一种基于调频超声阵列的水体暗流检测方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于调频超声阵列的水体暗流检测方法与装置，使用一个超声换能器和一个调频超声阵列分别作为发射探头和接收阵列，利用发射探头对水下进行超声波发射，根据不同流速分界面会产生强回波的特点，对接收阵列接收到的回波信息进行能量检测，从而能够确定水下是否存在水体暗流，并实现了对暗流位置和暗流速度的测量。本发明专利技术在水体暗流的检测中具有实用性，能够对海洋、河流和湖泊里的水体暗流起到预防效果。

Method and device for detecting water undercurrent based on FM ultrasonic array

The invention discloses an undercurrent water detection method and apparatus based on FM ultrasound array, respectively as the transmitting probe and receiving array using an ultrasonic transducer and a frequency modulated ultrasonic array, use of the underwater ultrasonic emission probe, according to the characteristics of different flow interface will produce strong echo, detection of echo energy the information received by the receiving array, which can determine whether the water undercurrent exists under water, and can realize the measurement of the position and speed of the undercurrent undercurrents. The invention has the practicability in the detection of the undercurrent of the water body, and can prevent the water current in the ocean, the river and the lake.

【技术实现步骤摘要】
一种基于调频超声阵列的水体暗流检测方法与装置
本专利技术涉及水体暗流检测
，特别涉及一种基于调频超声阵列的水体暗流检测方法与装置。
技术介绍
水体暗流，是指潜伏于地下的水流，更确切的说，是指平静水面下的汹涌水流。水域占据了地球上的大部分面积，在太阳的照射下，水域会出现受热不均的现象，受热不均将会产生对流，从而产生水体暗流。除此之外，由于地理环境的复杂，水域附近的山川和水域底部的地形大部分是坎坷的，并且有可能会灌入地下水或泉水，这也会产生水体暗流。因此，在我们看不见的水域里，暗流是无所不在的；海洋，河流和湖泊里都存在许多暗流，这些暗流冲击力大小不均匀，而且方向也不规则，完全是随机发生的。由于暗流的这些特性，使得海洋，河流和湖泊里的水体暗流危害极大，暗流的反向会让人不能及时意识到危险，一旦被水流卷入，将很难脱离，就会有生命危险，水下暗流淹死人的报道是屡见不鲜。因此对海洋，河流和湖泊里的水体暗流检测对预防危险显得至关重要。目前，对暗流大部分的研究都集中在发电和压滤机上。如一些专利提出了一种利用水面对流或水下暗流发电的人工浮岛，它通过水域底部暗流推动暗流阻板进行往复回旋运动，从而带动做功杆进行机械运动，最后将机械能转化为电能；还有一些专利提出了一种用于暗流压滤机的压滤装置和一种具有明流和暗流出液的厢式滤板，从而解决了物料过滤时厢式滤板排液困难和及时检查滤布有无漏料的情况，并能够对滤布损坏及时确认快速更换。但这些研究都只是在利用水体暗流，并没有涉及到暗流检测技术，而如今对暗流检测的报道也是非常少见，因此水体暗流检测的相关技术方法非常少且不成熟。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于调频超声阵列的水体暗流检测方法，利用发射探头对水下进行超声波发射，根据不同流速分界面会产生强回波的特点，对接收阵列接收到的回波信息进行能量检测，从而能够确定水下是否存在水体暗流，实现在海洋、河流和湖泊里对暗流位置和暗流速度的精确测量测量。本专利技术的另一目的在于提供一种基于上述方法的检测装置。