CN102073046A - 水下主动电场成像装置 - Google Patents
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Abstract
水下主动电场成像装置，属水下成像技术领域。本装置由发射器1，接收器2，数据采样器3，数据处理器4四部分组成，所说的发射器由信号发生器(1-1)和发射电极(1-2)组成。所说的接受器由接受电极(2-1)和接受电路(2-2)组成。本装置有以下优点：1、本装置通过探测电场变化进行成像，克服了光学成像视野受限的问题。2、本装置硬件结构简单，能量效率高，克服了声学成像硬件复杂的问题。3、本装置可以反映出目标体几何特征和距离特征。
Description
技术领域
本发明为一种水下成像装置。特别是涉及水下主动电场成像装置，属于水下探测成像技术领域。
背景技术
进入21世纪，人类的探索对象从陆地转向占地球表面积71％的海洋，并且从浅海水域延伸至深海领域。水下航行器成为人类对海洋探索的重要工具。水下航行器如何在海洋的暗环境下对周围环境进行成像，以感知周围水下的环境成为迫切需要解决的问题。水下成像技术成为深海水下航行器功能化、实用化的关键技术之一。它用于水下航行器在水下暗环境中对周围环境进行感知。目前水下航行器常用的成像方式是基于水声原理的声成像声呐和基于光学成像的水下电视。声成像声呐应用于水下近距离探测时，需要很高的声波频率以提高探测精度，为提高声成像系统的实时性，不得不增加其硬件复杂性，致使系统开销很大。基于光学成像的水下电视很好的解决了声成像声呐在水下成像中的开销过大的问题。但是在存在大量悬浮物浑浊水体中，光会被水中悬浮物散射和反射，影响水下的视野，使水下电视无法正常进行工作。随着海洋资源探测及海洋资源开发的深入，水下航行器的工作环境日趋复杂：对于近海工作的水下航行器，由于内河泥沙和富营养物质的流入海洋，很多浅海都是浑浊水体，水下电视工作受到极大的限制。对于用于海洋水下考古、海洋资源探测、深海科学考察、海底油井的维护等领域的水下航行器，一方面深海中存在大量的浮游生物；另一方面，当潜水器靠近目标时，由于潜水器的运动会搅动目标附近的淤泥使水体浑浊，这也影响到水下电视近距离成像的效果。所以对于水下航行器而言，水体浑浊成为影响水下成像的重要因素。水下航行器如何高效地在浑浊水体中进行成像，已经成为水下航行器发展过程中迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术存在之不足，提供一种水下航行器能够在浑浊水体中反映目标物体几何特征的成像装置。
本发明技术问题解决的方案是：水下主动电场成像装置由发射器(1)，接收器(2)，数 据采样器(3)，数据处理器(4)四部分组成。首先，发射器由信号发生器(1-1)和一对发射电极(1-2)组成；发射器的信号发生器(1-1)用于产生(0HZ-2000HZ)的直流或正弦或方波信号，作为发射器的发射电极的激励源；这里的发射电极(1-2)是放入水(或导电液体)中的，具有高导电率的金属或石墨电极。其次，接收器由呈二维阵列排列的多个接收电极(2-1)和接收电路(2-2)组成；这里的接收电极是放入水(或导电液体)中，呈矩阵排列的m行×n列的高导电率的金属电极或石墨电极；这里的接收电路安装在接收电极输出端，接收电路将接收电极接收到的微弱电流信号通过转换后变成可以进行处理的电压信号，接收电路为m×n输入m×n输出电路。数据采样器3用于将从接收电路输出的模拟电压信号转换为数字信号以便于计算机进行处理，所说的数据采样器是对m×n路的数据采样卡，数据采样器3通过计算机外部总线和数据处理器4互联。数据处理器4用于对输入信号进行滤波并分析接收电极阵列输出的电压变化，从而对目标体进行成像，这里的数据处理器4是具有高速运算功能的计算机。本装置通过发射器在装置附近建立低频探测电场，并由接收器感知由于附近物体引起的电场变化，最后通过数据处理器推演出物体几何特性。
装置的发射器1的发射电极1-2和接收器2的接收电极2-1被放入水(或导电液体)中。发射电极1-2被信号发生器1-1驱动，在介质中产生探测电场。接收电极2-1布置于左右发射电极之间或两侧，由多个呈阵列排列的电极组成，接收电极的电流变化被接收电路2-2转换放大后输入数据采样器3，数据采样器3将转换后的数字信号输入数据处理器4进行分析处理。
本发明的工作过程如下：发射电极1-2和接收电极2-1被放入水(或导电液体)中，以建立水下成像探测电场。发射器的信号发生器1-1产生低频(0HZ-2000HZ)直流或正弦或方波信号，作为激励源，输入发射电极1-2。左右两个发射电极1-2-1和1-2-2，除了电荷或电压的变化，硬件结构是完全相同的。其中一个发射电极获得的电荷量为Q或电压为V。而另一个接地，因此电荷量或电压为0。这两个电极在分析区域内共同形成了一个有规律变化的电场。接收电极2-1接收到这个电场信号后，将会产生相应的电流信号输出，此信号通过接收电路2-2进行转换放大后转换成电压信号，然后通过数据采样器3将模拟的电压信号转换为数字信号进入数据处理器4进行处理。
一旦呈阵列排列的接收电极2-1与发射电极1-2的相对位置被固定，当探测电场区域中没有目标体时，接收电极的电流输出分布是平行分布(如图4(a)所示)，此时的接收电极2-1输出为背景。当电场中有目标体存在时，目标体的距离，形状，大小将影响到接收电极的电流输出，接收电极的电流变化幅度将发生变化。电流分布变化的幅度将随目标体对弱电场在空 间上的影响不同而发生不同的变化。图4(b)所示是一个绝缘球体放入探测电场时，电流分布情况。这样目标体几何特征将对弱电场产生影响，并反映到由接收电极组成的阵列上，从而得到目标体的几何图像信息。
