CN103412198B - 船舶防护电场的三维空间分布特性测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种船舶防护电场的三维空间分布特性测量装置及测量方法，包括数据采集部件、参数校正系统和数据处理系统；数据采集部件包括由三个相互正交的支杆组成的支架、3个加速度计、3个陀螺仪、3个GPS接收机、6个电场测量电极以及数据采集存储设备A，所述支架形成三维正交坐标系；上述部件分别安装于所述支架上，3个加速度计敏感轴分别与其所处的坐标轴重合；3个陀螺仪敏感轴分别与其所处的坐标轴平行；每一坐标轴正方向和负方向的2个电场测量电极关于坐标原点对称；参数校正系统包括4套GPS接收机和数据采集存储设备B，数据处理系统对采集参数进行处理，获取船舶防护电场的三维空间分布特性。

Description

船舶防护电场的三维空间分布特性测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于电场防护技术领域，特别涉及船舶防护电场的三维空间分布特性测量装置，适用于船舶、航空、军工、航天、电厂、机车、制造等行业中由于大型电工设备、电子设备、电站、电机等电场的空间分布特性整体准确测量。

背景技术

船舶是由不同金属材料制成的，因电化学作用，不同金属在海水中具有不同的电极电位，特别是铜制的螺旋桨、管路、阀门等和钢制的船舶壳体之间会存在较高的电位差，形成腐蚀原电池，产生腐蚀电流。为提高船舶的防腐能力，船舶都会采用有源阴极保护系统。被保护的船体表面电流密度必须达到一定值才能获得良好的保护效果，一艘大中型船舶的保护电流可达到数十至数百安培。船舶有源阴极保护系统提供的直流大电流和腐蚀电流会一起流过船舶的船体、螺旋桨和轴系，形成船舶电场。此外，船舶电场还包括外加电流阴极保护供电系统引起的谐波电场、船体漏电流和电磁辐射产生的电场、铁磁性船体运动引起空间磁通变化产生感应电场、运动金属船体切割地球磁场产生感应电场、船舶通过时尾流区海水运动切割地球磁场产生电场、绕船体运动的海水切割地球磁场产生电场、船体和海水间以及船舶尾流气泡浮起时摩擦产生电场。

在过去几十年里，降噪技术快速发展，船舶已变的越来越安静，为探测噪声已降的很低的船舶，需要寻找新的可被远程探测的舰艇特征信号。船舶电场成为了船舶探测技术关注的一种显著的新型船舶特征信号，其信号特征容易识别，容易被用来对船舶进行探测、跟踪、定位和攻击，它主要应用在电场引信水中兵器、电场探测装置、舰艇电场隐身系统、电场扫雷具、水下通讯等领域。但是，目前的电场测量主要关注电场的有无。能够对船舶电场进行准确的电场测量和完整的数据获取是船舶电场及其相关技术研究的基础，没有有效的电场测量手段，就不能准确认识船舶电场的特性，也就不能有效的开展船舶电场及其相关技术研究。

有矛就有盾，随着技术的进步，舰船电场防护技术逐渐得到重视，一些技术强国开始力争采取先进的技术措施，降低舰船电场的辐射强度。但是电场防护远比电场探测要复杂，电场探测只需要在一个测量点探测电场的有无和特性就可以判断对方的状态，而电场防护则需要在整个三维空间降低电场的辐射强度。所以，电场防护中的电场测量也与目前可见的电场探测中的电场测量差异很大，而电场防护中需要测量的电场在三维空间的整体特性，电场防护中的电场测量技术应从方法的有效性、完善性、可靠性以及简易性等几方面进行综合考虑，保证测量数据的真实性。

目前，国内外对船舶防护电场的测量方法，采用的依然是探测电场时的电场测量方法。国内外在高性能的电场传感器和低噪声的测量电路方面取得了丰硕的成果，基本满足了海水中定点感应船舶电场的要求。这些船舶电场传感器在实际应用时，都是将电场传感器及其配套系统布放于相对被测船舶一定距离范围内的某个固定测量位置上。例如，英国的Transmag Plus多感应场站和法国的Thomson Marconi Sonar Mir2000多感应场站使用Ag/AgCl电极作为电场传感器、瑞典海军使用高性能碳纤维电场传感器，都能在距离被测船舶数百米外达到较好的电场定点探测效果。

