本發(fā)明涉及定位技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種水下超聲源定位系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

水下超聲源定位是建立在超聲波傳播技術(shù)基礎(chǔ)上的一種海上定位技術(shù)和方法。電磁波在海水高導(dǎo)電解質(zhì)中傳播有極大的衰減，而與之相反，聲信號(hào)卻在海水中衰減很小，能傳播很遠(yuǎn)的距離，因此水聲技術(shù)被廣泛地應(yīng)用到水下聲學(xué)定位、目標(biāo)追蹤、傳感預(yù)警等領(lǐng)域中。其中，水下超聲源定位技術(shù)對(duì)海洋生物研究、海洋資源勘探、海上救援、潛艇追蹤預(yù)警等都具有十分重要的意義。當(dāng)前我國(guó)的海洋事業(yè)正在進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展的新階段，對(duì)水下超聲源定位技術(shù)的研究也是對(duì)我國(guó)海洋開發(fā)和技術(shù)裝備研制的重要貢獻(xiàn)，是十分必要的。

但是，目前我國(guó)還沒有針對(duì)水下超聲源進(jìn)行定位的定位系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明通過(guò)提供一種水下超聲源定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水下超聲源的定位的技術(shù)效果。

本發(fā)明提供了一種水下超聲源定位系統(tǒng)，至少包括：由壓電元件交叉排列構(gòu)成的感應(yīng)陣列和電壓檢測(cè)設(shè)備；所述壓電元件的信號(hào)輸出端均與所述電壓檢測(cè)設(shè)備的信號(hào)輸入端通訊連接；所述電壓檢測(cè)設(shè)備獲得各壓電元件的輸出電壓值，所述輸出電壓值最大的兩個(gè)壓電元件的交叉點(diǎn)距離超聲源最近。

進(jìn)一步地，所述感應(yīng)陣列至少包括：三個(gè)橫向壓電元件和三個(gè)縱向壓電元件；所述橫向壓電元件與所述縱向壓電元件交叉排列。

進(jìn)一步地，所述三個(gè)橫向壓電元件相互平行，所述三個(gè)縱向壓電元件相互平行；所述橫向壓電元件與所述縱向壓電元件相互垂直交叉排列。

進(jìn)一步地，所述壓電元件至少包括：第一導(dǎo)線、第二導(dǎo)線、第一導(dǎo)電層、壓電層、第二導(dǎo)電層及絕緣層；所述第一導(dǎo)電層和所述第二導(dǎo)電層分別設(shè)置在所述壓電層的兩面；所述第一導(dǎo)線設(shè)置在所述第一導(dǎo)電層上；所述第二導(dǎo)線設(shè)置在所述第二導(dǎo)電層上；所述絕緣層包裹在所述第一導(dǎo)線、所述第二導(dǎo)線、所述第一導(dǎo)電層、所述壓電層和所述第二導(dǎo)電層的外部；所述第一導(dǎo)線和所述第二導(dǎo)線穿過(guò)所述絕緣層與所述電壓檢測(cè)設(shè)備的信號(hào)輸入端通訊連接。

進(jìn)一步地，所述第一導(dǎo)線和所述第二導(dǎo)線分別設(shè)置在所述第一導(dǎo)電層和所述第二導(dǎo)電層相反的兩端。

進(jìn)一步地，所述第一導(dǎo)線和所述第二導(dǎo)線分別設(shè)置在所述第一導(dǎo)電層和所述第二導(dǎo)電層相反的最遠(yuǎn)端，以實(shí)現(xiàn)所述第一導(dǎo)線和所述第二導(dǎo)線之間的最大間距。

進(jìn)一步地，還至少包括：

數(shù)據(jù)處理模塊，用于根據(jù)公式V/V₀＝e^-αL計(jì)算得到所述超聲源距離所述輸出電壓值最大的兩個(gè)壓電元件的交叉點(diǎn)的距離L；其中，V為所述壓電元件的輸出電壓值，V₀為所述壓電元件輸出的初始電壓值，α為衰減系數(shù)。

進(jìn)一步地，還至少包括：

存儲(chǔ)模塊，用于存儲(chǔ)衰減值V/V₀與距離L的對(duì)應(yīng)關(guān)系；其中，V為所述壓電元件的輸出電壓值，V₀為所述壓電元件輸出的初始電壓值；

