一种基于分裂波束的声呐系统的制作方法

1.本公开一般涉及高频声呐硬件设计领域，具体涉及一种基于分裂波束的声呐系统。


背景技术：

2.海洋资源在实现人类可持续发展方面发挥着重要作用，同时，渔业资源在海洋资源中也占有重要地位。从早期只能依靠经验进行判断，发展到现在可以应用各种探鱼声呐等辅助设备来进行对鱼群的定位以及对数量的估算。盲目的捕捞，不利于对渔业资源的开发和可持续利用，因此，需要将科学技术手段有效地应用到渔业资源的开发和利用中。利用科学探鱼声呐对渔业资源进行评估和检测，是开展渔业资源科学管理并得到有效养护、确保海洋资源可持续发展、保护海洋生态环境、实现海洋综合管理的重要手段。
3.目前，针对于海洋渔业资源的评估的科学鱼探声呐大多安装在调查船上，采用走航方式对海洋、湖泊等渔业资源或其他生物进行调查和评估。但是，随着海洋生态环境监测、修复、保护的需要，现有的方法对水下目标的识别存在误差，导致走航调查数据时无法进行有效的监测和评估，无法长期、实时固定监测。


技术实现要素：

4.鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种基于分裂波束的声呐系统。
5.本技术提供一种基于分裂波束的声呐系统，包括：
6.上位机，所述上位机用于发出声呐工作参数和发射指令；
7.信号预处理单元，所述信号预处理单元与所述上位机连接，用于接收所述声呐工作参数和所述发射指令，并根据所述发射指令调节所述声呐工作参数，进而产生发射信号源；
8.声呐发射单元，所述声呐发射单元的输入端与所述信号预处理单元的输出端连接，用于接收所述发射信号源，并对所述发射信号源进行逐级的功率放大，得到发射信号；
9.换能器基阵，所述换能器基阵的输入端与所述声呐发射单元的输出端连接；所述换能器基阵具有多个阵列排布设置的子阵；所述换能器基阵为收发合置换能器：用于将所述发射信号转化为声信号发射到水中，或将每个子阵接收到的声信号分别转化为接收信号；
10.声呐接收单元，所述声呐接单元与所述换能器基阵的输出端连接，用于接收多个所述接收信号；并分别对多个所述接收信号进行放大，得到多个放大信号；进而将多个所述放大信号输入到所述所述信号预处理单元；
11.所述信号预处理单元，还配置用于对多个所述放大信号进行预处理，得到多个时延信息与包络信息；
12.所述上位机还配置用于：根据所述时延信息与包络信息计算深度信息和相角，根据所述深度信息和相角计算得出水下目标物的位置信息，并显示解算结果。
13.根据本技术实施例提供的技术方案，所述声呐发射单元包括：驱动电路、功率放大电路、变压器放大电路和匹配电路；
14.所述驱动电路、所述功率放大电路和所述变压器放大电路用于对所述发射信号源分别进行功率放大；
15.所述匹配电路用于对所述声呐发射单元与所述换能器基阵之间的电路进行线路匹配：使所述换能器基阵的电阻和电容所述与所述声呐发射单元的电阻和电容在发射变化频率的声信号时保持一致。
16.根据本技术实施例提供的技术方案，所述换能器基阵连接有收发转换电路，所述收发转换电路还连接有所述声呐发射单元与所述声呐接收单元；所述收发转换电路用于在发射声信号时控制所述声呐接收单元接地。
17.根据本技术实施例提供的技术方案，所述声呐接收单元包括：固定增益放大电路、可控增益放大电路和带通滤波电路；
18.所述带通滤波电路用于对所述接收信号进行滤波，保留相应的频段；
19.所述固定增益放大电路用于对率波后的所述接收信号进行固定增益的放大；
20.所述可控增益放大电路用于：进行tvg增益控制、根据固定增益的放大后的所述接收信号进行进一步放大，使不同增益的所述接收信号经过两次放大后保持相同的增益。
21.根据本技术实施例提供的技术方案，所述信号预处理单元具体配置用于：
22.获取多个所述放大信号；
23.对多个所述放大信号进行脉冲压缩，得到多个压缩信号；对多个所述压缩信号分别进行峰值分离；得到多个峰值位置；
24.根据多个所述峰值位置的相位进行相位计算，得到水下目标物的相角信息和时延信息；
