本發(fā)明涉及實(shí)驗(yàn)裝置，具體涉及一種基于水表面波的相控陣演示實(shí)驗(yàn)裝置及其運(yùn)行方法。

背景技術(shù)：

1、相控陣技術(shù)是一種以惠更斯原理為基本原理的精密控制技術(shù)?；莞乖硎且环N波動(dòng)理論，由17世紀(jì)荷蘭物理學(xué)家克里斯蒂安·惠更斯提出。它描述了波的傳播方式：每一個(gè)波前上的點(diǎn)都可以看作是新波源，發(fā)出的次波向前傳播，并且次波的包絡(luò)構(gòu)成新的波前，并被成功應(yīng)用于解釋光的反射與折射現(xiàn)象。在相控陣系統(tǒng)中，每個(gè)天線元素都可以視為一個(gè)點(diǎn)波源。通過控制這些點(diǎn)波源發(fā)出的電磁波的相位和振幅，相控陣系統(tǒng)能夠精確地操控波束的方向和形狀。由于具有靈活、高速、多任務(wù)并行以及高可靠性的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信、無線電頻譜監(jiān)測、航空航天、軍事防御系統(tǒng)等領(lǐng)域。是廣大理工科院校的重點(diǎn)教授內(nèi)容。

2、然而現(xiàn)有的相控陣技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置都是以超聲波為媒介實(shí)現(xiàn)的。這種基于超聲波信號(hào)實(shí)現(xiàn)相控陣的實(shí)驗(yàn)裝置通過調(diào)整控制主機(jī)對(duì)各超聲波壓電換能器間控制信號(hào)相位進(jìn)行控制，使發(fā)射板發(fā)出的超聲波束在水平方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。其信號(hào)偏轉(zhuǎn)多是通過手持的超聲信號(hào)檢測接收器進(jìn)行的。檢測時(shí)，超聲波信號(hào)接收器需在發(fā)射板前方移動(dòng)，在不同角度下電表給出對(duì)應(yīng)相對(duì)強(qiáng)度指示，讀出電表示數(shù)并測量與發(fā)射板法線夾角大小，將收集到的分立數(shù)據(jù)進(jìn)行處理作圖，由此可以大致測出信號(hào)強(qiáng)度與偏轉(zhuǎn)角度θ的關(guān)系。

3、這種基于超聲波信號(hào)的相控陣裝置對(duì)于教學(xué)存在如下問題。首先，由于超聲波的不可視化影響其展示的效果不易于同學(xué)的直觀了解。然后，由于超聲換能器、探測器及其控制系統(tǒng)的制作成本較高為其廣泛推廣造成阻礙。最后，由于裝置本身作用機(jī)制的不可視，為同學(xué)進(jìn)行原理學(xué)習(xí)及今后的探索造成了障礙。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，本發(fā)明提供的一種基于水表面波的相控陣演示實(shí)驗(yàn)裝置及其運(yùn)行方法解決了超聲相控陣實(shí)驗(yàn)儀器對(duì)于教學(xué)造成的上述問題。

2、為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于水表面波的相控陣演示實(shí)驗(yàn)裝置，包括微型圖像計(jì)算終端和箱體，箱體包括上部承載箱和與上部承載箱固定連接的下部支撐箱，上部承載箱和下部支撐箱的連接面為透明材質(zhì)板；

3、上部承載箱的頂部設(shè)置光源模塊，上部承載箱的內(nèi)部設(shè)置中空腔體，中空腔體內(nèi)設(shè)置水波介質(zhì)模塊、消波模塊和點(diǎn)波源發(fā)生裝置，水波介質(zhì)模塊包括透明的水缸和設(shè)置在水缸內(nèi)的水；

4、下部支撐箱的底部設(shè)置攝像頭，下部支撐箱的內(nèi)部傾斜設(shè)置半透半反的玻璃鏡子，下部支撐箱的側(cè)壁設(shè)置幕布，幕布的側(cè)面活動(dòng)設(shè)置顯示屏，顯示屏與攝像頭和微型圖像計(jì)算終端電連接。