查詢模塊，用于接收由所述電壓檢測(cè)設(shè)備輸出的電壓值，并根據(jù)所述電壓值得到衰減值，再通過(guò)查詢所述存儲(chǔ)模塊得到與所述衰減值對(duì)應(yīng)的距離L。

進(jìn)一步地，所述衰減值V/V₀與所述距離L的對(duì)應(yīng)關(guān)系以衰減曲線和/或?qū)?yīng)關(guān)系表的形式存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)模塊中。

進(jìn)一步地，還至少包括：示波器和處理器；所述示波器的信號(hào)輸入端與所述電壓檢測(cè)設(shè)備的信號(hào)輸出端通訊連接，所述示波器的信號(hào)輸出端與所述處理器的信號(hào)輸入端通訊連接。

本發(fā)明中提供的一個(gè)或多個(gè)技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn)：

先設(shè)計(jì)由壓電元件交叉排列構(gòu)成的感應(yīng)陣列和電壓檢測(cè)設(shè)備。接著由各壓電元件基于壓電效應(yīng)監(jiān)測(cè)到由超聲波引起的水紋擾動(dòng)，并通過(guò)電壓的形式輸出到電壓檢測(cè)設(shè)備，輸出電壓值最大的兩個(gè)壓電元件的交叉點(diǎn)距離超聲源最近，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)水下超聲源的定位。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的水下超聲源定位系統(tǒng)中感應(yīng)陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的水下超聲源定位系統(tǒng)中壓電元件的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，1-橫向壓電元件，2-縱向壓電元件，3-第一導(dǎo)線，4-第二導(dǎo)線，5-第一導(dǎo)電層，6-壓電層，7-第二導(dǎo)電層，8-絕緣層。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明實(shí)施例通過(guò)提供一種水下超聲源定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水下超聲源的定位的技術(shù)效果。

本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問(wèn)題，總體思路如下：

先設(shè)計(jì)由壓電元件交叉排列構(gòu)成的感應(yīng)陣列和電壓檢測(cè)設(shè)備。接著由各壓電元件基于壓電效應(yīng)監(jiān)測(cè)到由超聲波引起的水紋擾動(dòng)，并通過(guò)電壓的形式輸出到電壓檢測(cè)設(shè)備，輸出電壓值最大的兩個(gè)壓電元件的交叉點(diǎn)距離超聲源最近，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)水下超聲源的定位。

為了更好地理解上述技術(shù)方案，下面將結(jié)合說(shuō)明書附圖以及具體的實(shí)施方式對(duì)上述技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。

本發(fā)明實(shí)施例提供的水下超聲源定位系統(tǒng)，至少包括：由壓電元件交叉排列構(gòu)成的感應(yīng)陣列和電壓檢測(cè)設(shè)備；壓電元件的信號(hào)輸出端均與電壓檢測(cè)設(shè)備的信號(hào)輸入端通訊連接；電壓檢測(cè)設(shè)備獲得各壓電元件的輸出電壓值，輸出電壓值最大的兩個(gè)壓電元件的交叉點(diǎn)距離超聲源最近。

參見圖1，對(duì)感應(yīng)陣列的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明，感應(yīng)陣列至少包括：三個(gè)橫向壓電元件1和三個(gè)縱向壓電元件2；橫向壓電元件1與縱向壓電元件2交叉排列。

對(duì)感應(yīng)陣列的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明，三個(gè)橫向壓電元件1相互平行，三個(gè)縱向壓電元件2相互平行；橫向壓電元件1與縱向壓電元件2相互垂直交叉排列。

在本實(shí)施例中，三個(gè)橫向壓電元件1相互之間的間距在10-20cm之間，三個(gè)縱向壓電元件2相互之間的間距在10-20cm之間，此間距可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整。

這里需要說(shuō)明的是，可以根據(jù)不同的定位需求，設(shè)置更多的橫向壓電元件1和縱向壓電元件2，且橫向壓電元件1和縱向壓電元件2的數(shù)量可以不相等，即除了可以是3*3陣列之外，還可以是4*4陣列、5*5陣列、4*5陣列等，本發(fā)明實(shí)施例對(duì)感應(yīng)陣列的具體形式不做出具體限制。

