一種用于流體在線監(jiān)測成像的聲納鏡裝置制造方法
【專利摘要】一種用于流體在線監(jiān)測成像的聲納鏡裝置，給出了一個完整的水聲通信系統(tǒng)，水聲二位四通信道是公司科研的創(chuàng)新,由該信道傳輸后的接收信號,可視為經(jīng)由不同路徑到達(dá)的、具有不同時延和幅度的多個分量的疊加，發(fā)射換能器與接收換能器之間的聲傳播主要由界面反射和直達(dá)路徑組成，到達(dá)接收端換能器的各條路徑的信號有著不同的路徑長度,因而到達(dá)接收機(jī)的時間各不相同的信號幅度，在水聲信道中的收發(fā)兩端始終存在著一條以上的傳播路徑,因此多途在任何時候都可發(fā)生,由于水聲場的時間-空間-頻率變化特性,使得多途現(xiàn)象尤為突出，本發(fā)明主要作用于在工業(yè)容器、反應(yīng)器、攪拌器等極近距離的非均相性狀的檢測控制，能夠克服多途干擾、時域和多普勒擴(kuò)展、時變衰落，重點(diǎn)解決了水聲通信中的問題。
【專利說明】一種用于流體在線監(jiān)測成像的聲納鏡裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是在回顧聲納技術(shù)發(fā)展簡史的基礎(chǔ)上，研發(fā)的一種用于流體在線監(jiān)測成像 的聲納鏡裝置，屬于聲納技術(shù)檢測中用于封閉容器內(nèi)物料的在線成像技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)今世界已進(jìn)入了飛速發(fā)展的信息時代，通信是這一進(jìn)程中發(fā)展最為迅速進(jìn)步 最快的行業(yè)，陸地和空中通信領(lǐng)域包括的兩個最積極、最活躍和發(fā)展最快的分支Internet 網(wǎng)和移動通信網(wǎng)日臻完善，而水中通信的發(fā)展剛剛嶄露頭角.有纜方式的信息傳輸由于目 標(biāo)活動范圍受限制、通信纜道的安裝和維護(hù)費(fèi)用高昂以及對其它水域活動可能存在影響等 缺點(diǎn)，極大地限制了它在水域環(huán)境中的應(yīng)用，另外由于在渾濁、含鹽的水域中光波、電磁波 的傳播衰減都非常大，即使是衰減最小的藍(lán)綠光的衰減也達(dá)到了 40dB/km，因而它們在水 中的傳播距離十分有限，遠(yuǎn)不能滿足人類在水域活動的需要.在非常低的頻率（200Hz以 下），聲波在水域中卻能傳播幾百公里，即使20kHz的聲波在水中的衰減也只有2 - 3dB/ km，因此水下通信一般都使用聲波來進(jìn)行通信.而在這個頻率范圍內(nèi)，聲波在水中（包括 海水）的衰減與頻率的平方成正比，聲波的這個特性導(dǎo)致了水下聲信道是帶寬受限的.采 用聲波作為信息傳送的載體是目前海中實(shí)現(xiàn)中、遠(yuǎn)距離無線通信的唯一手段。
[0003] 對比文件：申請（專利）號CN201410209162. 6 -種水下聲學(xué)視頻成像裝置；申請 (專利）號CN201410167065. 5 -種被動聲納陣列信號仿真中的海洋信道仿真方法；申請 (專利）號CN201410166921. 5 -種開放式陣列信號的仿真方法；在仔細(xì)分析了上述發(fā)明內(nèi) 容后，感覺其還是缺少新穎性介紹及不足，別說本行業(yè)的普通技術(shù)員按照公開內(nèi)容能夠理 解，不能夠根據(jù)公開內(nèi)容直接地、毫無疑義地確定的內(nèi)容來復(fù)制，而本發(fā)明是在回顧聲納技 術(shù)發(fā)展簡史的基礎(chǔ)上的進(jìn)一步創(chuàng)新，明確、清晰地介紹了 "一種用于流體在線監(jiān)測成像的聲 納鏡裝置"，主要作用于封閉容器內(nèi)物料的在線成像技術(shù)，參考文件：聲納技術(shù)及其應(yīng)用專 題 35卷（2〇〇6年）12期。