峰所对应的声波即为水底反射的声波，往返时间为τmax，设水底的最大深度为Hmax，则有：
整理上式可得最大深度Hmax为：
其中c为超声信号在水中的传播速度。
S2：确定每个反射界面的位置。
由于声波能量图中大于A0的波峰值所对应的声波是分界面反射回来的声波，且τmax表示声波遇到水底反射的往返时间，所以τi(i＝1,2,…,max-1)分别表示声波在第i个反射界面反射的往返时间，根据步骤一中的方法可得第i个分界面相对于水面的位置为：
其中Hi表示靠近水面第i个反射界面的深度位置，τi表示声波遇到第i个反射界面反射的往返时间。
S3：计算每个反射界面的运动速度。
选取地面为参考系，并以超声发射位置为坐标原点O，以垂直水平面向下为Z方向，建立三维坐标系，如图3所示。那么，声波在靠近水面第i个反射界面上的反射点的坐标为Mi(0,0,Hi)，i＝1,2,…,max-1，第j个超声波接收器的位置坐标为Rj(xj,yj,zj)，j＝1,2,3，并且有其中，超声波接收器阵列和超声波发射器相对位置的俯视图如图4所示。因为三个超声波接收器与超声波发射器间的距离相同，所以三个超声波接收器接收到的声波能量图相同，并且某一个反射点的反射波达到三个超声波接收器的时间相同，即对于某一个时间τi，三个超声波接收器接收到的声波是同一个反射波点Mi上反射的波。
对第i个分界面的移动速度的计算具体包含以下步骤：
S3-1、由多普勒效应可知，当信号发射点静止时，第i个界面反射点Mi接收到的信号频率fi与信号发射频率fs之间关系为：
其中，c为超声信号在水中的传播速度，vMT为界面反射点Mi在反射点至发射点的方向上的移动速度。
S3-2、设第i个界面反射点，即接收点Mi的运动速度为：其中，vmix,vmiy,vmiz分别代表接收点Mi的运动速度在坐标轴X，Y，Z三个方向上的分量。
S3-3、计算声波信号到达第i个界面反射点Mi时的频率fi。
计算fi即是分析声波从超声发射探头至界面反射点Mi的过程。如图5所示，发射点O的坐标为(0,0,0)，界面反射点Mi的坐标为(0,0,Hi)，αi,βi,γi分别为向量与坐标轴X,Y,Z 的夹角，此时则O→Mi方向上的单位向量可表示为：那么，界面反射点Mi在Mi→O方向上的速度为：
由于声波信号在由发射点O到界面反射点Mi的过程中，超声波发射器处于静止状态，由公式(3)可以推导出界面反射点Mi接收到的频率fi为：
S3-4、计算声波信号从第i个界面反射点Mi到达超声波接收器Rj的频率fij。
计算fij即是分析声波从界面反射点Mi到超声波接收器Rj的过程。如图6所示，接收点 Rj(xj,yj,zj)为3个超声波接收器当中的其中之一，αij,βij,γij分别为向量与坐标轴X,Y,Z的夹角，则Mi→Rj方向上的单位向量可表示为：其中和的值可由界面反射点 Mi的坐标位置和超声波接收器Rj的坐标位置求出。那么，界面反射点在Mi→Rj方向上的速度为
由于声波信号在界面反射点Mi到超声波接收器Rj的过程中，超声波接收器Rj处于静止状态，由多普勒公式可推导出超声波接收器Rj接收到的频率fij为：
S3-5、联立公式(5)和公式(7)，并将公式(4)和公式(6)代入，可得超声波接收器Rj接收到的频率fij为：
公式(8)中，有3个未知数，分别是vmix,vmy,vmiz。因为每一个反射界面都对应着一个i(i＝1,2,…,max-1)的值，所以对于每一个i值，在τi时刻对每个超声波接收器Rj接收到的信号进行频率估计，即可得到声波信号从界面反射点Mi到达每个超声波接收器Rj的频率fij。利用三个超声波接收器，分别对公式(8)中的j取值为1，2，3，那么对于每个反射界面，可以得到三个接收器的接收信号频率为fi1,fi2,fi3，从而可以得到一个具有三个方程和三个未知数的方程组：
解此方程组即可求得vmix,vmiy,vmiz的值，从而求得第i个界面反射点Mi上的速度vmi的大小和方向。
可以有更多超声波接收器，但是由于最后的方程组只含有3个未知数，所以只需要三个超声波接收器就能够得出最终结果，但更多的接收器可以取任意三个接收器进行计算，可以求得多个结果然后取平均值，精确度理论上可以提高，效果会更好。
S4：筛选暗流分界面。
由于水底可能会含有一些同样能够成为反射界面却不是暗流分界面的杂物，同时还有一些声波可能是经过了多次界面反射到达超声接收器并且能量也大于A0，由这些声波计算出来的反射界面也不是暗流界面，因此需要对步骤2中得到反射界面进行筛选，选出暗流界面。筛选方法具体包含以下2个步骤：
S4-1、计算第i个界面反射点Mi正上方和正下方的水流速度。