而目前常用的船舶电场测量技术主要有机动式测量、固定站测量、静态测量和动态测量四种测量方法。

机动式测量方法如图1所示，该方法在对目标船舶进行测量之前，先把传感器及其配套系统布放于测量水域中，然后被测船舶根据浮标、标竿等标示通过或停泊在测试平台上方进行电场测量。测量完成之后，目标船舶驶离，拆除回收电场测试系统。该方法布放回收快速、简便，机动性强，研发成本相对较低，适于船舶电场的快速测量。

固定站测量方法是将水下电场测量系统固定布放在一个特定的测量海域，然后对停泊或航行状态下的船舶水下电场进行测量。与机动式船舶电场测量系统相比，固定测量站采用传感器数量较多，可以获取丰富的电场信息。固定站测量系统常常利用温深仪、海水电导率计、海流计获取环境参数，利用水下测距模块提取测距定位参数。固定站测量系统精度高，并可以进行长时间数据采集。另外由于固定式测量站所在海域的海床底质、海底地貌以及海水深度等环境因素一般是固定不变的，因此降低了后期数据修正的难度，便于将船舶电场数据归算到同一模型下，保证船舶电场评估的准确性。

舷侧静态测量方法是测量静止状态下目标船舶防腐和腐蚀因素引起的静电场，可以对船舶主要电场源进行定位，对船舶电场水平进行评估。舷侧静态电场强度测量方法如图2所示，将电场测量电极悬挂在船舶舷侧，由于海浪、海流和船舶摇晃的干扰，测量电极不能保持在一个固定点上。为保证船舶电场的测量精度，舷侧静态测量方法利用负重物和浮球保持测量电极的位置，利用电子罗盘校正电极的姿态。

动态测量是将水下测量体布放在海底，由电缆连接到测量船(或岸站)上，目标船以不同的航速匀速通过水下测量体，通过阵列上方时的正横位置分为中央、两侧几种，可以根据测试时的海况和海域的情况进行适当的调整。水下测量体同时测量目标船水下电场信号，测量船(或岸站)实时采集记录目标船的电场数据。测量期间通过DGPS系统实时记录目标船的位置、航速、航向等信息，测量船在实验期间还要测量其他各种必要参数：海水流速、流向、深度、温度、盐度、水下测量体的位置坐标等数据。为了保证测量的准确性，测量船最好为木船或玻璃钢船，如果不能满足上述要求，测量船尽量远离电场传感器，测量期间应关闭产生干扰电磁场的设备。沉底式测量包括两种方式，一是水下电势标量测量，二是电场强度矢量测量。水下电势测量采用长基线方式(如图3所示)，水下测量阵列由一个参比传感器和多个测量传感器组成；实际测量中，电势其实是两点的电势差，该方法通过测量该点与另一点的电势差来得到某点的电势。电场强度矢量测量采用短基线方式(如图4所示)，水下测量体包含三对电极，分别测量电场强度三个正交分量。为了保证测量的准确性和布放回收的简易性，测量电极极距应不大于1m。该方式可以测量船舶稳恒电场和交变电场三个正交分量，能够获取较丰富的信息，环境电场干扰较小，但其水下测量体研制成本较高。

虽然，目前船舶电场测量方法有四种之多，可以根据测量对象和测量环境选择不同的测量方法，而且目前的电场传感器在一定程度上可以满足船舶防护电场测量的精度要求；但是，现有的电场测量系统和测量方法操作复杂，系统庞大，测量装置的完善性和可靠性较低，进一步降低了船舶防护电场测量的有效性；特别需要指出的是，由前所述的目前所有船舶防护电场测量方法中，都是将电场传感器布放在海底或者水中某一个固定点上，这使得目前的电场测量方法测得的电场数据量太少，远不能完整的反映整个船舶防护电场特性。因此，目前的船舶防护电场测量装置具有以下重要缺点：