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 聲納系統(tǒng)一般是由發(fā)射機(jī)、換能器（水聽器）、接收機(jī)、顯示器和控制器等幾個部 件組成，發(fā)射機(jī)用于產(chǎn)生需要的電信號，以便激勵換能器將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)槁曅盘栂蛩邪l(fā) 射，水聽器接收后又將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，電信號?jīng)接收機(jī)放大和各種處理，再將處理結(jié)果 反饋至控制器或顯示系統(tǒng)，最后根據(jù)這些處理的信息可測出目標(biāo)的位置，判斷出目標(biāo)的性 質(zhì)等，從而完成聲納的使命，這是常見的"主動聲納"工作原理.還有"被動聲納"和"主、 被動綜合聲有益效果，"被動聲納"是利用目標(biāo)輻射的聲波，因此聲波在水域中只是單程傳 播，系統(tǒng)的核心部件是用來測聽目標(biāo)聲波的水聽器。
[0005] 綜合聲納系統(tǒng)在水下聲學(xué)通信信道兩端都有發(fā)射換能器和接收換能器，聲納的水 上部分都是以電子計(jì)算機(jī)為中心的數(shù)據(jù)采集、處理、圖像顯示等設(shè)備，水下部分則是水聲 換能器（或基陣）水聲換能器是聲納系統(tǒng)的重要部件，根據(jù)工作狀態(tài)的不同可分為兩類： 一類稱為發(fā)射換能器，它將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再轉(zhuǎn)換為聲能；另一類稱為接收換能器， 它將聲能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再轉(zhuǎn)換為電能，實(shí)際應(yīng)用中的水聲換能器兼有發(fā)射和接收兩種功 能，現(xiàn)代聲納技術(shù)對水聲發(fā)射換能器的要求是：低頻、大功率、高效率以及能在深海中工 作等特性。
[0006] 而本設(shè)計(jì)的是應(yīng)用于工業(yè)容器、反應(yīng)器、攪拌器等極近距離的非均相性狀的檢測 控制裝置，簡單地說，是讓接收機(jī)或已知或估計(jì)出發(fā)射機(jī)的載頻頻率和相位信息來進(jìn)行解 調(diào)處理，而非相干通信接收機(jī)一般不需要知道發(fā)射機(jī)載頻的相位信息，根據(jù)水下信道傳播 的特性，信號的頻率成分包含在其原始信號的帶寬中，而信號的幅度和相位由于混響的作 用在空間和時間域上變化很大，因此多頻移鍵控調(diào)制（量子）創(chuàng)意成了非相干調(diào)制方案選 擇。
[0007] 系統(tǒng)使用不同的音頻(量子）脈沖來表示數(shù)字信息，在接收端判斷是哪個音頻(量 子)被發(fā)送，是基于窄帶濾波器的輸出端的能量檢測原理，我公司根據(jù)水聲量子學(xué)的研究發(fā) 現(xiàn)用低頻聲波傳遞信號，對于遠(yuǎn)距離目標(biāo)的定位和檢測有著明顯的優(yōu)越性，因?yàn)榈皖l聲波 在水域中傳播時，被水吸收的量子數(shù)值比高頻聲波量子要低，故能比高頻聲波傳播更遠(yuǎn)的 距離，這對增大探測范圍非常有益，對于主要作用在工業(yè)容器、反應(yīng)器、攪拌器等極近距離 的非均相性狀的檢測控制中，克服了多途干擾、時域和多普勒擴(kuò)展、時變衰落，重點(diǎn)解決了 水聲通信中的問題，應(yīng)用在工業(yè)容器、反應(yīng)器、攪拌器等極近距離的非均相性狀的成像，方 便檢測控制。
