一种声纳相机

摘要

本发明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。

权利要求

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。

2.根据权利要求1所述的声纳相机，其特征在于，声透镜组(1)包括前透镜(4)、中透镜(5)、后透镜(6)，三个透镜处于同一光轴上，透镜间的距离可调整，透镜之间设置充填液；前透镜(4)和中透镜(5)为发散透镜，后透镜(6)为汇聚透镜。

3.根据权利要求1或2所述的声纳相机，其特征在于，换能器(2)中的绒毛(a)的长度小于声纳信号的半波长，该绒毛为有机绒毛或无机绒毛。

4.根据权利要求2所述的声纳相机，其特征在于，充填液的密度与三个透镜的密度接近。

5.根据权利要求3所述的声纳相机，其特征在于，有机绒毛通过微型雕刻形成相对柱形体空间表面积更大的实体。

6.根据权利要求3所述的声纳相机，其特征在于，无机绒毛通过无机材料的生长工艺形成相对柱形体空间表面积更大的实体。

7.根据权利要求1所述的的声纳相机，其特征在于，弹性薄膜(b)采用无机薄膜或金属薄膜。

8.根据权利要求7所述的的声纳相机，其特征在于，金属薄膜采用金箔。

说明书

一种声纳相机

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于水下探测的装备，特别是一种声纳相机。

背景技术

[0002] 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。

[0003] 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(SAS)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匀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匀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。

[0004] 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128X128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。其中US6798715B2是本申请最接近的背景技术。

[0005] 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。

发明内容

[0006] 本发明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。

[0007] 实现本发明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。

[0008] 本发明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。

[0009] 本发明的工作原理为：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。

[0010] 本发明与现有技术相比，其显著优点为：首先，本发明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，本发明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匀速运动的依赖，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，本发明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。本发明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。本发明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。

[0011] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

[0012] 图1为合成孔径声纳成像的原理图。

[0013] 图2为美国128xl28单元2D电容式换能器组。

[0014] 图3为本发明声纳相机的结构示意图。

[0015] 图4为仿生换能器单元绒毛结构示意图。

[0016] 图5为本发明的声纳相机的工作原理图。

[0017] 图6为声纳一次成像技术应用对象举例示意图。

[0018] 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。

具体实施方式

[0019] 结合图3、图4，本发明的一种声纳相机，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；本发明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。

[0020] 本发明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。在靶面大小和拍摄距离一定时，特定脉冲成像的角向分辨度取决于换能器阵列的密集度。距向分辨度取决于脉冲的形式和宽度，减小脉冲的宽度通常可以直接提高距向分辨度，但随之而来的问题是远距离回声能量的可能不足。距离较远时，如采用蝙蝠和海豚较宽的调频(FM)脉冲，既可以保证距向分辨度又可以提高回声能量。当然，脉冲的设计还要考虑与弹性绒毛感应特性的最佳匹配。通过控制采样时延还能获得不同距离的二维声纳图像。

[0021] 结合图5，所述声透镜组1包括前透镜4、中透镜5、后透镜6，三个透镜处于同一光轴上，透镜间的距离可调整，透镜之间设置充填液，该充填液的密度与三个透镜的密度接近；前透镜4和中透镜5为发散透镜，后透镜6为汇聚透镜。前透镜、中透镜和后透镜的曲面形状须根据所选透镜材料利用光学折射原理精确计算得来。该型结构在美国Didson产品有相似部件，不同之处是二者为不同成像靶面参数设计。整个透镜组中完全由充填液充满，不留有隔音的气腔。