（1）船舶防护电场的测量点有很大的局限性，测量数据远远达不到完整性的要求。将电场传感器布放在海底或者水中某一个固定点上，当船舶静止时，电场传感器仅能测得船舶某方向上固定距离处的某个单一点的电场矢量，而对于此方向上更近一些和更远一些的点的电场则无法测量，对于其它方向上所有点的电场也都无法测量。即使当船舶移动，进行机动式测量或动态测量时，由于电场传感器固定在海底，也只能在某些特定的方向和距离上对防护电场进行测量。这使得获取的船舶防护电场数据具有很大的局限性，除了能在船舶下方某些特定方位和距离上进行测量外，几乎无法获取船舶上方、前方、后方、左方、右方任何距离上的电场矢量，不能完整获取船舶防护电场矢量在整个空间的整体分布。

（2）防护电场传感器的位置误差和姿态误差较大，大幅降低了电场测量的精确性和真实性。在海底布放防护电场传感器时，容易受到海流运动、凹凸不平的海底、人为操作因素等的影响，难以准确确定电场所处的位置和姿态。虽然，有的防护电场测量系统可以借助磁罗盘校正电场传感器姿态误差、通过测量缆绳长度等方法校正位置误差，但是这些校正方法不能达到很高的精度，其剩余误差依然很大，会很大程度上影响测量测量数据的精确性和真实性。

（3）辅助系统复杂，成本高。目前的船舶防护电场测量系统，为了提高测量精度，需要配置比较复杂的辅助测量系统，以测量水流、流向、深度、温度、盐度、位置、放置方向等参数，校正它们引起的测量误差。特别是传输测量数据的光电复合线缆和接受、处理数据的岸站或测量船，结构复杂，工艺要求高，成本很高。

（4）操作不便。目前的船舶防护电场测量方法都需要将电场传感器布放在海底，布放时需要保证在水下的放置位置和方向；然后由电缆连接到测量船(或岸站)上，电场传感器与测量船(或岸站)的距离往往比较远，连接工作量大、成本高；最后需要目标船配合运行，使其停泊或以不同的航速匀速通过水下测量体，这会影响目标船的正常训练或日常工作，并耗费大量人工、能源、时间和运行成本。

发明内容

本发明的目的是：克服现有船舶防护电场测量装置的不足，提供一种可以自由移动到任意点位进行测量，能够完整测得船舶防护电场在三维空间整体分布的装置。

本发明的技术解决方案是：

一种船舶防护电场的三维空间分布特性测量装置，包括数据采集部件、参数校正系统和数据处理系统；

数据采集部件包括由三个相互正交的支杆组成的支架、3个加速度计、3个陀螺仪、3个GPS接收机、6个电场测量电极以及数据采集存储设备A，所述支架形成三维正交坐标系；3个加速度计、3个陀螺仪、3个GPS接收机及3个电场测量电极分别安装于三个坐标轴正方向的支架上；另3个电场测量电极分别安装于三个坐标轴中每一坐标轴负方向的支架上；所述3个加速度计靠近坐标轴原点，且加速度计敏感轴分别与其所处的坐标轴重合；所述3个陀螺仪敏感轴分别与其所处的坐标轴平行；每一坐标轴正方向和负方向的2个电场测量电极关于坐标原点对称；数据采集存储设备A用于采集并存储数据采集部件上各设备生成的数据；

参数校正系统包括4套GPS接收机和数据采集存储设备B，其中3套GPS接收机呈三角形阵列形式安装于被测船舶上，1套GPS接收机作为参考站安装在岸上已知位置的固定点上；

数据处理系统利用参数校正系统GPS接收机接收的数据，对数据采集存储设备中生成的数据进行校正，获取船舶防护电场的三维空间分布特性。

基于上述测量装置对被测船防护电场的三维空间分布特性的测量方法，包括数据测量和数据处理两部分；

数据测量的过程为：

步骤一、规划数据采集部件的运动路径，使其环绕被测船且水上水下交替运动；

步骤二、数据采集部件按照规划的运动路径运动，数据采集存储设备A采集并存储数据采集部件上各设备生成的数据；数据采集存储设备B采集并存储参数校正系统上各GPS接收机接收的数据。

数据处理由数据处理系统完成，具体的过程为：

步骤（1）、数据处理系统采集存储于数据采集存储设备A和数据采集存储设备B上的数据，然后将采集的数据按照时间同步的形式存储成数组，该数组的列数据按照时间顺序排列，该数组的行数据为同一时刻各设备所采集的数据。

