CN108363063A - 一种姿态及波速自校准的超声并行多点测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种姿态及波速同步自校准的超声并行多点测量装置，包括超声探头模块与信号处理模块，超声探头模块包括发射阵列和接收阵列。发明提出一种姿态及波速同步自校准的超声并行多点测量方法，在测距过程中，根据时延的差别分离探测直达波与反射波，直达波用于波速校准，反射波用于姿态校准。其中波速校准过程利用收发阵列距离已知且不变实现；姿态校准过程利用探头达到测量平面的法向距离最短且不变实现。所述方法与装置无需额外的声速仪、姿态传感器等装置，功耗低、可靠性好，并可实现波速校准、姿态校准以及测量的同步进行。

Description

一种姿态及波速自校准的超声并行多点测量方法与装置

技术领域

本发明涉及超声波探测技术，具体涉及一种姿态及波速同步自校准的超声并行多点测量方法与装置。

背景技术

水下超声测量是实现水下地质探测、海底地貌成像以及其他海底探测的基础性技术，具有广泛的应用与需求。水下超声测量是利用水声换能器向水底发射声波并接收水底反射的回波，根据声波的往返时间配合声速来确定水深，并可以根据声波的幅度大小来确定水底地质状况的设备。如进一步将深度信息与位置信息累积起来，就可以绘制出水下地貌的曲线甚至曲面。

超声的测距，是假定声波在介质中传播速度已知条件下的。而实际上，由于受水温、盐度、以及压力等的影响，实际的声速通常与预设值之间存在偏差，这样使得测量的距离也会存在偏差。因此测深工作进行前，通常需要用声速仪对待测环境介质进行声速的测量，但这样降低了探测效率、增加了额外成本。

现有水下超声探测设备，多采用相控阵技术实现多波束探测，通过相控阵发射强指向性的波束可带来探测精度的提高，但是这种探测方式功耗比较大，难以满足小型探测装备低功耗、长续航的需求。另外，强指向性的探测波束对探测器自身的姿态误差十分敏感。在水下探测中，海洋、河流等水体的晃动在所难免，因此，多波束探测仪通常需要配备姿态传感器记录探测器当前姿态，并进行后端的补偿，这同样影响探测效率，增加了额外成本。

为解决上述存在的问题，本发明提出一种姿态及波速同步自校准的并行多点超声测量方法与装置，通过并行接收的阵列结构及阵列后端的反演处理算法，实现对探测器姿态及环境波速的自校准，无需额外的波速仪以及姿态传感器等装置，节省了成本，降低了功耗，利于实现高精度、小型化的超声测量设备。

发明内容

为实现本发明目的，所述一种姿态及波速自校准的并行多点超声测量装置包括超声探头模块与信号处理模块。其中超声探头单元包括发射单元和接收单元，发射单元包含D/A转换模块、功放与换能器，接收单元包含A/D转换模块、功放与换能器。发射单元与接收单元可分别独立工作。所述接收单元采用阵列传感器，且探头整体的结构固定后，发射单元与每个接收单元之间的相对位置已知。所述探头单元中的接收阵元分布在特定曲面结构上，曲面的特征在于一方面使得接收单元能够直接收到来自发射单元的信号，另一方面使得接收单元阵列整体具备更大的有效接收范围。

所述一种波速自校准的并行多点超声测量方法，接收单元阵列接收来自发射单元发射的探测信号，由于接收单元与发射单元之间的距离已知，可以通过后时延估计算法求得信号在发射单元到接收单元之间的传播时间，进而可以求得当前探测环境下的声速。

接收单元接收到发射单元的发射信号一般早于接收到水底的反射的回波信号，因此可以从时域上容易地从回波信号中想发射单元的直达波与水底的反射波分离开来，这样在探测的过程的每一帧中可以同时完成声速的校准与测量工作，无需单独的校准流程，使探测结果更准确。

所述一种姿态自校准的并行多点超声测量方法，多个接收阵元并行接收反射回波，并提取所有接收阵元接收到水底反射回波中最早到达的信号，以该信号的时延作为测距参考。这种方法根据点到平面的法向距离不变的特点，当探测设备姿态存在偏移或晃动时，时延最短的信号为垂直于水底平面传播并返回的信号，反映了探头与水底之间的实际距离。另外，由于水面的晃动通常是以水平面为基准的摆动，因此，发明所述姿态自校准的并行多点超声测量方法可以在摆动周期内多次测量，并进行平均处理，以便更好的消除姿态摆动。

所述一种姿态与波速同步自校准的并行多点超声测量方法，包含以下步骤：

1)初始化：确定发射信号的基本参数；

2)探头单元的发射模块发射探测信号；

3)探头单元的接收模块接收信号，并存储在后端处理模块，进行如下处理：

(1)估计每个接收阵元接收信号的时延，基于每个阵元接收到的信号，根据时延成分的不同分离出直达波信号与反射波信号，记录时延T_n1和T_n2,n＝1,…,N,N为总接收阵元数

