CN110109125B - 球面聚焦相控参量阵声探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种球面聚焦相控参量阵声探测装置，包括主控单元，用于完成系统参数设置、系统控制、回波数据存储和处理及结果显示；可编程电子舱，与所述的主控单元相连接，用于实现波形控制参数可调、系统远程控制及数据传输、发射信号相控聚焦以及信号接收的功能；球面聚焦基阵，与所述的可编程电子舱相连接，用于通过优化阵形设计及二次相控变焦提高变焦能力。采用了本装置，结合优化的基阵阵形设计、相控聚焦等技术，可有效解决包括富钴结壳在内的海底矿产资源勘探上横纵向分辨率不足、发射能量不足、探测距离可调整性不足、实时性不足、经济实用等方面的问题，此外还有效地缩小了尺寸和重量，适配于工作环境，解决了探测装置的小型化问题。

Description

球面聚焦相控参量阵声探测装置

技术领域

本发明涉及原位勘探技术领域，尤其涉及包含富钴结壳矿产资源在内的海底底质精细结构的原位勘探领域，具体是指一种球面聚焦相控参量阵声探测装置。

背景技术

富钴结壳是一种生长在水深400～4000m的海山、海脊和海台的斜坡和顶部的壳状物，它富含锰、钴、镍、铂、稀土等金属元素的壳状矿床，是一种重要的金属战略矿产资源。然而，由于海山山脉微地形以及富钴结壳生长的特点，要精确的获得结壳的厚度十分困难。目前，绝大多数的现有的勘测手段对富钴结壳的勘测效果并不理想。通常绝大多数的声学设备的浅表应用被设计为探测海底下方数米的特征，典型工作在低频2～20kHz实现深层穿透，它们没有足够的精度分离只有几十厘米厚的(结壳)层。这主要是因为波长较长，穿透能力较强而空间分辨率低，进而导致探测精度降低，故对探测小目标不适用。目前，在涉及富钴结壳等海底底质精细结构的勘探方法主要包括接触式测量和原位测量两大类。其中，若采用定点浅钻等接触式测量方法进行资源的大面积勘探和评估，因取样设备庞大，故效率较低、成本较高。而以声学探测为典型的原位测量方法，则具备精确、高效、经济的优点，是一种水下探测的快速、可靠、精细的方法。但是，考虑到富钴结壳由于其自身厚度分布极为不均、起伏较大且几何特征相对于基岩较为单薄，利用常见的声学技术包括多波束、侧扫声呐、浅地层剖面仪等，其探测富钴结壳厚度中存在着横向和纵向分辨率不足，进而导致无法精细识别结壳层和基岩等问题。

目前，基于球面聚焦相控参量阵技术的海底矿物声学探测装置暂无先例。因此，研究该声学探测系统的装置是十分必要的。基于球面聚焦相控参量阵技术的海底矿物声学探测装置，可以有效地对富钴结壳厚度进行在线或者后处理测量，这对于我国后续大规模、高效率开采资源具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足高横纵向分辨率、实时性、小体积的球面聚焦相控参量阵声探测装置。

