本實用新型涉及聲速測量的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是指一種基于三維正交陣的水下探測路徑速度測量裝置。

背景技術(shù)：

海水聲速，即聲波在海洋中的傳播速度，它不僅是水聲學(xué)研究中的一個重要參數(shù)，而且越來越明顯地被列為海洋學(xué)的基本要素之一。水聲探測是獲取海洋信息的基本手段，其中水下目標(biāo)定位是水聲探測中的一個關(guān)鍵技術(shù)，它能從定位中獲得水下目標(biāo)的距離和方位等信息。在進(jìn)行水下目標(biāo)定位時，探測路徑聲速往往影響著最終的目標(biāo)定位結(jié)果，對聲速測量的不精準(zhǔn)都會導(dǎo)致不精確的定位。每條探測路徑上的聲速都是利用一片海水區(qū)域內(nèi)的聲速來代替估計得到的，并且是相同的，但海水環(huán)境復(fù)雜，且受水流因素影響較大，每一條探測路徑上的聲速其實是不一樣的，即對探測路徑聲速的測量是不精準(zhǔn)的，這使得這些目標(biāo)定位方法得不到很好的利用。因此，精準(zhǔn)的水下探測路徑速度測量對目標(biāo)定位至關(guān)重要。

為了克服直接法和間接法存在的局限性，本實用新型使用三個兩兩正交的均勻線陣作為接收陣列，利用從目標(biāo)反射回來的聲波在三個陣列中形成的方向角間的關(guān)系，得到探測路徑聲速與三個旋轉(zhuǎn)算子之間的關(guān)系式，然后測出出在目標(biāo)和接收源之間的探測路徑上聲速的大小，實現(xiàn)了在目標(biāo)定位中對水下探測路徑聲速的精準(zhǔn)測量。因此，本實用新型的裝置在水下探測路徑聲速測量中更具有實用性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的各種不足，提供一種基于三維正交陣的水下探測路徑聲速測量裝置，實現(xiàn)在水下目標(biāo)定位中對探測路徑上聲速的大小進(jìn)行精確的測量。

基于三維正交陣的水下探測路徑聲速測量裝置，包括現(xiàn)有處理與控制模塊，其還包括發(fā)射模塊、接收模塊、A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊和外設(shè)接口；處理與控制模塊由一個處理器組成，并且與A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊和外設(shè)接口相連；處理器將設(shè)置的控制參數(shù)通過D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為模擬信號，從而控制發(fā)射模塊，使發(fā)射模塊發(fā)射指定的聲波信號；同時，還能夠?qū)慕邮漳K傳送回來并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)行處理，然后計算出精確的水下探測路徑聲速大??；處理器還能夠?qū)⑻幚砗玫臄?shù)據(jù)傳送給外設(shè)接口，再通過有線接口或者無線接口傳送到外部裝置。

進(jìn)一步地，發(fā)射模塊由一個阻抗匹配電路和一個超聲波發(fā)送探頭組成，并且與A/D轉(zhuǎn)換模塊和電源模塊相連；發(fā)射模塊能夠根據(jù)處理與控制模塊發(fā)出并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后的指令，進(jìn)行超聲發(fā)射。

進(jìn)一步地，接收模塊由三維正交的超聲波接收探頭陣列組成，發(fā)射模塊也自身含有阻抗匹配電路，并與A/D轉(zhuǎn)換模塊和電源模塊相連；發(fā)射模塊能夠接收從目標(biāo)發(fā)射回來的信號，并通過A/D轉(zhuǎn)換模塊傳送給處理與控制模塊。

進(jìn)一步地，A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器與處理與控制模塊、發(fā)射模塊和接收模塊相連；A/D轉(zhuǎn)換器將接收模塊接收到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并傳遞給處理與控制模塊進(jìn)行處理；D/A轉(zhuǎn)換器將處理與控制模塊發(fā)出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號并傳送發(fā)射模塊使其發(fā)射指定的聲波；

外設(shè)接口由一個有線接口和無線接口組成，并且與處理與控制模塊和電源模塊相連，夠提供人機交互，將處理與控制模塊中處理好的數(shù)據(jù)通過有線接口或無線接口傳送到外部裝置；

電源模塊與處理與控制模塊、發(fā)射模塊、接收模塊、A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊和外設(shè)接口相連。

本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點：

1、本實用新型的三維正交陣結(jié)構(gòu)相比于現(xiàn)有技術(shù)，可以在目標(biāo)定位中對水下探測路徑聲速進(jìn)行測量，克服了直接法需要在目標(biāo)位置已知情況下才能對一條路徑上的聲速進(jìn)行測量的局限性，因此本實用新型算法在水下探測路徑聲速測量中更具有實用性。同時本實用新型的裝置設(shè)備較直接法簡單，且操作方便。

2、本實用新型的三維正交陣結(jié)構(gòu)，本可以對一條探測路徑上的聲速進(jìn)行測量，而不是像間接法測量的只是一個聲速分布較均勻的海水環(huán)境中的聲速，因此，在水下探測路徑聲速的測量中本實用新型更具實用性。同時，本實用新型不受海水環(huán)境的影響，無需對水的深度、溫度和鹽度進(jìn)行測量，操作較直接法簡便。

附圖說明

圖1為實例中測量裝置的硬件結(jié)構(gòu)模塊圖。

圖2為實例中三維正交的超聲波接收探頭陣列模型圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例及附圖對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本實用新型的實施方式不限于此，需聲明的是，本實用新型的內(nèi)容已經(jīng)在上述內(nèi)容作了詳細(xì)說明。以下僅僅是本實用新型的應(yīng)用實例。

