CN114415185A - 一种全方向声学探测声呐及探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全方向声学探测声呐及探测方法，包括全方向声学探测声呐本体（发射装置、接收装置及其电子系统）、透声罩、外壳、电缆与硫化接头组成的声呐。本发明的有益效果：达到快速、高效获取管道状况，需要360度全向水下扫描的领域，并且安装方便，数据传输速率高，声呐中的发射阵向水中发送声波，经物体反射，形成回波，由声呐中的接收阵接收声信号后转换为电信号，根据用户设置自动检测目标位置，根据用户选择在上位机软件中显示图像、目标点或轮廓。
Description
技术领域
本发明涉及水下声学成像应用技术领域，具体为一种全方向声学探测声呐及探测方法。
背景技术
在水下探测应用中，有众多需要对周向360度进行探测的应用需求。典型的情况包括：水下航行器避碰、管道内壁检测、风机桩基监测、渔业资源监测等。
以城市下水管道巡检为例。我国洪涝灾害频发，其中城市内涝对社会经济的不利影响尤为巨大，海绵城市的一个重要组成部分就是地下管道，当前我国供水、排水的地下管道总计达到百万公里以上，并且60％的城市从未进行过地下管道普查，70％的城市未建立地下管道综合管理系统。
(1)光学探测技术
在一些探测任务中，光学传感器(一般为LED灯和摄像头)可以看到管壁、水体表面的情况，通常只能探测到已出现的明显问题。但光波在水中传播损失较大，尤其在浑浊水域中，探测用的光波或其他频率的电磁波几乎不能传输。所以在涉水探测中光学手段受到了极大限制。
(2)声学探测技术
声波在水中传播损失较小，因此声学设备在水下探测应用范围非常广泛。在管道探测任务中，当管道中存在污水、供水等液体时，采用光学手段探测将受到限制。此时利用声呐可以探测淤积物下的管道情况，也可以探测管道是否已产生小规模渗漏。
(3)传统声学探测技术的局限
传统声学探测技术主要有：侧扫声呐、多波束声呐、单波束声呐等。用于上述管道巡检、渔业资源检查、风机桩基监测等特定领域时，存在一些不足。主要表现在：
侧扫声呐在水平方向上的成像范围较窄，一般仅为几度，为了获得大范围成像，需要做匀速直航，适用于航道地貌成像等领域。
多波束声呐扫描范围较大，但一般仅为一百多度，达不到全向360度监控。多波束主要用于地形测绘，并且一般售价较高。
单波束声呐原理简单，价格也较低，但波束开角仅有几度，扫描效率较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全方向声学探测声呐及探测方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种全方向声学探测声呐，包括全方向声学探测声呐本体(发射装置、接收装置及其电子系统)、透声罩、外壳、电缆与硫化接头组成的声呐，所述透声罩内安装有阵子，所述外壳内分别设有滑环、电机和电路板。
优选的，所述外壳材料可以是钛合金、不锈钢或塑料。
优选的，所述外壳采用滚花的方式，可在声呐中间外表面、外壳全部外表面，也可在外壳的任意局部位置。
优选的，所述声呐通过抱箍固定在所需位置。
优选的，所述声呐采用串口/网口可切换模式进行数据传输。
优选的，所述硫化接头可设置于所述外壳底部或侧边，但不仅限于底部或侧边，且所述硫化接头也可以更换为水密接插件。
一种全方向声学探测声呐探测方法，包括以下步骤：
步骤一：设置全方向声学探测声呐的工作参数f0，在开发者模式下B，可配置详细的工作参数，具体包括工作频率、工作带宽、发送周期PRT、脉冲宽度T、信号类型、发射功率ρ与采样点数N，在用户模式下，仅需要配置量程R，上位机软件可根据量程自行计算上述各工作参数；
步骤二：控制声呐启动工作。向全方向声学探测声呐探头发送启动指令后，全方向声学探测声呐开始工作，包括周期性发送声波、接收回波等。基阵匀速转动，实现对360度的扫描；
步骤三：接收阵列和接收机接收声波并进行放大、滤波、TVG补偿、模数转换；
步骤四：以声呐阵列旋转所形成的圆面圆心为原点，阵面到圆心的距离为，当发射阵在方位角为处时，发射阵的位置为
步骤五：设发射信号为CW或FM信号p(t)；
步骤六：信号在水体中传输后，返回到接收机的信号为sr＝p(t-t0)；
步骤七：进行傅里叶变换
步骤八：在频域进行脉冲压缩的参考信号为H(f)＝P*(f)；
步骤九：脉冲压缩后的信号为
步骤十：上式中的幅度项|P(f)|2是一个矩形窗函数，经逆傅里叶变换后为sinc函数。即s1(t)＝IFT(S1(f))＝sinc(KT(t-t0))，设在r0处的目标强度或表征障碍物强度的量为A(r0)，则经过上述脉冲压缩处理后，可得到r0处信号的处理结果为
