一种水下防碰撞超声多元阵列及障碍检测方法和系统

1.一种水下防碰撞超声多元阵列，其特征在于：水下防碰撞超声多元阵列包括超声换能器阵列；所述超声换能器阵列包括n个超声换能器；所述n个超声换能器沿无人水下航行器艏部的横截面圆周方向均匀设置；n个超声换能器指向性主极大方向的垂直面与无人水下航行器轴向前进方向的夹角均为γ+90°；γ为超声换能器指向性主极大方向的垂直面与无人水下航行器艏部横截面的夹角；所述n个超声换能器沿无人水下航行器艏部的横截面圆周方向设置后，与超声换能器接触的无人水下航行器外壁的横截面中，面积最小的横截面的半径为r；所述超声换能器指向性扇区的水平方位角度宽度为αw，超声换能器指向性扇区的俯仰角度宽度为βw；所述无人水下航行器的盲区距离为l；其中60°≤αw≤180°；

2.根据权利要求1所述的一种水下防碰撞超声多元阵列，其特征在于：所述超声换能器阵列中超声换能器设置在无人水下航行器壳体外壁，且超声换能器的指向性主极大方向与无人水下航行器轴向垂直时，将超声换能器阵列中的一个超声换能器设置在无人水下航行器艏部顶点中心位置；

3.根据权利要求3所述的一种水下防碰撞超声多元阵列，其特征在于：超声换能器阵列中，n≥5。

4.一种应用权利要求1或2所述的一种水下防碰撞超声多元阵列的障碍检测方法，其特征在于：水下防碰撞超声多元阵列的障碍检测方法包括平方积分能量检测方法。

5.根据权利要求4所述的一种水下防碰撞超声多元阵列的障碍检测方法，其特征在于，所述平方积分能量检测方法的具体步骤为：

6.根据权利要求5所述的一种水下防碰撞超声多元阵列的障碍检测方法，其特征在于：所述步骤s1中超声换能器阵列采用脉冲体制发射和接收回波的步骤为：设n个超声换能器发射的高频窄脉冲为sm(t),m＝1,2,...,n,0≤t≤ts，接收的n个通道数据为xm(t),m＝1,2,...,n,ts≤t≤t，其中ts是脉冲宽度，t是探测周期，(t-ts)fs是一帧数据长度，fs是采样频率。

7.根据权利要求5所述的一种水下防碰撞超声多元阵列的障碍检测方法，其特征在于：所述步骤s2中超声换能器阵列根据接收的回波信号分段处理的步骤为：对n个超声换能器接收的数据进行分段处理，在t时刻，第m个换能器接收信号的平方积分输出为ym(t)：

8.根据权利要求5所述的一种水下防碰撞超声多元阵列的障碍检测方法，其特征在于：所述步骤s3中对每个超声换能器接收信号的平方积分输出进行能量检测，计算障碍物距离和方位的步骤为：

9.根据权利要求5所述的一种水下防碰撞超声多元阵列的障碍检测方法，其特征在于：包括单通道轮流检测模式、多通道同时检测模式和选择通道检测模式；每个超声换能器即为一个通道；所述单通道轮流检测模式为n个超声换能器依次轮流发射信号和接收回波，轮流检测n个通道信号，即对平台前视方向、左右方向、上下方向进行轮流防碰撞检测；所述多通道同时检测模式为n个超声换能器同时发射信号和接收回波，同时检测n个通道信号，即对平台前视方向、左右方向、上下方向同时进行防碰撞检测；所述选择通道检测模式为根据平台拟运动方向信息，选择一个或多个通道信号进行检测。

10.根据权利要求5所述的一种水下防碰撞超声多元阵列及障碍检测方法的系统，其特征在于：包括超声换能器阵列、收发转换模块、功率放大模块、信号调理模块、缓存与dac模块、缓存与adc模块、数字信号处理模块、系统管理与控制模块、数据产生模块和供电模块；数据产生模块与缓存与dac模块连接；缓存与dac模块与功率放大模块连接；功率放大模块与收发转换模块连接；收发转换模块与超声换能器阵列连接；收发转换模块与信号调理模块连接；信号调理模块与缓存与adc模块连接；缓存与adc模块与数字信号处理模块连接；系统管理与控制模块分别与缓存与dac模块和缓存与adc模块连接；供电模块分别与超声换能器阵列、收发转换模块、功率放大模块、信号调理模块、缓存与dac模块、缓存与adc模块、数字信号处理模块、系统管理与控制模块和数据产生模块连接，以提供电力支持。