因为声波从第i个界面反射点Mi反射时的往返时间为τi，所以取τiu＝τi-μτmax,τid＝τi+μτmax，其中μ为一正数，具体值根据实际情况选定，则τiu表示声波在第i个界面反射点Mi正上方位置反射的往返时间，其中反射点位置坐标为τid表示声波在第i个界面反射点Mi正下方位置反射的往返时间，其中反射点位置坐标为
由于知道了反射点的位置和反射的往返时间，根据超声波接收器的声波能量图，重复步骤S3的方法，同样可以求出第i个界面反射点Mi正上方的水流速度viu和界面反射点Mi正下方的水流速度vid。
S4-2、筛选出暗流分界面。
因为暗流分界面正上方和正下方的水流速度是不一样，方向和大小都有可能会有比较大的差别，因此如果步骤S4-1计算出的第i个界面反射点Mi正上方的水流速度viu和界面反射点Mi正下方的水流速度vid满足以下公式：
则此反射界面才能成为暗流界面，并且该暗流界面的速度为此反射界面对应的速度，其中ε为一正数，具体值由实际情况而定。于是，便测量出了水下所有水体暗流的位置和速度，并记水体暗流的位置为Hk，对应的速度为vmk，其中k的取值满足：
以上的检测方法流程图可以由图7表示。
实施例2
一种基于实施例1中的暗流检测方法的检测装置，如图8，包括操作模块101、处理模块 102、AD转换模块103、发射模块104、接收模块105、输出显示模块106和电源模块107。
具体的装置连接如图9所示，操作模块与处理模块相连，操作模块主要用于人机交互，根据应用场景的不同而选择不同的发送信号中心频率、脉冲长度等参数，并将这些参数传送给处理模块。
处理模块分别与AD转换模块、输出显示模块相连。处理模块包括一个数字信号处理器 201，数字信号处理器201可用DSP芯片(如：TI公司的TMS320VC5509A型号的DSP芯片)或者ARM芯片等实现。处理模块能够根据操作模块输入的指令生成特定的数字信号，该数字信号通过AD转换模块转换为模拟信号，最后通过发射模块发射出指定频率的声波信号；同时，它还能够对从接收模块传送回来并经过AD转换模块转换后的数字信号进行分析处理，从而获得接收模块上声波信号的频率大小，声波能量图，以及利用实施例1中的计算方法计算出水下水体暗流的位置和速度。除此之外，处理模块还能够将处理好的数据存储并且传送给输出显示模块，使数据传送到外部装置或者在显示屏中显示出来。
AD转换模块分别与发射模块、接收模块相连。AD转换模块包括A/D转换器和D/A转换器，由于处理模块中的DSP或者ARM芯片含有A/D和D/A转换接口，能实现A/D和D/A 转换功能，因此，AD转换模块中的D/A转换器301和A/D转换器302也可以利用处理模块中的同一芯片实现，即这些芯片可以实现处理模块和AD转换模块这两个模块的功能。A/D 转换器将接收模块接收到的模拟信号转换为数字信号并传递给处理模块进行处理；D/A转换器将处理模块发出的数字信号转换为模拟信号并传送发射模块使其发射指定的声波。
发射模块104包括阻抗匹配电路401和一个超声波发射探头402。发射模块能够根据处理模块发出，并经过AD转换模块转换后的模拟指令发射指定频率的超声波信号。
接收模块105包括阻抗匹配电路501和三个超声波接收探头502，其中每个超声波接收探头摆放在一个正三角形的一个顶点上，而超声波发送探头摆放在正三角形的中心位置，具体连接如实物连接图图示108所示；接收模块中三个超声波接收探头阵列的俯视图如图4所示。接收模块能够接收从反射界面反射回来的超声波信号，并通过AD转换模块将其转换为数字信号然后传送给处理模块进行分析处理。
输出显示模块106包括有线/无线接口601和一块LCD显示屏602。有线/无线接口能够将处理模块中处理好的数据传送到外部设备或系统；LCD显示屏作为直接的显示和监测工具，为操作者提供实时的指令执行情况、各个过程的数字信号处理情况，同时将测量的最终结果在LCD上进行显示。
电源模块包括一个电源，电源模块与操作模块、处理模块、AD转换模块、发射模块、接收模块、输出显示模块相连，能够为这些模块供电。
本装置的主要工作步骤如图10所示，具体如下：
步骤1：按图9连接好具体装置，并将超声波发送探头和超声波接收探头按图4位置摆放好，确定好超声波发射探头与超声波接收探头之间的距离L，L＝2m。操作者利用操作模块给处理模块发送指令，控制超声发射探头发射单频超声信号S(t)，信号的频率为fs＝100kHz，脉冲长度5ms；
步骤2：在处理模块中处理三个超声接收探头接收返回的声波信号，获得任意一个超声波接收探头上的声波能量图，在声波能量图中确定波峰所对应的时间τ，从而获得水底的最大深度Hmax和每个反射界面的深度Hi。
步骤3：在处理模块中对从三个超声波接收探头上接收，并经过A/D转换后的数字信号进行分析处理，信号在处理模块中的处理步骤具体如下：
