CN117111140A - 相控超声面阵三维聚焦的水下地层结构三维探测装置与方法 - Google Patents
相控超声面阵三维聚焦的水下地层结构三维探测装置与方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种相控超声面阵三维聚焦的水下地层结构三维探测装置，它的圆形超声波换能器面阵上安装有超声波发射换能器组和超声波接收换能器，相控控制超声波发射驱动模块用于在控制处理模块的控制下利用面阵相位控制的原理操纵圆形超声波换能器面阵上的超声波发射换能器组实现相控聚焦和相控扫描的超声波发射，超声波接收换能器用于接收相控聚焦和相控扫描超声波发射反射回的超声波信号，控制处理模块用于对相控聚焦和相控扫描发射的超声波反射回的超声波信号进行成像处理，得到三维振幅图像。本发明具有聚焦效果好、能量大、分辨率高和探测深的特点。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程勘察技术领域，具体地指一种相控超声面阵三维聚焦的水下地层结构三维探测装置与方法。
背景技术
随着社会经济和科技水平的不断发展，工程建设从陆地逐步向水域、海洋及水下工程发展，这就涉及水下探测技术。近年来，水下探测技术得到了快速发展，在水下探测技术的领域中，声学探测技术已经应用得比较广泛，它可以用于探测大型海洋设施、岩石和底质，也可以用于解决潜水员在深海中的通信问题。目前绝大多数据水下声学探测技术主机用于水下地形和水中结构测量，针对声学相控阵用于水下地层结构探测的技术很少；同时，工程建设方面的水下工程精细勘察技术和小型化设备比地面的勘察技术和设备相对落后很多。
近年研发的如桩底溶洞声呐探测技术是陆地水下探测方面最早研究发明的水下声波探测技术与装备，它是(专利1：一种桩底溶洞声纳探测装置及方法CN 104101896A)通过在桩底布置换能器，利用泥浆耦合激发和接收超声波用于探测桩底岩溶发育情况，但装置采集数据有限，且偏移距固定，无法采集到多角度多偏移距的高密度反射波数据，它对桩底岩溶的判识主要靠识别反射波形变化以及波形时频特征分析，无法确定溶洞范围，且探测容易受到孔壁面波反射干扰等问题。对完全解决桩底好岩溶探测还存在一定的难度。
检索现有技术发现：
专利2《桩底岩溶探测方法、装置及系统、电子设备及存储介质CN112630764A》使用发射延迟控制换能器阵列各传感器进行波束相位控制进行桩底三维探测，是采用某方向的各组换能器进行各组线性相探完成这一方向的探测，然后换成另一垂直方向进行相同控制的探测，它是方形换能器阵列，况且是线性相控探测，仅对两个方向进行相位扫描，无法覆盖整个桩底探测范围。
专利3《一种三维探测方法、装置、设备和存储介质CN112817039A》，是探测系统包括呈二维阵列排列的多个传感器，每个传感器可发射声波信号和接收声波信号，探测系统中预设单元对应的第一传感器发射声波信号，获得第二传感器接收所述声波信号覆盖所述桩底的反射信号；预设单元包括点单元、线单元和面单元是对应二维阵列中的点区域、线区域和面区域。它是利用二维面阵的换能器中的一个换能器或一排(线、组)换能器或一面(几个换能器组成一小面)进行发射，然后利用其它的一个换能器或一排(线、组)换能器或一面(几个换能器组成一小面)进行接收。它是一个换能器发，一个换能器接收，或是一条线的换能器发，一条线换能器收，或一小部分组成的面换能器发，另一小部部组成的面换能器接收；它是真正的相控聚焦发射。发射能量小，探测深度有限。
专利4《一种三维探测方法、装置、设备和存储介质CN112904348A》使用多个换能器组成一维线性排列通过一发多收采集+旋转采集方式对桩底进行三维探测，它不是线性相探探测技术，它是采取单个换能器发射，一组中其它多个换能器接收，采取多道信号叠加处理技术来完成某个方向的探测分析。它只有一条线的换能器，其中一个发，其它换能器各自接收，再对信号进行叠加处理，它不是相控发射，也不是线阵发射，发射能量小，探测深度有限，分辨率差。它是用电机机械推动换能器旋转180度来完成扫描探测。