[0008] 有益效果 具有流場動態(tài)測量能力，能夠測量流場的水平流速分層及垂直流速分層；具有液面測 量能力； 通過對顆粒散射特性的分析，測試顆粒的粒徑及濃度；具有對濾芯直徑測量的能力，主 要作用在工業(yè)容器、反應(yīng)器、攪拌器等極近距離的非均相性狀的檢測控制，能夠克服多途干 擾、時域和多普勒擴(kuò)展、時變衰落，重點(diǎn)解決了水聲通信中的問題。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 圖1是裝置系統(tǒng)圖 圖2是回聲測距示意圖 技術(shù)方案 一種用于流體在線監(jiān)測成像的聲納鏡裝置，包括以下步驟：采用換能器陣列內(nèi)存設(shè)計(jì) 與AB二組量子發(fā)射器、量子接收機(jī)鏈接，通過信號處理器將流體參數(shù)顯示在控制計(jì)算機(jī) 上，是由陣列換能器、量子發(fā)射器、量子接收機(jī)、信號處理器、顯示控制計(jì)算機(jī)、上位模塊、下 位模塊、聲控管用回轉(zhuǎn)線路連接組成，其特征是：換能器反應(yīng)采用二位四通結(jié)構(gòu)陣列信號排 序，上位模塊、下位模塊以嵌入方式按插在回轉(zhuǎn)線路板上，集成上、下二位的四通導(dǎo)向結(jié)構(gòu)， 再用固定法安裝在陣列換能器的設(shè)計(jì)部位上，（A組）：通過量子接收機(jī)接收的信息輸入信 號處理器處理，由信號處理器將流體參數(shù)通過量子發(fā)射器返回與換能器陣列內(nèi)存中數(shù)據(jù)對 t匕，將對比結(jié)果由（B組）的量子接收機(jī)將信號輸入信號處理器，A、B二組的量子發(fā)射器、量 子接收機(jī)之間的信號可智能互換(見附圖）。
[0010] A、B二組的量子發(fā)射器、量子接收機(jī)、信號處理器用串聯(lián)法鏈接成組，每組的量子 發(fā)射器、量子接收機(jī)各用一根單相金屬屏蔽線連接二腳插接件，量子發(fā)射器、量子接收機(jī)串 聯(lián)法插接在陣列換能器內(nèi)存上的不同位置點(diǎn)上，所述的上、下二位四通導(dǎo)向結(jié)構(gòu)是由四道 水下聲學(xué)通信信道串聯(lián)組成，其兩端都鏈接有發(fā)射換能器和接收換能器。
[0011] A、B二組的量子發(fā)射器、量子接收機(jī)由四通導(dǎo)向結(jié)構(gòu)中的線路分別連接信號處理 器，再分別連接在顯示控制計(jì)算機(jī)上，上位模塊、下位模塊中至少有一個以上不同數(shù)據(jù)設(shè)計(jì) 的換能器基元，每個陣列換能器基元中至少安裝有一個以上單獨(dú)的發(fā)射和接收電路，并由 四通線路接受顯示控制計(jì)算機(jī)的控制(二位四通結(jié)構(gòu)之特點(diǎn)），所有陣列換能器的基元可以 獨(dú)立工作，也可以同步工作，可按照系統(tǒng)工作的方式轉(zhuǎn)換，在陣列換能器基元完成的信號形 成、發(fā)射驅(qū)動、功率放大及匹配輸出后，完成回波信號的接收、放大、濾波及信號處理，并將 處理結(jié)果發(fā)送至顯示控制的計(jì)算機(jī)上，其功能主要作用在工業(yè)容器、反應(yīng)器、攪拌器等極近 距離的非均相性狀的檢測控制，能夠克服多途干擾、時域和多普勒擴(kuò)展、時變衰落，重點(diǎn)解 決了水聲通信中的問題。
[0012] 當(dāng)液面測量在精度要求不高的情況下，陣列換能器也能夠具有液面測量的能力， 陣列換能器基元液體中的固體顆粒將對聲波產(chǎn)生散射，通過對不同粒徑的固體顆粒及不同 濃度的液體形成對照數(shù)據(jù)庫，將測量結(jié)果與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，確定顆粒的粒徑分 布及濃度的估計(jì)，發(fā)射一指向性波束遇到濾芯表面發(fā)生聲反射，反射聲波被同一陣列換能 器接收到，并通過放大、濾波、檢波等處理后測量回波與發(fā)射時刻的時間差T，陣列換能器 表面離開濾芯表面的距離通過如下公式計(jì)算：d=c Χτ/ 2其中c為液體中的聲速。
