一种基于多通道发射阵换能器的声呐及其控制方法与流程

1.本发明属于航道探测技术领域，具体涉及一种基于多通道发射阵换能器的声呐及其控制方法。


背景技术：

2.在船航行时，对航道的探测范围是最基本的指标之一，为了避免航道上的障碍物，必须有良好的探测角度和探测距离，当船只行驶在海面上时，船速通常较快，为避免航道上的障碍物，需要获得更远的探测距离，当船只行驶在码头以及港口时，水下情况复杂危险因素较多，需要更广的探测角度来避免搁浅或碰撞，声呐即是航道探测的重要手段之一。
3.声呐换能器是声呐中的重要器件，其有两个作用，一是在水下发射声波，二是在水下接收声波，但现有技术中的声呐换能器只有一个工作模式，其最大探测角度和距离是固定的，而由于航道的复杂性，单一工作模式的声呐换能器难以满足复杂航道的使用要求。
4.因此，如何满足复杂航道的探测要求，是本领域技术人员有待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决现有技术中声呐换能器最大探测角度和探测距离固定，难以应对复杂航道的探测要求。
6.为实现上述技术目的，一方面，本发明提供了基于多通道发射阵换能器的声呐，该声呐包括：多条发射通道组成的发射阵换能器，用于发射声信号，每条发射通道正负极单独引线，能够单独发射声信号；多个阵元组成的接收面阵换能器，用于接收所述声信号的回波信号；控制器，用于控制每条通道进行工作，并根据命令提示控制通道的工作数量，以使所述发射阵换能器处于不同的工作模式；其他必要组件。
7.进一步地，所述发射通道中的发射阵具体为弧形发射阵。
8.进一步地，所述发射通道数量至少为2条。
9.进一步地，所述接收面阵换能器具体为由n（水平）
×
n（竖直）阵元组成的二维接收面阵，用于接收三维回波声信号进一步地，所述其他必要组件，至少包括：壳体；设置于壳体内部的背衬层，用于吸收进入该背衬层的声信号能量；设置于壳体内部的防水层，用于隔绝水体与换能器构件；发射机，用于产生电信号；接收机，包括放大电路、混频电路、滤波电路，用于接收处理声信号。
10.进一步地，所述防水层具体为防水聚氨酯，且其表面涂覆仿生物附着材料，所述背
衬层为硬脂泡沫。
11.另一方面，本发明还提供了一种基于多通道发射阵换能器的声呐的控制方法，应用于如上所述的基于多通道发射阵换能器的声呐中，所述方法包括：确定船只当前行驶的航道状态；基于所述航道状态确定所述声呐工作模式，所述工作模式包括第一模式、第二模式和第三模式；其中，所述第一模式具体为开启第一数量区间内的发射阵进行工作，所述第二模式具体为开启第二数量区间内的发射阵进行工作，所述第三模式具体为第一模式和第二模式交替运行，所述第一数量区间的最小值大于所述第二数量区间的最大值，所述第一数量区间的最大值为发射阵的总数量，所述第二数量区间的最小值为1，所述第一数量区间的最小值和第二数量区间的最大值由所述总数量进行确定。
12.本发明提供的一种基于多通道发射阵换能器的声呐及其控制方法，与现有技术相比，本技术声呐包括：多条发射通道组成的发射阵换能器，用于发射声信号，每条发射通道正负极单独引线，能够单独发射声信号；多个阵元组成的接收面阵换能器，用于接收所述声信号的回波信号；控制器，用于控制每条通道进行工作，并根据命令控制通道的工作数量，以使所述发射阵换能器处于不同的工作模式，且所述控制器与通道之间还依次连接有功率放大器和变压器；其他必要组件，通过控制器改变发射阵换能器的发射阵通道数量，实现了对探测角度和探测距离的调节，以满足在复杂航道上的不同探测需求。
附图说明
13.为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
14.图1所示为本说明书实施例提供的基于多通道发射阵换能器的声呐的整体结构示意图；图2所示为本说明书实施例中压电元件层平面示意图；图3所示为本说明书实施例中弧形发射阵示意图；图4所示为本说明书实施例提供的基于多通道发射阵换能器的声呐的控制方法示意图；图5所示为本说明书实施例中控制器与通道之间的连接示意图。
具体实施方式
15.为了使本领域普通技术人员更好地理解本说明书中的技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
16.如图4所示为本说明实施例提供的基于多通道发射阵换能器的声呐的控制方法的
流程示意图，虽然本说明提供了如下实施例或附图中所示的方法操作步骤或装置结构，但基于常规或无需创造性劳动在所述方法或装置中可以包括更多或者部分合并后更少的操作步骤或模块单元，在逻辑性上不存在必要因果关系的步骤或结构中，这些步骤的执行顺序或装置的模块结构不限于本说明书实施例或附图所示的执行顺序或模块结构。所述的方法或模块结构在实际中的装置、服务器或终端产品应用时，可以按照实施例或者附图所示的方法或模块结构进行顺序执行或者并行执行。
