本技術涉及水下水聲探測與成像，具體地，涉及一種可重構互連的雙模式水聲換能器陣列收發系統及方法。
背景技術：
1、水聲探測是水下目標探測、定位、識別以及水下環境感知的重要技術手段，廣泛應用于水下機器人、水下監測平臺、海洋工程以及安防等場景。現有水聲探測系統通常可分為被動探測系統與主動探測系統兩類：被動探測系統通過接收目標輻射噪聲或環境聲場變化實現目標檢測，具有隱蔽性強、工作距離較遠等優點；主動探測系統通過發射探測聲信號并接收回波實現目標檢測與成像，能夠獲得較高分辨率并支持目標識別，但通常存在發射暴露、能耗較高以及有效作用距離受限等問題。
2、為兼顧遠距離探測與近距離高分辨成像，工程上常采用兩套不同的傳感器或陣列進行組合，或采用固定連接方式的陣列配合多通道采集實現兼容。
3、在現有技術中，公布號為cn104919520?b，公開一種使用集成mems開關的pmut陣列，描述了可開關微機械轉換器陣列，其中微電機械系統(?mems?)開關或繼電器與轉換器元件單片集成。在實施方式中，mems開關被實施在與轉換器陣列相同的基板，以實施一個或多個邏輯、尋址或轉換器控制功能。在實施方式中，陣列的每個轉換器元件是耦合到至少一個mems開關的壓電元件以在陣列內提供元件級尋址。在某些實施方式中，在轉換器中使用的相同的壓電材料被用在mems開關中。
4、其次，公布號為cn105592942b公開一種具有切換操作模式的壓電超聲換能器陣列，其中一個或多個開關或繼電器與壓電微機加工換能器陣列(?pmut)中的換能器元件整體地集成。在實施例中，mems開關與換能器陣列被實施在相同的基板上以便切換換能器陣列的操作模式。在實施例中，多個換能器在第一時間段期間在第一操作模式(例如，驅動模式?)中通過一個或多個mems開關并聯地互連，并且然后在第二時間段期間在第二操作模式(例如，感測模式?)中通過一個或多個mems開關與該換能器的至少一些換能器串聯地互連。
5、上述技術中，二者均僅圍繞?pmut?陣列與?mems?開關的硬件層面設計，無法解決傳統水下探測雙設備集成導致的系統復雜度高、功耗偏高、通道數冗余等問題，也無適配水下雙模式探測的配套信號處理，實現水下水聲探測中被動探測與主動成像的核心功能。并且上述方案往往帶來系統體積重量增加、通道數與數據率上升、功耗增大、系統集成復雜以及模式協同控制困難等問題；同時，固定連接方式的陣列難以在弱信號遠距檢測與近距多通道成像之間實現靈活的性能權衡。
6、因此，亟需一種能夠基于同一套換能器陣列硬件，通過電連接關系的重構在被動高靈敏探測與主動多波束實時成像之間進行切換的水聲收發系統及方法，以在不顯著增加硬件規模的前提下提升綜合探測能力并降低系統復雜度。
技術實現思路
1、針對現有技術中的缺陷/之一，本技術的目的是提供一種可重構互連的雙模式水聲換能器陣列收發系統及方法。
2、本技術的第一方面，提供一種可重構互連的雙模式水聲換能器陣列收發系統，包括：
3、水聲換能器陣列，所述水聲換能器陣列具有多個換能陣元；
4、可重構互連網絡，與所述水聲換能器陣列連接，用于在第一模式與第二模式之間切換所述換能陣元之間的電連接關系；
5、前端接收電路，與所述可重構互連網絡連接，用于接收信號進行放大、濾波和采樣；
6、信號處理模塊，與所述前端接收電路連接，用于在所述第一模式下進行指標輸出與檢測，在所述第二模式下輸出多波束成像結果和/或目標檢測結果；
7、控制模塊，用于控制所述可重構互連網絡的模式切換，并協調系統工作時序；
8、其中，所述第一模式為所述多個換能陣元配置為聚合接收結構執行被動探測，所述第二模式為所述多個換能陣元配置為獨立讀出結構執行主動探測與多波束成像。
9、可選地，所述水聲換能器陣列為一維線性陣列或者二維平面陣列，選自pmut陣列、cmut陣列、壓電陶瓷陣列中的一種或多種；
10、所述可重構互連網絡包括開關矩陣，所述開關矩陣包括模擬開關器件、mems?開關器件、繼電器中的一種或多種；
