本发明专利技术公开了一种声栅栏型多波束声呐成像装置，包括可电声转换实现信号发射/接收的声学均匀线阵组合，可提高声学均匀线阵组合中的水声换能器的电声转换效率的多通道阻抗匹配模块，可对信号进行移相以及驱动水声换能器发射信号的多通道发射机模块，可对信号进行移相、调理以及采集接收到信号的多通道接收机模块，可分别控制多通道发射机模块和多通道接收机模块以发射信号或接收信号的信号控制处理模块。利用声栅栏原理，对声学均匀线阵施加宽频带激励信号，实现多波束扫描成像声呐。在本发明专利技术中，单条声学均匀线阵仅需引出4个通道，极大地降低了电路规模和设计难度，从而减少了声呐系统的成本、尺寸、重量和功率，更易实现产品小型化的目标。小型化的目标。小型化的目标。
【技术实现步骤摘要】
一种声栅栏型多波束声呐成像装置及方法
[0001]本专利技术属于声学探测领域，尤其涉及一种声栅栏型多波束声呐成像装置及方法。
技术介绍
[0002]水下视觉图像帮助人类直观地认识海洋，增加人类对海洋的感性认知。众所周知，目前光学成像、电磁波成像技术在陆地上发展成熟，但在水下环境中受到限制。由于水中介质的复杂性，无线电波和光波在水中传播距离有限且衰减严重，一般的光学成像设备在清澈的海水中也仅能够实现近距离成像。因此，在水下环境中，人们利用声波对物体或结构进行成像，即成像声呐技术。
[0003]根据单次成像发射和接收声波的波束数量，成像声呐技术分为单波束成像技术和多波束成像技术：单波束成像声呐一次只能发射一个方向的声波波束，然后通过对回波信号进行处理生成包含单个角度的图像。而多波束声呐一次可以发射多个不同方向的声波波束，然后通过对回波信号进行处理生成包含多个角度的图像。多波束成像声呐相对于单波束成像声呐，可以提供更为准确、高效全面的水下成像结果。
[0004]多波束成像声呐在各个领域都有广泛的应用，特别是在水下测量测绘、水下维护检查、水下导航和海洋生物学研究等领域：
[0005]1.水下测量测绘：多波束成像声呐可以用于创建海底和水下结构的高分辨率地图，有助于规划和建设管道、桥梁和海上风电场等海洋基础设施。
[0006]2.水下维护检查：多波束成像声呐可以用于检查和维护水下结构，如石油钻井平台、管道和桥梁，有助于工程师和技术人员能够识别任何损坏或腐蚀并进行维修。
[0007]3.水下导航：多波束成像声呐可以提供准确的水下环境图像，提高水下航行器的定位和导航精度，同时还可以帮助水下航行器进行避障。
[0008]4.海洋生物学研究：多波束成像声呐可以用于研究水下生物，如鱼类群体研究、捕捞资源管理和海洋生态研究等，为研究人员提供了一个高分辨率、高效率和非侵入性的研究工具。
[0009]在传统的多波束成像声呐中，声学阵列各个阵元接收到的信号会在时间和幅度上产生一定的差异，因此需要对各个阵元的信号进行单独的信号处理，使它们在特定的方向上的信号相位一致，再通过加权求和得到该方向上的波束信号，这种技术称为“相控多波束”。
[0010]现有技术中“相控多波束”成像声呐一般具有成百上千个阵元，该技术中声学阵列各个阵元需要独立引出，这种做法虽然提高了信号处理算法的灵活性，但也需要为各个阵元设计独立的发射、接收和信号处理通道，不仅增加了电路规模和设计难度，更重要的是增加了声呐系统的成本、尺寸、重量和功率，较难实现产品小型化。
技术实现思路
[0011]本专利技术的技术目的是提供一种声栅栏型多波束声呐成像装置及方法，以方便水下
成像。
[0012]为解决上述问题，本专利技术的技术方案为：
[0013]一种声栅栏型多波束声呐成像装置，包括：
[0014]声学均匀线阵组合、多通道阻抗匹配模块、多通道发射机模块、多通道接收机模块和信号控制处理模块；
[0015]声学均匀线阵组合用于完成电声转换实现信号发射以及接收，并将窄带声信号分解/合成为宽带电信号；
[0016]多通道阻抗匹配模块与声学均匀线阵组合信号连接，用于提高声学均匀线阵组合中的水声换能器的电声转换效率；
[0017]多通道发射机模块与多通道阻抗匹配模块信号连接，用于对信号进行移相以及驱动声学均匀线阵发射信号；
[0018]多通道接收机模块与多通道阻抗匹配模块信号连接，用于对接收到的信号进行移相、调理以及采集；
[0019]信号控制处理模块分别与多通道发射机模块和多通道接收机模块信号连接，用于分别控制多通道发射机模块和多通道接收机模块以发射信号或接收信号，并实现声纳成像处理。
[0020]其中，声学均匀线阵组合包括至少三条声学均匀线阵，声学均匀线阵中包括N组阵元组，每组阵元组包括四个阵元以极性+、
‑
、
‑
、+进行排列；
[0021]每组阵元组的第一正极阵元连接有通道CH1；
[0022]每组阵元组的第一负极阵元连接有通道CH2；
[0023]每组阵元组的第二负极阵元连接有通道CH3；
