一种自聚焦探头泥位检测系统及载具防触底方法

专利类型 发明公开 法律事件 公开; 实质审查;
专利有效性 实质审查 当前状态 实质审查
申请号 CN202411577438.6 申请日 2024-11-06
公开(公告)号 CN119688033A 公开(公告)日 2025-03-25
申请人 福建理工大学; 申请人类型 学校
发明人 罗堪; 洪逸; 陈榆; 尤鹭; 陈思洛; 李建兴; 黄靖; 陈宏; 第一发明人 罗堪
权利人 福建理工大学 权利人类型 学校
当前权利人 福建理工大学 当前权利人类型 学校
省份 当前专利权人所在省份:福建省 城市 当前专利权人所在城市:福建省福州市
具体地址 当前专利权人所在详细地址:福建省福州市闽侯县上街镇学府南路69号 邮编 当前专利权人邮编:350118
主IPC国际分类 G01F23/296 所有IPC国际分类 G01F23/296
专利引用数量 0 专利被引用数量 0
专利权利要求数量 7 专利文献类型 A
专利代理机构 南京北辰联和知识产权代理有限公司 专利代理人 于忠洲;
摘要 本 发明 公开了一种自聚焦 探头 泥位检测系统及载具防触底方法,其中检测系统包括自聚焦超 声换能器 、载具以及 信号 处理模 块 ;由自聚焦超声换能器在 水 中发射 超 声波 同时接收反射回来的声压信号,由载具释放自聚焦超声换能器并监测在水中的深度 位置 ; 信号处理 模块用于判断出声压信号是否在局部时间内出现极大值,计算出当前位置处的淤泥深度位置。该自聚焦探头泥位检测系统及载具防触底方法通过分析反射回波的声压大小,可以精确判断泥位的深度,无需依赖 超声波 的传播时间计算,避免了传统技术中受环境因素(如 温度 、压 力 等)的影响,有效提升了泥位检测的 精度 和可靠性,并简化了检测过程,适用于复杂的水下环境中快速、准确地测量泥位位置。
权利要求

1.一种自聚焦探头泥位检测系统,其特征在于,包括自聚焦超声换能器、载具以及信号处理模
自聚焦超声换能器安装在载具上并置于中,由自聚焦超声换能器在水中发射声波同时接收反射回来的反射回波,由载具向水中竖向缓慢释放自聚焦超声换能器,并实时监测自聚焦超声换能器在水中的深度位置
信号处理模块用于对自聚焦超声换能器接收的反射回波进行信号采集获得声压信号,并对采集的声压信号进行分析,判断出声压信号是否在局部时间内出现极大值,若声压信号在局部时间内出现极大值,则表明检测到了淤泥位置,即此时淤泥与自聚焦超声换能器之间的距离为自聚焦超声换能器的焦点距离,再将自聚焦超声换能器的深度位置加上焦点距离计算出当前位置处的淤泥深度位置。
2.一种根据权利要求1所述的自聚焦探头泥位检测系统的载具防触底方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1,将自聚焦超声换能器安装于载具底部的最低位置处;
步骤2,缓慢向水中竖向释放载具,自聚焦超声换能器在水中向下发射超声波,并实时接收反射回来的反射回波;
步骤3,由信号处理模块对自聚焦超声换能器接收的反射回波进行信号采集获得声压信号;
步骤4:对采集的声压信号进行分析,判断声压值是否在局部时间内以从低到高再降低的形式出现了极大值,若出现了极大值,则判定达到极大值的时刻即为自聚焦超声换能器检测到淤泥的时刻,记录下当前自聚焦超声换能器的深度位置H,若未出现极大值,则返回步骤2;
步骤5:将自聚焦超声换能器的深度位置H加上焦点距离F计算出当前位置处的淤泥深度位置为H+F;
步骤6:由信号处理模块向用户展示淤泥深度位置的检测结果,并提醒此后载具的继续释放深度不得超过F,从而避免载具触底。
3.根据权利要求2所述的自聚焦探头泥位检测系统的载具防触底方法,其特征在于,步骤2中,缓慢向水中竖向释放载具的下降速度为5~10cm/s。
4.根据权利要求2所述的自聚焦探头泥位检测系统的载具防触底方法,其特征在于,步骤3中,步骤3中,声压信号进行采集时的采集频率为5~10Hz。
5.根据权利要求2所述的自聚焦探头泥位检测系统的载具防触底方法,其特征在于,步骤3中,对自聚焦超声换能器接收的反射回波进行信号采集获得声压信号后,先对采集的声压信号进行消噪处理,具体是通过滑动窗口对采集的声压值进行求平均:
式中,N为滑动窗口的大小,Pi为平滑处理后的声压值,并将Pi作为第i次采集最终获得的声压值。
6.根据权利要求2所述的自聚焦探头泥位检测系统的载具防触底方法,其特征在于,步骤4中,判断声压值是否在局部时间内以从低到高再降低的形式出现了极大值的具体步骤为:
步骤4.1,获取采集的声压值P1,P2,…,Pn,其中Pi表示第i次采集的声压值;
步骤4.2,计算连续两次采集的声压值的声压差值ΔPi为:
ΔPi=Pi+1‑Pi
式中,Pi+1为第i+1次采集获得的声压值,Pi为第i次采集获得的声压值,声压差值ΔPi用于表示声压值的变化幅度;
步骤4.3,对各个声压差值ΔPi进行分析判断:
若声压差值ΔPi‑1>E、‑Y≤ΔPi≤Y且ΔPi+1<‑E,则表明声压值呈从低到高再降低变化,即第i次采集的声压值Pi为极大值,否则返回步骤4.1继续获取采集的声压值。
7.根据权利要求6所述的自聚焦探头泥位检测系统的载具防触底方法,其特征在于,步骤4.3中,E的取值范围为0.001~0.005Pa,Y的取值范围为0~0.001Pa。