步骤（2）、基于所述数组上的数据，从初始时刻接收的数据开始，计算数据采集部件的GPS位置与姿态，计算被测船舶的GPS位置与姿态；

步骤（3）、根据所述数据采集部件的GPS位置与姿态，设置初始惯性位置变量Lang、姿态变量Sita及姿态转换矩阵Fang；

步骤（4）、将下一时刻定义为当前时刻，利用陀螺仪和加速度计生成的数据，并基于当前惯性位置变量Lang、姿态变量Sita及姿态转换矩阵Fang，获取当前时刻数据采集部件的惯性位置和姿态，并更新惯性位置变量Lang、姿态变量Sita及姿态转换矩阵Fang；

步骤（5）、基于数组上当前时刻和上一时刻的数据，判断数据采集部件上的GPS接收机是否接收到新的GPS信号，若是，则计算数据采集部件的GPS位置与姿态，并利用此时计算出的GPS位置与姿态对惯性位置变量Lang和姿态变量Sita进行校正，若否，则保持惯性位置变量Lang和姿态变量Sita的值不变；

步骤（6）、基于数组上当前时刻和上一时刻的数据，判断被测船舶上的GPS接收机是否接收到新的GPS信号，若有，则计算出此时被测船舶的GPS位置与姿态，否则保持被测船舶的GPS位置与姿态不变；

步骤（7）、利用当前时刻被测船舶的GPS的位置和姿态对步骤（5）中得到的惯性位置变量Lang和姿态变量Sita进行校正，获取数据采集部件相对于被测船舶的惯性位置变量Lang’与姿态变量Sita’；

步骤（8）、根据数据采集部件上电场测量电极，计算出船舶防护电场，然后利用数据采集部件的姿态变量Sita’，将所述船舶防护电场转换到船舶坐标系，并存储转换后的防护电场和惯性位置变量Lang’，使其与数组上其他数据保持时间同步；

步骤（9）、判断下一时刻是否存在测量数据，若是，返回步骤（5），否则，基于上述计算得出的惯性位置变量Lang’和防护电场，逆向重构出被测船舶的防护电场在空间的分布特性。

有益效果：

本发明结构简单，可以在空间任意作自由运动，能够在不同位置度对舰船电场进行测量，其具有以下几点优点：

第一、本发明可以获取完整的舰船电场数据；可以将本装置的参数采集部件运动到舰船的任何方向，在任意距离处对舰船电场进行测量，测量获得的数据连续、完整，能够反映出船舶防护电场矢量在整个空间的整体分布。

第二、本发明能够确定出每个舰船电场矢量测量值相对于被测舰船的精确位置和姿态。

第三、本发明的应用不受舰船大小的限制，可以测量大到航母的电场分布特性，甚至可以测量多艘舰船的合成电场分布特性。

第四、应用本发明进行电场测量时，其不影响被测舰船的运行、训练和任务。

第五、可以跟随被测舰船，测量被测舰船在航行状态和作战状态下的电场分布特性。

第六、体积小，重量轻，运动灵活，操作方便。

附图说明

图1为机动式测量方法示意图

图2为舷侧静态测试电势测量示意图

图3为长基线动态测量示意图

图4为短基线动态测量示意图

图5为数据采集部件中各传感器安装位置示意图

图6为惯性位置与姿态解算流程图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

原理说明：

GPS接收机在进行位置姿态测量的过程中，其存在优点与缺点分别为：

优点：GPS接收机在多次测量的过程中不进行误差累积，因此其测得的位置与姿态较为准确；缺点：GPS接收机的工作环境只限于水上，且测量周期相对较长；

由陀螺仪和加速度计组合进行位置姿态测量的过程中，其存在优点与缺点分别为：

优点：陀螺仪和加速度计可以在水下工作，且其测量周期相对较短；缺点：陀螺仪和加速度计在测量的过程中会进行误差的积累，测量时间越长其误差积累越大。

由于电场测量电极的工作环境只能是在水下，因此在利用电场测量电极测量舰船电场的过程中，只能利用陀螺仪和加速度计对此时电场测量电极的位置和姿态进行测量。

因此本发明在测量舰船防护电场的过程中，通过对数据采集部件中运动路径进行规划，使其在水面与水下交替运动；当其处于水下时，陀螺仪和加速度计测量此时数据采集部件的位置和姿态，电场测量电极测量舰船的电场；当其处于水上时，利用GPS接收机测量的位置与姿态更新陀螺仪和加速度计，消除陀螺仪和加速度计长时间测量累积误差导致测量不准确的问题；从而使得本发明测量的舰船电场具有较高的准确性。