步骤十一：声波照射方向上有多个目标，则回波经处理后，为多个sinc函数的累加，根据距离与时刻的关系式，当多个目标的幅度差异不大时，在相应的时刻上取值，即可取得相应距离上目标的幅度信息；
步骤十二：设声呐扫描一周，获得在极坐标系下的图像I(r,θ)，联系之前的发射阵的位置
以及相应方位角上回波信号的处理结果，可得下列关系式：
步骤十三：由此可得到图像与声呐信号的关系式为
步骤十四：直角坐标系与极坐标系的转换关系为
步骤十五：处理步骤完成后，表示发射阵旋转一周，此时获得了声呐扫描一周所得到的图像。
有益效果
本发明所提供的全方向声学探测声呐及探测方法，达到快速、高效获取管道状况，需要360度全向水下扫描的领域，并且安装方便，数据传输速率高，声呐中的发射阵向水中发送声波，经物体反射，形成回波，由声呐中的接收阵接收声信号后转换为电信号，根据用户设置自动检测目标位置，根据用户选择在上位机软件中显示图像、目标点或轮廓。
附图说明
图1为本发明的声呐探头结构示意图；
图2为本发明的模式一布阵方式示意图；
图3为本发明的滚花形式示意图；
图4为本发明的硫化接头结构示意图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例
以某特定参数说明全方向声学探测声呐的工作步骤。
(1)设置全方向声学探测声呐的工作参数。配置详细的工作参数，具体包括工作频率f0＝600kHz，工作带宽B＝60kHz,发送周期PRT＝100ms，脉冲宽度T＝2ms，信号类型为LFM，发射功率ρ＝60％，采样频率为fs＝200kHz，采样点数N＝180000等，表明采集了90ms的数据，对应的量程为67.5m。
(2)控制声呐启动工作。向全方向声学探测声呐探头发送启动指令后，全方向声学探测声呐开始工作，包括周期性发送声波、接收回波等。基阵匀速转动，实现对360度的扫描。
(3)接收阵列和接收机接收声波并进行放大、滤波、TVG补偿、模数转换等。
(4)以声呐阵列旋转所形成的圆面圆心为原点，阵面到圆心的距离为ra＝0，当发射阵在方位角为处时，发射阵的位置为
(5)设发射信号为LFM信号，形式为
(6)信号在水体中传输后，返回到接收机的信号为
(7)进行信号处理，将接收回波信号解调至基带，有
(8)进行脉冲压缩的参考信号为
(9)对sb和h做卷积，得到：
(10)设在r0处的目标强度或表征障碍物强度的量为A(r0)，则经过上述脉冲压缩处理后，可得到r0处信号的处理结果为
根据sinc函数的性质，可以知道，只有当
时，上式取得最大值，也就是说时刻与目标距离在满足上述关系时，在该时刻上信号幅度获得极大值。这样时间与目标距离就形成了线性关系。
(11)如果声波照射方向上有多个目标，则回波经处理后，为多个sinc函数的累加。根据距离与时刻的关系式，当多个目标的幅度差异不大时，在相应的时刻上取值，即可取得相应距离上目标的幅度信息。
(12)设声呐扫描一周，获得在极坐标系下的图像I(r,θ)。联系之前的发射阵的位置
以及相应方位角上回波信号的处理结果，可得下列关系式：
(13)由此可得到图像与声呐信号的关系式为
(14)直角坐标系与极坐标系的转换关系为
(15)上述处理步骤完成后，即表示发射阵旋转一周，此时获得了声呐扫描一周所得到的图像。
全方向声学探测声呐的发射阵和接收阵有两种安装模式。
在模式一中，采用线阵发射和圆柱阵接收的方式，在这种模式下，发射阵旋转，接收阵固定。发射阵边旋转边发射，接收阵固定始终接收。
在模式二中，采用线阵发射和线阵接收的方式，在这种模式下，发射阵和接收阵均旋转工作。发射阵和接收阵在旋转的同时，完成发射和接收。
无论是模式一，还是模式二，发射阵用于发射声波；接收阵用于接收声波。在模式一中，发射阵和接收阵可以采用合置的方式，即发射阵和接收阵为同一声学换能器。在模式二中，发射阵和接收阵采用分置的方式。即发射阵和接收阵为不同的声学换能器。
全方向声学探测声呐的工作原理为：声呐中的发射阵向水中发送声波，经物体反射，形成回波，由声呐中的接收阵接收声信号后转换为电信号，根据用户设置自动检测目标位置，根据用户选择在上位机软件中显示图像、目标点或轮廓。
设声呐在水中的声速为，声波经发射抵达目标或障碍物时，声波反射，接收阵接收回波。设声波发射和接收之间的时间间隔为，则可以得到目标或障碍物的距离为：
设发射阵周期性发射脉冲的间隔为T，电机转动的角速度为ω，则旋转一周发射的脉冲数量为
波束分辨率θ与阵长L和声波波长λ有关，即