11、其中，所述多個換能陣元均具有收發換能能力，在所述被動探測下接收目標輻射特征聲信號或環境聲信號，在所述主動探測下發射探測信號并接收回波。
12、可選地，所述系統還包括發射驅動電路，與所述可重構互連網絡連接，產生發射信號，用于在所述第二模式下，驅動所述水聲換能器陣列的全部或部分換能陣元發射主動探測信號；
13、其中，所述發射驅動電路的發射信號脈沖信號、連續波信號、線性調頻信號、相位編碼信號中的一種或多種，經過所述可重構互連網絡至所述水聲換能陣列的全部或部分陣元進行發射激勵。
14、可選地，所述前端接收電路根據所述第一模式或所述第二模式切換通道配置；
15、所述前端接收電路在所述第一模式下采用單通道配置，在所述第二模式下采用多通道配置，或通過多路復用器實現時分采樣的多通道配置。
16、可選地，所述前端接收電路包括低噪聲放大器、電壓控制衰減器、可編程增益放大器、濾波器以及模數轉換器，模塊之間依次串接。
17、可選地，所述控制模塊控制所述可重構互連網絡的模式切換包括：
18、在所述第一模式下，所述控制模塊接收所述信號處理模塊輸出的幅度、能量、信噪比中的至少一種達到預設閾值或自適應閾值，控制所述可重構互連網絡由所述第一模式切換至所述第二模式；
19、在所述第二模式下，所述控制模塊接收所述信號處理模塊輸出的回波指標，所述回波指標低于退出閾值、目標置信度不滿足要求、任務完成或超時中的至少一種回切條件時，控制所述可重構互連網絡由所述第二模式切換至所述第一模式。
20、可選地，所述控制模塊在控制所述可重構互連網絡進行模式切換時，對閾值判定引入遲滯機制，通過設置遲滯上下閾值與保持時間抑制互連狀態的頻繁切換；
21、所述遲滯機制為所述控制模塊接收的所述信號處理模塊的輸出信號在超過預設閾值或低于退出閾值后，且持續時間大于保持時間后，進行模式切換。
22、可選地，所述信號處理模塊在所述第二模式下輸出多波束成像結果和/或目標檢測結果為基于所述前端接收電路輸出的多個獨立通道回波信號執行數字波束形成，以輸出多波束成像結果和/或目標檢測結果；
23、其中，所述信號處理模塊執行的數字波束形成包括延時求和波束形成、頻域波束形成、掃描波束形成、自適應波束形成中的一種或多種。
24、可選地，所述系統還包括收發隔離和/或輸入保護電路，用于在主動發射期間隔離所述前端接收電路，防止發射強信號耦合導致接收前端飽和或損傷，并在滿足預設收發切換時序后恢復接收。
25、本技術的第二方面，提供一種可重構互連的雙模式水聲換能器陣列收發系統的探測與成像方法，包括：
26、控制可重構互連網絡處于第一模式，使多個換能陣元形成聚合接收結構，執行被動探測并獲取接收信號；
27、通過信號處理模塊對所述接收信號進行檢測并計算幅度、能量、信噪比中的至少一種指標，并發送至控制模塊；
28、所述控制模塊判定所述指標滿足切換條件時，控制所述可重構互連網絡切換至第二模式，使所述多個換能陣元形成獨立讀出結構；
29、驅動水聲換能器陣列發射主動探測信號并接收回波信號；
30、所述信號處理模塊基于獨立讀出結構獲得的多通道回波信號執行數字波束形成，輸出多波束成像結果，并進行目標檢測和/或識別。
31、本技術提供的一種可重構互連的雙模式水聲換能器陣列收發系統，采用水聲換能器陣列和可重構互連網絡結合技術手段，基于同一套水聲換能器陣列硬件，實現被動探測與主動成像雙模式能力，提升系統任務適應性；通過可重構互連網絡靈活切換換能陣元的電連接關系，在第一模式下以聚合接收結構實現被動探測，通過陣元聚合接收實現弱信號高靈敏檢測，并降低并行采集通道數，從而降低功耗與數據率；在第二模式下以獨立讀出結構執行主動探測，通過陣元獨立讀出并進行數字波束形成，實現多波束實時成像并支持目標檢測/識別，解決在同一硬件平臺上同時滿足被動遠距離弱信號探測與主動近距離高分辨成像需求、以及多系統組合導致通道數/功耗/體積/數據率增加的問題。
32、由附加特征帶來的其他技術效果將在相應的實施例中進一步闡述。