本发明提供了一种声探测与定位系统，包括：声传感器阵列以及声波导管阵列，其中，声传感器阵列包括N个声传感单元，其中N≥2；声波导管阵列包括M根声波导管，其中M≥2，每根声波导管呈两端开口并连通的圆管状，其一端连接相应的声传感单元，另一端置于空气中；空气中传播的声信号进入声波导管阵列的声波导管后被声传感器阵列的声传感单元接收。本发明声探测与定位系统体积小，重量轻，便于携带，声传感器阵列结构紧凑，外界环境对各个声传感单元影响的差异性小，系统的测量准确度高。
声传感器阵列(1)，包括N个声传感单元(101)，其中N≥2；以及声波导管阵列(2)，包括M根声波导管(201)，其中M≥2，每根声波导管呈两端开口并连通的圆管状，其一端连接相应的声传感单元(101)，另一端置于空气中；所述声波导管阵列(2)的尺寸大于声传感器阵列(1)的尺寸；
连接件(4)，用于连接所述声波导管(201)与所述声传感单元(101)，并使所述声波导管(201)的连接端口正对所述声传感单元(101)的感声面；所述连接件(4)包括容纳空间阵列(402)，位于所述连接件(4)的下端，用于安装各个声传感单元(101)；
其中，空气中传播的声信号进入声波导管阵列的声波导管(201)后被声传感器阵列的声传感单元(101)接收；所述声信号在所述声波导管(201)内产生传播延迟，从而实现对所述声信号的相位调制。
2.根据权利要求1所述的声探测与定位系统，其特征在于，M≥N。
3.根据权利要求1所述的声探测与定位系统，其特征在于，所述声波导管阵列(2)中的每一根声波导管(201)，其长度满足特定波长的声波的谐振条件，以实现波长选择性的声波探测与定位。
4.根据权利要求1所述的声探测与定位系统，其特征在于，所述声波导管阵列(2)中的每一根声波导管(201)，其置于空气中的端口呈喇叭口形状。
5.根据权利要求4所述的声探测与定位系统，其特征在于，所述置于空气中的端口设置有振膜。
6.根据权利要求4所述的声探测与定位系统，其特征在于，所述置于空气中的端口面向同一个方向。
7.根据权利要求1所述的声探测与定位系统，其特征在于，所述连接件(4)还包括：管状突起阵列(401)，位于连接件(4)的上端，用于安装声波导管(201)正对声传感单元(101)的一端；
下结构体(403)，安装在连接件(4)底部，用于将所述声传感器阵列(1)固定在所述容纳空间阵列(402)内；
管状突起与容纳空间相互贯通，保证经每个声波导管(201)传播的声波能够独立作用到相对应的声传感单元(101)上。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的声探测与定位系统，其特征在于，所述声传感单元(101)为压电式声传感器、电容式声传感器、电磁式声传感器、或光学式声传感器中的一种。
9.根据权利要求8所述的声探测与定位系统，其特征在于，所述电容式声传感器为驻极体电容式声传感器；或者
10.根据权利要求1至7中任一项所述的声探测与定位系统，其特征在于，所述声波导管(201)为金属导管或柔性导管。
11.根据权利要求10所述的声探测与定位系统，其特征在于，所述金属导管为铜导管、铝导管、或铝合金导管中的一种；或者所述柔性导管为塑料导管、橡胶导管、硅橡胶导管、或聚四氟乙烯导管中的一种。
12.根据权利要求11所述的声探测与定位系统，其特征在于，当所述声波导管为柔性导管时，所述声波导管阵列(2)还包括：支架(5)，用于固定所述柔性导管置于空气中的一端。
13.根据权利要求9所述的声探测与定位系统，其特征在于，所述声探测与定位系统还包括：信号处理芯片；
所述光纤声传感器的光纤声探头、光源和光电探测器通过光纤光连接，所述信号处理芯片分别与所述光源和光电探测器电连接，用于给光源供电并对光电探测器产生的电信号进行处理。
一种声探测与定位系统
技术领域
[0001] 本发明涉及声传感技术领域，尤其涉及一种基于声波导管阵列的声探测与定位系统。
背景技术
[0002] 声探测与定位技术涉及声学、电子学、传感器技术、信号处理技术、计算机算法等多个学科和多种技术，是一种典型的多学科高度交叉融合的技术。声探测与定位技术在环境、医疗、工业、交通、军事等多个领域具有重要应用，已经获得国内外高度重视和广泛研究。
[0003] 声探测与定位技术分为主动式和被动式两种类型，常见的超声波无损检测以及医院普及的超声波成像诊断属于主动式声探测定位技术，被动式声探测与定位技术应用范围更广，包括：环境噪声监测、智能机器人听觉、激光加工过程监测、旋转机械运行状态检测、地下管道泄漏探测、直升机/无人机/火炮/子弹等低小慢目标的探测与跟踪。现有的被动式声探测与定位装置绝大多数是一个支架式声传感器阵列，它是由多个分立的声传感单元按照一定的空间排布固定在特制的刚性支架上构成的。由于各个声传感器所处的空间位置不同，同一个声源发出的声波到达每个声传感器的时间和强度不同，因此各个声传感器探测到的声波信号具有强度差和相位差。基于这些差异，结合复杂的信号处理算法就能够实现声源定位。相邻声传感器产生的强度差和相位差越大，声源定位精度就越高。