17.本说明书实施例中提供的基于多通道发射阵换能器的声呐的整体结构图具体可如图1所示包括壳体、防水层、压电元件层、背衬层和控制线缆，该声呐还包括：多条发射通道组成的发射阵换能器，用于发射声信号，每条发射通道正负极单独引线，能够单独发射声信号；多个阵元组成的接收面阵换能器，用于接收所述声信号的回波信号；控制器，用于控制每条通道进行工作，并根据命令提示控制通道的工作数量，以使所述发射阵换能器处于不同的工作模式，且所述控制器与通道之间还依次连接有功率放大器和变压器；其他必要组件。
18.具体的，通过研究发现，传统声呐无法调节探测角度和探测距离的主要因素是发射阵线度固定，本技术将多条发射阵封装集成到同一基阵中也即位于同一水平面上形成发射阵换能器，每条发射阵具体为弧形发射阵，且对应一个通道，所述弧形发射阵的正负极单独引线，且所述弧形发射阵垂直于所述平面，通过控制发射阵换能器从而改变探测角度和探测距离，声呐在工作时，控制器通过线缆分别与所述发射阵换能器和接收面阵换能器连接，用于控制发射阵换能器和接收面阵换能器的工作模式，通过控制器对发射阵换能器进行控制，发射阵换能器和接收面阵换能器集成在同一基阵中，控制过程例如开启一条弧形发射阵也即开启一条发射通道，一条弧形发射阵对应一个发射通道，或者开启两条弧形发射阵，或者同时开启全部弧形发射阵，控制器中的控制电路能够控制单条弧形发射阵的开启与关闭，且还能对单条弧形发射阵施加不同频率的电压，因为在开启一条弧形发射阵进行工作和开启两条弧形发射阵进行工作时，能够探测到的范围和距离是不一样的，第一模式具体为开启第一数量区间内的发射阵进行工作，所述第二模式具体为开启第二数量区间内的发射阵进行工作，所述第三模式具体为第一模式和第二模式交替运行，单独控制的好处：市面上其他侧扫的发射阵只能全部开启或者全部关闭，其发射距离与发射开角固定，工作模式单一。而每个发射通道单独控制之后，可以自行选择所需要的发射通道，使其工作，从而获得合适的开角和距离，以满足复杂的航道情况。
19.控制器和通道之间的连接关系可以如图5所示，图5也是本技术产品系统原理框图，电源给控制器和控制电路供电，控制器通过控制电路控制着发射阵，具体的，控制器连接功率放大器的一端，功率放大器的另一端连接着变压器，变压器连接着n条通道，也即发射通道，控制电路可以控制每一个电路也即发射通道的开启，且变压器与每条通道的连接线之间均设置有开关，用于控制指定通道的开启和关闭。控制电路还控制着接收阵也即接收面阵工作，回波信号返回到接收面阵后，依次经过接收面阵、放大电路、混频电路、滤波电路，实现回波信号的采集和处理。
20.所述其他必要组件具体包括壳体，以及设置于所述壳体内部依次放置的背衬层、
压电元件层和防水层，所述背衬层位于所述壳体内部最底层，以及连接声呐的控制线缆；所述背衬层，用于吸收进入该背衬层的声信号能量；所述压电元件层，用于产生振动发出声信号并接收反射的声信号，所述压电元件层包括发射阵和接收面阵，所述发射阵具体为多通道弧形发射阵；所述防水层，用于隔绝水体与换能器构件；所述发射机，用于产生电信号；所述接收机，包括放大电路、混频电路、滤波电路，用于接收和处理声信号。
21.通过上述控制器能够同时控制不同数量的弧形发射器进行工作，能够自如的改变船只探测角度和探测距离，以使船只满足在复杂多变的航道中的探测需求。
22.在本技术实施例中，如图2所示压电元件层平面示意图，也即发射阵和接收面阵的平面示意图，接收面阵和发送阵的总阵尺为400mm（长）
×
250mm（宽）
×
100mm（高），所述接收面阵具体为由n（水平）
×
n（竖直）阵元组成的二维接收面阵，在具体应用场景中可以是由多个阵元组成的12（水平）
×
12（竖直）矩阵，每个阵元半径为15mm，所有阵元差分出现，谐振频率为150khz，发射阵和接收面阵封装至同一基阵上，其中，所述弧形发射阵对应的通道的正负极单独引线，且每条通道垂直设置于所述基阵上，弧形发射阵尺寸为内径80mm、外径100mm、厚度20mm、高度100mm，如图3所示，其谐振频率为150khz；三条发射通道正负极单独引线。发射阵竖直安装在基阵的右侧，接收面阵在左侧，两部分封装到一体，且整体辐射面为平面。
23.在本技术实施例中，所述背衬层具体为50mm厚的硬脂泡沫，所述防水层具体为10mm厚防水聚氨酯，且其表面涂覆仿生物附着材料。
24.所述防水层，用于隔绝水体与换能器构件，避免水体对压电元件及电路的影响；背衬层用于吸收进入该背衬层的声信号能量，而减少对发射声信号的干扰。