25.所述上位机具体配置用于：
26.根据所述时延信息，计算得出水下目标物的深度信息；
27.根据所述深度信息和所述相角信息，计算得出水下目标物的所述位置信息。
28.根据本技术实施例提供的技术方案，所述信号预处理单元、所述声呐发射单元、所述换能器基阵和所述声呐接收单元分设有多个；多个所述信号预处理单元个均与同一个所述上位机连接；所述上位机对多个所述声呐装置分别发出不同频段的声呐工作参数；
29.每个所述信号预处理单元还配置用于：
30.对相应频段的所述放大信号进行多信号合成，得到一条相应频段的单波束信号；
31.对所述单波束信号进行二次预处理，得到相应频率下的包络信息与时延信息；
32.多个所述信号预处理单元分别将所述包络信息传输到所述上位机；
33.所述上位机还配置用于：
34.将多个所述包络信息拟合成全频带声反射特性曲线；
35.根据所述全频带声反射特性曲线判断水下目标物的种类。
36.根据本技术实施例提供的技术方案，将多个不同频段的所述单波束信号拟合成全频带声反射特性曲线的步骤包括：
37.获取多个所述单波束信号；
38.对所述单波束信号进行时变增益调整和包络检波计算，得到相应频率下的包络信
息与时延信息；
39.根据多个不同频率的所述包络信息，合成一条包含不同频率的水下目标物强度的全频带声反射特性曲线。
40.根据本技术实施例提供的技术方案，判断水下目标物种类的方法包括：
41.根据所述全频带声反射特性曲线与已知种类水下目标物的声反射特性曲线进行对比拟合，根据拟合程度确定水下目标物的种类。
42.本技术的有益效果在于：
43.由于设置了上位机，所述上位机用于向信号预处理单元发出声呐工作参数和发射指令；所述信号预处理单元根据所述发射指令调节所述声呐工作参数，进而产生发射信号源；并通过所述换能器基阵的多个子阵将发射信号转化为声信号，进而将声信号发射到水下。所述换能器基阵接收声信号并转化为接收信号，所述声呐接收单元所述接收信号并转化为放大信号，所述信号预处理单元对所述放大信号进行预处理后将时延信息与包络信息输入上位机；所述上位机根据所述时延信息和包络信息计算相角与深度信息，进而计算得出水下目标物的位置信息。能够根据水下目标物反射的声呐回到每个子阵的时延信息，计算水下目标物的位置信息。能够有效地降低误差，从而实现对水下生物进行实时固定监测，并进行长期的监测和评估。
附图说明
44.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
45.图1为本技术提供的一种基于分裂波束的声呐系统的结构示意图；
46.图2为本技术提供的一种基于分裂波束的声呐系统的又一结构示意图；
47.图3为声呐发射单元的流程示意图；
48.图4为声呐接收单元的流程示意图；
49.图5为信号预处理单元的结构示意图；
50.图6为电源模块的结构图；
51.图7为换能器基阵的结构示意图；
52.图8为声呐发射单元电路原理图；
53.图9为声呐接收单元电路原理图；
54.其中，1、第一子阵；2、第二子阵；3、第三子阵；4、第四子阵；5、上位机；6、声呐发射单元；7、换能器基阵；8、声呐接收单元；9、信号预处理单元；10、第一接收机通道；11、第二接收机通道；12、第三接收机通道；13、第四接收机通道；14、驱动电路；15、功率放大电路；16、带通滤波电路；17、变压器放大电路；18、匹配电路；19、收发转换电路；20、第一固定增益电路；21、第一滤波电路；22、第一可控增益电路；23、第二滤波电路；24、第二可控增益电路；25、第三滤波电路；26、第二固定增益电路；27、a/d采样模块；28、d/a转换模块；29、fpga；30、温度采集模块；31、串口通信电路；32、网口通信电路；33、串口逻辑控制；34、网口逻辑控制；35、信号源逻辑控制；36、d/a逻辑控制；37、d/a逻辑控制；38、直流电源；39、开关电源转换模块；40、ldo稳压模块；41、模拟接收电路供电；42、竖直电路供电；43、发射电路供电。