专利5《一种桩底岩溶三维高精度扫描探测系统及方法(CN 115639590A)》，利用线性相控扫描采集数据，根据固定旋转角驱动所述阵列换能器旋转，每旋转一个固定旋转角，重复相控扫描过程；它与专利4的结构形式和换能感器完全一样，不同之处是专利5利用一组换能器进行线性相控来完成某个方向的一次探测，而专利4是采取单个换能器发射，一组中其它多个换能器接收，采取多道信号叠加处理技术来完成某个方向的探测分析。这个是线阵相控发射，再用电机机械推动换能器旋转180度来完成探测。它不是面阵相控发射。
由于上述专利技术是采用信号叠加或线性相控或局部相控技术，它没有聚焦功能或具有局部聚焦功能，其聚焦效果不理想，无法满足水下地层深部复杂结构的探测问题。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种相控超声面阵三维聚焦的水下地层结构三维探测装置与方法，本发明具有聚焦效果好、能量大、分辨率高和探测深的特点。
为实现此目的，本发明所设计的相控超声面阵三维聚焦的水下地层结构三维探测装置，它包括圆形超声波换能器面阵、相控控制超声波发射驱动模块和控制处理模块；
所述圆形超声波换能器面阵上安装有超声波发射换能器组和超声波接收换能器，相控控制超声波发射驱动模块用于在控制处理模块的控制下利用面阵相位控制的原理操纵圆形超声波换能器面阵上的超声波发射换能器组实现相控聚焦和相控扫描的超声波发射，超声波接收换能器用于接收相控聚焦和相控扫描超声波发射反射回的超声波信号，控制处理模块用于对相控聚焦和相控扫描发射的超声波反射回的超声波信号进行成像处理，得到三维振幅图像。
本发明的有益效果：
本发明圆形超声波换能器面阵采用相控聚焦和相控扫描来发射超声波，首先，它是相控面阵发射，全部发射换能器聚焦发射，聚焦效果好，能量大，探测深，再是，电子相控扫描探测，发射采集点多，指向性好，根据不同的探测深度可以变焦扫描探测，分辨率高等，能采集到多角度高密度的反射波数据，利于确定溶洞范围，并且探测不会受到孔壁面波反射干扰，能探测较大深度的地层结构。
附图说明
图1为相控超声面阵三维聚焦的水下地层结构三维探测装置的示意图；
图2为相控超声面阵三维聚焦的水下地层结构三维探测装置中电控柜部分示意图；
图3为机械控制的相控超声面阵三维聚焦的水下地层结构三维探测装置的示意图；
图4为机械控制的相控超声面阵三维聚焦的水下地层结构三维探测装置中电控柜部分示意图；
图5为本发明中圆形超声波换能器面阵的结构示意图；
图6为本发明中相控聚焦和相控扫描的示意图；
其中，1—圆形超声波换能器面阵、2—超声波发射换能器组、3—超声波接收换能器、4—电路控制腔、5—相控控制超声波发射驱动模块、6—控制处理模块、7—姿态传感器模块、8—机械万向控制器、9—过水孔。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
实施例1：
如图1和2所示相控超声面阵三维聚焦的水下地层结构三维探测装置，它包括圆形超声波换能器面阵1、相控控制超声波发射驱动模块5和控制处理模块6；
所述圆形超声波换能器面阵1上安装有超声波发射换能器组2和超声波接收换能器3，相控控制超声波发射驱动模块5用于在控制处理模块6的控制下利用面阵相位控制的原理操纵圆形超声波换能器面阵1上的超声波发射换能器组2实现相控聚焦和相控扫描的超声波发射(聚焦是在一点的探测可以聚焦成不同的焦距，起探测深度作用，是纵坐标，扫描是扫到不同的角度(位置)，是横坐标)，超声波接收换能器3用于接收相控聚焦和相控扫描超声波发射反射回的超声波信号，控制处理模块6用于对相控聚焦和相控扫描发射的超声波反射回的超声波信号进行成像处理，得到三维振幅图像。
上述技术方案中，所述圆形超声波换能器面阵1的面阵圆中心设置有一个超声波接收换能器3，以超声波接收换能器3为中心，布置有1～10圈超声波发射换能器组2，每圈超声波发射换能器组2中包括周向布置的多个超声波发射换能器。超声波接收换能器3换布置的圈数越多，则发射超声波的聚焦效果就越好，但是需要考虑圆形超声波换能器面阵1的尺寸及探测的方便，因此将超声波发射换能器组2的圈数设定为1～10圈，如图5所示。