本发明的有益效果是：
1、本装置硬件简单，其低频电场的特点克服了声成像声纳产生和处理高频声波硬件和能量开销过大的问题，特别适用于水下航行器小型化趋势和长时间水下工作的要求。
2、在使用本装置实现主动电场成像过程中，其电场成像原理克服了光学成像在浑浊水体中无法工作的机理限制。
3、本装置不仅反映出目标体的距离特征，还可以反映出物体几何特征。是一种水下成像系统。
附图说明
图1是本发明水下成像装置的结构示意图1
图2是本发明水下成像装置的另一种结构示意图2
图3是本发明水下成像装置的另一种结构示意图3
图4是探测电场对目标体成像测量原理(电场分布)的示意图
图5是本发明的工作状态示意图1
图6是本发明的工作状态示意图2
图7是本发明的正弦信号发生器的电路图
图8是本发明的单个接收电极转换放大电路的电路图
图中：信号发生器1-1，发射电极1-2，接收电极2-1，接收电路2-2。
具体实施方式
实施例1：
如图5所示，在可导电液体介质5中，发射电极1-2和接收电极2-1的位置是固定在一个电路板上。目标体6可以在液体介质5中在介质中相对运动(平移和转动)。信号产生器1-1产生直流或正弦或方波信号作为激励源，输入发射电极1-2。在介质中形成了一个规律变化的 电场。接收电极2-1接收到电流将发生相应变化，此信号通过接收电路2-2进行变换，放大后转换成模拟电压信号，最后通过数据采样器3转换为数字信号进入数据处理器4进行处理。当电场中有目标体在液体介质中时，接收电极的电流变化幅度将随物体与接受电极之间的相对位置而发生变化，电流变化的幅度将随目标体位置和发射电极的相对位置变化相应发生有规律的变化，物体的几何特征反映在不同范围几何分布探测电极的电压变化程度上，这样可通过物体位置和几何特征来得到目标体的位置和几何特征信息。
实施例2：
如图6所示，目标体6在液体介质5中的位置是固定的。在液体介质5中，发射电极1-2和接收电极2-1被固定一个固定板7上。固定板7可以在介质中相对运动(平移或转动)。信号发生器产生的直流或正弦或方波信号作为激励源，输入发射电极1-2。在介质中形成了一个规律变化的电场。接收电极2-1接收到电流将发生相应变化，此信号通过接收电路2-2进行变换，放大后转换成模拟电压信号，最后通过数据采样器3转换为数字信号进入数据处理器4进行处理。当电场中有目标体存在时，接收电极的电流变化幅度将发生变化，电流变化的幅度将随目标体位置和发射电极的相对位置变化相应发生有规律的变化，物体的几何特征反映在不同范围几何分布探测电极的电压变化程度，这样可通过物体位置和几何特征来得到目标体的位置和几何特征信息。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域普通技术人员在所附权利要求的范围内不需要创造性的劳动就能作出的各种变形或修改仍属本专利的保护范围。
Claims (6)
1.水下主动电场成像装置，本装置由发射器(1)，接收器(2)，数据采样器(3)，数据处理器(4)四部分组成，其特征在于：所说的发射器由信号发生器(1-1)和一对发射电极(1-2)组成；所说的发射电极(1-2)是放入水(或导电液体)5中高导电率的金属电极或石墨电极，接收器由呈二维阵列排列的多个接收电极(2-1)和接收电路(2-2)组成；所说的接收电极是放入水(或导电液体)5中呈矩形二维排列的m行×n列个高导电率的金属电极；所说的接收电路安装在接收电极输出端，接收电路将接收电极接收到的微弱电流信号通过转换放大后变成可以进行处理的电压信号，接收电路为m×n输入m×n输出电路；数据采样器(3)用于将从接收电路输出的模拟电压信号转换为数字信号以便于计算机进行处理，所说的数据采样器是对m×n路并行采样的数据采样卡，数据采样器(3)通过计算机外部总线和数据处理器(4)互联；数据处理器(4)用于对输入信号进行滤波并分析接收电极阵列输出的电压变化从而对目标体进行定位，所说的数据处理器(4)是具有高速数据处理功能的计算机。
2.根据权利要求1所述的水下成像装置，其特征是所述的发射器(1)的信号发生器1-1发射的信号为0～2000HZ的电压幅度为1～10V的直流或正弦或方波信号。
3.根据权利要求1所述的水下成像装置，其特征是所述的发射器(1)的发射电极1-2的左发射电极1-2-1和右发射电极1-2-2间的相互距离N在10～10000mm之间。
4.根据权利要求1所述的水下成像装置，其特征是所述的接收器(2)的接收电极2-1应布置在左发射电极1-2-1与右发射电极1-2-2之间或发射器1的发射电极1-2的左发射电极1-2-1的左侧或右发射电极1-2-2的右侧。
5.根据权利要求1所述的水下定位装置，其特征是所述的接收器(2)的接收电极2-1由多个单立的电极组成，电极个数K在9～100个之间。
6.根据权利要求4所述的水下定位装置的接收器(2)的接收电极2-1，其特征是所述的接收电极2-1由多个单立电极呈二维矩形阵列组成，该单立电极的二维矩形排列对称于左发射电极1-2-1和右发射电极1-2-2的连线对称分布。接收电极分布区域垂直尺寸L是在1～1000cm之间，接收电极分布区域垂直距离水平尺寸P是在1～1000cm之间，接收电极区域与左发射电极1-2-1和右发射电极1-2-2的最短距离0.1～40cm之间。
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