一种声纳相机制造技术

本发明专利技术涉及一种利用新型换能器制作的水下声纳相机，通过主动发射或被动接受声纳信号，可以实现水下的一次回波成像，也可以通过连续拍摄实现水下录象监控功能。该相机主要由声透镜组、换能器、集成光电探测器与后续传输调理电路等几部分组成。由常规换能器或环境中的声纳源发射声纳照射信号，经过目标反射到声透镜组，声透镜组通过折射形成在换能器的三维靶面上的声学影象，换能器通过机械振动-＞光信号-＞电信号过程将空间分布的疏密波能量转换成可以采集的电信号，该信号由后续传输调理电路收集、传输、显示和存储。本发明专利技术的声纳相机在基地安全防范、地形匹配导航、水下民用目标探索、护港反恐、蛙人探测等方面有着广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于水下探测的装备，特别是一种声纳相机。
技术介绍
随着声纳技术应用领域的不断扩大，新型声纳设备纷纷涌现，层出不穷。新型声纳 技术的发展需求带动了水声探测装备的飞速发展。目前，借助于现有的声纳成像技术，已经 可以把现实世界中的水下景象记录和再现出来，比较成功的技术有两种合成孔径声纳技 术和基于传统电容电压换能器一次成像技术。一些国家自80年代以来进行了大量的水声传播和合成孔径声纳(SAQ成像试验， SAS系统的作用距离从几十米到几百米，甚至到十几公里远，分辨力也从米、分米到厘米量 级，获得了从较远距离上大面积范围海底测绘能力。如图1所示，合成孔径声纳的基本原理 是利用小尺寸基阵在水下勻速直线运动来虚拟大孔径基阵，在运动轨迹的各位置顺序发射 并接收回波信号，根据空间位置和相位关系对不同位置回波信号进行相干叠加处理，形成 等效的大孔径，从而获得沿运动方向(方位向)的高分辨率。但在瞬息万变的水下军事对 抗中，完成合成孔径成像所需要的长距离勻速直线运动和大量连续扫描是该成像技术的一 个明显弱点。基于此，类似光学相机原理的一次性声纳成像技术仍有不可替代的优势。目前主要有两种前景比较看好的水声成像方法，一是用声纳多位置扫形成的信号 叠加图像，如合成孔径声纳；另一类是用平面集成的水声换能器阵列通过特定的折/反射 腔体形成二维图像(数据层面是三维图像，由于常使用其二维投影，本申请习惯上称之为 二维)，美国、挪威、澳大利亚等西方国家军事科研单位已经取得了部分进展，如挪威海军 技术学院的64x64分辨率水声相机、图2所示的美国MIRIS and Didson系统。合成孔径 声纳成像技术已经广泛应用到中距离潜艇探测和海底勘察，缺点包括复杂的成像与补偿算 法、巨量的扫描和对声纳基阵平台运动的严格要求；后者应用于目标识别，目前只能做到或256X256左右的物理分辨率，主要原因是受到常规换能器设计原理的限制。常规 换能器需要有足够大的迎面采集微弱的声学振动，否则就无法积累足够大的能量有效地触 发功能材料能量转换，因而换能器单元(如压电原理或电容原理的)就难以做得再细，无法 在有限的回波通过面内实现较多数目的单元集成，也就难以进一步提高其成像的物理分辨 率。与光学成像和SAS成像技术相比，目前声纳一次性成像的主要技术问题是分辨率差，无 法形成分辨度较高的清晰视觉图像。总之，常规换能器设计受到原理的限制，需要有足够大的迎面采集微弱的声学振 动，否则就无法积累足够大的能量有效地触发功能材料能量转换，因而在保证高信噪比前 提要求下换能器单元(如压电原理或电容原理的)就难以微细化，无法在有限的回波通过 面积内实现较多数目的单元集成，也就难以进一步提高其声纳成像的物理分辨率。
技术实现思路
本专利技术所解决的技术问题在于提供一种基于绒毛原理仿生换能器的新型声纳相机。该声纳相机突破常规换能器能量感应的迎面面积限制。实现本专利技术目的的技术解决方案为一种声纳相机，包括声透镜组、换能器、集成 光电探测器与后续传输调理电路，声透镜组汇聚反射回波到换能器，换能器将反射回波转 换成电信号后传输给集成光电探测器与后续传输调理电路，换能器为二维集成绒毛换能 器，该换能器包括绒毛、弹性薄膜、光纤、光电转换单元，绒毛通过弹性反光薄膜与光纤相连 接，绒毛接收反射回波后将机械能量传输给弹性薄膜，引起弹性薄膜的运动，从而最终导致 光纤反射信号的变化，光纤的后端与光电转换单元相连接，所述光电转换单元将光信号转 换为电信号。本专利技术将传统换能器的面能量接受型(二维)构型改变成空间立体能量接受型换 能器(三维)，收集在三维空间分布的声压疏密波能量造成弹性薄膜更大的振动反应，从而 提高换能器单元的敏感度，便于换能器的微细化制作。