上述技术方案中，圆形超声波换能器面阵1采用圆形布置，圆形布置的发射换能器的发射聚焦效果好，聚焦波形均匀对称，有利用所有扫描探测的接收信号的一致性，有利于探测地层的分析和解译。圆形超声波换能器面阵1上设有过水孔9，过水孔9用于保证圆形超声波换能器面阵1在水中下放时，面阵可以自由下放，不会存在飘移(滑移)。
上述技术方案中，所述圆形超声波换能器面阵1的面阵圆中心周围布置的全是超声波发射换能器，它不需要兼做超声波接收换能器使用，可以采用大功率的发射换能器，增加了探测深度的能力。超声发射材料一般分发射型、接收型和发射接收型；相同尺寸的换能器，只做发射型时，发射换能器选用大功率发射材料时，发射功率会偏大；只做接收型时，相同尺寸的接收换能器选用高灵敏材料时，接收灵敏度会偏高；发射接兼用时，因要兼顾发射和接收特性，相同材料的发射功率会偏小，接收的灵敏度也会偏低。
所述圆形超声波换能器面阵1的超声波接收换能器3只用于接收反射的超声波信号，它不需做发射和接收兼用的换能器，可以使用高灵敏的接收换能器来提高微弱信号的接收能力；同时，减少不同换能器接收性能差异造成信号的不一致性，提高了探测信号分析质量。
上述技术方案中，它还包括电路控制腔4和三维姿态模块7，所述相控控制超声波发射驱动模块5、控制处理模块6和三维姿态模块7安装于电路控制腔4中，所述姿态传感器模块7用于监测圆形超声波换能器面阵1的水平姿态和面阵的方向，以便确定探测地层结构体的方位，姿态传感器模块7将圆形超声波换能器面阵1的水平姿态和面阵的方向传输给控制处理模块6，控制处理模块6对相控聚焦和相控扫描发射的超声波反射回的超声波信号进行成像处理，并结合圆形超声波换能器面阵1的水平姿态和面阵的方向得到三维振幅图像。
上述技术方案中，相控控制超声波发射驱动模块5在控制处理模块6的控制下利用面阵相位控制的原理操纵圆形超声波换能器面阵1上的超声波发射换能器组2实现相控聚焦和相控扫描的超声波发射的过程为：
相控控制超声波发射驱动模块5在控制处理模块6的控制下控制圆形超声波换能器面阵1的超声波聚焦圆柱以垂直探测地层平面的任意夹角方向的0～45度进行扫描探测，最终形成0～90度夹角的扇形三维探测范围，可以实现不同聚焦焦距的精细探测，实现深度探测的精细化，深度探测的分辨率高；能实现聚焦声波柱的精细偏转(扫描)探测，圆形面阵的聚焦特性好，波形对称，信号一致性好。
上述技术方案中，实现相控聚焦和相控扫描的超声波发射的具体方法为：
对于超声波发射换能器组2的第n圈超声波发射换能器中的任意一个超声波发射换能器B在几何三角形OPB中有：OB＝n·d；
其中，O点为圆形超声波换能器面阵1中心点，该中心点布置超声波接收换能器3，B点为所述超声波发射换能器B所在的中心位置，P点为超声波发射换能器组2的聚焦焦距；
根据余铉定理三角变换有：PB2＝(nd)2+F2+2Fndsinθ
其中：PB为所述超声波发射换能器B到超声波发射换能器组2的聚焦焦距的距离；F为圆形超声波换能器面阵1中心点到超声波发射换能器组2的聚焦焦距的距离；θ为声束偏转后与法线的夹角，d为同一直径上相邻两个超声波发射换能器中心距之间的距离；
则所述超声波发射换能器B与圆形超声波换能器面阵1中心点的声程差为：ΔS＝F-PB；
则所述超声波发射换能器B相对于圆形超声波换能器面阵1中心点的超声波接收换能器3的延时值Δtn为：Δtn＝ΔS/v。只要声波不聚焦在垂直中心心上，聚焦到其它地方就是实现聚焦和相控，如图6所示。
上述技术方案中，所述控制处理模块6对相控聚焦和相控扫描超声波发射反射回的超声波信号进行成像处理，得到三维振幅图像的具体方法为：
对相控聚焦和相控扫描超声波发射反射回的超声波信号按照时间进行时深转换，得到各时刻不同位置的振幅值所对应的坐标，通过三维插值后得到三维振幅图像，实现了探测数据成像精细化。