具体实施方式
55.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
56.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
57.请参考图1，为本实施例提供的一种基于分裂波束的声呐系统示意图，包括：
58.上位机5，所述上位机5用于发出声呐工作参数和发射指令；
59.信号预处理单元9，所述信号预处理单元9与所述上位机5连接，用于接收所述声呐工作参数和所述发射指令，并根据所述发射指令调节所述声呐工作参数，进而产生发射信号源；
60.声呐发射单元6，所述声呐发射单元6的输入端与所述信号预处理单元9的输出端连接，用于接收所述发射信号源，并对所述发射信号源进行逐级的功率放大，得到发射信号；
61.换能器基阵7，所述换能器基阵7的输入端与所述声呐发射单元6的输出端连接；所述换能器基阵7具有多个阵列排布设置的子阵；所述换能器基阵7为收发合置换能器：用于将所述发射信号转化为声信号发射到水中，或将每个子阵接收到的声信号分别转化为接收信号；
62.声呐接收单元8，所述声呐接单元与所述换能器基阵7的输出端连接，用于接收多个所述接收信号；并分别对多个所述接收信号进行放大，得到多个放大信号；进而将多个所述放大信号输入到所述所述信号预处理单元9；
63.所述信号预处理单元9，还配置用于对多个所述放大信号进行预处理，得到多个时延信息；
64.所述上位机5还配置用于：根据所述时延信息计算深度信息和相角，根据所述深度信息和相角计算得出水下目标物的位置信息，并显示解算结果。
65.在一些实施方式中，所述上位机发出的声呐工作参数包括：频率、带宽、脉宽、占空比、ping率、tvg曲线速率、采样点数和声速信息。
66.具体地，所述上位机发出声呐工作参数经过所述信号预处理单元得到发射信号源，再经过所述声呐发射单元生成发射信号；进而传输到所述换能器基阵转化为声信号，所述换能器基阵的多个子阵同时发射出完全相同的声信号，声信号经过水下目标物的反射返回到所述换能器基阵，所述换能器基阵将所述声信号转化为接收信号，并传输到所述声呐接收单元；所述声呐接收单元对所述接收信号进行放大得到所述放大信号后输入到所述信号预处理单元，进而对所述放大信号进行预处理后得到时延信息和包络信息。
67.将所述时延信息与和包络信息传输到所述上位机后，所述上位机根据多个所述时延信息进行计算，得到深度信息和相角，根据所述深度信息和相角计算得出水下目标物的位置信息。
68.能够根据水下目标物反射的声呐回到每个子阵的时延信息，计算水下目标物的位置信息。能够有效地降低误差，从而实现对水下生物进行实时固定监测，并进行长期的监测和评估。
69.在一些实施方式中，参考图2，所述换能器基阵具有4个子阵，包括：第一子阵1、第二子阵2、第三子阵3、第四子阵4。第一子阵1、第二子阵2、第三子阵3、第四子阵4分别与第一接收机通道10；第二接收机通道11；第三接收机通道12；第四接收机通道13；
70.所述固定增益放大电路包括：第一固定增益电路20和第二固定增益电路26。所述可控增益放大电路包括：第一可控增益电路22和第二可控增益电路24。
71.所述声呐接收单元8包括：第一接收机通道10；第二接收机通道11；第三接收机通道12；第四接收机通道13。
72.所述第一接收机通道10；第二接收机通道11；第三接收机通道12；第四接收机通道13均包括：收发转换电路19、第一固定增益电路20、第一滤波电路21、第一可控增益电路22、第二滤波电路23、第二可控增益电路24、第三滤波电路25、第二固定增益电路26和a/d采集模块27。
73.所述声呐发射单元6包括：驱动电路14、功率放大电路15、带通滤波电路16、变压器放大电路17、匹配电路18。
74.进一步地，参考图3，所述声呐发射单元6包括：驱动电路14、功率放大电路15、变压器放大电路17和匹配电路18；
75.所述驱动电路14、所述功率放大电路15和所述变压器放大电路17用于对所述发射信号源分别进行功率放大；