[0004] 为了提高定位精度，一方面需要包含较多的声传感单元，另一方面需要相邻声传感单元的间距较大，从而使得这种支架式声探测与定位装置尺寸大、线缆多、重量大、不便于携带、不适合小型化、使用时需要固定在一个制高点进行声探测定位或需要车载进行移动式探测。
[0005] 这种支架式声探测与定位装置的另一个缺点是声传感器阵列中处于不同的空间位置的声传感器受到的环境条件如温度、湿度、气压、风速、风向等可能不同，因此，不同声传感器的输出信号所包含的环境影响因素可能不同，这种环境干扰难以消除，将直接影响装置的定位精度。
发明内容
[0006] (一)要解决的技术问题
[0007] 鉴于上述技术问题，本发明提供了一种基于声波导管阵列的声探测与定位系统，以克服现有支架式声探测与定位装置体积大、重量大、不便于携带、不适合小型化、定位精度易受环境影响等缺点。
[0008] (二)技术方案
[0009] 根据本发明的一个方面，提供了一种声探测与定位系统，包括：声传感器阵列以及声波导管阵列，其中，声传感器阵列包括N个声传感单元，其中N≥2；声波导管阵列包括M根声波导管，其中M≥2，每根声波导管呈两端开口并连通的圆管状，其一端连接相应的声传感单元，另一端置于空气中；空气中传播的声信号进入声波导管阵列的声波导管后被声传感器阵列的声传感单元接收。
[0010] (三)有益效果
[0011] 从上述技术方案可以看出，本发明的声探测与定位系统至少具有以下有益效果其中之一：
[0012] (1)与现有的支架式声探测与定位装置相比，本发明采用结构紧凑的声传感器阵列，声传感器阵列中的各声传感单元彼此相距很近，结合声波导管阵列，所需信号传输线少，能够实现声探测与定位系统的小型化，容许制成轻量化的声探测与定位系统，适合于微型无人机载平台和单兵携带，使用起来更加灵活，应用范围广；
[0013] (2)与现有的支架式声探测与定位装置相比，本发明中的声传感器阵列结构紧凑，使得各声传感单元所处环境基本相同，从而有效抑制了各声传感单元所受环境影响的差异性，提高了系统的声定位精度；
[0014] (3)通过调节声波导管长度，使其满足特定声波波长下的谐振条件，可以实现波长选择性的声探测与定位系统；
[0015] (4)各个声传感单元置于同一平面，彼此相距很近，通过声波导管将声波传导至声传感单元，而声波导管置于空气中的一端形成了大孔径的等效阵列，使声波产生较大的传播延迟，从而实现声波的相位的调制。
附图说明
[0016] 图1为本发明第一实施例中声探测与定位系统的结构分解示意图；
[0017] 图2为本发明第二实施例中声探测与定位系统的示意图；
[0018] 图3为本发明实施例中声波导管的结构示意图；
[0019] 图4为本发明实施例中连接件的结构示意图；
[0020] 图5为本发明实施例中声探测与定位系统的定位原理图。
[0021] 【主要元件】
[0022] 1-声传感器阵列； 2-声波导管阵列；
[0023] 101-声传感单元； 102-线缆； 201-声波导管； 202-振膜；
[0024] 3-信号处理芯片；
[0025] 4-连接件；
[0026] 401-管状突起阵列； 402-容纳空间阵列； 403-下结构体；
[0027] 5-支架。
具体实施方式
[0028] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0029] 第一实施例：
[0030] 在本发明的第一个示例性实施例中，提供了一种声探测与定位系统。图1为本发明第一实施例中声探测与定位系统的结构分解示意图，请参阅图1，一种声探测与定位系统，包括：声传感器阵列1、声波导管阵列2、信号处理芯片3、连接件4。
[0031] 声传感器阵列1包括N个声传感单元101，其中N≥2，所述声传感单元可以是分立的声传感器，也可以是集成在一个芯片上的声传感器。
[0032] 声波导管阵列2包括M根声波导管201，其中M≥2，每根声波导管呈两端开口并连通的圆管状，其一端连接相应的声传感单元101，另一端置于空气中。所有声波导管的置于空气中的一端按照预设的几何阵形排布，从而形成声波导管阵列2。空气中传播的声信号进入声波导管201后被声传感单元101接收。
[0033] 在本实施例的声探测与定位系统中，每个声传感单元101对应一个声波导管201。所述声波导管阵列的尺寸大于声传感器阵列的尺寸，优选的，为了使声波导管阵列中的声波导管置于空气中的一端形成大孔径的等效阵列，使声波产生较大的传播延迟，所述声波导管阵列的尺寸远大于声传感器阵列的尺寸。