说明书全文

一种自聚焦探头泥位检测系统及载具防触底方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种泥位检测系统及载具防触底方法,尤其是一种自聚焦探头泥位检测系统及载具防触底方法。

背景技术

[0002] 在下环境监测和疏浚工程中,准确检测水体底部的泥位(淤泥层位置)对于保障载具设备的安全运行以及优化作业效率具有重要意义。传统的平面波超声泥位检测技术依赖于声波传播时间的计算,通过发射声波并接收反射信号来估算泥位的位置。然而,这种方法对外界环境条件(如水温、压和声速变化)非常敏感,导致检测精度难以保障,尤其在复杂的水下环境中,误差较大。此外,超声波传播速度受温度、湿度及水中颗粒物浓度等多种因素的影响,进一步增加了检测的复杂性和不确定性。而且传统的超声波泥位检测方法由于能量分散,导致反射信号的强度较弱,尤其在泥位上方或下方,回波信号不够明显,难以准确判断泥位位置。另外传统超声检测方法依赖于测量声波的传播时间来计算泥位深度,这需要复杂的时间测量和声速校正步骤,尤其在水温、压力变化较大的情况下,计算过程变得更加复杂且不可靠。还有就是不同的水下作业环境中,传统超声设备需要频繁校正和调整,以适应不同的水质、温度和其他环境条件,增加了操作复杂性和设备维护成本。