5、本發(fā)明的有益效果為：本裝置通過點(diǎn)波源發(fā)生裝置產(chǎn)生恒定相位差的周期運(yùn)動(dòng)；使點(diǎn)波源在水面產(chǎn)生，各波源的振幅和頻率是相同的，但具有不同相位，且相位差可控，這些波會(huì)在水介質(zhì)中進(jìn)行疊加。為減小由于水缸壁邊緣反射波對(duì)于實(shí)驗(yàn)效果的影響，在缸壁安裝了水面波消波模塊，以減弱其影響。

6、本裝置有兩種展示效果，第一種為：由于上部承載箱和下部支撐箱的連接面為透明材質(zhì)板，且水缸為透明的，鏡子為半透明半反射，光經(jīng)過鏡子一部分直接投射到幕布上。第二種為：光透過鏡子進(jìn)入底部攝像頭被采集，攝像頭與微型圖像計(jì)算終端連接，微型圖像計(jì)算終端與側(cè)面的顯示屏電連接，顯示屏上將實(shí)時(shí)顯示攝像頭捕捉的水波成像畫面經(jīng)圖像處理后獲取表面波的傳播方向，同時(shí)計(jì)算終端會(huì)根據(jù)基于惠更斯原理編制的模型程序進(jìn)行模擬仿真，并給出三維動(dòng)畫。同時(shí)會(huì)實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)與理論模擬的給出的傳播角度的差異。本裝置采用兩種展示效果，達(dá)到幕布直接演示和理論計(jì)算結(jié)果在顯示屏同步展示的效果。

7、進(jìn)一步地，上述基于水表面波的相控陣演示實(shí)驗(yàn)裝置，點(diǎn)波源發(fā)生裝置包括殼體，殼體內(nèi)設(shè)置微控制器、功率放大器和電路模塊，殼體的底部設(shè)置固定機(jī)構(gòu)，固定機(jī)構(gòu)上設(shè)置卡槽和推拉電磁鐵，水缸的邊緣設(shè)置與卡槽匹配的卡扣；推拉電磁鐵的端部設(shè)置觸頭，殼體上設(shè)置用于調(diào)節(jié)不同推拉電磁鐵之間周期運(yùn)動(dòng)相位差的旋鈕。

8、采用上述進(jìn)一步方案的有益效果為：本裝置通過點(diǎn)波源發(fā)生裝置的推拉電磁鐵帶動(dòng)觸頭以程序設(shè)計(jì)的不同相位差運(yùn)動(dòng)；測量點(diǎn)波源發(fā)生觸頭與水面的距離，通過固定機(jī)構(gòu)使波源發(fā)生裝置能在水面產(chǎn)生有規(guī)律的，振幅和頻率相同的，不同相位差的波，進(jìn)行疊加。因水缸壁反射波帶來的影響程度過大，增加水面波消波模塊，減弱由缸壁帶來的反射波對(duì)波形偏轉(zhuǎn)的影響。

9、進(jìn)一步地，上述基于水表面波的相控陣演示實(shí)驗(yàn)裝置，下部支撐箱側(cè)面設(shè)置水循環(huán)模塊，水循環(huán)模塊和水缸通過水管連接。

10、采用上述進(jìn)一步方案的有益效果為：在相控陣演示實(shí)驗(yàn)中，水的清潔程度對(duì)于實(shí)驗(yàn)的演示效果具有重要影響。通過水循環(huán)模塊及過濾器，可以控制水流速，保證水流不影響水表面波的前提下保證水介質(zhì)的清潔度。

11、進(jìn)一步地，上述基于水表面波的相控陣演示實(shí)驗(yàn)裝置，光源模塊包括光源、設(shè)置在光源側(cè)壁的散熱器和設(shè)置在光源前側(cè)的聚光鏡。