76.所述匹配电路18用于对所述声呐发射单元6与所述换能器基阵7之间的电路进行线路匹配：使所述换能器基阵7的电阻和电容所述与所述声呐发射单元6的电阻和电容在发射变化频率的声信号时保持一致。
77.在一些实施方式中，参考图8，为所述声呐发射单元的电路连接关系示意图。所述信号预处理单元的输出端依次连接有：驱动电路、功率放大电路、带通滤波电路、变压器放大电路、匹配电路，最终与所述收发转换电路连接。
78.具体地，所述声呐发射单元的电容与电阻是固定值；由于所述换能器基阵接收到所述信号预处理单元根据所述声呐工作参数生成的包含设定频段的发射信号并进行转化，发射同一频段内不同频率的声信号；当发射频率改变时，所述换能器基阵的电容和电阻也会改变。所述匹配电路用于调整所述声呐发射单元的电容和电阻与所述换能器基阵的电容和电阻进行匹配，使所述换能器基阵的电阻和电容所述与所述声呐发射单元的电阻和电容在发射变化频率的声信号时保持一致。能够提高信号的发射效率，并且能够在发射频率改变使保持发射效率前后一致。减小能量损失，提高发射功率。
79.在一些实施方式中，所述驱动电路采用adum3224驱动芯片，能够增加fpga29(field-programmable gate array，现场可编程门阵列)输出信号的带负载能力。功率放大电路采用d类功率放大电路并采用全桥式电路结构，使用irfh5015pbf作为功率放大电路的功率管使用。变压器采用锰锌铁氧体作为磁性材料，采用g(罐型)的磁芯结构，采取5:35的匝数比，在变压器初级选择直径0.4mm*4p以及次级选择直径0.3mm*3p的漆包线变压器进行绕制。所述匹配电路采用宽带串并联匹配网络的匹配方式。
80.由于所述换能器基阵的电阻与电容会随着发射频率的改变而改变，因此需要所述匹配电路来对所述换能器基阵与所述信号预处理单元的电阻与电容进行线路匹配，进而提高发射效率，并且保证发射过程中前后的效率一致。
81.进一步地，所述换能器基阵7连接有收发转换电路19，所述收发转换电路19还连接有所述声呐发射单元6与所述声呐接收单元8；所述收发转换电路19用于在发射声信号时控制所述声呐接收单元8接地。
82.在一些实施方式中，设置收发转换电路将声呐发射单元电路的输出接口与声呐接收单元电路的输入接口相隔离从而使得在信号发射过程中，声呐接收单元电路不会受到影响。能够防止发射电路输出高压信号烧毁接收电路的芯片。
83.进一步地，参考图4，所述声呐接收单元8包括：固定增益放大电路、可控增益放大电路和带通滤波电路16；
84.所述带通滤波电路16用于对所述接收信号进行滤波，保留相应的频段；
85.所述固定增益放大电路用于对率波后的所述接收信号进行固定增益的放大；
86.所述可控增益放大电路用于：进行tvg增益控制、根据固定增益的放大后的所述接收信号进行进一步放大，使不同增益的所述接收信号经过两次放大后保持相同的增益。
87.在一些实施方式中，参考图9，为所述声呐接收单元的电路连接关系示意图。所述换能器基阵的输出端依次连接有：收发转换电路、固定放大电路、第二滤波电路、第一可控增益电路、第三滤波电路、第二可控增益电路、第四滤波电路、第二固定增益电路、射随电路，最终与所述信号预处理单元的输入端连接。
88.在一些实施方式中，参考图5，所述信号预处理单元包括：fpga29、a/d采集模块27、d/a转换模块28；发射声呐的过程中，所述fpga29根据所述声呐工作参数生成具有声呐工作参数的初始信号；所述fpga29控制d/a转换模块28对所述初始信号进行数模转换，将数字信号转化为模拟信号；得到所述发射信号源；并将所述发射信号源输入到所述声呐发射单元；接收声呐的过程中，所述fpga29控制所述对所述a/d采集模块27对所述放大信号进行模数转换，将模拟信号转化为数字信号，得到采集信号；所述fpga29对所述采集信号进行预处理，得到所述时延信息；并将所述时延信息输入到所述上位机。
89.在一些实施方式中，所述信号预处理单元还包括：温度采集模块30、串口通信31和网口通信电路32。