同时，由于舰船在海上航行会随着海浪摇晃，而船舶防护电场是在船舶上产生的，也必然会随之变化，因此本发明通过设置参数校正系统，通过参数校正系统测量的位置与姿态对陀螺仪和加速度计测量的结果进行校正，进一步使本发明测量的舰船电场具有更高的准确性。

应用本发明之前，为方便测量和计算，需要先定义坐标系，在数据采集部件的支架上所形成的三维正交坐标系定义为仪器坐标系，取其几何中心为坐标原点如图5所示，以大地坐标系作为导航坐标系。

本发明船舶防护电场的三维空间分布特性测量装置，包括数据采集部件、参数校正系统和数据处理系统；

数据采集部件安装于水上移动设备（如测量船、悬臂、缆绳等）之上，如图5所示，其包括由三个相互正交的支杆形成的支架、3个加速度计、3个陀螺仪、3个GPS接收机、6个电场测量电极以及数据采集存储设备A；其中所述支架形成三维正交坐标系；3个加速度计、3个陀螺仪、3个GPS接收机及3个电场测量电极分别安装于三个坐标轴正方向的支架上；另3个电场测量电极分别安装于三个坐标轴中每一坐标轴负方向的支架上；所述3个加速度计靠近坐标轴原点，且加速度计敏感轴分别与其所处的坐标轴重合；所述3个陀螺仪敏感轴分别与其所处的坐标轴平行；每一坐标轴正方向和负方向的2个电场测量电极关于坐标原点对称；数据采集存储设备A用于采集并存储数据采集部件上各设备生成的数据。

本实施例中可以较佳地令加速度计、陀螺仪、GPS接收机及电场测量电极在每一坐标轴上安装顺序相同，即沿着坐标轴正方向依次为加速度计、陀螺仪、GPS接收机、电场测量电极。

所述GPS接收机用于测量数据采集部件的位置和姿态，并对陀螺仪和加速度计测量的数据进行更新，消除由于陀螺仪和加速度计长时间测量所形成的累积误差。

参数校正系统包括4套GPS接收机和数据采集存储设备B，其中3套GPS接收机呈三角形阵列形式安装于被测船舶上，1套GPS接收机作为参考站安装在岸上已知位置的固定点上。

所述参数校正系统用于测量被测船的位置和姿态，并根据测量的结果对陀螺仪和加速度计测量的数据进行校正，消除由于被测船晃动所带来的影响。

数据处理系统利用参数校正系统GPS接收机接收的数据，对数据采集存储设备中生成的数据进行校正，获取船舶防护电场的三维空间分布特性。

为了达到冗余设计的目的，本发明所述数据采集部件还进一步包括至少一个加速度计、至少一个陀螺仪、至少一个GPS接收机以及至少一个电场测量电极，这些冗余设计的部件安装于支架上。

为了达到冗余设计的目的，本发明所述参数校正系统还进一步包括至少一个GPS接收机，该GPS接收机安装于被测船舶上或/和岸上已知固定点上。

为了满足测量精度的要求，本发明所述的加速度计可以选用满足精度要求的石英加速度计，还可以选用摆式加速度计等其它高精度加速度计。

本发明所述的陀螺仪可以选用满足精度要求的动力调谐陀螺仪，还可以选用光纤陀螺仪、激光陀螺仪、三浮陀螺仪、静电陀螺仪等其它高精度陀螺仪。

本发明所述的电场测量电极可以选用银／氯化银电极，还可以选用碳纤维电极等其它高精度电场测量电极。

本发明所述的电场测量电极可以是由不少于6个银／氯化银电极组成的一组电场测量电极，还可以是由不少于6个银／氯化银电极和不少于6个铅／氯化铅电极组成的两组电场测量电极，还可以是由不少于6个的其它材料组成的多组电场测量电极。