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明性的保护范围之内的发明内容。
Claims (7)
1.一种全方向声学探测声呐，包括全方向声学探测声呐本体、透声罩、外壳、电缆与硫化接头组成的声呐，其特征在于：所述透声罩内安装有阵子，所述外壳内分别设有滑环、电机和电路板。
2.根据权利要求1所述的全方向声学探测声呐，其特征在于：所述外壳材料可以是钛合金、不锈钢或塑料。
3.根据权利要求1所述的全方向声学探测声呐，其特征在于：所述外壳采用滚花的方式，可在声呐中间外表面、外壳全部外表面，也可在外壳的任意局部位置。
4.根据权利要求1所述的全方向声学探测系统，其特征在于：所述声呐通过抱箍固定在所需位置。
5.根据权利要求1所述的全方向声学探测系统，其特征在于：所述声呐采用串口/网口可切换模式进行数据传输。
6.根据权利要求1所述的全方向声学探测系统，其特征在于：所述硫化接头可设置于所述外壳底部或侧边，但不仅限于所述外壳的底部或侧边，且所述硫化接头也可以更换为水密接插件。
7.一种全方向声学探测声呐探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：设置全方向声学探测声呐的工作参数f0，在开发者模式下B，可配置详细的工作参数，具体包括工作频率、工作带宽、发送周期PRT、脉冲宽度T、信号类型、发射功率ρ与采样点数N，在用户模式下，仅需要配置量程R，上位机软件根据量程自行计算上述各工作参数；
步骤二：控制声呐启动工作。向全方向声学探测声呐发送启动指令后，全方向声学探测声呐开始工作，包括周期性发送声波、接收回波等。基阵匀速转动，实现对360度的扫描；
步骤三：接收阵列和接收机接收声波并进行放大、滤波、TVG补偿、模数转换；
步骤四：以声呐阵列旋转所形成的圆面圆心为原点，阵面到圆心的距离为，当发射阵在方位角为处时，发射阵的位置为
步骤五：设发射信号为CW或FM信号p(t)；
步骤六：信号在水体中传输后，返回到接收机的信号为sr＝p(t-t0)；
步骤七：进行傅里叶变换
步骤八：在频域进行脉冲压缩的参考信号为H(f)＝P*(f)；
步骤九：脉冲压缩后的信号为
步骤十：上式中的幅度项|P(f)|2是一个矩形窗函数，经逆傅里叶变换后为sinc函数。即s1(t)＝IFT(S1(f))＝sinc(KT(t-t0))，设在r0处的目标强度或表征障碍物强度的量为A(r0)，则经过上述脉冲压缩处理后，可得到r0处信号的处理结果为
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|---|---|---|---|
| CN202111431022.XA CN114415185A (zh) | 2021-11-29 | 2021-11-29 | 一种全方向声学探测声呐及探测方法 |
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|---|---|---|---|
| CN202111431022.XA CN114415185A (zh) | 2021-11-29 | 2021-11-29 | 一种全方向声学探测声呐及探测方法 |
Publications (1)
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| CN114415185A true CN114415185A (zh) | 2022-04-29 |
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Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114415185A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114578438A (zh) * | 2022-05-05 | 2022-06-03 | 成都理工大学 | 一种自适应水域电磁探测系统 |
-
2021
- 2021-11-29 CN CN202111431022.XA patent/CN114415185A/zh not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114578438A (zh) * | 2022-05-05 | 2022-06-03 | 成都理工大学 | 一种自适应水域电磁探测系统 |
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