为了实现上述目的，本发明的球面聚焦相控参量阵声探测装置如下：

该球面聚焦相控参量阵声探测装置，其主要特点是，所述的装置包括：

主控单元，用于完成系统参数设置、系统控制、回波数据存储和处理及结果显示；

可编程电子舱，与所述的主控单元相连接，用于实现波形控制参数可调、系统远程控制及数据传输、发射信号相控聚焦以及信号接收的功能；

球面聚焦基阵，与所述的可编程电子舱相连接，用于通过优化阵形设计及二次相控变焦提高变焦能力。

较佳地，所述的主控单元包括通用计算机和显控软件，通过通信接口设置所述的可编程电子舱的相关参数。

较佳地，所述的可编程电子舱包括：

嵌入式控制处理器，与所述的主控单元相连接，用于接收主控单元的参数设置指令和操作控制指令，实现多种信号生成输出和功放单元控制；

多通道发射单元，与所述的嵌入式控制处理器相连接，由多个可编程的发射通道组成，用于产生精确的发射信号；

双通道接收单元，与所述的嵌入式控制处理器相连接，用于采集调理接收到的回波信号；

电源单元，与所述的嵌入式控制处理器相连接，用于为其他单元供电。

较佳地，所述的双通道接收单元包括原频接收通道和参量接收通道，均与所述的嵌入式控制处理器相连接。

较佳地，所述的球面聚焦基阵包括：

换能器组，包含多个换能器，与所述的多通道发射单元和双通道接收单元相连接，用于通过聚焦方式将多个换能器的能量聚焦在待探测区域，提高发射能量；

充油压力平衡单元，与所述的换能器组相连接。

较佳地，所述的多通道发射单元包括驱动单元、整形单元、桥式电路驱动、阻抗匹配和滤波放大单元。

较佳地，所述的原频接收通道包括水听器、前置放大器、AD转换单元和高频数字滤波和信号处理单元。

较佳地，所述的参量接收通道包括高频水听器、前置放大器、AD转换单元和低频数字滤波和信号处理单元。

采用了本发明的球面聚焦相控参量阵声探测装置，通过对发射波形的可编程控制，结合优化的基阵阵形设计、相控聚焦等技术，可有效解决包括富钴结壳在内的海底矿产资源勘探上横纵向分辨率不足、发射能量不足、探测距离可调整性不足、实时性不足、经济实用等方面的问题，此外还有效地缩小了尺寸和重量，适配于工作环境，解决了探测装置的小型化问题。

附图说明

图1为本发明的球面聚焦相控参量阵声探测装置的总体框图。

图2为本发明的球面聚焦相控参量阵声探测装置的电子舱主控单元逻辑框图。

图3为本发明的球面聚焦相控参量阵声探测装置的电子舱主控单元的工作流程图。

图4为本发明的球面聚焦相控参量阵声探测装置的设计过程流程图。

图5为本发明的球面聚焦相控参量阵声探测装置的相控聚焦阵的实施例的优化阵形设计示意图。

图6为本发明的球面聚焦相控参量阵声探测装置的主控单元实施例的界面示意图。

图7为本发明的球面聚焦相控参量阵声探测装置的电子舱实施例的实物图。

图8为本发明的球面聚焦相控参量阵声探测装置的相控聚焦阵实施例的实物图。

图9为本发明的球面聚焦相控参量阵声探测装置的相控聚焦阵实施例的实物图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

本发明的该球面聚焦相控参量阵声探测装置，其中包括：

主控单元，用于完成系统参数设置、系统控制、回波数据存储和处理及结果显示；

可编程电子舱，与所述的主控单元相连接，用于实现波形控制参数可调、系统远程控制及数据传输、发射信号相控聚焦以及信号接收的功能；

球面聚焦基阵，与所述的可编程电子舱相连接，用于通过优化阵形设计及二次相控变焦提高变焦能力。

作为本发明的优选实施方式，所述的主控单元包括通用计算机和显控软件，通过通信接口设置所述的可编程电子舱的相关参数。

作为本发明的优选实施方式，所述的可编程电子舱包括：

嵌入式控制处理器，与所述的主控单元相连接，用于接收主控单元的参数设置指令和操作控制指令，实现多种信号生成输出和功放单元控制；

多通道发射单元，与所述的嵌入式控制处理器相连接，由多个可编程的发射通道组成，用于产生精确的发射信号；

双通道接收单元，与所述的嵌入式控制处理器相连接，用于采集调理接收到的回波信号；

电源单元，与所述的嵌入式控制处理器相连接，用于为其他单元供电。

作为本发明的优选实施方式，所述的双通道接收单元包括原频接收通道和参量接收通道，均与所述的嵌入式控制处理器相连接。

作为本发明的优选实施方式，所述的球面聚焦基阵包括：

换能器组，包含多个换能器，与所述的多通道发射单元和双通道接收单元相连接，用于通过聚焦方式将多个换能器的能量聚焦在待探测区域，提高发射能量；

充油压力平衡单元，与所述的换能器组相连接。

作为本发明的优选实施方式，所述的多通道发射单元包括驱动单元、整形单元、桥式电路驱动、阻抗匹配和滤波放大单元。

作为本发明的优选实施方式，所述的原频接收通道包括水听器、前置放大器、AD转换单元和高频数字滤波和信号处理单元。

作为本发明的优选实施方式，所述的参量接收通道包括高频水听器、前置放大器、AD转换单元和低频数字滤波和信号处理单元。

本发明的具体实施方式中，本发明公开了一种球面聚焦相控参量阵声探测装置，所述装置包括：系统主要分为主控单元、可编程电子舱、球面聚焦基阵等部件，其中可编程电子舱和球面聚焦基阵既可以合置，也可以分置；

系统中主控单元，主要包括通用计算机及显控软件，用于完成系统参数设置、系统控制、回波数据存储和处理及结果显示；

系统中可编程电子舱主要包含嵌入式控制处理器、多通道发射单元及双通道接收单元、电源单元等部分，具有可编程性，实现波形控制参数可调，安装于耐压舱体内，适用于深海条件，实现系统远程控制及数据传输、发射信号相控聚焦以及信号接收等功能；

