相控超声面阵三维聚焦的水下地层结构三维探测装置与方法与流程

本发明涉及岩土工程勘察，具体地指一种相控超声面阵三维聚焦的水下地层结构三维探测装置与方法。

背景技术：

1、随着社会经济和科技水平的不断发展，工程建设从陆地逐步向水域、海洋及水下工程发展，这就涉及水下探测技术。近年来，水下探测技术得到了快速发展，在水下探测技术的领域中，声学探测技术已经应用得比较广泛，它可以用于探测大型海洋设施、岩石和底质，也可以用于解决潜水员在深海中的通信问题。目前绝大多数据水下声学探测技术主机用于水下地形和水中结构测量，针对声学相控阵用于水下地层结构探测的技术很少；同时，工程建设方面的水下工程精细勘察技术和小型化设备比地面的勘察技术和设备相对落后很多。

2、近年研发的如桩底溶洞声呐探测技术是陆地水下探测方面最早研究发明的水下声波探测技术与装备，它是(专利1：一种桩底溶洞声纳探测装置及方法cn 104101896a)通过在桩底布置换能器，利用泥浆耦合激发和接收超声波用于探测桩底岩溶发育情况，但装置采集数据有限，且偏移距固定，无法采集到多角度多偏移距的高密度反射波数据，它对桩底岩溶的判识主要靠识别反射波形变化以及波形时频特征分析，无法确定溶洞范围，且探测容易受到孔壁面波反射干扰等问题。对完全解决桩底好岩溶探测还存在一定的难度。

3、检索现有技术发现：

4、专利2《桩底岩溶探测方法、装置及系统、电子设备及存储介质cn112630764a》使用发射延迟控制换能器阵列各传感器进行波束相位控制进行桩底三维探测，是采用某方向的各组换能器进行各组线性相探完成这一方向的探测，然后换成另一垂直方向进行相同控制的探测，它是方形换能器阵列，况且是线性相控探测，仅对两个方向进行相位扫描，无法覆盖整个桩底探测范围。

5、专利3《一种三维探测方法、装置、设备和存储介质cn112817039a》，是探测系统包括呈二维阵列排列的多个传感器，每个传感器可发射声波信号和接收声波信号，探测系统中预设单元对应的第一传感器发射声波信号，获得第二传感器接收所述声波信号覆盖所述桩底的反射信号；预设单元包括点单元、线单元和面单元是对应二维阵列中的点区域、线区域和面区域。它是利用二维面阵的换能器中的一个换能器或一排(线、组)换能器或一面(几个换能器组成一小面)进行发射，然后利用其它的一个换能器或一排(线、组)换能器或一面(几个换能器组成一小面)进行接收。它是一个换能器发，一个换能器接收，或是一条线的换能器发，一条线换能器收，或一小部分组成的面换能器发，另一小部部组成的面换能器接收；它是真正的相控聚焦发射。发射能量小，探测深度有限。

6、专利4《一种三维探测方法、装置、设备和存储介质cn112904348a》使用多个换能器组成一维线性排列通过一发多收采集+旋转采集方式对桩底进行三维探测，它不是线性相探探测技术，它是采取单个换能器发射，一组中其它多个换能器接收，采取多道信号叠加处理技术来完成某个方向的探测分析。它只有一条线的换能器，其中一个发，其它换能器各自接收，再对信号进行叠加处理，它不是相控发射，也不是线阵发射，发射能量小，探测深度有限，分辨率差。它是用电机机械推动换能器旋转180度来完成扫描探测。

7、专利5《一种桩底岩溶三维高精度扫描探测系统及方法(cn 115639590a)》，利用线性相控扫描采集数据，根据固定旋转角驱动所述阵列换能器旋转，每旋转一个固定旋转角，重复相控扫描过程；它与专利4的结构形式和换能感器完全一样，不同之处是专利5利用一组换能器进行线性相控来完成某个方向的一次探测，而专利4是采取单个换能器发射，一组中其它多个换能器接收，采取多道信号叠加处理技术来完成某个方向的探测分析。这个是线阵相控发射，再用电机机械推动换能器旋转180度来完成探测。它不是面阵相控发射。

8、由于上述专利技术是采用信号叠加或线性相控或局部相控技术，它没有聚焦功能或具有局部聚焦功能，其聚焦效果不理想，无法满足水下地层深部复杂结构的探测问题。

技术实现思路

1、本发明的目的就是要提供一种相控超声面阵三维聚焦的水下地层结构三维探测装置与方法，本发明具有聚焦效果好、能量大、分辨率高和探测深的特点。

2、为实现此目的，本发明所设计的相控超声面阵三维聚焦的水下地层结构三维探测装置，它包括圆形超声波换能器面阵、相控控制超声波发射驱动模块和控制处理模块；

3、所述圆形超声波换能器面阵上安装有超声波发射换能器组和超声波接收换能器，相控控制超声波发射驱动模块用于在控制处理模块的控制下利用面阵相位控制的原理操纵圆形超声波换能器面阵上的超声波发射换能器组实现相控聚焦和相控扫描的超声波发射，超声波接收换能器用于接收相控聚焦和相控扫描超声波发射反射回的超声波信号，控制处理模块用于对相控聚焦和相控扫描发射的超声波反射回的超声波信号进行成像处理，得到三维振幅图像。