[0013] 具體實(shí)施 一種用于流體在線監(jiān)測成像的聲納鏡裝置，包括以下步驟：采用換能器陣列內(nèi)存設(shè)計(jì) 與A、Β二組量子發(fā)射器、量子接收機(jī)鏈接，通過信號處理器將流體參數(shù)顯示在控制計(jì)算機(jī) 上，是由陣列換能器1、量子發(fā)射器2、量子接收機(jī)3、信號處理器4、顯示控制計(jì)算機(jī)5、上位 模塊6、下位模塊7、聲控管8用回轉(zhuǎn)線路連接組成，其特征是：換能器反應(yīng)采用二位四通結(jié) 構(gòu)陣列信號排序，上位模塊6、下位模塊7以嵌入方式按插在回轉(zhuǎn)線路板上，集成上、下二位 的四通導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，再安裝在陣列換能器1的設(shè)計(jì)部位上，Α組：通過量子接收機(jī)3接收的信 息輸入信號處理器4處理，由信號處理器4將流體參數(shù)通過量子發(fā)射器2返回與換能器陣 列內(nèi)存中數(shù)據(jù)對比，將對比結(jié)果由B組的量子接收機(jī)3將信號輸入信號處理器4, A、B二組 的量子發(fā)射器2、量子接收機(jī)3之間的信號可智能互換(見附圖)。
[0014] A、B二組的量子發(fā)射器2、量子接收機(jī)3、信號處理器4用串聯(lián)法鏈接成組，每組的 量子發(fā)射器2、量子接收機(jī)3各用一根單相金屬屏蔽線連接二腳插接件，量子發(fā)射器2、量子 接收機(jī)3用串聯(lián)法插接在陣列換能器內(nèi)存上的不同位置點(diǎn)上，A、B二組的量子發(fā)射器2、量 子接收機(jī)3由四通導(dǎo)向結(jié)構(gòu)中的線路分別連接信號處理器4,再用余線分別連接在顯示控 制計(jì)算機(jī)5上，上位模塊6、下位模塊7中至少有一個以上不同數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的換能器基元。
[0015] 每個陣列換能器1基元中至少安裝有一個以上單獨(dú)的發(fā)射和接收電路，并由四通 線路接受顯示控制計(jì)算機(jī)的控制(二位四通結(jié)構(gòu)之特點(diǎn))，所有陣列換能器1的基元可以獨(dú) 立工作，也可以同步工作，可按照系統(tǒng)工作的方式轉(zhuǎn)換，信息轉(zhuǎn)換成電信號，并由信號處理 器4將信息數(shù)字化處理后，換能器1中上位模塊6又將電信號轉(zhuǎn)換為聲信號，聲信號通過 水這一介質(zhì)，將信息傳遞到量子接收機(jī)3,這時聲信號又轉(zhuǎn)換為電信號，信號處理器4將 數(shù)字信息破譯后，量子接收機(jī)3的信息通過下位模塊7變成聲音、文字及圖片，聲能和電能 相互轉(zhuǎn)換，在空氣中、水中、固體中任意發(fā)射和接收不同頻率、不同強(qiáng)度的聲信號在陣列換 能器1基元完成的信號形成、發(fā)射驅(qū)動、功率放大及匹配后通過量子發(fā)射器2輸出，完成回 波信號的接收、放大、濾波及信號處理，并將處理結(jié)果發(fā)送至顯示控制的計(jì)算機(jī)5上。
[0016] 當(dāng)液面測量在精度要求不高的情況下，陣列換能器1也能夠具有液面測量的能 力，陣列換能器1基元液體中的固體顆粒將對聲波產(chǎn)生散射，通過對不同粒徑的固體顆粒 及不同濃度的液體形成對照數(shù)據(jù)庫，將測量結(jié)果與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，確定顆粒的 粒徑分布及濃度的估計(jì)，量子發(fā)射器2發(fā)射一指向性波束遇到濾芯表面發(fā)生聲反射，反射 聲波被同一陣列換能器1接收到，并通過放大、濾波、檢波等處理后測量回波與發(fā)射時刻的 時間差τ，陣列換能器1表面離開濾芯表面的距離通過如下公式計(jì)算：d=c X τ / 2其中 c為液體中的聲速。