系统中球面聚焦基阵，基于非线性参量阵原理，利用优化阵形设计及二次相控变焦技术，实现良好的分辨率、穿透力、旁瓣水平和信噪比的基阵和变焦能力，适用于海底高低起伏环境下的用于扩展探测工作范围的二次相控变焦技术，可有效解决固定焦距处测量信噪比下降引起的精度下降问题。

一种球面聚焦相控参量阵声探测装置包括：

系统主要分为主控单元、可编程电子舱和球面聚焦基阵等部件，其中可编程电子舱和球面聚焦基阵既可以合置，也可以分置。系统中，主控单元主要包括通用计算机及显控软件，用于完成系统参数设置、系统控制、回波数据存储和处理及结果显示。

可编程电子舱主要包含嵌入式控制处理器、多通道发射单元及双通道接收单元、电源单元等部分，具有可编程性，实现波形控制参数可调，安装于耐压舱体内，适用于深海条件，实现系统远程控制及数据传输、发射信号相控聚焦以及信号接收等功能，各单元可通过串口、以太网等接口进行通信。

球面聚焦基阵具有优化阵形设计及相控变焦技术的基阵设计，基于非线性参量阵原理，具备良好的分辨率、穿透力、旁瓣水平和信噪比，在确定数目阵元情况下有效降低旁瓣的大小的一种优化阵形设计，此外还使用了适用于海底高低起伏环境下的用于扩展探测工作范围的二次相控变焦技术，有效解决固定焦距处测量信噪比下降引起的精度下降问题。可编程电子舱和球面聚焦基阵既可以合置，也可以分置。接收水听器安装在球面聚焦基阵的中心，用于接收反射声信号。

系统主控单元(主要包括通用计算机及显控软件)，用于完成系统参数设置、系统控制、回波数据存储和处理及结果显示。

主控单元通过串口、以太网等通信接口设置电子舱内可编程发射单元、接收单元相关参数。

主控单元控制的内容包括可编程发射单元、接收单元的启动与停止等。

主控单元通过对基于非线性参量阵原理的算法，并处理原频回波和差频回波信号，获得精细结构信息相关的物理量。

主控单元通过对电子舱内接收单元接收到的回波进行算法处理，主控单元可以为操作者进行声学测量提供参数输入窗口，实时显示设备工作状态，比如测量过程中的波形图、趋势图等等多种矿物厚度在内的海底底质精细结构信息。

可编程电子舱主要包含嵌入式控制处理器，用于接收主控单元的参数设置指令和操作控制指令，实现多种信号生成输出和功放单元控制，具有可编程性，实现波形控制参数可调。

利用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)或数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)等嵌入式控制处理器，实现通道各发射信号开关使能控制、幅度控制、频率选择、相位设置、发射波形总数量、波形翻转、通道内各波形独立开关的可编程控制。

利用嵌入式控制处理器实时向主控单元反馈当前配置参数。

利用嵌入式控制处理器设计实通道间发射单元的相位编码控制技术，完成多通道发射单元的聚焦相控控制，包括信号处理、延时时间计算、粗延时处理、细延时处理、多通道数模转换(Digital to Analog，DA)数据输出控制等多个模块。

可编程电子舱主要包含多通道发射单元和双通道接收单元，实现相控聚焦发射功能及接收回波功能。

多通道发射单元，由若干个可编程的发射通道组成，可产生精确的发射信号。各发射单元，均基于自容式工作模式的多通道大功率功放电路设计，包含驱动单元、整形单元、桥式电路驱动、阻抗匹配、滤波放大单元等。

双通道接收单元，由原频接收通道和参量接收通道组成，用于采集调理接收到的回波信号。其中，原频接收通道由水听器、前置放大器、AD转换单元和高频数字滤波和信号处理单元组成；参量接收通道由高频水听器、前置放大器、AD转换单元和低频数字滤波和信号处理单元组成。

系统包括球面聚焦基阵，完成电声转换可发射多种探测信号；具有优化阵形设计及相控聚焦技术的基阵设计，基于非线性声学参量阵原理，利用传播过程中介质的非线性，以及波与波之间的非线性作用，产生差频、和频以及谐频等多个频率成分，兼具高分辨率及高穿透性。