基于上述测量装置对被测船防护电场的三维空间分布特性的测量方法，包括数据测量和数据处理两部分；

数据测量的过程为：

步骤一、规划数据采集部件的运动路径，使其环绕被测船且水上水下交替运动；

步骤二、数据采集部件按照规划的运动路径运动，数据采集存储设备A采集并存储数据采集部件上各设备生成的数据；数据采集存储设备B采集并存储参数校正系统上各GPS接收机接收的数据。

上述步骤一和步骤二的具体实现过程可以采用一下实例：

实例：步骤101、规划数据采集部件的初始对准点和运动路径，使其环绕被测船且水上水下交替运动，并确定数据采集存储设备A的采样频率和存储格式。

规划数据采集部件的初始对准点为被测舰船甲板上靠近船舷的某个平坦位置。规划数据采集部件的运动路径为从水上能够接收到GPS卫星信号的位置开始，在竖直方向向下移动至水下有价值的测量位置，按照竖直路径到达预定位置后，上浮运动到能够接收到GPS信号的水面，从水面移动到下一个有价值的测量位置的水面上方，竖直向下运动入水，到达预定位置，出水，依次进行。数据采集部件的移动可以由测量船、悬臂、绳缆或潜水员实现。

步骤102、首先启动参考站GPS接收机，使其按照GPS固有模式采集并存储广播星历和观测数据；其次启动被测船舶上的3套GPS接收机，使其按照GPS固有模式采集并存储广播星历和观测数据；再次数据采集存储设备B开始采集并存储参数校正系统中4套GPS接收机所接收到的数据。

本发明设定电场测量电极、加速度计、陀螺仪的数据采集频率为200HZ，选用数据输出频率为10Hz的GPS接收机，设置数据存储格式，使得采集的GPS信号与其他传感器输出信号在时间上同步。

步骤103、将数据采集部件运送到初始对准点后停止移动，启动数据采集部件上的所有设备，数据采集存储设备A按照预定采样频率和存储格式实时采集存储数据采集部件上各设备生成的数据，15分钟后数据采集部件开始继续移动；

步骤104、使数据采集部件按照规划的运动路径移动，数据采集存储设备按照预定采样频率和存储格式实时采集存储数据采集部件上各设备生成的数据；

步骤105、在数据采集部件通过所有规划路径后，先关闭数据采集部件上的所有设备，再关闭被测船舶上的3套GPS接收机，最后关闭参考站GPS接收机。

进行完上述步骤101-105就实现了对数据的采集的全过程。

数据处理由数据处理系统完成，具体的过程为：

步骤（1）、数据处理系统采集存储于数据采集存储设备A和数据采集存储设备B上的数据，然后将采集的数据按照时间同步的形式存储成数组，该数组的列数据按照时间顺序排列，该数组的行数据为同一时刻各设备所采集的数据。

本步骤的具体实现过程如下：

步骤201、数据处理系统采集存储于数据采集存储设备A和数据采集存储设备B上的数据。

步骤202、分析数据采集存储设备A上存储的数据（即数据采集部件上各设备生成的数据），根据数据存储格式，使电场测量电极、加速度计、陀螺仪的输出数据与相应的GPS接收机的输出数据达到时间同步。

步骤203、分析参数校正系统4台GPS接收机记录的广播星历和观测数据，提取时钟信号，使参考站GPS接收机记录的数据、数据采集部件中3套GPS接收机记录的数据、被测船舶上3套GPS接收机记录的数据之间达到时间同步；

步骤204、截取同步7个GPS接收机、3个加速度计、3个陀螺仪、6个电场测量电极的同步数据组成数组，数组的列数据按照时间顺序排列，行数据为同一时间的各设备所采集的数据，并将该数组作为船舶防护电场重构原始数据。

步骤（2）、基于所述数组上的数据，从初始时刻接收的数据开始（即第i=1行数据开始），计算数据采集部件的GPS位置与姿态，计算被测船舶的GPS位置与姿态；

GPS接收机工作的环境只限于水上，由于被测船舶的GPS接收机始终处于水上，因此其3个GPS接收机基本上都可以接收到卫星信号，因此可以根据3个GPS接收机接收的卫星信号计算出被测船舶的GPS位置与姿态。