发明内容

[0003] 发明目的在于:提供一种自聚焦探头泥位检测系统及载具防触底方法,能够实现泥位的快速且准确检测,从而防止载具触底。
[0004] 技术方案:本发明所述的自聚焦探头泥位检测系统,包括自聚焦超声换能器、载具以及信号处理
[0005] 自聚焦超声换能器安装在载具上并置于水中,由自聚焦超声换能器在水中发射超声波同时接收反射回来的反射回波,由载具向水中竖向缓慢释放自聚焦超声换能器,并实时监测自聚焦超声换能器在水中的深度位置;
[0006] 信号处理模块用于实时采集自聚焦超声换能器接收的反射回波进行信号采集获得声压信号,并对采集的声压信号进行分析,判断出声压信号是否在局部时间内出现极大值,若声压信号在局部时间内出现极大值,则表明检测到了淤泥位置,即此时淤泥与自聚焦超声换能器之间的距离为自聚焦超声换能器的焦点距离,再将自聚焦超声换能器的深度位置加上焦点距离计算出当前位置处的淤泥深度位置。
[0007] 本发明还提供了一种自聚焦探头泥位检测系统的载具防触底方法,包括如下步骤:
[0008] 步骤1,将自聚焦超声换能器安装于载具底部的最低位置处;
[0009] 步骤2,缓慢向水中竖向释放载具,自聚焦超声换能器在水中向下发射超声波,并实时接收反射回来的反射回波;
[0010] 步骤3,由信号处理模块对自聚焦超声换能器接收的反射回波进行信号采集获得声压信号;
[0011] 步骤4:对采集的声压信号进行分析,判断声压值是否在局部时间内以从低到高再降低的形式出现了极大值,若出现了极大值,则判定达到极大值的时刻即为自聚焦超声换能器检测到淤泥的时刻,记录下当前自聚焦超声换能器的深度位置H,若未出现极大值,则返回步骤2;
[0012] 步骤5:将自聚焦超声换能器的深度位置H加上焦点距离F计算出当前位置处的淤泥深度位置为H+F;
[0013] 步骤6:由信号处理模块向用户展示淤泥深度位置的检测结果,并提醒此后载具的继续释放深度不得超过F,从而避免载具触底。
[0014] 进一步的,步骤2中,缓慢向水中竖向释放载具的下降速度为5~10cm/s。
[0015] 进一步的,步骤3中,步骤3中,声压信号进行采集时的采集频率为5~10Hz。
[0016] 进一步的,步骤3中,对自聚焦超声换能器接收的反射回波进行信号采集获得声压信号后,先对采集的声压信号进行消噪处理,具体是通过滑动窗口对采集的声压值进行求平均:
[0017]
[0018] 式中,N为滑动窗口的大小,Pi为平滑处理后的声压值,并将Pi作为第i次采集最终获得的声压值。
[0019] 进一步的,步骤4中,判断声压值是否在局部时间内以从低到高再降低的形式出现了极大值的具体步骤为:
[0020] 步骤4.1,获取采集的声压值P1,P2,…,Pn,其中Pi表示第i次采集的声压值;
[0021] 步骤4.2,计算连续两次采集的声压值的声压差值ΔPi为:
[0022] ΔPi=Pi+1‑Pi
[0023] 式中,Pi+1为第i+1次采集获得的声压值,Pi为第i次采集获得的声压值,声压差值ΔPi用于表示声压值的变化幅度;
[0024] 步骤4.3,对各个声压差值ΔPi进行分析判断:
[0025] 若声压差值ΔPi‑1>E、‑Y≤ΔPi≤Y且ΔPi+1<‑E,则表明声压值呈从低到高再降低变化,即第i次采集的声压值Pi为极大值,否则返回步骤4.1继续获取采集的声压值。
[0026] 进一步的,步骤4.3中,E的取值范围为0.001~0.005Pa,Y的取值范围为0~0.001Pa。
[0027] 本发明与现有技术相比,其有益效果是:通过分析反射回波的声压大小,可以精确判断泥位的深度,无需依赖超声波的传播时间计算,避免了传统技术中受环境因素(如温度、压力等)的影响,有效提升了泥位检测的精度和可靠性,并简化了检测过程,适用于复杂的水下环境中快速、准确地测量泥位位置。附图说明
[0028] 图1为本发明的系统模型结构示意图;
[0029] 图2为本发明的自聚焦超声换能器聚焦示意图;
[0030] 图3为本发明的自聚焦超声换能器的焦点在泥位处的几何模型
[0031] 图4为本发明的自聚焦超声换能器焦点不同位置图及发射的超声信号声压时域图;
[0032] 图5为本发明的三个位置的最大峰值拟合曲线。