球面聚焦基阵具有多个耐高压、发射频率高、宽带的换能器，通过聚焦方式将多个换能器的能量聚焦在待探测区域内，提高发射能量，使其具备良好的分辨率、穿透力、旁瓣水平和信噪比，用于在确定数目阵元情况下有效降低旁瓣的大小一种优化阵形设计；适用于海底高低起伏环境下的用于扩展探测工作范围的二次相控变焦技术，以有效解决固定焦距处测量信噪比下降引起的精度下降问题；球面聚焦基阵可依据测量环境要求自主调整焦距，提升对测量目标的能量，进而提升测量信噪比，解决自然聚焦基阵焦距固定引起的原理焦距区域内信噪比下降的问题；基阵内具有充油压力平衡单元。调理采集单元可对低频、高频两路信号进行分开处理，分别获得算法所需的基本信息。

本技术方案的实施例结合附图作进一步的详细说明，图4为本发明实施例提供的一种球面聚焦相控参量阵声探测装置的实现流程示意图，如图1所示，本实施例提供一种球面聚焦相控参量阵声探测装置，系统主要分为主控单元、可编程电子舱和球面聚焦基阵等部件，所述装置包括：

主控单元(主要包括通用计算机及显控软件)，用于完成系统参数设置、系统控制、回波数据存储和处理及结果显示。

主控单元通过串口、以太网等通信接口设置电子舱内可编程发射单元、接收单元相关参数；主控单元控制的内容包括可编程发射单元、接收单元的启动与停止；主控单元通过对基于非线性参量阵原理的算法，并处理原频回波和差频回波信号，获得精细结构信息相关的物理量；主控单元通过对电子舱内接收单元接收到的回波进行算法处理，实时显示包含矿物厚度在内的海底底质精细结构信息。如图6所示，界面控制发射、接收多种参数，并且显示了底质精细结构测量的回波能量强度、底质厚度等信息。

可编程电子舱主要包含嵌入式控制处理器、多通道发射单元及双通道接收单元、电源单元等部分，具有可编程性，实现波形控制参数可调，安装于耐压舱体内，适用于深海条件，实现系统远程控制及数据传输、发射信号相控聚焦以及信号接收等功能。如图7所示给出了电子舱的实物图。

系统可编程电子舱主要包含嵌入式控制处理器。利用嵌入式控制处理器实现通道各发射信号开关使能控制、幅度控制、频率选择、相位设置、发射波形总数量、波形翻转、通道内各波形独立开关的可编程控制；利用嵌入式控制处理器实时向主控单元反馈当前配置参数；利用嵌入式控制处理器实现通道间发射单元的相位编码控制技术，完成多通道发射单元的聚焦相控控制，包括信号处理、延时时间计算、粗延时处理、细延时处理、多通道数模转换(Digital to Analog，DA)数据输出控制等多个模块；图2给出了本发明较佳实施例中的一种球面聚焦相控参量阵声探测装置的系统电子舱主控单元逻辑框图；图3给出了较佳实施例中的产生一种球面聚焦相控参量阵声探测装置的系统电子舱主控单元的工作流程图。

多通道发射单元，可编程电子舱主要包含多通道发射单元和双通道接收单元。若干个可编程的发射通道组成，可产生精确的发射信号。各发射单元均基于自容式工作模式的多通道大功率功放电路设计，包含驱动单元、整形单元、桥式电路驱动、阻抗匹配、滤波放大单元等。

双通道接收单元，由原频接收通道和参量接收通道组成，用于采集调理接收到的回波信号。其中，原频接收通道由水听器、前置放大器、AD转换单元和高频数字滤波和信号处理单元组成；参量接收通道由高频水听器、前置放大器、AD转换单元和低频数字滤波和信号处理单元组成。接收水听器安装在球面聚焦基阵的中心，用于接收反射声信号。

本装置的设计具有优化阵形设计及二次相控聚焦技术的基阵。首先是优化阵形设计，为了得到较强的反射回波，换能器阵的发射声压级应该设计的尽可能大。球形聚焦凹面阵列是利用球面上的每一点到达球心的距离相等的特点，换能器阵上每个阵子发射的声波在球心处产生聚焦得到最大声压，此时球心点就是阵列的自然焦点，在焦点周边-3dB的区域内称为聚焦区域。聚焦参量阵是利用在球凹面上嵌入多个相同直径的圆平面阵元指向球心，每个阵元发射的声波波束在球心处聚焦，产生聚焦声场。相同数目的阵元采用不同阵形设计，对相控聚焦会产生不同的效果。如下图5所示给出了相控聚焦阵的一种典型的优化阵形设计，其中这种同心圆排布方式的阵形具有最佳的旁瓣水平，阵中心区域安装若干个接收水听器，蓝色为接收水听器、红色为发射阵元。