[0022] 上述换能器2为2D绒毛换能器，2D绒毛换能器由大量平面分布的绒毛换能器单元构成，换能器中的绒毛a的长度小于声纳信号的半波长，该绒毛为有机绒毛或无机绒毛。绒毛选用微制造的低密度弹性材料，例如尼龙或树脂材料等。不同绒毛外形会导致其表面积的变化，原则上绒毛表面积越大其空间集能效果越好。上述有机绒毛通过微型雕刻形成相对柱形体空间表面积更大的实体。无机绒毛通过无机材料的生长工艺形成相对柱形体空间表面积更大的实体。换能器阵列的集成制造中，由于换能器单元出来的是激光干涉信号，因此仿生换能器阵列模块必须完成阵列信号的发生、干涉信号的读取、调理与传输。其中信号的发生、干涉信号的读取可以借鉴现有光纤传感器原理，信号的后处理与传输电路可借鉴面阵CCD原理与工艺。其中，绒毛、薄膜和透镜的材料选择与结构设计决定了系统的分辨度与换能效率。

[0023] 上述绒毛可分叉，有机在普通显微镜下光刻或特种工艺下完成制作、粘贴操作工序，制作中要控制与补偿粘胶对薄膜弹性性能的影响。弹性薄膜b采用无机薄膜或金属薄膜。金属薄膜可采用金箔。也可采用其它薄膜材料单侧镀膜，薄膜的弹性、反光性和可粘贴性是选材的依据。在将来需要进一步大幅度提高换能器密集度时，可借助无机材料的生长工艺制作换能器单元构件，理论上可以做到微米级甚至更小的尺度。

[0024] 本发明的声纳相机还需要声源的常规声纳头和配套的激光器、耦合器和腔体。

[0025] 声纳相机与光学相机工作原理类似，区别主要是光波->声波、光学透镜->声透镜组、感光靶面->换能器阵列。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。

[0026] 下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述。

[0027] 具体实施例：

[0028] 本发明的声纳相机部件包括：2D绒毛换能器、声透镜组、集成光电探测器与后续传输调理电路和常规换能器的声纳头声源；此外系统构成还包括配套的激光器、耦合器和腔体等。其中2D绒毛换能器由大量平面分布的绒毛换能器单元构成，单元结构由三部分组成：弹性绒毛、弹性薄膜和光纤，绒毛选用微制造的低密度弹性材料(尼龙或树脂材料等)。透镜组由三块低密度透镜腔体和充填其中的折射液组成，前透镜、中透镜和后透镜的曲面形状须根据所选透镜材料利用光学折射原理精确计算得来(ABS材料或其它密度合适的材料)，透镜曲面形状示例见图7，曲面形状根据透镜设计距离和基本声学折射公式计算而定。换能器中的绒毛为分叉绒毛，可在普通显微镜下完成此毫米级的光刻、粘贴操作工序，绒毛a通过弹性薄膜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。弹性绒毛，可在普通显微镜下完成此毫米级的光刻、粘贴操作工序。弹性反射薄膜的制作中要控制与补偿粘胶对薄膜弹性性能的影响，弹性薄膜的材料为金箔。

[0029] 声透镜组由整体ABS材料或复合体制成，还包括低密度壳体与胶状体充填液，充填液的密度需按照所选壳体材料经过计算分析确定，整个透镜组中完全由各种充填液充满(充填材料与包膜密度相近，如树脂)，不可留有隔音的气腔。相机工作过程为：由于蝙蝠海豚等生物选择的调频(FM)脉冲具有探测距离远和分辨度高的折中优点，相机常规主动声纳头发出脉冲信号“照射”被观测区域或目标；发射回波经过声透镜组的多级折射汇聚，在绒毛换能器平面形成类似光学镜头的声学波束成像；绒毛换能器阵列的各单元通过分叉绒毛接受波束机械能并转化为绒毛的轴向振动，带动中间虚空粘连的薄膜的联动，薄膜另一侧反射面的运动引起相连光纤中激光干涉的变化，再通过光电检测单元将此变化转化成电信号；后续信号调理与读取电路基本可以参照常规面阵CCD电路完成，最终形成一次脉冲成像。拍摄距离的远近取决于主动脉冲的选择和绒毛单元的敏感度。