本专利技术的目的通过以下的技术方案实现：一种基于调频超声阵列的水体暗流检测方法，包括以下步骤：S1：测量水底的最大深度Hmax以及声波最大往返时间τmax：在水面上使用超声波发射器向水底正下方发射频率为fs的单频超声波，并利用超声波接收阵列接收反射回来的声波信号，超声波接收阵列包括至少三个超声波接收器，其中每个超声波接收器与超声波发射器之间的距离都为L，从而得到超声波接收器的声波能量图；声波能量图中纵坐标表示声波能量大小A，而横坐标表示声波从发射器中发射到在接收器上接收所经历的时间τ，声波能量图中波峰对应的声波是分界面或者水底反射的声波；以声波从发射器发射出去的时间为起点时间0，则τi(i＝1,2,…,max-1)表示声波遇到第i个反射界面反射的往返时间；因为最深的界面是水底，所以声波能量图中最后一个波峰所对应的声波即为水底反射的声波，往返时间为τmax，设水底的最大深度为Hmax，则有：其中c为超声信号在水中的传播速度；S2：确定每个暗流反射界面的位置；第i个反射界面相对于水面的位置为：其中Hi表示靠近水面第i个反射界面的深度位置，τi表示声波遇到第i个反射界面反射的往返时间；S3：计算每个暗流反射界面的运动速度；选取地面为参考系，并以超声发射位置为坐标原点O，以垂直水平面向下为Z方向，建立三维坐标系；声波在靠近水面第i个反射界面上的反射点的坐标为Mi(0,0,Hi)，i＝1,2,…,max-1，第j个超声波接收器的位置坐标为Rj(xj,yj,zj)，j＝1,2,3...，并且有每个超声波接收器与超声波发射器间的距离相同，所以每个超声波接收器接收到的声波能量图相同，并且某一个反射点的反射波达到任一个超声波接收器的时间相同，即对于某一个时间τi，任一个超声波接收器接收到的声波是同一个反射波点Mi上反射的波；对第i个分界面的移动速度的计算具体包含以下步骤：S3-1、由多普勒效应可知，当信号发射点静止时，第i个界面反射点Mi接收到的信号频率fi与信号发射频率fs之间关系为：其中，c为超声信号在水中的传播速度，vMT为界面反射点Mi在反射点至发射点的方向上的移动速度；S3-2、设第i个界面反射点，即接收点Mi的运动速度为：其中，vmix,vmiy,vmiz分别代表接收点Mi的运动速度在坐标轴X，Y，Z三个方向上的分量；S3-3、计算声波信号到达第i个界面反射点Mi时的频率fi；计算fi即是分析声波从超声发射探头至界面反射点Mi的过程；发射点O的坐标为(0,0,0)，界面反射点Mi的坐标为(0,0,Hi)，αi,βi,γi分别为向量与坐标轴X,Y,Z的夹角，此时则O→Mi方向上的单位向量可表示为：界面反射点Mi在Mi→O方向上的速度为：由于声波信号在由发射点O到界面反射点Mi的过程中，超声波发射器处于静止状态，可以推导出界面反射点Mi接收到的频率fi为：S3-4、计算声波信号从第i个界面反射点Mi到达超声波接收器Rj的频率fij；计算fij即是分析声波从界面反射点Mi到超声波接收器Rj的过程；接收点Rj(xj,yj,zj)为多个超声波接收器当中的其中之一，αij,βij,γij分别为向量与坐标轴X,Y,Z的夹角，则Mi→Rj方向上的单位向量可表示为：其中和的值可由界面反射点Mi的坐标位置和超声波接收器Rj的坐标位置求出；界面反射点在Mi→Rj方向上的速度为由于声波信号在界面反射点Mi到超声波接收器Rj的过程中，超声波接收器Rj处于静止状态，由多普勒公式可推导出超声波接收器Rj接收到的频率fij为：S3-5、联立以上公式，可得超声波接收器Rj接收到的频率fij为：上式中，有3个未知数，分别是vmix,vmy,vmiz；因为每一个反射界面都对应着一个i(i＝1,2,…,max-1)的值，所以对于每一个i值，在τi时刻对每个超声波接收器Rj接收到的信号进行频率估计，即可得到声波信号从界面反射点Mi到达每个超声波接收器Rj的频率fij；任选三个超声波接收器，分别对上式中的j取值为1，2，3，那么对于每个反射界面，可以得到三个接收器的接收信号频率为fi1,fi2,fi3，从而可以得到一个具有三个方程和三个未知数的方程组：解此方程组即可求得vmix,vmiy,vmiz的值，从而求得第i个界面反射点Mi上的速度vmi的大小和方向。优选的，步骤S3-5中每次取任意三个接收器进行计算，可以求得多个结果然后取平均值。优选的，声波能量图中当波峰的能量值A大于阈值A0时才能认为此波峰对应的声波是分界面或者水底反射的声波。优选的，对步骤S2得到的暗流界面进行筛选，具体方法如下：1、计算第i个界面反射点Mi正上方和正下方的水流速度；因为声波从第i个界面反射点Mi反射时的往返时间为τi，所以取τiu＝τi-μτmax,τid＝τi+μτmax，其中μ为一正数，具体值根据实际情况选定，则τiu表示声波在第i个界面反射点Mi正上方位置反射的往返时间，其中反射点位置坐标为τid表示声波在第i个界面反射点Mi正下方位置反射的往返时间，其中反射点位置坐标为根据超声波接收器的声波能量图，重复步骤S3的方法，同样可以求出第i个界面反射点Mi正上方的水流速度v本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于调频超声阵列的水体暗流检测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：测量水底的最大深度Hmax以及声波最大往返时间τmax：在水面上使用超声波发射器向水底正下方发射频率为fs的单频超声波，并利用超声波接收阵列接收反射回来的声波信号，超声波接收阵列包括至少三个超声波接收器，其中每个超声波接收器与超声波发射器之间的距离都为L，从而得到超声波接收器的声波能量图；声波能量图中纵坐标表示声波能量大小A，而横坐标表示声波从发射器中发射到在接收器上接收所经历的时间τ，声波能量图中波峰对应的声波是分界面或者水底反射的声波；以声波从发射器发射出去的时间为起点时间0，则τi(i＝1,2,…,max‑1)表示声波遇到第i个反射界面反射的往返时间；因为最深的界面是水底，所以声波能量图中最后一个波峰所对应的声波即为水底反射的声波，往返时间为τmax，设水底的最大深度为Hmax，则有：