如图8和图9所示，本发明较佳实施例中的一种球面聚焦相控参量阵声探测装置的系统相控聚焦阵，可采用基阵采用自然聚焦结合相控聚焦方式，阵面采用曲率720mm、球缺直径为230mm的球形凹面阵。阵内安装24个1～3复合压电阵元，单个阵元外径34mm，阵元厚度15mm，阵元指向性3.2度，阵元声压级实测220dB，阵列焦点计算声压级为256dB，阵元电功率300W。基阵壳体内径为230mm，外经为250mm。基阵外壳底部加装法兰，其外径为290mm，基阵底面有8个安装孔便于基阵垂直安装在平台上。同时，基于耐压的要求，换能器中PZT材料底部为耐高压复合材料。压电单元为PMN-PT铁电单晶；PMN-PT前端部分为高分子复合材料，具备特定声学特性以及耐高压能力；除前端压电转换区及后部的电缆线接出口部分外，其余外部全部为不锈钢结构。基阵内部采用压力平衡式结构。下方为阵元安装的位置，阵元阵面朝外。而黑色部分为基阵壳体内部中空部分用于充油，保证整个基阵在深海处于压力平衡。

其次是利用二次相控法实现相控变焦设计。相比于直接采用原频(即载波)相控法或者差频相控法，即只对原频进行相控获得的差频或只对差频进行相控，采用二次相控法，即先对原频做一次相控，之后再对差频进行相控，具有最佳的相控深度和厚度。而且利用二次相控法本身获得的差频声场比原频声场拥有更尖锐的指向性。

采用了本发明的球面聚焦相控参量阵声探测装置，通过对发射波形的可编程控制，结合优化的基阵阵形设计、相控聚焦等技术，可有效解决包括富钴结壳在内的海底矿产资源勘探上横纵向分辨率不足、发射能量不足、探测距离可调整性不足、实时性不足、经济实用等方面的问题，此外还有效地缩小了尺寸和重量，适配于工作环境，解决了探测装置的小型化问题。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (7)

1.一种球面聚焦相控参量阵声探测装置，其特征在于，所述的装置包括：

主控单元，用于完成系统参数设置、系统控制、回波数据存储和处理及结果显示；

可编程电子舱，与所述的主控单元相连接，用于实现波形控制参数可调、系统远程控制及数据传输、发射信号相控聚焦以及信号接收的功能；

球面聚焦基阵，与所述的可编程电子舱相连接，用于通过优化阵形设计及二次相控变焦提高变焦能力；

所述的可编程电子舱包括：

嵌入式控制处理器，与所述的主控单元相连接，用于接收主控单元的参数设置指令和操作控制指令，实现多种信号生成输出和功放单元控制；

多通道发射单元，与所述的嵌入式控制处理器相连接，由多个可编程的发射通道组成，用于产生精确的发射信号；

双通道接收单元，与所述的嵌入式控制处理器相连接，用于采集调理接收到的回波信号；

电源单元，与所述的嵌入式控制处理器相连接，用于为其他单元供电；

所述的球面聚焦基阵，完成电声转换可发射多种探测信号；具有优化阵形设计及相控聚焦技术的基阵设计，基于非线性声学参量阵原理，利用传播过程中介质的非线性，以及波与波之间的非线性作用，产生差频、和频以及谐频的频率成分，兼具高分辨率及高穿透性。

2.根据权利要求1所述的球面聚焦相控参量阵声探测装置，其特征在于，所述的主控单元包括通用计算机和显控软件，通过通信接口设置所述的可编程电子舱的相关参数。

3.根据权利要求1所述的球面聚焦相控参量阵声探测装置，其特征在于，所述的双通道接收单元包括原频接收通道和参量接收通道，均与所述的嵌入式控制处理器相连接。

4.根据权利要求1所述的球面聚焦相控参量阵声探测装置，其特征在于，所述的球面聚焦基阵包括：

换能器组，包含多个换能器，与所述的多通道发射单元和双通道接收单元相连接，用于通过聚焦方式将多个换能器的能量聚焦在待探测区域，提高发射能量；

充油压力平衡单元，与所述的换能器组相连接。

5.根据权利要求1所述的球面聚焦相控参量阵声探测装置，其特征在于，所述的多通道发射单元包括驱动单元、整形单元、桥式电路驱动、阻抗匹配和滤波放大单元。

6.根据权利要求3所述的球面聚焦相控参量阵声探测装置，其特征在于，所述的原频接收通道包括水听器、前置放大器、AD转换单元和高频数字滤波和信号处理单元。

7.根据权利要求3所述的球面聚焦相控参量阵声探测装置，其特征在于，所述的参量接收通道包括高频水听器、前置放大器、AD转换单元和低频数字滤波和信号处理单元。

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