1)在处理模块中获得每个超声波接收探头上τi时刻接收到的超声波频率大小fij，即 fi1,fi2,fi3。
2)将fi1,fi2,fi3代入公式(8)中得到如同公式(9)的方程组，处理模块将求解这个方程组，从而得到每个反射界面的速度vmi。
3)在处理模块中计算出的界面反射点Mi正上方的水流速度viu和界面反射点Mi的水流速度vid，其中，正数μ的值定为0.05；若viu和vid满足公式(10)，则此界面为暗流界面，其中，公式(10)中的正数ε定为1.5，从而可以筛选出水体暗流的位置Hk和速度vmk，其中k 的取值满足公式(11)。
步骤4：将计算出的水下暗流位置和速度等信息存储下来，并通过输出显示模块发送给外部设备或者系统，同时在LCD屏上显示出来。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于调频超声阵列的水体暗流检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：测量水底的最大深度Hmax以及声波最大往返时间τmax：
在水面上使用超声波发射器向水底正下方发射频率为fs的单频超声波，并利用超声波接收阵列接收反射回来的声波信号，超声波接收阵列包括至少三个超声波接收器，其中每个超声波接收器与超声波发射器之间的距离都为L，从而得到超声波接收器的声波能量图；
声波能量图中纵坐标表示声波能量大小A，而横坐标表示声波从发射器中发射到在接收器上接收所经历的时间τ，声波能量图中波峰对应的声波是分界面或者水底反射的声波；
以声波从发射器发射出去的时间为起点时间0，则τi(i＝1,2,…,max-1)表示声波遇到第i个反射界面反射的往返时间；
因为最深的界面是水底，所以声波能量图中最后一个波峰所对应的声波即为水底反射的声波，往返时间为τmax，设水底的最大深度为Hmax，则有：
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其中c为超声信号在水中的传播速度；
S2：确定每个暗流反射界面的位置；
第i个反射界面相对于水面的位置为：
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其中Hi表示靠近水面第i个反射界面的深度位置，τi表示声波遇到第i个反射界面反射的往返时间；
S3：计算每个暗流反射界面的运动速度；
选取地面为参考系，并以超声发射位置为坐标原点O，以垂直水平面向下为Z方向，建立三维坐标系；
声波在靠近水面第i个反射界面上的反射点的坐标为Mi(0,0,Hi)，i＝1,2,…,max-1，第j个超声波接收器的位置坐标为Rj(xj,yj,zj)，j＝1,2,3...，并且有
每个超声波接收器与超声波发射器间的距离相同，所以每个超声波接收器接收到的声波能量图相同，并且某一个反射点的反射波达到任一个超声波接收器的时间相同，即对于某一个时间τi，任一个超声波接收器接收到的声波是同一个反射波点Mi上反射的波；
对第i个分界面的移动速度的计算具体包含以下步骤：
S3-1、由多普勒效应可知，当信号发射点静止时，第i个界面反射点Mi接收到的信号频率fi与信号发射频率fs之间关系为：
<mrow>
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其中，c为超声信号在水中的传播速度，vMT为界面反射点Mi在反射点至发射点的方向上的移动速度；
S3-2、设第i个界面反射点，即接收点Mi的运动速度为：其中，vmix,vmiy,vmiz分别代表接收点Mi的运动速度在坐标轴X，Y，Z三个方向上的分量；
S3-3、计算声波信号到达第i个界面反射点Mi时的频率fi；
计算fi即是分析声波从超声发射探头至界面反射点Mi的过程；发射点O的坐标为(0,0,0)，界面反射点Mi的坐标为(0,0,Hi)，αi,βi,γi分别为向量与坐标轴X,Y,Z的夹角，此时则O→Mi方向上的单位向量可表示为：界面反射点Mi在Mi→O方向上的速度为：
由于声波信号在由发射点O到界面反射点Mi的过程中，超声波发射器处于静止状态，可以推导出界面反射点Mi接收到的频率fi为：
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S3-4、计算声波信号从第i个界面反射点Mi到达超声波接收器Rj的频率fij；
计算fij即是分析声波从界面反射点Mi到超声波接收器Rj的过程；接收点Rj(xj,yj,zj)为多个超声波接收器当中的其中之一，αij,βij,γij分别为向量与坐标轴X,Y,Z的夹角，则Mi→Rj方向上的单位向量可表示为：其中和的值可由界面反射点Mi的坐标位置和超声波接收器Rj的坐标位置求出；界面反射点在Mi→Rj方向上的速度为