具体实施方式

[0033] 下面结合附图对本发明技术方案进行详细说明,但是本发明的保护范围不局限于所述实施例
[0034] 如图1所示,本发明公开的自聚焦探头泥位检测系统包括:自聚焦超声换能器、载具以及信号处理模块;
[0035] 自聚焦超声换能器安装在载具上并置于水中,由自聚焦超声换能器在水中发射超声波同时接收反射回来的反射回波,由载具向水中竖向缓慢释放自聚焦超声换能器,并实时监测自聚焦超声换能器在水中的深度位置;
[0036] 信号处理模块用于实时采集自聚焦超声换能器接收的反射回波进行信号采集获得声压信号,并对采集的声压信号进行分析,判断出声压信号是否在局部时间内出现极大值,若声压信号在局部时间内出现极大值,则表明检测到了淤泥位置,即此时淤泥与自聚焦超声换能器之间的距离为自聚焦超声换能器的焦点距离,再将自聚焦超声换能器的深度位置加上焦点距离计算出当前位置处的淤泥深度位置。
[0037] 本发明还提供了一种自聚焦探头泥位检测系统的载具防触底方法,包括如下步骤:
[0038] 步骤1,将自聚焦超声换能器安装于载具底部的最低位置处;
[0039] 步骤2,缓慢向水中竖向释放载具,自聚焦超声换能器在水中向下发射超声波,并实时接收反射回来的反射回波;
[0040] 步骤3,由信号处理模块对自聚焦超声换能器接收的反射回波进行信号采集获得声压信号;
[0041] 步骤4:对采集的声压信号进行分析,判断声压值是否在局部时间内以从低到高再降低的形式出现了极大值,若出现了极大值,则判定达到极大值的时刻即为自聚焦超声换能器检测到淤泥的时刻,记录下当前自聚焦超声换能器的深度位置H,若未出现极大值,则返回步骤2;
[0042] 步骤5:将自聚焦超声换能器的深度位置H加上焦点距离F计算出当前位置处的淤泥深度位置为H+F,如图2所示,自聚焦超声换能器的焦点距离为F;
[0043] 步骤6:由信号处理模块向用户展示淤泥深度位置的检测结果,并提醒此后载具的继续释放深度不得超过F,从而避免载具触底。
[0044] 进一步的,步骤2中,缓慢向水中竖向释放载具的下降速度为5~10cm/s。
[0045] 进一步的,步骤3中,步骤3中,声压信号进行采集时的采集频率为5~10Hz。
[0046] 进一步的,步骤3中,对自聚焦超声换能器接收的反射回波进行信号采集获得声压信号后,先对采集的声压信号进行消噪处理,具体是通过滑动窗口对采集的声压值进行求平均:
[0047]
[0048] 式中,N为滑动窗口的大小,Pi为平滑处理后的声压值,并将Pi作为第i次采集最终获得的声压值。
[0049] 进一步的,步骤4中,判断声压值是否在局部时间内以从低到高再降低的形式出现了极大值的具体步骤为:
[0050] 步骤4.1,获取采集的声压值P1,P2,…,Pn,其中Pi表示第i次采集的声压值;
[0051] 步骤4.2,计算连续两次采集的声压值的声压差值ΔPi为:
[0052] ΔPi=Pi+1‑Pi
[0053] 式中,Pi+1为第i+1次采集获得的声压值,Pi为第i次采集获得的声压值,声压差值ΔPi用于表示声压值的变化幅度;
[0054] 步骤4.3,对各个声压差值ΔPi进行分析判断:
[0055] 若声压差值ΔPi‑1>E、‑Y≤ΔPi≤Y且ΔPi+1<‑E,则表明声压值呈从低到高再降低变化,即第i次采集的声压值Pi为极大值,否则返回步骤4.1继续获取采集的声压值。
[0056] 进一步的,步骤4.3中,E的取值范围为0.001~0.005Pa,Y的取值范围为0~0.001Pa。
[0057] 为了验证本发明的自聚焦超声换能器发射超声波并接收回波,通过声压信号大小判断泥位的可行性。下面利用多物理场耦合有限元仿真软件COMSOL Multiphysics,对自聚焦超声换能器的焦点在不同位置(焦点分别在泥位上方、泥位处、泥位下方)的回波信号强度以及探头在水下环境中声压场的分布情况进行仿真分析。
[0058] 首先根据要仿真的问题建立对应的几何模型;然后设置每个单元的材料,选择要仿真的物理场,并对其进行设置;然后对整个模型进行网格的剖分,仿真结果准确与否和网格的剖分密切相关,网格剖分不合适可能会使结果不准确,甚至导致求解不收敛,因此要确定合理的网格大小;对求解器进行设置,并计算结果;最后对仿真结果进行处理和显示,可以在COMSOL中进行处理,也可以将数据导出在其他软件中进行处理、绘制等。