[0034] 所述声波导管201的数量不少于所述声传感单元101的数量，多余的声波导管201可用于替换与声传感单元101连接的声波导管，从而构成不同的几何阵形；本实施例中，声传感单元101的个数为4个，声波导管201的个数为4个。
[0035] 信号处理芯片3与声传感器阵列1通过线缆102实现电连接，用于给声传感器阵列1供电并对声传感器阵列1的各声传感单元101产生的电信号进行处理。
[0036] 连接件4的结构如图4所示，用于固定连接所述声波导管201与所述声传感单元101，并使所述声波导管201的连接端口正对所述声传感单元101的感声面。
[0037] 具体地，所述连接件4的上端有管状突起阵列401，下端有与管状突起一一对应的容纳空间阵列402，管状突起用于安装声波导管201正对声传感单元101的一端，容纳空间用于安装声传感器阵列中的各个声传感单元；管状突起与容纳空间相互贯通，保证经每个声波导管传播的声波能够独立作用到相对应的声传感单元上；所述连接件还包括下结构体403，安装在连接件4底部，用于将所述声传感器阵列固定在所述连接件4的容纳空间阵列
402内。
[0038] 其中，所述声传感单元101可以是压电式声传感器、电容式声传感器、电磁式声传感器、光学式声传感器中的一种。具体的，所述光学式声传感器，可以是光纤声传感器；所述电容式声传感器，可以是驻极体电容式声传感器。所述光纤声传感器由光纤声探头、光源、和光电探测器通过光纤进行光连接，所述信号处理芯片分别与所述光纤声传感器的光源和光电探测器进行电连接，用于给光源供电并对光电探测器产生的电信号进行处理。
[0039] 另外，所述声波导管201，可以是金属导管，金属可以是铜、铝、铝合金中的一种。
[0040] 在本实施例中，所述声波导管阵列中的每一根声波导管，其规格相同，口径相等，长度相等，或者按照预设值选取不同的长度。
[0041] 优选地，所述声波导管阵列中的每一根声波导管，其长度满足特定波长的声波的谐振条件，以实现波长选择性的声波探测与定位。
[0042] 所述声波导管阵列中的每一根声波导管，其置于空气中的端口呈喇叭口形状，并设置有振膜202，如图3所示。所述声波导管阵列中的每一根声波导管，其置于空气中的端口面向同一个方向。
[0043] 本发明采用声波导管将待测的声波信号按照设定的路径传输至声传感器，声波信号在声波导管内传播的过程中几乎没有损耗，而且不受外界干扰，能够很好地保持其原有的物理特性。另一方面，通过采用喇叭口形状的端口，并在喇叭口形状的端口上设置振膜，能够有效接收待测的声信号，有利于实现微弱声信号的探测，从而加大声探测与定位的距离。基于声波导管的这些特点，利用声波导管形成等效阵列，以代替传统的声传感器空间阵列，从而解除声定位系统对声传感器布放位置的约束。
[0044] 图5为本发明实施例中声探测与定位系统的定位原理图。从图1中可以看出，各个声传感单元置于同一平面，彼此相距很近，通过声波导管将声波传导至声传感单元，而声波导管置于空气中的一端形成了大孔径的等效阵列，使声波产生较大的传播延迟，从而实现声波的相位的调制。
[0045] 至此，本发明第一实施例一种声探测与定位系统介绍完毕。
[0046] 第二实施例：
[0047] 在本发明的第二个示例性实施例中，提供了一种声探测与定位系统。图2为本发明第二实施例中声探测与定位系统的示意图。如图2所示，与第一实施例的声探测与定位系统相比，本实施例声探测与定位系统的区别在于：
[0048] 所述声波导管201是柔性导管，所述柔性导管可以是塑料导管、橡胶导管、硅橡胶导管、聚四氟乙烯导管中的一种；
[0049] 所述声波导管阵列还包括一支架5，用于固定柔性导管置于空气中的一端。具体的，所述支架，是刚性的、可折叠的支架。
[0050] 为了达到简要说明的目的，上述第一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。
[0051] 至此，本发明第二实施例一种声探测与定位系统介绍完毕。
[0052] 综上所述，本发明的声探测与定位系统体积小，重量轻，便于携带，声传感器阵列结构紧凑，外界环境对各个声传感单元影响的差异性小，系统的测量准确度高。
[0053] 需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
[0054] (1)连接件4还可以与声传感器阵列1形成组合体形式；
[0055] 还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
[0056] 类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
[0057] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