25.基于上述的基于多通道发射阵换能器的声呐，本说明书还提供了一种基于多通道发射阵换能器的声呐的控制方法，如图4所示，应用于如上所述的基于多通道发射阵换能器的声呐中，所述方法包括：步骤s401、确定船只当前行驶的航道状态；步骤s402、基于所述航道状态确定所述声呐工作模式，所述工作模式包括第一模式、第二模式和第三模式；其中，所述第一模式具体为开启第一数量区间内的发射阵进行工作，当船速较快、海面较为平稳时，需要大的探测距离。通过控制器控制较多或者全部数量的发射通道，使其处于工作状态，从而获得大的发射距离。处于工作状态的数量越多，发射的距离越大，所述第二模式具体为开启第二数量区间内的发射阵进行工作，当进入复杂航道时，需要的探测开角较大。通过控制器控制较少（与工作模式1相比）数量的发射通道，使其处于工作状态，从而获得大的发射开角。处于工作状态的数量越少，发射的角度越大，所述第三模式具体为第一模式和第二模式交替运行，当船航行既需要大的探测开角和大的探测距离时，可以交替使用工作模式1和工作模式2，以同时满足大的开角和大的探测距离，所述第一数量区间的最小值大于所述第二数量区间的最大值，所述第一数量区间的最大值为发射阵的总数量，所述第二数量区间的最小值为1，所述第一数量区间的最小值和第二数量区间的最大值是根据所述总数量进行确定。
26.具体的，航道状态可以是通过传感器自动进行识别，也可以是根据用户指令进行确定，当航道状态为距离最近岸边超过第一距离的海面，也即障碍物较少，可选择第一模式，获取最长的探测距离，当航道状态为距离最近岸边小于第一距离大于第二距离时，可选择第三模式，兼顾探测距离和探测范围，当航道状态为距离最近岸边小于第二距离时，可选择第二模式，获取最大探测范围，保证探测范围和探测距离同时在安全范围内，且不同工作模式，可以由控制器直接进行控制，例如第一模式和第二模式交替运行等，能够根据不同的航道状态选择相应的工作模式，从而获得较佳的探测范围和探测距离。
27.基于上述的基于多通道发射阵换能器的声呐的控制方法，本说明一个或多个实施例还提供一种基于多通道发射阵换能器的声呐的平台、终端，该平台或终端可以包括使用本说明书实施例所述方法的装置、软件、模块、插件、服务器、客户端等并结合必要的实施硬件的装置，基于同一创新构思，本说明书实施例提供的一个或多个实施例中的系统如下面的实施例所述，由于系统解决问题的实施方案与方法类似，因此本说明书实施例具体的系统的实施可以参考前述方法的实施，重复之处不再赘述，以下所使用的术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的系统较佳地以软件来实现，但是硬件，软硬件结合的实现也是可能并被构想的。
28.上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
29.控制器可以按任何适当的方式实现，例如，控制器可以采取例如微处理器或处理器以及存储可由该(微)处理器执行的计算机可读程序代码(例如软件或固件)的计算机可读介质、逻辑门、开关、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器的形式，控制器的例子包括但不限于以下微控制器：arc 625d、atmel at91sam、microchip pic18f26k20以及silicone labs c8051f320，存储器控制器还可以被实现为存储器的控制逻辑的一部分。本领域技术人员也知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现控制器以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制器以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等的形式来实现相同功能。因此这种控制器可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构。或者甚至，可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
30.以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或插件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
31.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参考即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参考方法实施例
的部分说明即可。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。