本實例提供的基于三維正交陣的水下探測路徑聲速測量裝置如圖1所示，包括處理與控制模塊、發(fā)射模塊、接收模塊、A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊和外設(shè)接口。

處理與控制模塊可以是現(xiàn)有測量的處理器組成，并且與A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊和外設(shè)接口相連。它能夠設(shè)置特定參數(shù)，該參數(shù)通過D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為模擬信號，從而控制發(fā)射模塊，使發(fā)射模塊發(fā)射指定的聲波信號；同時，它還能夠?qū)慕邮漳K傳送回來，并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)行處理，然后運用本實用新型的算法計算出精確的水下探測路徑聲速大小。除此之外，它還能夠?qū)⑻幚砗玫臄?shù)據(jù)傳送給外設(shè)接口，使它們通過有線接口或者無線接口傳送到外部裝置。

發(fā)射模塊由一個阻抗匹配電路和一個超聲波發(fā)送探頭組成，并且與A/D轉(zhuǎn)換模塊和電源模塊相連。它能夠根據(jù)處理與控制模塊發(fā)出，并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后的指令，獲取指定的信號并對其進(jìn)行超聲發(fā)射；

接收模塊由三維正交的超聲波接收探頭陣列組成，具體模型場景如圖2所示，與發(fā)射模塊一樣，它同樣含有阻抗匹配電路，并與A/D轉(zhuǎn)換模塊和電源模塊相連。它能夠接收從目標(biāo)發(fā)射回來的信號，并通過A/D轉(zhuǎn)換模塊將其傳送給處理與控制模塊。

A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器與處理與控制模塊、發(fā)射模塊和接收模塊相連。A/D轉(zhuǎn)換器將接收模塊接受到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并傳遞給處理與控制模塊進(jìn)行處理；D/A轉(zhuǎn)換器將處理與控制模塊發(fā)出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號并傳送發(fā)射模塊使其發(fā)射指定的聲波。

外設(shè)接口由一個有線接口和無線接口組成，并且與處理與控制模塊和電源模塊相連。它能夠提供人機交互，將處理與控制模塊中處理好的數(shù)據(jù)通過有線接口或無線接口傳送到外部裝置。

電源模塊由一個電源組成，并且與處理與控制模塊、發(fā)射模塊、接收模塊、A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊和外設(shè)接口相連。它能夠為這些模塊供電。

本實用新型裝置的主要工作流程如下：操作者通過處理與控制模塊輸入對應(yīng)的參數(shù)，使該模塊產(chǎn)生所需要的數(shù)字信號，該數(shù)字信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)換成模擬信號后，傳送給發(fā)發(fā)射模塊，超聲波發(fā)射探頭將對其進(jìn)行發(fā)射。接收模塊中的三維正交超聲波接收探頭陣列接收到從目標(biāo)源發(fā)射回來的模擬信號后將其傳送給A/D轉(zhuǎn)換模塊，信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳送給處理與控制模塊，然后模塊中的處理器利用進(jìn)行處理，得出水下探測路徑聲速的大小。最后處理與控制模塊將得出的速度值傳給外設(shè)接口，使其通過有線接口或者無線接口傳送給外部裝置。工作的全程中，電源模塊為所有模塊供電。

作為一種舉例，本實用新型裝置包括處理與控制模塊、發(fā)射模塊、接收模塊、A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊和外設(shè)接口。處理與控制模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊可以用DSP芯片實現(xiàn)(如：TI公司的TMS320VC5509A型號的DSP芯片)，此DSP芯片可實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換的功能，并能夠?qū)崿F(xiàn)正交均勻線陣的旋轉(zhuǎn)算子和最終聲波傳播路徑速度的計算；發(fā)射模塊使用一個超聲波發(fā)射探頭；接收模塊使用三個兩兩正交的均勻線陣，其中每個陣列包括多個超聲接收探頭，并且數(shù)量相同；輸出模塊使用一個USB有線接口和W-CDMA無線接口。圖1即為本實用新型所述裝置的硬件結(jié)構(gòu)模塊圖。

本實例的主要工作步驟具體如下：

步驟1：在一個淡水庫中放置一個目標(biāo)S。設(shè)定陣列接收模塊和發(fā)射模塊中的各項參數(shù)：將接收模塊中的每個均勻線陣中的陣元個數(shù)M定為9，則每個均勻線陣中前8個陣元為子陣X_h，X_v和X_g，后8個陣元為子陣Y_h，Y_v和Y_g；兩個子陣列之間的距離d設(shè)為5mm；通過處理與控制模塊控制發(fā)射模塊使待發(fā)射的超聲頻率為100kHz，脈沖長度5ms。

步驟2：對超聲接收探頭接收到的目標(biāo)聲源信號進(jìn)行采樣；并將接收到的信號通過AD轉(zhuǎn)換模塊傳遞給處理與控制模塊模塊做處理。

步驟3：信號在數(shù)據(jù)采集處理與控制模塊中的處理可以采用現(xiàn)有的超聲信號處理方法；

步驟4：將處理得到的水下探測路徑上的聲速信息存儲下來，并傳送給外設(shè)接口，使其通過USB有線接口或者W-CDMA無線接口傳送給外部裝置。根據(jù)本實用新型裝置測量出的水下探測路徑聲速大小為1452.8m/s。