[0001] 本发明涉及实验装置技术领域，具体涉及一种基于水表面波的相控阵演示实验装置及其运行方法。

[0002] 相控阵技术是一种以惠更斯原理为基本原理的精密控制技术。惠更斯原理是一种波动理论，由17世纪荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯提出。它描述了波的传播方式：每一个波前上的点都可以看作是新波源，发出的次波向前传播，并且次波的包络构成新的波前，并被成功应用于解释光的反射与折射现象。在相控阵系统中，每个天线元素都可以视为一个点波源。通过控制这些点波源发出的电磁波的相位和振幅，相控阵系统能够精确地操控波束的方向和形状。由于具有灵活、高速、多任务并行以及高可靠性的特点，被广泛应用于雷达、通信、无线电频谱监测、航空航天、军事防御系统等领域。是广大理工科院校的重点教授内容。

[0003] 然而现有的相控阵技术实验装置都是以超声波为媒介实现的。这种基于超声波信号实现相控阵的实验装置通过调整控制主机对各超声波压电换能器间控制信号相位进行控制，使发射板发出的超声波束在水平方向发生偏转。其信号偏转多是通过手持的超声信号检测接收器进行的。检测时，超声波信号接收器需在发射板前方移动，在不同角度下电表给出对应相对强度指示，读出电表示数并测量与发射板法线夹角大小，将收集到的分立数据进行处理作图，由此可以大致测出信号强度与偏转角度θ的关系。

[0004] 这种基于超声波信号的相控阵装置对于教学存在如下问题。首先，由于超声波的不可视化影响其展示的效果不易于同学的直观了解。然后，由于超声换能器、探测器及其控制系统的制作成本较高为其广泛推广造成阻碍。最后，由于装置本身作用机制的不可视，为同学进行原理学习及今后的探索造成了障碍。

[0047] 下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

[0048] 如图1～4所示，本实施例提供了一种基于水表面波的相控阵演示实验装置，包括微型图像计算终端和箱体1，箱体1包括上部承载箱2和与上部承载箱2连接的下部支撑箱3，上部承载箱2和下部支撑箱3的连接面为透明材质板；

[0049] 上部承载箱2的顶部设置光源模块4，光源模块4包括光源21、设置在光源21侧壁的散热器22和设置在光源21前侧的聚光镜23。光源模块4能提供稳定的光源21输出，能调整其光强、光圈及焦距，使成像清晰。

[0050] 上部承载箱2的内部设置中空腔体5，中空腔体5内设置水波介质模块6、消波模块7和点波源发生装置8，消波模块7设置在水波介质模块6的两侧，点波源发生装置8和水波介质模块6嵌合设置。

[0051] 点波源发生装置8包括壳体9，壳体9内设置微控制器、功率放大器和电路模块，电路模块包括功率放大电路和微控制器。

[0052] 壳体9的底部设置固定机构10，固定机构10为至少两个相互连接的亚克力板。固定机构10上设置卡槽16和推拉电磁铁12，推拉电磁铁12的端部设置触头13，触头13的数量为8个，如图7所示。壳体9上设置用于调节推拉电磁铁12运动的相位旋钮14；触头13采用球形设计，经测试发现，球形触头13在与水面接触后可产生完整的水表面波的点波源。触头靠近推拉电磁铁12的一端采用圆锥型设计，方便与推拉电磁铁推杆连接。触头采用柔性材料通过3d打印完成。

[0053] 水波介质模块6包括水缸15，水缸15的边缘设置与卡槽16匹配的卡扣11。

[0054] 下部支撑箱3的底部设置摄像头17，下部支撑箱3的内部倾斜设置半透半反的玻璃镜子28，下部支撑箱3的侧壁设置幕布18，幕布18的前侧活动设置显示屏32，显示屏32与摄像头17和微型图像计算终端电连接。

[0055] 微型图像计算终端是一种集图像处理、计算、存储等功能于一体的微型设备，摄像头17通过无线电传输或者外部接口将图像数据传输至微型图像计算终端，微型图像计算终端对采集到的图像进行预处理，包括去噪、增强、缩放等操作。