上述技术方案中，各时刻不同位置的振幅值所对应的坐标的计算方式为：
x＝V*t*sinφ，y＝V*t*cosφ，z＝V*t*sinθ
其中，x、y和z表示三维探测成像某一点的坐标点的横坐标、纵坐标、垂向坐标，V为超声波在地质介质中的传播速度，φ表示以聚焦点正上方过圆形超声波换能器面阵1中心点的一条为基线与其它过圆心的超声波发射换能器连线之间的夹角(固定旋转角)，θ表示聚焦点相对过圆心的超声波发射换能器连线的相控夹角(相位角)。
一种利用上述装置的三维探测方法，它包括如下步骤；
步骤1：相控控制超声波发射驱动模块5在控制处理模块6的控制下利用面阵相位控制的原理操纵圆形超声波换能器面阵1上的超声波发射换能器组2实现相控聚焦和相控扫描的超声波发射；
步骤2：超声波接收换能器3接收相控聚焦和相控扫描超声波发射反射回的超声波信号；
步骤3：控制处理模块6对相控聚焦和相控扫描发射的超声波反射回的超声波信号进行成像处理，得到三维振幅图像。
本发明的探测方法是将圆形超声波换能器面阵1投放至水底，通过控制处理模块6来实现对所有超声发射传感器进行聚焦扫描的地层结构三维精细探测；首先圆形超声波换能器面阵1中的超声波发射换能器组2通过控制处理模块6生成聚焦超声圆柱场，再控制聚焦超声圆柱场垂直探测地层平面，以任意方向夹角0～45度的探测，最终形成0～90度夹角的扇形三维探测范围。
当拖动扫描探测时，以垂直拖动方向左右(正负)0～45度的夹角进行二维扫描探测，形成0～90度夹角的扇形探测剖面，然后每拖动一个探测点距离重复一次左右(正负)0～45度夹角的进行二维扫描探测，最后形成一个0～90度夹角的扇形地层结构三维探测范围。
当采用静止单点形式探测时，以垂直地层平面做为第一个探测点，然后以垂直地层平面夹角0～5度聚焦角度为步进角进行360度旋转扫描探测，扫描探测到垂直地层平面夹角为0～45度的夹角时完成探测，形成单点0～90度夹角的圆锥体扫描三维探测体。
超声相控阵进行工作时主要有：扇形扫描和动态深度扫描。
扇形扫描即S扫描，在设定深度上，相控阵探头按聚焦法则分别计算每个偏转角度得聚焦延迟，激发时以从左至右的顺序分别激发，形成一定范围内的扇形扫查。扫查时须要设置扇扫范围、角度间隔和聚焦深度。
本发明采用的动态深度扫描又称动态深度聚焦(相控聚焦和相控扫描)，超声声束沿换能器中轴线，对不同深度的焦点进行扫描。动态深度聚焦成像比普通扇形扫描成像效果好。由其原理可知，超声相控阵最显著的特点是可以灵活、便捷而有效地控制声束形状，极大的提高了检测效率。
实施例2：
一种机械控制的相控超声面阵三维聚焦的水下地层结构三维探测装置，如图3和4所示：它包括圆形超声波换能器面阵1、电路控制腔4、相控控制超声波发射驱动模块5、控制处理模块6和机械万向控制器8；
所述圆形超声波换能器面阵1上安装有超声波发射换能器组2和超声波接收换能器3，所述相控控制超声波发射驱动模块5、控制处理模块6安装于电路控制腔4中，相控控制超声波发射驱动模块5用于在控制处理模块6的控制下利用面阵相位控制的原理操纵圆形超声波换能器面阵1上的超声波发射换能器组2实现相控聚焦，机械万向控制器8用于在控制处理模块6的控制下操纵圆形超声波换能器面阵1上的超声波发射换能器组2实现相控扫描，在相控聚焦和相控扫描的过程中控制处理模块6控制圆形超声波换能器面阵1上的超声波发射换能器组2实现超声波发射，超声波接收换能器3用于接收相控聚焦和相控扫描超声波发射反射回的超声波信号，控制处理模块6用于对相控聚焦和相控扫描超声波发射反射回的超声波信号进行成像处理，得到三维振幅图像。
上述技术方案中，相控控制超声波发射驱动模块5在控制处理模块6的控制下利用面阵相位控制的原理操纵圆形超声波换能器面阵1上的超声波发射换能器组2实现相控聚焦的超声波发射的具体方法为：一条过圆形超声波换能器面阵1圆心直径上的超声波发射换能器组2，以圆心为中点，超声波发射换能器之间的延时发射即可起调节聚焦焦距的作用；