12、采用上述進(jìn)一步方案的有益效果為：光源模塊能提供穩(wěn)定的光源輸出，通過調(diào)整聚光鏡的參數(shù)，可以控制光源的光強(qiáng)，使其適應(yīng)不同實(shí)驗(yàn)需求；調(diào)整光圈，控制光線的進(jìn)入角度和光線的散焦程度，從而影響成像的清晰度；調(diào)整焦距，使得成像清晰。

13、進(jìn)一步地，上述基于水表面波的相控陣演示實(shí)驗(yàn)裝置，消波模塊包括對(duì)稱設(shè)置在水缸兩側(cè)的多個(gè)水缸消波塊，水缸消波塊包括頂部的平板、側(cè)面的弧形孔穴、前墻和后壁。

14、進(jìn)一步地，上述基于水表面波的相控陣演示實(shí)驗(yàn)裝置，觸頭的數(shù)量至少為8個(gè)，但不限于8個(gè)。

15、進(jìn)一步地，上述基于水表面波的相控陣演示實(shí)驗(yàn)裝置，固定機(jī)構(gòu)為至少兩個(gè)相互連接的亞克力板。

16、進(jìn)一步地，上述基于水表面波的相控陣演示實(shí)驗(yàn)裝置，電路模塊包括功率放大電路和微控制器。

17、進(jìn)一步地，上述基于水表面波的相控陣演示實(shí)驗(yàn)裝置，半透半反鏡子的傾斜角度為45°，鏡子連接下部支撐箱的頂部和底部。

18、進(jìn)一步地，上述基于水表面波的相控陣演示實(shí)驗(yàn)裝置的運(yùn)行方法，包括以下步驟：

19、s1：點(diǎn)波源發(fā)生裝置以程序控制多個(gè)觸頭間產(chǎn)生恒定相位差的周期運(yùn)動(dòng)，觸頭使水面產(chǎn)生有規(guī)律、振幅和頻率相同、不同相位差的波；

20、s2：捕捉圖像數(shù)據(jù)，高清攝像頭實(shí)時(shí)捕捉水波介質(zhì)模塊的圖像，并將圖像通過數(shù)據(jù)線傳輸至微型的圖像處理終端；

21、s3：二值化處理，使用灰度轉(zhuǎn)換、clahe和自適應(yīng)閾值化圖像處理技術(shù)增強(qiáng)圖像對(duì)比度；

22、s4：canny邊緣檢測，使用canny邊緣檢測算法來檢測圖像中的水波邊緣；

23、s5：霍夫變換檢測直線；

24、s6：直線角度計(jì)算，通過計(jì)算每條直線的密集度來過濾掉噪聲干擾，隨后應(yīng)用k-means聚類對(duì)剩余直線的角度進(jìn)行聚類，從而識(shí)別相似方向的平行線組；

25、s7：統(tǒng)計(jì)分析，繪制并標(biāo)注這些線組在圖像中的位置及其平均角度，識(shí)別出類似水波的波紋特征。

26、本發(fā)明的有益效果為：本裝置采用水波作為介質(zhì)，通過水面波的疊加和干涉現(xiàn)象，實(shí)時(shí)利用設(shè)計(jì)的光路將水波紋投影在顯示屏上以便直接觀察，并同時(shí)采用視覺的采集與圖像處理技術(shù)以及利用惠更斯原理模型的建模計(jì)算，實(shí)時(shí)與投影結(jié)果對(duì)比展示了如何通過調(diào)控多個(gè)點(diǎn)波源間的相位差來控制合成波的波前傳播方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)變化。具體如下：

27、(1)實(shí)時(shí)可視化相控陣的波前分布：傳統(tǒng)的相控陣演示裝置通常依賴于超聲波信號(hào)來實(shí)現(xiàn)相位控制，這種方法雖然可以演示基于惠更斯原理的相控陣技術(shù)，但由于超聲波是人眼無法直接觀測的，因此人們無法直接觀測到超聲波波前隨相位的變化需要借助超聲探測裝置才能觀察到現(xiàn)象。而本裝置采用水波作為介質(zhì)，結(jié)合點(diǎn)波源發(fā)生模塊，通過水面波的疊加和干涉現(xiàn)象，觀察者可以直接觀察到多個(gè)波源形成的水表面波波前隨波源相位差的變化而造成的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，極大提高了所教授原理的可視化程度，降低了同學(xué)學(xué)習(xí)的難度，增加了教學(xué)效果。