[0056] 本装置有两种展示效果，第一种为：由于上部承载箱2和下部支撑箱3的连接面为透明材质板，且水缸15为透明的，镜子28为半透明半反射，光经过镜子28一部分直接投射到幕布18上。第二种为：光透过镜子28进入底部摄像头17被采集，摄像头17与微型图像计算终端连接，微型图像计算终端与外侧的显示屏32连接，显示屏32上将实时显示摄像头17捕捉的水波成像画面经图像处理后获取表面波的传播方向，同时计算终端会根据基于惠更斯原理编制的模型程序进行模拟仿真，并给出三维动画。同时会实时实验与理论模拟的给出的传播角度的差异。本装置采用两种展示效果，达到幕布18直接演示和理论计算结果在显示屏32同步展示的效果。

[0057] 下部支撑箱3侧面设置水循环模块，水缸15上设置出水口30和进水口31。水循环模块包括循环水泵19、水管20和设置在水缸15侧壁的过滤器29。水管20连接出水口30、循环水泵19、过滤器29和出水口30。循环水泵19通过电力驱动，能够将水缸15内的水从出水口30抽出并通过管道输送至过滤器29。在这个过程中，水泵产生的流动力会使得水体中的废物和有害物质被带入过滤器29，过滤器29内部包含有多种过滤介质，如活性炭、生化棉、陶瓷环等。水通过过滤器29实现了水的净化。净化后的水通过进水口31重新进入水缸15。

[0058] 如图3、图8和图9所示，消波模块7包括对称设置在水缸15两侧的多个水缸消波块，水缸消波块包括顶部的平板24、侧面的弧形孔穴26、前墙25和后壁27。

[0059] 水缸消波块的消波原理：

[0060] (1)通过调整部分水波受阻并反射的时间和位置，改变了水波的相位。

[0061] 在平面式直立水缸壁中，当波浪到达水缸壁时会被全面阻挡并产生反射，即反射率＝1时，理论上会形成驻波，波高加倍。然而，由水缸消波块组成的水缸壁由于具有许多孔穴26，部分波浪在时间时在水缸壁前反射，而其他波浪继续前进，直到时间时在孔穴26的后壁27反射。由于波浪在和时的相位不同，所形成的反射波的波峰和波谷位置也不同，最终合成的波浪波高低于平面水缸壁单一反射的波高，即反射率减小。

[0062] (2)对水体和水面高度起调节作用。

[0063] 由于孔穴26的存在，当波峰来临时，部分水体进入孔穴26内，减少了水缸壁前的水位上涨，降低了波峰的高度；而在波谷出现时，原先进入孔穴26的水流出，补充了墙前的水体，抬高了波谷的水面，减小了波浪的高度。

[0064] (3)改变水分子的运动方向。

[0065] 水缸消波块的平板24部分使孔穴26上下形成平面，有助于在水体进出孔穴时，将波浪中水分子的上下运动转变为水平运动。

[0066] (4)减少平面的正向反射。

[0067] 水缸消波块的一侧为圆弧形柱面，这不仅有利于引导水体流入孔穴26，而且圆弧面产生的反射为散射，减少了平面的正向反射。

[0068] (5)消除水波波浪能量。

[0069] 水缸消波块内的孔穴26类似于消能室，水流进入后在椭圆形孔穴26内旋转消能，并且上下孔穴26相通，这不仅有助于消能，还能减少对块体产生的上扬力。

[0070] 总之，水缸消波块的消波原理是多方面的，以上各点虽然被单独列出，但在实际中彼此之间相互影响。例如，在第(1)点中，如果水缸消波块的孔穴26为直筒形，此作用会较为明显，而在水缸消波块中，由于其他因素，如第(5)点中的水流旋转作用，会使进入孔穴26的波浪性质发生变化，因此水缸消波块的消波效果是多种因素综合作用的结果。

[0071] 本装置自主设计了一套逻辑电路，通过arduino编程、控制单片机和功率放大电路等电路模块，使得不同编号的推拉电磁铁12及触头13以程序设计的不同相位差运动。同时通过测量点波源发生触头13与水面的距离，设计并研发固定机构，使得波源发生装置能在水面产生有规律的，振幅和频率相同的，不同相位差的波，进行叠加。而且，基于大量实验发现因水缸壁反射波带来的影响程度过大，自主开发了水面波消波模块7，经实验测得效果良好。再设计了一套提高可视化程度的光学演示模组，使水面叠加的波有效地投影到展示界面，促进演示的教学有效性。最后开发了相控阵技术虚拟仿真演示平台，实现虚拟现实结合教学。