[0017] 由于濾芯固定安裝，其中心線與換能器表面的距離可以通過設(shè)計(jì)及實(shí)際測量得 至IJ，所以測量得到d就可以反推出濾芯的直徑，通過陣列換能器1得到的所有測量數(shù)據(jù)反 推出濾芯的直徑圖像，由于液體中固體顆粒存在干擾現(xiàn)象，在實(shí)際測量中需要對回聲測距 的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和積分后取得，并將濾芯生長過程的記錄，形成生長曲線，由于濾芯固定安 裝，其中心線與換能器表面的距離可以通過設(shè)計(jì)及實(shí)際測量得到，所以測量得到d就可以 反推出濾芯的直徑，通過陣列換能器1得到的所有測量數(shù)據(jù)可反推出濾芯的直徑圖像。
[0018] 本設(shè)計(jì)的一種用于流體在線監(jiān)測成像的聲納鏡裝置，給出了一個完整的水聲通信 系統(tǒng)，水聲二位四通信道是公司科研的創(chuàng)新點(diǎn)，由該信道傳輸后的接收信號，可視為經(jīng)由 不同路徑到達(dá)的、具有不同時延和幅度的多個分量的疊加，發(fā)射換能器與接收換能器之間 的聲傳播主要由界面反射和直達(dá)路徑組成，到達(dá)接收端換能器的各條路徑的信號有著不同 的路徑長度，因而到達(dá)接收機(jī)的時間各不相同的信號幅度，在水聲信道中的收發(fā)兩端始 終存在著一條以上的傳播路徑，因此多途在任何時候都可發(fā)生，由于水聲場的時間-空 間-頻率變化特性，使得多途現(xiàn)象尤為突出，而本發(fā)明主要作用在工業(yè)容器、反應(yīng)器、攪拌 器等極近距離的非均相性狀的檢測控制，克服了多途干擾、時域和多普勒擴(kuò)展、時變衰落， 重點(diǎn)解決了水聲通信中的問題。
[0019] 最后，以上顯示和描述了本設(shè)計(jì)的主要特征及優(yōu)點(diǎn)，本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解， 本發(fā)明設(shè)計(jì)不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本設(shè)計(jì)部分的 結(jié)構(gòu)原理，在不脫離本設(shè)計(jì)的精神和范圍的前提下還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改 進(jìn)都應(yīng)落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍由所附的權(quán)利要求書及其等 效物界。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于流體在線監(jiān)測成像的聲納鏡裝置，包括以下步驟：采用換能器陣列內(nèi)存設(shè) 計(jì)與（A)、（B)二組量子發(fā)射器、量子接收機(jī)鏈接，通過信號處理器將流體參數(shù)顯示在控制 計(jì)算機(jī)上，是由陣列換能器（1)、量子發(fā)射器（2)、量子接收機(jī)（3)、信號處理器（4)、顯示控 制計(jì)算機(jī)（5)、上位模塊（6)、下位模塊（7)、聲控管（8)用回轉(zhuǎn)線路連接組成，其特征是：換 能器反應(yīng)采用二位四通結(jié)構(gòu)陣列信號排序，上位模塊（6)、下位模塊（7)以嵌入方式按插在 回轉(zhuǎn)線路板上，集成上、下二位的四通導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，再安裝在陣列換能器（1)的設(shè)計(jì)部位上，（A 組）：通過量子接收機(jī)（3)接收的信息輸入信號處理器（4)處理，由信號處理器（4)將流體 參數(shù)通過量子發(fā)射器（2)返回與換能器陣列內(nèi)存中數(shù)據(jù)對比，將對比結(jié)果由（B組）的量子 接收機(jī)（3)將信號輸入信號處理器（4)，（A)、（B)二組的量子發(fā)射器（2)、量子接收機(jī)（3)之 間的信號可智能互換(見附圖）。