參見圖2，對(duì)壓電元件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明，壓電元件至少包括：第一導(dǎo)線3、第二導(dǎo)線4、第一導(dǎo)電層5、壓電層6、第二導(dǎo)電層7及絕緣層8；第一導(dǎo)電層5和第二導(dǎo)電層7分別設(shè)置在壓電層6的兩面；第一導(dǎo)線3設(shè)置在第一導(dǎo)電層5上；第二導(dǎo)線4設(shè)置在第二導(dǎo)電層7上；絕緣層8包裹在第一導(dǎo)線3、第二導(dǎo)線4、第一導(dǎo)電層5、壓電層6和第二導(dǎo)電層7的外部；第一導(dǎo)線3和第二導(dǎo)線4穿過(guò)絕緣層8與電壓檢測(cè)設(shè)備的信號(hào)輸入端通訊連接。

在本實(shí)施例中，第一導(dǎo)線3和第二導(dǎo)線4均為金屬導(dǎo)線，且直徑均為20-40μm。第一導(dǎo)電層5和第二導(dǎo)電層7均為聚合物層，壓電層6為復(fù)合壓電聚合物層，且第一導(dǎo)電層5、壓電層6和第二導(dǎo)電層7的厚度均為8-20μm，寬度均為0.8-1.5mm。絕緣層8的材料為絕緣防水材料，且為截面呈矩形的聚合物絕緣層。

為了降低第一導(dǎo)線3和第二導(dǎo)線4之間的信號(hào)干擾，第一導(dǎo)線3和第二導(dǎo)線4分別設(shè)置在第一導(dǎo)電層5和第二導(dǎo)電層7相反的兩端。

具體地，第一導(dǎo)線3和第二導(dǎo)線4分別設(shè)置在第一導(dǎo)電層5和第二導(dǎo)電層7相反的最遠(yuǎn)端，以實(shí)現(xiàn)第一導(dǎo)線3和第二導(dǎo)線4之間的最大間距。

在本實(shí)施例中，壓電元件為壓電纖維，且單根壓電纖維的內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)的高度為300-500μm，寬度為1-2mm。壓電纖維都是利用壓電聚合物、導(dǎo)電聚合物、絕緣聚合物等材料在拉絲塔中拉制而成的。

為了得到超聲源距離輸出電壓值最大的兩個(gè)壓電元件的交叉點(diǎn)的距離，還至少包括：

數(shù)據(jù)處理模塊，用于根據(jù)公式V/V₀＝e^-αL計(jì)算得到超聲源距離輸出電壓值最大的兩個(gè)壓電元件的交叉點(diǎn)的距離L；其中，V為壓電元件的輸出電壓值；V₀為壓電元件輸出的初始電壓值；α為衰減系數(shù)，其由超聲源頻率和水質(zhì)情況決定。

本發(fā)明實(shí)施例還提供了另一種得到超聲源距離輸出電壓值最大的兩個(gè)壓電元件的交叉點(diǎn)的距離的方法。具體地，還至少包括：

存儲(chǔ)模塊，用于存儲(chǔ)衰減值V/V₀與距離L的對(duì)應(yīng)關(guān)系；其中，V為壓電元件的輸出電壓值；V₀為壓電元件輸出的初始電壓值；

查詢模塊，用于接收由電壓檢測(cè)設(shè)備輸出的電壓值，并根據(jù)電壓值得到衰減值，再通過(guò)查詢存儲(chǔ)模塊得到與衰減值對(duì)應(yīng)的距離L。

在本實(shí)施例中，衰減值V/V₀與距離L的對(duì)應(yīng)關(guān)系以衰減曲線和/或?qū)?yīng)關(guān)系表的形式存儲(chǔ)在存儲(chǔ)模塊中。

本發(fā)明實(shí)施例的定位過(guò)程如下：

將感應(yīng)陣列與水面貼合。當(dāng)水下存在超聲源擾動(dòng)時(shí)，感應(yīng)陣列中的壓電纖維會(huì)因壓電效應(yīng)而輸出電壓到電壓檢測(cè)設(shè)備；再?gòu)倪@些電壓值中獲得輸出電壓值最大的橫向壓電纖維和輸出電壓值最大的縱向壓電纖維，則在這兩根壓電纖維的交叉點(diǎn)處能得到最大的壓電響應(yīng)，說(shuō)明水下超聲源離此交叉點(diǎn)最近(相對(duì)其他交叉點(diǎn)而言)。那么通過(guò)這兩根壓電纖維的交叉點(diǎn)的所在位置就指示了超聲源的二維方位。超聲源離水面的這兩根壓電纖維的交叉點(diǎn)的距離能通過(guò)數(shù)據(jù)處理模塊和/或查詢模塊得到。這樣，就確定了水下超聲源的三維位置信息。