[0072] 如图5所示，为基于水表面波的相控阵演示实验装置的工作流程图，点波源发生装置8通过Arduino编程，采用物件导向的方式electromag类封装了每个设备的状态管理，用于基于A6引脚的模拟输入控制多个电磁设备的状态和转换逻辑。使用Arduino单片机逻辑控制功率放大器，驱动1～8不同编号的推拉电磁铁12及触头13以不同相位差运动，再通过测量触头13与水面的距离，设计亚克力板固定机构，使得波源发生装置能在水面产生有规律的，振幅和频率相同的，不同相位差的波，进行叠加。叠加出来的水面波纹经过装置预设的投影光路，在显示屏18展示波纹的变化。

[0073] 在使用时，将点波源发生装置8与水缸15进行卡槽16嵌合，加入纯净水使触头13的一半进入水面。打开顶部光源模块4，调整其光强、光圈及焦距，使成像清晰。在水缸15两侧合理放置消波模块7，减弱由缸壁带来的反射波对波形偏转的影响。最后，打开点波源发生装置8的电源开关，逆时针调节相位旋钮14使之恢复至零相位模式，随之开始演示教学。

[0074] 将相位调整旋钮逆时针旋转到极限，目前各触头13之间被设置为零延时震动，也就是零相位差，观察到叠加波近似成平面波。

[0075] 将相位调整旋钮顺时针旋转，直到各触头13不再以零延时震动，此时设定为低相位差模式，观察到叠加波从之前的平面波向右偏转。

[0076] 将相位调整旋钮顺时针到极限，各触头13之间被设置为高延时震动，观察到叠加波的向右偏转角度进一步变大。

[0077] 如图5所示，点波源发生装置通过Arduino编程，依次将硬件和软件参数初始化，其中硬件包括微控制器的控制端和输入信号端；软件参数包括振动源状态、振动源状态转变条件、初相位和周期变量、振动源对象选择。硬件和软件参数初始化后进行振动源周期与相位差的设置，即可按条件进入振动演示。进入振动后微控制器判断是否需要调整振动周期和相位差，如果需要调整，即重新进行振动源周期与相位差的设置；如果不需要调整则继续振动。持续振动后微控制器判断是否需要停止振动，如果判断停止，则结束振动；如果判断不停止振动，则重新判断是否需要调整振动周期和相位差。

[0078] 如图6所示，点波源发生装置以程序控制多个触头间产生恒定相位差的周期运动后，图像识别模块使用高清摄像头实时捕捉成像屏幕的图像，并将图像通过数据线传输至微型图像计算终端。使用灰度转换、CLAHE和自适应阈值化图像处理技术增强图像对比度，然后使用Canny边缘检测和霍夫变换检测直线。在此基础上，通过计算每条直线的密集度来过滤掉噪声干扰，随后应用K‑means聚类对剩余直线的角度进行聚类，从而识别相似方向的平行线组，最后绘制并标注这些线组在图像中的位置及其平均角度，识别出类似水波的波纹特征。

[0079] 在边缘终端嵌入的拟合算法：

[0080] 首先通过求解数学物理方程模拟计算出在实验条件下的多点波源干涉后的波前偏转角度。展示波源特定间隔特定相位差特定周期下，点波源叠加后的图像。通过计算获得波前的方向。再将拟合结果与实际偏转角度进行对比计算，得到拟合程度(百分比)。

[0081] 摄像头完成图像实时采集与识别。同时将对装置的参数输入到仿真程序，通过图像识别出的信息与仿真程序的结果进行比较展示演示效果；图像识别程序完成水波传递方向的识别，波峰或者波谷位置的识别，以及波前的识别；仿真程序实时显示振源的波形及合成后的波形，并给出合成后波的传播方向，波峰，波谷位置和波前的实时位置。屏幕上将实时显示摄像头捕捉的水波成像画面及模拟仿真的三维计算动画，同时会在两个画面底部实时展示出计算出的偏转角度，最后在屏幕最底部展示拟合程度。

[0082] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。