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于流體在線監(jiān)測成像的聲納鏡裝置，其特征在于： (A)、（B)二組的量子發(fā)射器（2)、量子接收機(jī)（3)、信號處理器（4)用串聯(lián)法鏈接成組，每組 的量子發(fā)射器（2)、量子接收機(jī)（3)各用一根單相金屬屏蔽線連接二腳插接件，量子發(fā)射器 (2)、量子接收機(jī)（3)串聯(lián)法插接在陣列換能器內(nèi)存上的不同位置點(diǎn)上，所述的上、下二位的 四通導(dǎo)向結(jié)構(gòu)由四道水下聲學(xué)通信信道串聯(lián)，其兩端都鏈接有發(fā)射換能器和接收換能器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于流體在線監(jiān)測成像的聲納鏡裝置，其特征在于： (A)、(B)二組的量子發(fā)射器（2)、量子接收機(jī)（3)由四通導(dǎo)向結(jié)構(gòu)中的線路分別連接信號處 理器（4)，再分別連接在顯示控制計(jì)算機(jī)（5)上，上位模塊（6)、下位模塊（7)中至少有一個 以上不同數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的換能器基元。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于流體在線監(jiān)測成像的聲納鏡裝置，其特征在于：每 個陣列換能器（1)基元中至少安裝有一個以上單獨(dú)的發(fā)射和接收電路，并由四通線路接受 顯示控制計(jì)算機(jī)的控制(二位四通結(jié)構(gòu)之特點(diǎn)），所有陣列換能器（1)的基元可以獨(dú)立工作， 也可以同步工作，可按照系統(tǒng)工作的方式轉(zhuǎn)換，在陣列換能器（1)基元完成的信號形成、發(fā) 射驅(qū)動、功率放大及匹配輸出后，完成回波信號的接收、放大、濾波及信號處理，并將處理結(jié) 果發(fā)送至顯示控制的計(jì)算機(jī)上，主要作用在工業(yè)容器、反應(yīng)器、攪拌器等極近距離的非均相 性狀的檢測控制，克服多途干擾、時域和多普勒擴(kuò)展、時變衰落。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種用于流體在線監(jiān)測成像的聲納鏡裝置，其特征在于：當(dāng) 液面測量在精度要求不高的情況下，陣列換能器（1)也能夠具有液面測量的能力，陣列換 能器（1)基元液體中的固體顆粒將對聲波產(chǎn)生散射，通過對不同粒徑的固體顆粒及不同濃 度的液體形成對照數(shù)據(jù)庫，將測量結(jié)果與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，確定顆粒的粒徑分布 及濃度的估計(jì)，發(fā)射一指向性波束遇到濾芯表面發(fā)生聲反射，反射聲波被同一陣列換能器 (1)接收到，并通過放大、濾波、檢波等處理后測量回波與發(fā)射時刻的時間差τ，陣列換能器 (1)表面離開濾芯表面的距離通過如下公式計(jì)算：d=c Χτ/ 2其中c為液體中的聲速。
【文檔編號】G01S15/89GK104122559SQ201410403040
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年8月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月18日
【發(fā)明者】何向陽, 周宏生, 其他發(fā)明人請求不公開姓名 申請人:北京飛潮世辰環(huán)境工程技術(shù)有限公司