GPS接收机的工作环境只限于水上，若数据采集部件运动的初始时刻位于水下，则此时GPS接收机无法接收到卫星信号，因此无法得知此时的数据采集部件的GPS位置与姿态。

当需要对数据采集部件的姿态进行解算时，需要其上的三个GPS接收机都接收到信号；然而在某些情况下环境中的障碍物可能会对GPS接收机形成遮挡，导致其接收不到信号，因此在进行步骤（2）之前需要对3个GPS接收机接收信号的情况进行判断，因此本发明首先设置数据采集部件中3个GPS接收机能否接收到卫星信号的判断变量Ji，i=1,2,3，设置大地坐标系作为导航系；其次从初始时刻接收的数据开始，判断当前时刻数据采集部件上各GPS接收机是否接收到卫星信号，若是，令Ji=1；否则，令Ji=0；然后判断3个Ji是否都为1（即判断当前时刻3个GPS接收机是否都接收到卫星信号），若是，计算数据采集部件的GPS位置与姿态，否则，对下一时刻接收的数据进行判断，直至3个Ji为1为止（即3个GPS接收机都接收到卫星信号为止），此时3个GPS接收机都接收的卫星信号的时刻定义为当前时刻，并计算数据采集部件的GPS位置与姿态。

被测船舶上的GPS接收机也可能存在被遮挡的情况，因此在进行步骤（2）之前也需按上述方法对其进行判断。

GPS位置与姿态的计算原理为现有技术，现对其进行简单说明：

利用岸上安装的作为参考站GPS接收机接收的数据，应用载波相位差分技术（RTK，Real Time Kinematic），计算数据采集部件上各GPS接收机的位置；则再根据几何原理，利用数据采集部件上3个GPS接收机的位置数据解算出数据采集部件的姿态。被测船舶上GPS位置与姿态的计算与数据采集部件上的计算原理相同，不在此做详细说明。

步骤（3）、根据所述数据采集部件的GPS位置与姿态，设置初始惯性位置变量Lang、姿态变量Sita及姿态转换矩阵Fang。

陀螺仪和加速度计在初始工作时，需要有一个给定基准，其对位置和姿态的测量都是基于给定基准实现的，因此在该步骤中将GPS位置和姿态信号作为陀螺仪和加速度计工作的基准。

步骤（4）、将下一时刻定义为当前时刻，利用陀螺仪和加速度计生成的数据，并基于当前惯性位置变量Lang、姿态变量Sita及姿态转换矩阵Fang，获取当前时刻数据采集部件的惯性位置和姿态，并更新惯性位置变量Lang、姿态变量Sita及姿态转换矩阵Fang；

由于陀螺仪可以感应出数据采集部件角度的变化量，根据陀螺仪生成的、表示数据采集部件的角度变化量数据，并通过姿态转换矩阵Fang，将角度变化量分解至导航坐标系的各坐标轴方向上，再根据姿态变量Sita对角度变化量积分，并将积分得到的新姿态赋值给姿态变量Sita，同时建立新的姿态转换矩阵Fang；由于加速度计可以感应出数据采集部件的加速度，根据加速度计生成的、表示数据采集部件的运动加速度，并通过姿态转换矩阵Fang，将加速度分解到导航坐标系的各坐标轴方向上，再根据位置变量Lang对各坐标轴方向上的加速度进行积分，就可得到新的速度，然后再对速度积分即可得到位置，并将积分得到的新位置赋值给位置变量Lang。

步骤（5）、基于数组上当前时刻和上一时刻的数据，判断数据采集部件上的GPS接收机是否接收到新的GPS信号，若是，则计算数据采集部件的GPS位置与姿态，并利用此时计算出的GPS位置与姿态对惯性位置变量Lang和姿态变量Sita进行校正（即将GPS位置与姿态信息与惯性位置变量Lang和姿态变量Sita信息融合，得出数据采集部件新校正的位置与姿态，并赋值给惯性位置变量Lang和姿态变量Sita），若否，则保持惯性位置变量Lang和姿态变量Sita的值不变。

由于GPS接收机测量周期相对较长，而加速度计和陀螺仪测量周期相对较短，即加速度计和陀螺仪可能已经获得多次测量的数据，而GPS接收机只获得一次测量的数据；因此本步骤中对GPS接收机是否接收到新的数据进行判断，若是，则利用根据新数据结算出的GPS位置与姿态对惯性位置变量Lang和姿态变量Sita进行校正，消除陀螺仪和加速度计由于长时间测量累积的误差，这样可以保证陀螺仪和加速度计测量的准确性。