4、本发明的有益效果：

5、本发明圆形超声波换能器面阵采用相控聚焦和相控扫描来发射超声波，首先，它是相控面阵发射，全部发射换能器聚焦发射，聚焦效果好，能量大，探测深，再是，电子相控扫描探测，发射采集点多，指向性好，根据不同的探测深度可以变焦扫描探测，分辨率高等，能采集到多角度高密度的反射波数据，利于确定溶洞范围，并且探测不会受到孔壁面波反射干扰，能探测较大深度的地层结构。

技术特征：

1.一种相控超声面阵三维聚焦的水下地层结构三维探测装置，其特征在于，它包括圆形超声波换能器面阵(1)、相控控制超声波发射驱动模块(5)和控制处理模块(6)；

2.根据权利要求1所述的相控超声面阵三维聚焦的水下地层结构三维探测装置，其特征在于：所述圆形超声波换能器面阵(1)的面阵圆中心设置有一个超声波接收换能器(3)，以超声波接收换能器(3)为中心，布置有n圈超声波发射换能器组(2)，每圈超声波发射换能器组(2)中包括周向布置的多个超声波发射换能器。

3.根据权利要求1所述的相控超声面阵三维聚焦的水下地层结构三维探测装置，其特征在于：它还包括电路控制腔(4)和三维姿态模块(7)，所述相控控制超声波发射驱动模块(5)、控制处理模块(6)和三维姿态模块(7)安装于电路控制腔(4)中，所述姿态传感器模块(7)用于监测圆形超声波换能器面阵(1)的水平姿态和面阵的方向，姿态传感器模块(7)将圆形超声波换能器面阵(1)的水平姿态和面阵的方向传输给控制处理模块(6)，控制处理模块(6)对相控聚焦和相控扫描发射的超声波反射回的超声波信号进行成像处理，并结合圆形超声波换能器面阵(1)的水平姿态和面阵的方向得到三维振幅图像。

4.根据权利要求1所述的相控超声面阵三维聚焦的水下地层结构三维探测装置，其特征在于：相控控制超声波发射驱动模块(5)在控制处理模块(6)的控制下利用面阵相位控制的原理操纵圆形超声波换能器面阵(1)上的超声波发射换能器组(2)实现相控聚焦和相控扫描的超声波发射的过程为：

5.根据权利要求1或4所述的相控超声面阵三维聚焦的水下地层结构三维探测装置，其特征在于：实现相控聚焦和相控扫描的超声波发射的具体方法为：

6.根据权利要求1所述的相控超声面阵三维聚焦的水下地层结构三维探测装置，其特征在于：所述控制处理模块(6)对相控聚焦和相控扫描超声波发射反射回的超声波信号进行成像处理，得到三维振幅图像的具体方法为：

7.根据权利要求6所述的相控超声面阵三维聚焦的水下地层结构三维探测装置，其特征在于：各时刻不同位置的振幅值所对应的坐标的计算方式为：

8.一种利用权利要求1所述装置的三维探测方法，其特征在于，它包括如下步骤；

9.一种机械控制的相控超声面阵三维聚焦的水下地层结构三维探测装置，其特征在于：它包括圆形超声波换能器面阵(1)、相控控制超声波发射驱动模块(5)、控制处理模块(6)和机械万向控制器(8)；

10.根据权利要求9所述的机械控制的相控超声面阵三维聚焦的水下地层结构三维探测装置，其特征在于：相控控制超声波发射驱动模块(5)在控制处理模块(6)的控制下利用面阵相位控制的原理操纵圆形超声波换能器面阵(1)上的超声波发射换能器组(2)实现相控聚焦的超声波发射的具体方法为：一条过圆形超声波换能器面阵(1)圆心直径上的超声波发射换能器组(2)，以圆心为中点，超声波发射换能器之间的延时发射即可起调节聚焦焦距的作用；

技术总结
本发明公开了一种相控超声面阵三维聚焦的水下地层结构三维探测装置，它的圆形超声波换能器面阵上安装有超声波发射换能器组和超声波接收换能器，相控控制超声波发射驱动模块用于在控制处理模块的控制下利用面阵相位控制的原理操纵圆形超声波换能器面阵上的超声波发射换能器组实现相控聚焦和相控扫描的超声波发射，超声波接收换能器用于接收相控聚焦和相控扫描超声波发射反射回的超声波信号，控制处理模块用于对相控聚焦和相控扫描发射的超声波反射回的超声波信号进行成像处理，得到三维振幅图像。本发明具有聚焦效果好、能量大、分辨率高和探测深的特点。

技术研发人员：陶凤娟,刘鎏,石振明,彭铭,刘春生,陶圣朋
受保护的技术使用者：武汉长盛工程检测技术开发有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16