【技术特征摘要】
1.一种基于调频超声阵列的水体暗流检测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：测量水底的最大深度Hmax以及声波最大往返时间τmax：在水面上使用超声波发射器向水底正下方发射频率为fs的单频超声波，并利用超声波接收阵列接收反射回来的声波信号，超声波接收阵列包括至少三个超声波接收器，其中每个超声波接收器与超声波发射器之间的距离都为L，从而得到超声波接收器的声波能量图；声波能量图中纵坐标表示声波能量大小A，而横坐标表示声波从发射器中发射到在接收器上接收所经历的时间τ，声波能量图中波峰对应的声波是分界面或者水底反射的声波；以声波从发射器发射出去的时间为起点时间0，则τi(i＝1,2,…,max-1)表示声波遇到第i个反射界面反射的往返时间；因为最深的界面是水底，所以声波能量图中最后一个波峰所对应的声波即为水底反射的声波，往返时间为τmax，设水底的最大深度为Hmax，则有：其中c为超声信号在水中的传播速度；S2：确定每个暗流反射界面的位置；第i个反射界面相对于水面的位置为：其中Hi表示靠近水面第i个反射界面的深度位置，τi表示声波遇到第i个反射界面反射的往返时间；S3：计算每个暗流反射界面的运动速度；选取地面为参考系，并以超声发射位置为坐标原点O，以垂直水平面向下为Z方向，建立三维坐标系；声波在靠近水面第i个反射界面上的反射点的坐标为Mi(0,0,Hi)，i＝1,2,…,max-1，第j个超声波接收器的位置坐标为Rj(xj,yj,zj)，j＝1,2,3...，并且有每个超声波接收器与超声波发射器间的距离相同，所以每个超声波接收器接收到的声波能量图相同，并且某一个反射点的反射波达到任一个超声波接收器的时间相同，即对于某一个时间τi，任一个超声波接收器接收到的声波是同一个反射波点Mi上反射的波；对第i个分界面的移动速度的计算具体包含以下步骤：S3-1、由多普勒效应可知，当信号发射点静止时，第i个界面反射点Mi接收到的信号频率fi与信号发射频率fs之间关系为：其中，c为超声信号在水中的传播速度，vMT为界面反射点Mi在反射点至发射点的方向上的移动速度；S3-2、设第i个界面反射点，即接收点Mi的运动速度为：其中，vmix,vmiy,vmiz分别代表接收点Mi的运动速度在坐标轴X，Y，Z三个方向上的分量；S3-3、计算声波信号到达第i个界面反射点Mi时的频率fi；计算fi即是分析声波从超声发射探头至界面反射点Mi的过程；发射点O的坐标为(0,0,0)，界面反射点Mi的坐标为(0,0,Hi)，αi,βi,γi分别为向量与坐标轴X,Y,Z的夹角，此时则O→Mi方向上的单位向量可表示为：界面反射点Mi在Mi→O方向上的速度为：由于声波信号在由发射点O到界面反射点Mi的过程中，超声波发射器处于静止状态，可以推导出界面反射点Mi接收到的频率fi为：S3-4、计算声波信号从第i个界面反射点Mi到达超声波接收器Rj的频率fij；计算fij即是分析声波从界面反射点Mi到超声波接收器Rj的过程；接收点Rj(xj,yj,zj)为多个超声波接收器当中的其中之一，αij,βij,γij分别为向量与坐标轴X,Y,Z的夹角，则Mi→Rj方向上的单位向量可表示为：其中和的值可由界面反射点Mi的坐标位置和超声波接收器Rj的坐标位置求出；界面反射点在Mi→Rj方向上的速度为由于声波信号在界面反射点Mi到超声波接收器Rj的过程中，超声波接收器Rj处于静止状态，由多普勒公式可推导出超声波接收器Rj接收到的频率fij为：S3-5、联立以上公式，可得超声波接收器Rj接收到的频率fij为：上式中，有3个未知...

【专利技术属性】
技术研发人员：宁更新，王波文，宁秋燕，张军，冯义志，季飞，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44