本發(fā)明實(shí)施例還提供了另一種水下超聲源定位系統(tǒng)，至少包括：由壓電元件交叉排列構(gòu)成的感應(yīng)陣列、電壓檢測(cè)設(shè)備、示波器和處理器；其中，壓電元件、感應(yīng)陣列和電壓檢測(cè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)如上所述，這里不做贅述。示波器的信號(hào)輸入端與電壓檢測(cè)設(shè)備的信號(hào)輸出端通訊連接，示波器的信號(hào)輸出端與處理器的信號(hào)輸入端通訊連接。

在本實(shí)施例中，示波器為數(shù)字示波器。

為了對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，還至少包括：放大模塊；放大模塊的信號(hào)輸入端與電壓檢測(cè)設(shè)備的信號(hào)輸出端通訊連接，放大模塊的信號(hào)輸出端與示波器的信號(hào)輸入端通訊連接。

在本實(shí)施例中，放大模塊的放大范圍為34dB-54dB。

本發(fā)明實(shí)施例的定位原理如下：

將感應(yīng)陣列與水面貼合。當(dāng)水下存在超聲源擾動(dòng)時(shí)，感應(yīng)陣列中的壓電纖維會(huì)因壓電效應(yīng)而輸出電壓到電壓檢測(cè)設(shè)備。電壓信號(hào)通過(guò)放大模塊放大后到達(dá)數(shù)字示波器以時(shí)域變化波形和數(shù)據(jù)信息的方式呈現(xiàn)，處理器通過(guò)對(duì)變化波形和數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理就能獲取每根壓電纖維受到的水下超聲壓力影響信息，從而得到輸出電壓值最大的橫向壓電纖維和輸出電壓值最大的縱向壓電纖維，進(jìn)而基于這兩根壓電纖維的交叉點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)水下超聲源的二維定位。

這里需要說(shuō)明的是，可以將數(shù)據(jù)處理模塊、存儲(chǔ)模塊和查詢模塊設(shè)置在處理器中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水下超聲源的三維定位。

【技術(shù)效果】

1、先設(shè)計(jì)由壓電元件交叉排列構(gòu)成的感應(yīng)陣列和電壓檢測(cè)設(shè)備。接著由各壓電元件基于壓電效應(yīng)監(jiān)測(cè)到由超聲波引起的水紋擾動(dòng)，并通過(guò)電壓的形式輸出到電壓檢測(cè)設(shè)備，輸出電壓值最大的兩個(gè)壓電元件的交叉點(diǎn)距離超聲源最近，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)水下超聲源的定位。

2、本發(fā)明實(shí)施例中的壓電元件為壓電纖維，且壓電纖維都是利用壓電聚合物、導(dǎo)電聚合物、絕緣聚合物等材料在拉絲塔中拉制而成的，性質(zhì)柔軟、長(zhǎng)度可控、性能穩(wěn)定，因此，由多根壓電纖維交叉排列構(gòu)成的感應(yīng)陣列的規(guī)模尺寸和構(gòu)成形式都是可以根據(jù)需求靈活可變的。此外，由于壓電纖維的高溫拉絲工藝是在光纖拉制工藝的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的，因此，與光纖的批量生產(chǎn)類似，本發(fā)明實(shí)施例中的壓電纖維的工藝制作同樣適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。

3、本發(fā)明實(shí)施例中的第一導(dǎo)線3和第二導(dǎo)線4分別設(shè)置在第一導(dǎo)電層5和第二導(dǎo)電層7相反的兩端，從而降低了信號(hào)的干擾，進(jìn)而提高了本發(fā)明實(shí)施例的定位精度。

4、本發(fā)明實(shí)施例還提供了兩種獲得超聲源距離輸出電壓值最大的兩個(gè)壓電元件的交叉點(diǎn)的距離的方法，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了對(duì)超聲源的定位。

盡管已描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員一旦得知了基本創(chuàng)造性概念，則可對(duì)這些實(shí)施例作出另外的變更和修改。所以，所附權(quán)利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實(shí)施例以及落入本發(fā)明范圍的所有變更和修改。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。