一种基于声子晶体传感的水下声源定位系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于声子晶体传感的水下声源定位系统及方法，包括传感模块、信息采集模块以及声源定位模块；入射声波先与传感模块作用，再由信息采集模块接收透射波的声信号并将其传至声源定位模块。传感模块中利用旋转器控制声子晶体旋转，由水听器将声子晶体透射波的压力信号转化为电信号。当声源定位模块中程序控制终端显示由信息采集模块所采集的声信号幅度为零时，判断入射声波与声子晶体表面呈49°夹角，由此确定声源相对于声子晶体平面的方位，再结合声子晶体旋转的角度，可确定声源相对于固定参考系的方位；根据两个布放在不同位置的传感模块得到两个方位，再结合两个传感模块之间的距离，运用反演算法，确定二维平面内声源的具体位置。

【技术实现步骤摘要】
一种基于声子晶体传感的水下声源定位系统及方法
本专利技术涉及水声探测领域，具体涉及一种基于声子晶体传感的水下声源定位系统及方法。
技术介绍
声波作为水下能量和信息输送的最有效手段，被广泛应用于远距离的水声通信或水下目标探测。利用接收到的声信息，在军事上，可感知并发现敌方声学目标所在方位；在海洋应用上，可以对鲸豚等水生生物进行实时跟踪与监控。目前，水下声源的定位方法中相控阵技术较为成熟且应用最为广泛，其基本原理是基于时延估计技术，通过测量声波到达各阵元的相对时延，来估计目标的距离和方位。该方法需借助较多的阵元数并结合复杂算法来提高探测精度，具有高功耗、体积庞大等缺点。近年来，弹性波在声学超材料中异常传播的特性引起了国内外学者的广泛关注，越来越多的研究倾向于以声学超材料为基础设计声学传感器件，并应用在不同的传感领域。倘若能够利用声学超材料的异常声信息传输特性，构造新型声传感元件，将有望改善传统相控阵技术的不足，为声源探测提供一种新的设计思路。一维流固型声子晶体是最简单的一类声学超材料，其具有结构简单、易于构造、便于实时调控等优良特性。近年来，研究人员发现了其固有的超低频声禁带，该禁带对声波的入射角度极为敏感。本专利技术将基于这一特性，提出一种基于声子晶体传感的水下声源定位系统与方法。
技术实现思路
本专利技术提出一种新型的基于声子晶体传感的水下声源定位系统，实现水下声源目标的定位，以弥补现有相控阵技术存在的不足。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种基于声子晶体传感的水下声源定位系统。该系统由2个传感模块、1个信息采集模块、1个声源定位模块。入射声波先与2个传感模块作用，再由信息采集模块接收透射波的声信号并将其传至声源定位模块。传感模块中利用旋转器控制声子晶体旋转，由水听器将声子晶体透射波的压力信号转化为电信号以供信息采集模块采集。当声源定位模块中程序控制终端显示由信息采集模块所采集的声信号幅度为零时，可判断入射声波与声子晶体表面呈49°夹角，由此可以确定声源相对于声子晶体平面的方位，再结合声子晶体旋转的角度，即可确定声源相对于固定参考系(本专利技术参考系以固定的传感模块建立参考)的方位；根据两个布放在不同位置的传感系统可得到两个方向，再结合两个传感模块之间的距离，运用反演算法，便可确定二维平面内声源的具体位置。优选的，所述声子晶体由4层PMMA板和4层水交替排列构成，当入射波传播方向与所述声子晶体表面呈49°时，将产生特殊低频声禁带，即无法产生透射波优选的，所述的旋转器的旋转精度优于0.001°。优选的，所述信息采集模块以NI数据采集卡为核心，采集透射波的声信号。优选的，所述水听器属于压电材料，能够将压力信号转化为电信号优选的，所述由Labview程序接收NI数据采集卡所采集的声信号并实时显示信号波形图。优选的，所述根据两个布放在不同位置的传感模块，可获取关于声源的两个不同方位，结合两个传感模块之间的已知参数，可定位出二维平面内声源的位置。根据上述定位系统，本专利技术提出了一种基于声子晶体传感的水下声源定位方法，包括如下：将两个传感模块以距离L1布置在水中，以两个传感模块的中心连线为x轴，然后以其中一个传感模块的中心为原点，再以垂直两个传感模块的中心连线建立y轴，最后以垂直x-y平面的方向建立z轴，设传感模块绕坐标轴的逆时针旋转为正，以图3中左边传感模块1为例，不断连续旋转声子晶体，当信息采集模块接受到的信息发生突变，即有强变弱、再变强，此时入射声波传播方向与声子晶体的表面成49°夹角，设该声子晶体旋转角度为θ3，并记录旋转角度θ3，由于声子晶体的旋转角度为θ3得知此时声子晶体的表面与水平面的夹角为θ3，再由入射波方向与声子晶体的表面成49°，得出θ1＝θ3+49°，同理，可得θ2＝θ4+49°；由于两个传感模块的距离L1已知，确定声源距离左边传感模块的距离L2＝|L1*sinθ2/sin(θ2-θ1)|，声源距离右边传感模块的距离L3＝|L1*sinθ1/sin(θ2-θ1)|，根据声源距离传感模块的角度以及距离得出二维平面内的声源位置。上述定位方法中，当信息采集模块接受到的信息发生突变时，Labview程序发出报警。本专利技术的有益效果是：(1)系统结构设计巧妙、简单、易于实现，成本较低。通常水下声源定位的方法采用更多的阵列来判断声源，依赖复杂的系统，综合成本较高，本专利技术克服了现有技术的这些问题。(2)传统声源定位方法需借助复杂的算法，本专利技术方法算法较为简单，且精度较高(1km的定位误差为4.4m)。(3)本专利技术与现有技术相比，具有低功耗的特性。附图说明图1为实施例中的系统方框图。图2为实施例中的传感模块示意图。图3为实施例中二维平面定位的示意图。图中数字标记：1-PMMA，2-水，3-水听器；具体实施方式下面结合附图以及具体实施例对本专利技术的目的、技术方案及优点作进一步详细说明。但本专利技术保护范围并不限于此。实施例本实施例提供了一种基于声子晶体传感的水下声源定位系统，如图1所示。该系统包括2个传感模块、1个信息采集模块、1个声源定位模块。当左面的入射声波与传感模块作用后，由水听器接收透射波的声压力信号并将其转化为电信号，然后通过信息采集模块将采集到的电信号传送到声源定位模块。图2所述为传感模块结构示意图。传感模块由声子晶体+水听器+旋转器构成。图中，1为PMMA，2为水，1和2构成PMMA-水结构，声子晶体共有4层PMMA-水结构，当外界入射声波入射到声子晶体表面时，将形成透射波，透射波的声压力信号经水听器转化为电信号。3为水听器，采用压电材料，能够将声压力信号转化为电信号。旋转器控制声子晶体的旋转，旋转精度为0.001°，并将旋转角度反馈给声源定位系统。图2中的左图为声子晶体和水听器的正视图(以右图为参考)，图右则是用来安置声子晶体和水听器的旋转器装置，左侧面用来接受声波，其余的五个面用吸声材料包裹封装，声波无法透射，右侧面则用来传输信号，声子晶体可以绕y轴以及z轴进行旋转。信息采集模块包括：数据采集卡、滤波器、信号放大器、Labview程序控制界面组成。通过Labview控制数据采集卡，采样频率为100kHz。利用Labview编程实时显示信号波形。声源定位模块将实时波形信号为零时的声子晶体方位记录，经过如图3所述的反演算法得到声源位置。图3中，两个传感器间相距为L1，以两个传感模块的中心连线为x轴，然后以传感模块1的中心为原点，再以垂直两个传感模块的中心连线建立y轴，最后以垂直x-y平面的方向建立z轴。设声子晶体绕坐标轴的旋转方向以逆时针为正，以左边传感模块1为例，不断连续旋转声子晶体，当信息采集模块接受到的信号发生突变(有强变弱、再变强)，表明入射声波方向与声子晶体的表面成49°夹角，设其旋转角度为θ3。；此时，Labview程序发出报警，并记录声子晶体的旋转角度θ3，如图3所示，由于声子晶体的旋转角度为θ3可知此时声子晶体的表面与水平面的夹角为θ3，又因为入射波方向与声子晶体的表面成49°，所以θ1＝θ3+49°，同理，可得θ2＝θ4+49°；θ1为声源距左边传感模块1的方位，θ2为声源距右边传感模块2的方位，θ3为左边传感模块中声子晶体旋转的角度，θ4为图3中右边传感模块中声子晶体旋转的角度；由于两个传感本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于声子晶体传感的水下声源定位系统，其特征在于，包括：两个或以上传感模块、信息采集模块以及声源定位模块；所述传感模块、所述信息采集模块以及所述声源定位模块依次相连；所述传感模块能够实时跟踪检测水下声波信号，根据声波不同的接收角度输出不同的信号，并将该输出信号通过信息采集模块发送给声源定位模块；所述声源定位模块根据该输出信号以及结合传感模块的位置和方向信息计算得到声源的位置。