由于声波信号在界面反射点Mi到超声波接收器Rj的过程中，超声波接收器Rj处于静止状态，由多普勒公式可推导出超声波接收器Rj接收到的频率fij为：
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S3-5、联立以上公式，可得超声波接收器Rj接收到的频率fij为：
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上式中，有3个未知数，分别是vmix,vmy,vmiz；因为每一个反射界面都对应着一个i(i＝1,2,…,max-1)的值，所以对于每一个i值，在τi时刻对每个超声波接收器Rj接收到的信号进行频率估计，即可得到声波信号从界面反射点Mi到达每个超声波接收器Rj的频率fij；
任选三个超声波接收器，分别对上式中的j取值为1，2，3，那么对于每个反射界面，可以得到三个接收器的接收信号频率为fi1,fi2,fi3，从而可以得到一个具有三个方程和三个未知数的方程组：
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解此方程组即可求得vmix,vmiy,vmiz的值，从而求得第i个界面反射点Mi上的速度vmi的大小和方向。
2.根据权利要求1所述的水体暗流检测方法，其特征在于，步骤S3-5中每次取三个超声波接收器进行计算，可以求得多个结果然后取平均值。
3.根据权利要求1所述的水体暗流检测方法，其特征在于，声波能量图中当波峰的能量值A大于阈值A0时才能认为此波峰对应的声波是分界面或者水底反射的声波。
4.根据权利要求1所述的水体暗流检测方法，其特征在于，对步骤S2得到的暗流界面进行筛选，具体方法如下：
(1)计算第i个界面反射点Mi正上方和正下方的水流速度；
因为声波从第i个界面反射点Mi反射时的往返时间为τi，所以取τiu＝τi-μτmax,τid＝τi+μτmax，其中μ为一正数，具体值根据实际情况选定；则τiu表示声波在第i个界面反射点Mi正上方位置反射的往返时间，其中反射点位置坐标为τid表示声波在第i个界面反射点Mi正下方位置反射的往返时间，其中反射点位置坐标为
根据超声波接收器的声波能量图，重复步骤S3的方法，同样可以求出第i个界面反射点Mi正上方的水流速度viu和界面反射点Mi正下方的水流速度vid；
(2)筛选出暗流分界面；
如果步骤(1)计算出的第i个界面反射点Mi正上方的水流速度viu和界面反射点Mi正下方的水流速度vid满足以下公式：
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则此反射界面才能成为暗流界面，并且该暗流界面的速度为此反射界面对应的速度，其中ε为一正数，具体值由实际情况而定。
5.一种基于权利要求1所述的方法的检测装置，其特征在于，包括操作模块、处理模块、AD转换模块、发射模块、接收模块、输出显示模块和电源模块；
操作模块与处理模块相连，处理模块分别与AD转换模块、输出显示模块相连，AD转换模块分别与发射模块、接收模块相连，电源模块与操作模块、处理模块、AD转换模块、发射模块、接收模块、输出显示模块相连；
操作者通过操作模块输入指定的参数，使处理模块产生所需要的数字信号，该数字信号经过AD转换模块将其转换成模拟信号后，传送给发射模块对其进行发射；接收模块接收到反射回来的声波信号并将其传送给AD转换模块，信号转换为数字信号后传送给处理模块，处理模块处理这些数字信号从而获得每个超声波接收器上的声波信号频率大小、声波能量图，并计算出水下水体暗流的位置和速度；最后，处理模块将分析处理后的数据结果通过输出显示模块传送给外部设备或系统，工作的全程中，电源模块为所有模块供电。
6.根据权利要求5所述的检测装置，其特征在于，处理模块包括一个数字信号处理器。
7.根据权利要求5所述的检测装置，其特征在于，AD转换模块包括A/D转换器和D/A转换器。
8.根据权利要求5所述的检测装置，其特征在于，处理模块和AD转换模块可用DSP芯片或者ARM芯片实现。
9.根据权利要求5所述的检测装置，其特征在于，发射模块包括阻抗匹配电路和一个超声波发射探头；接收模块包括阻抗匹配电路和三个超声波接收探头。
10.根据权利要求9所述的检测装置，其特征在于，每个超声波接收探头摆放在一个正三角形的一个顶点上，而超声波发送探头摆放在正三角形的中心位置。
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