机械万向控制器8在控制处理模块6的控制下操纵圆形超声波换能器面阵1上的超声波发射换能器组2实现相控扫描的具体方法为：机械万向控制器8控制下操纵圆形超声波换能器面阵1上的超声波发射换能器组2完成垂直探测地层平面任意夹角方向的0～45度进行扫描探测，最终形成0～90度夹角的扇形三维探测范围。
上述技术方案中，它还包括三维姿态模块7，所述三维姿态模块7安装于电路控制腔4中，所述姿态传感器模块7用于监测圆形超声波换能器面阵1的水平姿态和面阵的方向，以便确定探测地层结构体的方位，姿态传感器模块7将圆形超声波换能器面阵1的水平姿态和面阵的方向传输给控制处理模块6，控制处理模块6对相控聚焦和相控扫描发射的超声波反射回的超声波信号进行成像处理，并结合圆形超声波换能器面阵1的水平姿态和面阵的方向得到三维振幅图像。
上述实施例1和2的区别在于，当电子控制超声波换能器聚焦发射与扫描探测时，不需要机械万向控制器和机械万向驱动器；当电子只控制超声波换能器聚焦发射，配合机械万向控制器控制扫描探测时，则需要机械万向控制器8来完成扫描探测。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种相控超声面阵三维聚焦的水下地层结构三维探测装置，其特征在于，它包括圆形超声波换能器面阵(1)、相控控制超声波发射驱动模块(5)和控制处理模块(6)；
所述圆形超声波换能器面阵(1)上安装有超声波发射换能器组(2)和超声波接收换能器(3)，相控控制超声波发射驱动模块(5)用于在控制处理模块(6)的控制下利用面阵相位控制的原理操纵圆形超声波换能器面阵(1)上的超声波发射换能器组(2)实现相控聚焦和相控扫描的超声波发射，超声波接收换能器(3)用于接收相控聚焦和相控扫描超声波发射反射回的超声波信号，控制处理模块(6)用于对相控聚焦和相控扫描发射的超声波反射回的超声波信号进行成像处理，得到三维振幅图像。
2.根据权利要求1所述的相控超声面阵三维聚焦的水下地层结构三维探测装置，其特征在于：所述圆形超声波换能器面阵(1)的面阵圆中心设置有一个超声波接收换能器(3)，以超声波接收换能器(3)为中心，布置有n圈超声波发射换能器组(2)，每圈超声波发射换能器组(2)中包括周向布置的多个超声波发射换能器。
3.根据权利要求1所述的相控超声面阵三维聚焦的水下地层结构三维探测装置，其特征在于：它还包括电路控制腔(4)和三维姿态模块(7)，所述相控控制超声波发射驱动模块(5)、控制处理模块(6)和三维姿态模块(7)安装于电路控制腔(4)中，所述姿态传感器模块(7)用于监测圆形超声波换能器面阵(1)的水平姿态和面阵的方向，姿态传感器模块(7)将圆形超声波换能器面阵(1)的水平姿态和面阵的方向传输给控制处理模块(6)，控制处理模块(6)对相控聚焦和相控扫描发射的超声波反射回的超声波信号进行成像处理，并结合圆形超声波换能器面阵(1)的水平姿态和面阵的方向得到三维振幅图像。
4.根据权利要求1所述的相控超声面阵三维聚焦的水下地层结构三维探测装置，其特征在于：相控控制超声波发射驱动模块(5)在控制处理模块(6)的控制下利用面阵相位控制的原理操纵圆形超声波换能器面阵(1)上的超声波发射换能器组(2)实现相控聚焦和相控扫描的超声波发射的过程为：
相控控制超声波发射驱动模块(5)在控制处理模块(6)的控制下控制圆形超声波换能器面阵(1)的超声波聚焦圆柱以垂直探测地层平面的任意夹角方向的0～45度进行扫描探测，最终形成0～90度夹角的扇形三维探测范围。
5.根据权利要求1或4所述的相控超声面阵三维聚焦的水下地层结构三维探测装置，其特征在于：实现相控聚焦和相控扫描的超声波发射的具体方法为：
对于超声波发射换能器组(2)的第n圈超声波发射换能器中的任意一个超声波发射换能器B在几何三角形OPB中有：OB＝n·d；
其中，O点为圆形超声波换能器面阵(1)中心点，该中心点布置超声波接收换能器(3)，B点为所述超声波发射换能器B所在的位置，P点为超声波发射换能器组(2)的聚焦焦距；
根据余铉定理三角变换有：PB2＝(nd)2+F2+2Fndsinθ
