[發明專利]一種基于聲子晶體傳感的水下聲源定位系統及方法

在審

• 申請號: 201810602747.2
• 申請日: 2018-06-12
• 公開（公告）號: CN108845291A
• 公開（公告）日: 2018-11-20
• 發明（設計）人: 張賽;胡光華;許伯強;商德江;肖妍
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: G01S5/22
• 分類號: G01S5/22
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種基于聲子晶體傳感的水下聲源定位系統及方法，包括傳感模塊、信息采集模塊以及聲源定位模塊；入射聲波先與傳感模塊作用，再由信息采集模塊接收透射波的聲信號并將其傳至聲源定位模塊。傳感模塊中利用旋轉器控制聲子晶體旋轉，由水聽器將聲子晶體透射波的壓力信號轉化為電信號。當聲源定位模塊中程序控制終端顯示由信息采集模塊所采集的聲信號幅度為零時，判斷入射聲波與聲子晶體表面呈49°夾角，由此確定聲源相對于聲子晶體平面的方位，再結合聲子晶體旋轉的角度，可確定聲源相對于固定參考系的方位；根據兩個布放在不同位置的傳感模塊得到兩個方位，再結合兩個傳感模塊之間的距離，運用反演算法，確定二維平面內聲源的具體位置。

技術領域

本發明涉及水聲探測領域，具體涉及一種基于聲子晶體傳感的水下聲源定位系統及方法。

背景技術

聲波作為水下能量和信息輸送的最有效手段，被廣泛應用于遠距離的水聲通信或水下目標探測。利用接收到的聲信息，在軍事上，可感知并發現敵方聲學目標所在方位；在海洋應用上，可以對鯨豚等水生生物進行實時跟蹤與監控。目前，水下聲源的定位方法中相控陣技術較為成熟且應用最為廣泛，其基本原理是基于時延估計技術，通過測量聲波到達各陣元的相對時延，來估計目標的距離和方位。該方法需借助較多的陣元數并結合復雜算法來提高探測精度，具有高功耗、體積龐大等缺點。

近年來，彈性波在聲學超材料中異常傳播的特性引起了國內外學者的廣泛關注，越來越多的研究傾向于以聲學超材料為基礎設計聲學傳感器件，并應用在不同的傳感領域。倘若能夠利用聲學超材料的異常聲信息傳輸特性，構造新型聲傳感元件，將有望改善傳統相控陣技術的不足，為聲源探測提供一種新的設計思路。一維流固型聲子晶體是最簡單的一類聲學超材料，其具有結構簡單、易于構造、便于實時調控等優良特性。近年來，研究人員發現了其固有的超低頻聲禁帶，該禁帶對聲波的入射角度極為敏感。本發明將基于這一特性，提出一種基于聲子晶體傳感的水下聲源定位系統與方法。

發明內容

本發明提出一種新型的基于聲子晶體傳感的水下聲源定位系統，實現水下聲源目標的定位，以彌補現有相控陣技術存在的不足。

本發明是通過以下技術方案實現的：

一種基于聲子晶體傳感的水下聲源定位系統。該系統由2個傳感模塊、1個信息采集模塊、1個聲源定位模塊。入射聲波先與2個傳感模塊作用，再由信息采集模塊接收透射波的聲信號并將其傳至聲源定位模塊。傳感模塊中利用旋轉器控制聲子晶體旋轉，由水聽器將聲子晶體透射波的壓力信號轉化為電信號以供信息采集模塊采集。當聲源定位模塊中程序控制終端顯示由信息采集模塊所采集的聲信號幅度為零時，可判斷入射聲波與聲子晶體表面呈49°夾角，由此可以確定聲源相對于聲子晶體平面的方位，再結合聲子晶體旋轉的角度，即可確定聲源相對于固定參考系(本發明參考系以固定的傳感模塊建立參考)的方位；根據兩個布放在不同位置的傳感系統可得到兩個方向，再結合兩個傳感模塊之間的距離，運用反演算法，便可確定二維平面內聲源的具體位置。

優選的，所述聲子晶體由4層PMMA板和4層水交替排列構成，當入射波傳播方向與所述聲子晶體表面呈49°時，將產生特殊低頻聲禁帶，即無法產生透射波

優選的，所述的旋轉器的旋轉精度優于0.001°。

優選的，所述信息采集模塊以NI數據采集卡為核心，采集透射波的聲信號。

優選的，所述水聽器屬于壓電材料，能夠將壓力信號轉化為電信號

優選的，所述由Labview程序接收NI數據采集卡所采集的聲信號并實時顯示信號波形圖。

優選的，所述根據兩個布放在不同位置的傳感模塊，可獲取關于聲源的兩個不同方位，結合兩個傳感模塊之間的已知參數，可定位出二維平面內聲源的位置。

根據上述定位系統，本發明提出了一種基于聲子晶體傳感的水下聲源定位方法，包括如下：