本专利技术的工作原理为首先，结合图5，利用常规水声换能器向探测目标或区域发 射最佳匹配脉冲，反射回波通过声透镜组在换能器靶面上形成声像投影。在现有单片声透 镜研究基础上设计出的声透镜组基本原理类似光学透镜组，因为透镜材料与周围介质材料 中的波速不同，导致穿过透镜组的各声线传播方向发生不同的改变，在换能器成像靶面位 置聚焦成窄波束，形成声像投影。然后，利用局部分叉的弹性绒毛模仿蝙蝠的耳毛细胞收集 窄波束声压变化的能量，由粘贴在绒毛根部的弹性反射膜的随动造成与反射膜另一面相连 光纤内的激光干涉变化，再通过光电信号转换即可完成换能。在平面上用大量此类换能单 元集成，形成高密度仿生换能器阵列，以此作为二维声学成像靶面收集声像投影，即可获得 一次成像。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为首先，本专利技术由于采用全新的绒毛原理 换能器，声压变化的机械能通过分叉弹性绒毛和弹性反射薄膜转化成光纤内激光干涉的变 化，从而突破了常规换能器对采集迎面面积的限制，在保证高信噪比的条件下可以大幅度 提高单位平面内换能器的可集成密度；通过主动发射或被动接受声纳信号，实现水下的一 次回波成像，也可以通过连续拍摄实现水下录象监控。其次，本专利技术介绍的相机克服了现有 合成孔径成像声纳成像对探测载体本身勻速运动的依赖，使得其应用比侧扫声纳成像更为 方便快捷。此外，如图6所示，本专利技术介绍的相机在基地安全防范、地形匹配导航、水下民用 目标探索、护港反恐、蛙人探测和反潜作战等方面有着广泛的应用前景。本专利技术通过探索新 原理仿生换能器和配套声透镜组的应用，克服SAS成像的运动依赖性和传统换能器阵列成 像分辨率的受限特点，奠定一次性成像高分辨率声纳相机的基础。本专利技术可以进行水下环 境的快速动态探测，形成直观视觉图象信息供操作者判断分析。下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。附图说明图1为合成孔径声纳成像的原理图。图2为美国单元2D电容式换能器组。图3为本专利技术声纳相机的结构示意图。图4为仿生换能器单元绒毛结构示意图。图5为本专利技术的声纳相机的工作原理图。4图6为声纳一次成像技术应用对象举例示意图。图7为透镜示意图，其中(a)为前透镜，(b)为中透镜，(C)为后透镜。具体实施例方式结合图3、图4，本专利技术的一种声纳相机，包括声透镜组1、换能器2、集成光电探测 器与后续传输调理电路3，声透镜组1汇聚反射回波到换能器2，换能器2将反射回波转换 成电信号后传输给集成光电探测器与后续传输调理电路3，换能器2为二维集成绒毛换能 器，该换能器包括绒毛a、弹性薄膜b、光纤C、光电转换单元，绒毛a通过弹性反光薄膜b与 光纤c相连接，绒毛接收反射回波后将机械能量传输给弹性薄膜，引起弹性薄膜的运动，从 而最终导致光纤反射信号的变化，光纤c的后端与光电转换单元相连接，所述光电转换单 元将光信号转换为电信号。常规换能器需要有足够大的迎面采集微弱的声学振动，否则就 无法积累足够大的能量有效地触发功能材料能量转换，这给常规换能器(如压电原理或电 容原理的)的微细化带来了束缚；本专利技术的技术特征是将传统的面能量接受型换能器(二 维)改变成新型体能量接受型换能器a (三维)，收集在三维空间分布的声压疏密波能量造 成弹性薄膜b更大的振动反应，从而提高换能器单元的敏感度，便于换能器的微细化制作。本专利技术的高清声纳一次成像采用了声透镜组和二维仿生换能器成像靶面，基本原 理类似光学相机，由于采用全新的绒毛原理换能器，声压变化的机械能通过分叉弹本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种声纳相机，包括声透镜组（１）、换能器（２）、集成光电探测器与后续传输调理电路（３），声透镜组（１）汇聚反射回波到换能器（２），换能器（２）将反射回波转换成电信号后传输给集成光电探测器与后续传输调理电路（３），其特征在于，换能器（２）为二维集成绒毛换能器，该换能器包括绒毛（ａ）、弹性薄膜（ｂ）、光纤（ｃ）、光电转换单元，绒毛（ａ）通过弹性反光薄膜（ｂ）与光纤（ｃ）相连接，光纤（ｃ）的后端与光电转换单元相连接，所述光电转换单元将光信号转换为电信号。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王茂森，陈明霞，章鹏，王猛，杨华，
申请(专利权)人：王茂森，南京理工大学，
类型：发明
国别省市：84