90.其中，所述通信电路32为w5300以太网通信；fpga29选用altera公司cyclone
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系列的5cgxfc9d6f27c7n型fpga29，能够提供强大处理能力和丰富片上资源。a/d采集电路选择带通采样的工作方式，有效降低了采样速率，使得adc芯片的选择范围更加宽广，对多通道模拟信号采集的小型化、低功耗起到关键作用。选用具有6通道同步转换最大支持250kbps以及14bit的ad7657芯片作为模数转换芯片。d/a转换电路首先选用max5442进行数模转换并将其配置为双极性输出后进行一次低通滤波，再采用ada4932差分运算放大器进行单端差分后，在进行一次低通滤波后，经射随电路对ad8336进行控制。串口通信31一个采用ttl接口标准，用于接收系统同步信号，另一个采用rs422接口标准，用于接收上位机显控软件所实时下发的串口指令以及辅助设备所下发的辅助信息；以太网通信电路采用w5300网口芯片进行电路设计，选用tcp协议进行传输数据，并选用udp协议传输工作状态便于进行调试工作，使用fpga29驱动w5300进行以太网通信，通过搭建qsys工程，使用nios ii处理器进行实现；温度采集模块30采用ds18b20温度传感器用于实时监测电子仓内温度。
91.在一些实施方式中，所述fpga29的逻辑控制包括：串口逻辑控制33、网口逻辑控制34、信号源逻辑控制35、d/a转换模块36和a/d逻辑控制37。
92.在一些实施方式中，参考图6，所述信号预处理单元还包括：开关电源模块。所述开关电源模块包括：直流电源38、开关电源转换模块39、lod稳压模块40、模拟接收电路供电41、数字电路供电42、发射电路供电43。对于所述开关电源模块分别选用tdk-lambda公司的ccg30-48-05s以及ccg30-48-12d两款开关电源模块进行电压转换。对于ldo稳压模块分别取正ldo为ti公司的tps7a8500argrt，负ldo为adi公司的lt3091efe#pbf。对电源进行稳压，保证电路的稳定运行。
93.在一些实施方式中，所述子阵具有4个且分别位于四个象限，与处于第一象限所述子阵对应的所述放大信号作为第一信号；与处于第二象限所述子阵对应的所述放大信号作为第二信号；与处于第三象限所述子阵对应的所述放大信号作为第三信号；与处于第四象限所述子阵对应的所述放大信号作为第四信号。
94.对所述第一信号与所述第二信号进行合成，对对所述第二信号与所述第三信号进行合成，对所述第三信号与所述第四信号进行合成，对所述第四信号与所述第一信号进行合成。共生成4个合成信号。
95.在一些实施方式中，所述声呐接收单元包括：前置固定增益放大电路、两级可控增益放大电路、三级带通滤波电路、后级放大电路。其中前置固定增益放大电路采用ad8429仪表放大器，电路增益定为23.8db；可控增益放大电路采用ad8336，通过fpga29产生增益码经过d/a转换后进行tvg(增益随时间的变化)增益控制，共可提供120db的增益调节范围。带通滤波电路采用多路负反馈型的电路结构；后级放大电路采用ada4807-1运算放大器，电路增益定为14db。
96.进一步地，所述信号预处理单元9具体配置用于：
97.获取多个所述放大信号；
98.对多个所述放大信号进行脉冲压缩，得到多个压缩信号；对多个所述压缩信号分别进行峰值分离；得到多个峰值位置；
99.根据多个所述峰值位置的相位进行相位计算，得到水下目标物的相角信息和时延信息；
100.所述上位机5具体配置用于：
101.根据所述时延信息，计算得出水下目标物的深度信息；
102.根据所述深度信息和所述相角信息，计算得出水下目标物的所述位置信息。
103.在一些实施方式中，参考图7，所述第一子阵1、第二子阵2、第三子阵3、第四子阵4分别与第一接收机通道10；第二接收机通道11；第三接收机通道12；第四接收机通道13；