[0024]每组阵元组的第二正极阵元连接有通道CH4。
[0025]其中，若4个通道依次之间相位差为+90
°
，则可以在法线右侧形成一个指向性波束，指向性波束的公式如下：
[0026][0027]若4个通道依次之间相位差为
‑
90
°
，则可以在法线左侧形成一个指向性波束，指向性波束的公式如下：
[0028][0029]若4个通道依次之间相位差为0
°
，则可以在法线左、右两侧形成对称的指向性波束，指向性波束的公式如下：
[0030][0031]其中，c为声速，M为阵元数等于4N，d为阵元间距，f为信号频率，θ为为方向；
[0032]上述三种指向性波束主瓣位置的绝对值均为：
[0033][0034]具体地，多通道发射机模块包括依次信号连接的移相器、数模转换器和功率放大器；
[0035]具体地，多通道接收机模块包括依次信号连接的移相器、信号调理器和模数转换器；
[0036]具体地，信号控制处理模块包括信号连接FPGA单元、DSP单元和ARM单元。
[0037]进一步优选地，还设有图像显控模块，图像显控模块与信号控制处理模块信号连接，用于输入控制指令以对声栅栏型多波束声呐成像装置进行控制，并接收从信号控制处理模块输出的图像数据加以显示。
[0038]进一步优选地，还设有声呐电源模块，用于对声栅栏型多波束声呐成像装置内的各模块提供电力支持。
[0039]一种声栅栏型多波束声呐成像方法，配置于如上述的声栅栏型多波束声呐成像装置，包括如下步骤：
[0040]S1：通过信号控制处理模块控制多通道发射机模块发射信号，同时，多通道接收机模块以固定时长开始接收回波信号；
[0041]S2：将回波信号输入至信号控制处理模块进行预处理；
[0042]S3：利用信号控制处理模块，采用时频分析对预处理后的回波信号进行多波束成像处理；
[0043]S4：将处理完成后的多波束图像数据传输至图像显控模块进行显示；
[0044]S5：重复步骤S1至S4。
[0045]本专利技术由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
[0046]本专利技术利用声栅栏原理，提出了一种声栅栏型多波束声呐成像装置及方法。具体通过对声学均匀线阵施加宽频带激励信号，实现多波束扫描成像声呐，可称为声栅栏型多波束声呐成像技术。在这种技术中，单条声学均匀线阵仅需引出4个通道，极大地降低了电路规模和设计难度，从而减少了声呐系统的成本、尺寸、重量和功率，更易实现产品小型化的目标，使用多条声学均匀线阵可以实现连续的、宽敞的视野。
附图说明
[0047]通过阅读本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种声栅栏型多波束声呐成像装置，其特征在于，包括：声学均匀线阵组合、多通道阻抗匹配模块、多通道发射机模块、多通道接收机模块和信号控制处理模块；所述声学均匀线阵组合用于完成电声转换实现信号发射以及接收，并将窄带声信号分解/合成为宽带电信号；所述多通道阻抗匹配模块与所述声学均匀线阵组合信号连接，用于提高所述声学均匀线阵组合中的水声换能器的电声转换效率；所述多通道发射机模块与所述多通道阻抗匹配模块信号连接，用于对信号进行移相以及驱动所述声学均匀线阵发射信号；所述多通道接收机模块与所述多通道阻抗匹配模块信号连接，用于对接收到的信号进行移相、调理以及采集；所述信号控制处理模块分别与所述多通道发射机模块和所述多通道接收机模块信号连接，用于分别控制所述多通道发射机模块和所述多通道接收机模块以发射信号或接收信号，并实现声纳成像处理。2.根据权利要求1所述的声栅栏型多波束声呐成像装置，其特征在于，所述声学均匀线阵组合包括至少三条声学均匀线阵，所述声学均匀线阵中包括N组阵元组，每组阵元组包括四个阵元以极性+、
‑
、
‑
、+进行排列；每组阵元组的第一正极阵元连接有通道CH1；每组阵元组的第一负极阵元连接有通道CH2；每组阵元组的第二负极阵元连接有通道CH3；每组阵元组的第二正极阵元连接有通道CH4。3.根据权利要求2所述的声栅栏型多波束声呐成像装置，其特征在于，若4个通道依次之间相位差为+90
°
，则可以在法线右侧形成一个指向性波束，指向性波束的公式如下：若4个通道依次之间相位差为
‑
90
°
，则可以在法线左侧形成一个指向性波束...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱安珏，肖金铎，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所东海研究站，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。