【技术特征摘要】
1.一种基于声子晶体传感的水下声源定位系统，其特征在于，包括：两个或以上传感模块、信息采集模块以及声源定位模块；所述传感模块、所述信息采集模块以及所述声源定位模块依次相连；所述传感模块能够实时跟踪检测水下声波信号，根据声波不同的接收角度输出不同的信号，并将该输出信号通过信息采集模块发送给声源定位模块；所述声源定位模块根据该输出信号以及结合传感模块的位置和方向信息计算得到声源的位置。2.根据权利要求1所述的基于声子晶体传感的水下声源定位系统，其特征在于，所述传感模块包括旋转器、声子晶体以及水听器(3)；所述旋转器能够控制所述声子晶体旋转；所述水听器能够将声子晶体的透射波压力信号转换为电信号，所述电信号被所述信息采集模块采集。3.根据权利要求2所述的基于声子晶体传感的水下声源定位系统，其特征在于，所述声子晶体由若干层PMMA板和水交替排列构成。4.根据权利要求3所述的基于声子晶体传感的水下声源定位系统，其特征在于，所述声子晶体优选由4层PMMA板(1)和水(2)交替排列构成。5.根据权利要求4所述的基于声子晶体传感的水下声源定位系统，其特征在于，所述声子晶体在入射声波与声子晶体的表面成49°夹角时能够输出幅度为零的信号。6.根据权利要求1所述的基于声子晶体传感的水下声源定位系统，其特征在于，所述声源定位模块的控制终端显示由信号采集模块所采集的声信号幅度为零时，得出入射声波与声子晶体表面呈49°夹角，再结合声子晶体旋转的角度，即可确定声源相对于固定参考系的方位；根据两个布放在不同位...

【专利技术属性】
技术研发人员：张赛，胡光华，许伯强，商德江，肖妍，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32