[0059] 为更为清晰直观的得到弧形聚焦换能器的焦点位于不同位置下的的声场分布及回波强度,本发明采用三种不同几何模型,分别仿真不同位置下的情况。模型采用二维结构,从而减少求解器的计算时间。自聚焦超声换能器焦点在泥位处的几何模型如图3所示(其余两种模型只是自聚焦超声换能器焦点位置变化,其他均无改变),自聚焦超声换能器用弧段表示,频率为1Mhz,焦距为0.1m。下方传声媒质选择水,水的下方为淤泥,淤泥厚度为0.2m。泥位在水域和淤泥的分界处。材料参数设置如表1所示。在图3中,自聚焦超声换能器1设置于水中,超声波在水域2中传播,当到达泥位4处时,一方面继续在淤泥3中继续传播,另一方面反射进入水域2中,在焦点5处会产生较大的声压信号。
[0060] 表1材料参数设置
[0061]材料 密度 声速
3
水 1000kg/m 1485m/s
3
淤泥 1400kg/m 1550m/s
[0062] 在确定了仿真的几何模型和材料参数后,需要根据仿真目的选择合适的物理场以及设置不同的边界条件。本发明目的是通过聚焦换能器发射超声的回波声压大小判断泥位位置,物理场直接选择压力声学,瞬态。自聚焦超声换能器弧段添加法向加速度,并在此处设置边界探针接收由泥位处反射回来的超声信号。水域和淤泥左右两侧边界选择平面波辐6
射。由于实际中淤泥下方为混凝土,淤泥下方边界选择阻抗,阻抗大小为:8.4·10 Pa·s/m。
[0063] 在使用有限元的方法进行仿真的过程中,求解的精度很大程度上取决去所剖分的网格的质量,网格的最大尺寸越小、排列越规则,求解的精度就越高。但是网格分得越细,产生的网格也就越多,计算量也就越大。为了在较少的计算量的情况下保证求解的精度,需要选择合适的单元格大小。在压力声学的仿真中,一般将最大单元格尺寸设置为λmax/5,这是因为描述一个完整的正弦波时,为了不造成明显的失真,需要在一个正弦周期内取10~12个点。在有限元仿真声场分布时,就需要希望求解的最高频率对应的波长的10~12个节点,而在COMSOL中波动方程的默认形函数是二次多项式插值,对于使用二次单元的COMSOL建模,每个波长就需要5或6个二阶单元,即最大单元格尺寸要小于λmax/5。水域和淤泥域分别划分。
[0064] 本发明主要对自聚焦超声换能器的焦点位于不同位置下(焦点分别在泥位上方、泥位处、泥位下方)的回波信号强度以及探头在水下环境中声压场的分布情况进行仿真分析。换能器的焦点不同位置图及换能器发射的超声信号声压时域图如图4所示。
[0065] 图4(a)为焦点位于泥位上,图4(b)为该情况下,自聚焦超声换能器接收到来自水域和淤泥交界处的反射波时域信号,第一个波为始波,即自聚焦超声换能器发射出去的超声信号,第二个波为回波,即自聚焦超声换能器接收到来自水域和淤泥交界处的反射波,最大峰值为0.019Pa。
[0066] 图4(c)为焦点位于泥位处,图4(d)为该情况下,自聚焦超声换能器接收到来自水域和淤泥交界处的反射波时域信号,第一个波为始波,即自聚焦超声换能器发射出去的超声信号,第二个波为回波,即自聚焦超声换能器接收到来自水域和淤泥交界处的反射波,最大峰值为0.1138Pa。
[0067] 图4(e)为焦点位于泥位下,图4(f)为该情况下,自聚焦超声换能器接收到来自水域和淤泥交界处的反射波时域信号,第一个波为始波,即自聚焦超声换能器发射出去的超声信号,第二个波为回波,即自聚焦超声换能器接收到来自水域和淤泥交界处的反射波,最大峰值为0.0272Pa。
[0068] 三个位置的最大峰值拟合曲线如图5所示。该曲线为自聚焦超声换能器放入水中,缓缓下降时得到的实时声压变化曲线,随着自聚焦超声换能器位置慢慢下移,焦点越接近泥位,声压逐渐变大,当焦点位于泥位处时,声压最大,自聚焦超声换能器继续向下,焦点位于泥位下,声压逐渐变小,通过该声压变化即可实现对泥位的准确检测。
[0069] 如上所述,尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明,但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下,可对其在形式上和细节上作出各种变化。
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