28、(2)實(shí)現(xiàn)高度交互性與教育參與度：本裝置設(shè)計(jì)了用戶可交互的實(shí)驗(yàn)設(shè)置，允許操作者通過設(shè)置的相位調(diào)整旋鈕自行調(diào)整波源的相位差，并實(shí)時(shí)觀察這一變化對(duì)水面波前形態(tài)的影響，同時(shí)可以更改模擬程序上的相位差，觀察模擬現(xiàn)象的變化，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與仿真結(jié)果可以開展探索性實(shí)驗(yàn)，研究理想仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異，修改模型進(jìn)行研究。極大地提升了實(shí)驗(yàn)的參與感和教學(xué)互動(dòng)性，使學(xué)生不僅是被動(dòng)接受知識(shí)，而是通過實(shí)際操作和觀察來理解相控陣技術(shù)的工作原理。此外，該裝置也適用于科普教育，幫助普通公眾通過簡單的操作理解復(fù)雜的技術(shù)概念，從而降低了科技知識(shí)的普及門檻。

29、(3)實(shí)現(xiàn)高度集成化和模塊化設(shè)計(jì)：本裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，各功能模塊(如光源模塊、點(diǎn)波源發(fā)生裝置、水波介質(zhì)模塊、消波模塊、圖像采集模塊、圖像處理模塊等)都相互獨(dú)立，這樣便于整體集成與調(diào)試，不僅方便了裝置的維護(hù)和升級(jí)，也使得裝置能夠根據(jù)不用應(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)整，增強(qiáng)了儀器適用性。此外，模塊化的結(jié)構(gòu)也支持在未來根據(jù)需要增加或更換模塊，以適應(yīng)技術(shù)發(fā)展或?qū)嶒?yàn)需求的變化。

30、(4)消波技術(shù)帶來的精確度提高：在傳統(tǒng)水波實(shí)驗(yàn)中，容器壁的波反射常常會(huì)干擾實(shí)驗(yàn)觀察，影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。本裝置開發(fā)的消波模塊能有效減少這種干擾，通過特定材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)吸收或分散反射波，確保實(shí)驗(yàn)的波源控制更精準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更可靠，不僅提升了實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性，也增加了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性和可靠性，對(duì)科研和教學(xué)都有重要意義。

31、(5)光源投影技術(shù)帶來的良好演示效果：本裝置的光源具備可變焦距、光強(qiáng)調(diào)節(jié)和可調(diào)光圈功能，使光源能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件的不同精確調(diào)整照明強(qiáng)度和聚焦范圍。自主設(shè)計(jì)的光源投影光路優(yōu)化了光線傳輸效率和均勻性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水波現(xiàn)象的灰度處理，實(shí)現(xiàn)了圖像增強(qiáng)，提高了水面波動(dòng)的清晰度和可視效果。采用可控光源系統(tǒng)，方便儀器的調(diào)節(jié)，可保證設(shè)備在不同環(huán)境光下的顯示效果。不僅提升了演示的教學(xué)效果，也增強(qiáng)了觀眾的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

32、(6)采用半反半透光路簡化了儀器的光路結(jié)構(gòu)，通過半透半反鏡的特點(diǎn)使圖像被反射到顯示模塊的同時(shí)投射到視頻采集系統(tǒng)，保證了在觀測的同時(shí)實(shí)現(xiàn)圖像的采集。這樣既保證了觀測與圖像采集的同時(shí)性，解決了數(shù)字化圖像信息與光學(xué)圖像的時(shí)效性問題，又解決了光源與圖像采集裝置位置沖突的問題。