104.所述子阵分别位于所述换能器基阵的四个象限，每个子阵接收声信号产生一个接收信号，共产生4个接收信号。每个所述子阵生成的所述接收信号经过所述声呐接收单元的滤波、放大、增益控制后转化为多个所述放大信号，再经过模数转换，得到多个所述采集信号。对与每两个相邻所述子阵对应的所述采集信号进行多信号合成得到4个合成信号。分别对4个所述合成信号先后进行脉冲压缩和峰值分离，得到4个峰值位置，进而计算得到时延信息。所述上位机根据水下目标物反射的声呐回到每个子阵的时延信息，计算水下目标物的位置信息。能够有效地降低误差，从而实现对水下生物进行实时固定监测，并进行长期的监测和评估。
105.在一些实施方式中，所述相邻信号合成表示：与每两个相邻子阵对应的两个所述
放大信号进行合成，得到四个合成信号。
106.进一步地，所述信号预处理单元9、所述声呐发射单元6、所述换能器基阵7和所述声呐接收单元8分设有多个；多个所述信号预处理单元9个均与同一个所述上位机5连接；所述上位机5对多个所述声呐装置分别发出不同频段的声呐工作参数；
107.每个所述信号预处理单元9还配置用于：
108.对相应频段的所述放大信号进行多信号合成，得到一条相应频段的单波束信号；
109.对所述单波束信号进行二次预处理，得到相应频率下的包络信息与时延信息；
110.多个所述信号预处理单元9分别将所述包络信息传输到所述上位机5；
111.所述上位机5还配置用于：
112.将多个所述包络信息拟合成全频带声反射特性曲线；
113.根据所述全频带声反射特性曲线判断水下目标物的种类。
114.具体地，所述上位机对每个所述信号预处理单元发射包含不同频段信息的所述声呐工作参数；每个所述信号预处理单元根据包含相应频段信息的所述声呐工作参数生成相应频段的发射信号；每个所述换能器基阵将相应频段的所述发射信号转化为相应频段的声呐并发射到水下；根据水下目标物反射回到各个所述换能器基阵的声呐，每个所述换能器基阵将相应频段的声呐转化为多个相应频段的所述接收信号；每个所述信号接收装置将多个相应频段的所述接收信号进行预处理得到所述时延信息并将所述时延信息传输到所述上位机。
115.所述上位机对多个所述单波束信号进行合成得到全频带声反射特性曲线，再根据已知种类水下目标物的声反射特性曲线进行对比拟合，根据拟合程度确定水下目标物的种类。
116.进一步地，将多个不同频段的所述单波束信号拟合成全频带声反射特性曲线的步骤包括：
117.获取多个所述单波束信号；
118.对所述单波束信号进行时变增益调整和包络检波计算，得到相应频率下的包络信息与时延信息；
119.根据多个不同频率的所述包络信息，合成一条包含不同频率的水下目标物强度的全频带声反射特性曲线。
120.在一些实施方式中，所述二次预处理包括：时变增益调整和包络检波计算。
121.具体地，对多个所述采集信号进行信号合成，并进行时变增益调整和包络检波计算，得到相应频率下的包络信息与时延信息；再合成一条包含不同频率下的水下目标物强度的全频带声反射特性曲线，根据所述全频带声反射特性曲线与已知种类水下目标物的声反射特性曲线进行对比拟合，根据拟合程度确定水下目标物的种类。
122.进一步地，判断水下目标物种类的方法包括：
123.根据所述全频带声反射特性曲线与已知种类水下目标物的声反射特性曲线进行对比拟合，根据拟合程度确定水下目标物的种类。
124.具体地，全频带声反射特性曲线包括水下目标物对全频率的声信号反射的特性曲线，通过与已知的水下目标物种类的声反射特性曲线进行拟合，筛选出拟合程度最高的作为待测水下目标物的种类。
125.以上描述仅为本技术的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本技术中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本技术中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。