(2)基于已知的发射模块与每个接收阵元之间的距离d_n，计算当前环境的声速v_n＝d_n/T_n1,进一步对v_n均值得到

(3)计算T₂＝minT_n2；

(4)计算探测距离D＝T₂*V/2；

4)重复步骤2,3直至探测结束。

与现有技术相比，本发明有以下特点：

(1)无需专门的声速仪与姿态传感器模块，节省设备的成本、体积，增强可靠性。

(2)声速与姿态的校准与探测同步自动完成，无需单独的声速测量及姿态补偿过程，提升探测效率。

(3)相较于基于相控阵的多波束探测技术，本发明结构简单，功耗低，较适于浅层水域的探测与测量。

附图说明

图1是本发明所述装置系统组成框图。

图2是本发明所述装置一种实施案例的探头模块剖面示意图。

图3a是本发明探测波传播路径示意图。

图3b是本发明接收阵元n得到的信号波形示意图。

图4直达波和反射波分离示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

如图1所示，是本发明所述测量装置的系统框图。该系统由信号处理模块与超声探头模块组成。其中超声探头模块的发射单元与接收单元分别独立配备了A/D(D/A)转换、功放与换能器，可独立同时工作。

如图2所示，是本发明所述测量装置探头模块结构的一种实施案例。其中201为接收阵列的阵元，所有阵元的位置已知。202为发射探头，发射探头距离所有接收阵元的距离已知。203为接收阵元所在的曲面，为其中一种实施案例，其设计目的是在不阻挡发射信号的前提下，尽可能能够直接收到来自发射探头的信号，并且扩展有效的回波接收范围。

如图3所示，为本发明在水下测深场景的实施案例。

图3(a)为该实施案例探测波传播路径示意图。其中301为信号从发射单元直接到达接收单元中某个阵元的传播路径，该信号时延为T_n1，n为阵元编号(n＝1,2,…,N)。302和303为信号达到水底以及从水底反射回探头的传播路径，其传播的总时延为T_n2(n＝1,2,…,N)。

如图3(b)所示，是本发明实施案例中某个接收阵元n得到的信号波形示意图。其中304为从发射探头直接到达某一个接收阵元的波形，其时延为T_n1。305为从发射探头发出，经过待测物的反射，回到该接收阵元的信号,其时延为T_n2。通常T_n2远大于T_n1，因此可以比较容易地将这两部分信号分离，分别用于后续波速的校准以及距离的测量。

如图4所示，是本发明所述姿态与波速同步自校准的超声并行多点测量方法的流程图。下面我们结合附图列举一种本发明实现流程案例。

步骤1：开机，初始化；

步骤2：确定发射信号波形，经由D/A、功放、发射换能器将信号S(t)从系统发送出去；

步骤3：接收单元对接收信号进行A/D采样、存储，准备处理；

步骤4：分离每个阵元接收信号中的直达波信号S_n1与反射波信号S_n2；

步骤5：对每个接收阵元直达波S_n1进行时延估计，得到T_n1,进一步根据已知的发射阵元到接收阵元的距离d_n,求得的当前声速v_n＝d_n/T_n1，对多个阵元的声速求平均

步骤6：对每个接收阵元发射波S_n2进行时延估计，得到T_n2，计算所有阵元的时延最小值T₂＝minT_n2，对应的信号幅度A₂可用于分析反射系数，及反射物体的材质。

步骤7：求得待测距离D＝T₂*V/2；

除上述处理过程外，可根据实际需求，在水面摆动周期内多次测量D，不但能提高测量的准确性，还能反演出摆动周期，为后续其他信号处理提供依据。

Claims (6)

1.一种姿态及波速同步自校准的超声并行多点测量装置，包括超声探头模块与信号处理模块；所述超声探头模块包括发射单元和接收单元；所述发射单元包含D/A转换模块、功放与发射换能器；所述接收单元包含A/D转换模块、功放与接收换能器。

2.根据权利要求1所述的超声并行多点测量装置，其特征在于，其中发射单元与接收单元可分别独立工作；所述接收单元采用阵列换能器，且探头整体的结构固定后，发射单元与每个接收单元之间的相对位置已知；所述探头单元中的接收阵元分布在特定曲面结构上，曲面的特征在于一方面使得接收单元能够直接收到来自发射单元的信号，另一方面使得接收单元阵列整体具备更大的有效接收范围。

3.一种姿态及波速同步自校准的多点并行超声测量方法，其特征在于，如权利要求1或2所述的接收单元每个阵元收到的回波包含发射单元直接到达接收单元的直达波与发射单元达到测距目标再反射到接收单元的反射波成分，根据直达波与反射波时延的不同将两者分离，分别用于波速与姿态的校准。

4.根据权利要求3所述姿态及波速同步自校准的多点并行超声测量方法，其波速校准方法的特征在于分离出上述直达波后，通过时延算法估计直达波信号在发射单元到接收单元之间的传播时间，然后利用已知的接收单元与发射单元之间的距离，可以得出当前探测环境下的声速。

5.根据权利要求3所述姿态及波速同步自校准的多点并行超声测量方法，其姿态校准方法的特征在于分离出所述反射波后，通过时延算法估计每个阵元得到的反射波信号在探测介质中的传播时间，然后取这些时延的最小值并记录对应信号的幅度，根据权利要求4所述方法得到的声速，可得到待测距离。

6.一种姿态与波速自校准的并行多点超声测量方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤1：初始化：确定发射信号的基本参数；

步骤2：探头单元的发射模块发射探测信号；

步骤3：探头单元的接收模块接收信号，并存储在后端处理模块，进行如下处理：

(1)估计每个接收阵元接收信号的时延，基于每个阵元接收到的信号，根据时延成分的不同分离出直达波信号与反射波信号，记录时延T_n1和T_n2,n＝1,…,N,N为总接收阵元数

(2)基于已知的发射模块与每个接收阵元之间的距离d_n，计算当前环境的声速v_n＝d_n/T_n1,进一步对v_n均值得到

(3)计算T₂＝minT_n2，并记录对应的信号幅度A；

(4)计算探测距离D＝T₂*V/2。