其中：PB为所述超声波发射换能器B到超声波发射换能器组(2)的聚焦焦距的距离；F为圆形超声波换能器面阵(1)中心点到超声波发射换能器组(2)的聚焦焦距的距离；θ为声束偏转后与法线的夹角，d为同一直径上相邻两个超声波发射换能器中心距之间的距离；
则所述超声波发射换能器B与圆形超声波换能器面阵(1)中心点的声程差为：ΔS＝F-PB；
则所述超声波发射换能器B相对于圆形超声波换能器面阵(1)中心点的超声波接收换能器(3)的延时值Δtn为：Δtn＝ΔS/v。
6.根据权利要求1所述的相控超声面阵三维聚焦的水下地层结构三维探测装置，其特征在于：所述控制处理模块(6)对相控聚焦和相控扫描超声波发射反射回的超声波信号进行成像处理，得到三维振幅图像的具体方法为：
对相控聚焦和相控扫描超声波发射反射回的超声波信号按照时间进行时深转换，得到各时刻不同位置的振幅值所对应的坐标，通过三维插值后得到三维振幅图像。
7.根据权利要求6所述的相控超声面阵三维聚焦的水下地层结构三维探测装置，其特征在于：各时刻不同位置的振幅值所对应的坐标的计算方式为：
x＝V*t*sinφ，y＝V*t*cosφ，z＝V*t*sinθ
其中，x、y和z表示三维探测成像某一点的坐标点的横坐标、纵坐标、垂向坐标，V为超声波在地质介质中的传播速度，φ表示以聚焦点正上方过圆形超声波换能器面阵(1)中心点的一条为基线与其它过圆心的超声波发射换能器连线之间的夹角，θ表示聚焦点相对过圆心的超声波发射换能器连线的相控夹角。
8.一种利用权利要求1所述装置的三维探测方法，其特征在于，它包括如下步骤；
步骤1：相控控制超声波发射驱动模块(5)在控制处理模块(6)的控制下利用面阵相位控制的原理操纵圆形超声波换能器面阵(1)上的超声波发射换能器组(2)实现相控聚焦和相控扫描的超声波发射；
步骤2：超声波接收换能器(3)接收相控聚焦和相控扫描超声波发射反射回的超声波信号；
步骤3：控制处理模块(6)对相控聚焦和相控扫描发射的超声波反射回的超声波信号进行成像处理，得到三维振幅图像。
9.一种机械控制的相控超声面阵三维聚焦的水下地层结构三维探测装置，其特征在于：它包括圆形超声波换能器面阵(1)、相控控制超声波发射驱动模块(5)、控制处理模块(6)和机械万向控制器(8)；
所述圆形超声波换能器面阵(1)上安装有超声波发射换能器组(2)和超声波接收换能器(3)，相控控制超声波发射驱动模块(5)用于在控制处理模块(6)的控制下利用面阵相位控制的原理操纵圆形超声波换能器面阵(1)上的超声波发射换能器组(2)实现相控聚焦，机械万向控制器(8)用于在控制处理模块(6)的控制下操纵圆形超声波换能器面阵(1)上的超声波发射换能器组(2)实现相控扫描，在相控聚焦和相控扫描的过程中控制处理模块(6)控制圆形超声波换能器面阵(1)上的超声波发射换能器组(2)实现超声波发射，超声波接收换能器(3)用于接收相控聚焦和相控扫描超声波发射反射回的超声波信号，控制处理模块(6)用于对相控聚焦和相控扫描超声波发射反射回的超声波信号进行成像处理，得到三维振幅图像。
10.根据权利要求9所述的机械控制的相控超声面阵三维聚焦的水下地层结构三维探测装置，其特征在于：相控控制超声波发射驱动模块(5)在控制处理模块(6)的控制下利用面阵相位控制的原理操纵圆形超声波换能器面阵(1)上的超声波发射换能器组(2)实现相控聚焦的超声波发射的具体方法为：一条过圆形超声波换能器面阵(1)圆心直径上的超声波发射换能器组(2)，以圆心为中点，超声波发射换能器之间的延时发射即可起调节聚焦焦距的作用；
机械万向控制器(8)在控制处理模块(6)的控制下操纵圆形超声波换能器面阵(1)上的超声波发射换能器组(2)实现相控扫描的具体方法为：机械万向控制器(8)控制下操纵圆形超声波换能器面阵(1)上的超声波发射换能器组(2)完成垂直探测地层平面任意夹角方向的0～45度进行扫描探测，最终形成0～90度夹角的扇形三维探测范围。
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