步骤（6）、基于数组上当前时刻和上一时刻的数据，判断被测船舶上的GPS接收机是否接收到新的GPS信号，若有，则计算出此时被测船舶的GPS位置与姿态，否则保持被测船舶的GPS位置与姿态不变。

步骤（7）、利用当前时刻被测船舶的GPS的位置和姿态对步骤（5）中得到的惯性位置变量Lang和姿态变量Sita进行校正，获取数据采集部件相对于被测船舶的惯性位置变量Lang’与姿态变量Sita’。

由于被测船舶随着海浪摇晃，因此数据采集部件相对于被测船舶的位置也在发生变化，本发明将被测船舶的GPS位置与姿态校正惯性位置变量Lang和姿态变量Sita，补偿掉被测船舶摇晃运动带来的误差，得出当前时刻相对于被测船舶的防护电场位置数组Lang’，存储该防护电场位置数组Lang’并保持与其它数据的时间同步。

步骤（8）、根据数据采集部件上电场测量电极，计算出船舶防护电场，然后利用数据采集部件的姿态变量Sita’，将所述船舶防护电场转换到船舶坐标系，并转换后的防护电场和惯性位置变量Lang’（Lang’以在进行步骤（7）时存储，也可以在此时存储）可，使其与数组上其他数据保持时间同步。

本步骤的具体过程为：计算当前时刻所处测量点的船舶防护电场矢量值，提取6个电场测量电极的输出数据，以同一个坐标轴上的2个对应电场测量电极为一对，将同一时刻的六个电场测量电极输出数据分成3对，分别计算出此时船舶防护电场的三个正交分量，得出当前时刻的防护电场矢量；然后，应用当前时刻数据采集部件的姿态转换矩阵Sita’，将舰船电场矢量转换至船舶坐标系，并存储使其与其它数据的时间同步。

步骤（9）、判断下一时刻是否存在测量数据，若是，返回步骤（5），否则，基于上述计算得出的惯性位置变量Lang’和防护电场，逆向重构出被测船舶的防护电场在空间的分布特性。

本装置会得到大量位置和电场数据，由于本装置工作时可以任意运动，运动过程中会受到海浪、风、船体摇动等干扰，从而使得数据分布不均匀，有些地方数据重叠，有的地方数据稀疏，而在模型重建的时候又必须将这些数据统一在一起，可视情形对重叠的数据进行融合，对稀疏的区域进行插值。数据平滑是数据处理的重要环节，其目的是消除测量数据的噪声，以得到精确的数据和好的特征提取效果，目前通常采用标准高斯、平均或中值滤波算法。其中高斯滤波能较好地保持原数据的形貌，中值滤波消除数据毛刺的效果较好。因此在选用时应该根据数据质量和建模方法灵活选择滤波算法。另外，运用点云数据进行舰船电场处理的过程中，由于海量数据点的存在，使存储和处理难度大大增加。实际上并不是所有的数据点都对舰船电场的重建起作用，因此，可以在保证一定的精度的前提下减少数据量，对点云数据进行精简。

本发明可以作为一种通用的电场测量装置，用于测量潜艇、飞机、电站、电厂、大型用电设备、大型发电设备等辐射电场的整体分布特性。

本发明的原理是：本装置的数据采集部件可以自由移动至任意位置，船舶防护电场测量前，规划出数据采集部件的合理运动路径，并设定合理的采样频率。数据采集部件的运动过程中，以高采样频率实时采集电场测量电极、陀螺仪和加速度计的输出数据，GPS接收机按照GPS固有模式记录广播星历和观测数据，根据GPS数据中的高精度时钟信号保持各项数据间的时间同步关系，将所有数据存储在大容量存储设备中。被测船舶上的3个GPS接收机和参考站GPS接收机均按照自身模式记录、存储广播星历和观测数据，同样根据GPS时钟信号与数据采集部件的数据保持同步。后期数据处理系统根据数据采集部件的数据文件，计算每个采样点的船舶电场矢量值和位置值，并利用参数校正系统校正误差，最后根据位置值拟合所有电场矢量值得出整个电场的空间分布。

惯性位置与姿态解算的具体原理和过程如下：在数据采集部件包括由三个杆相互正交组成的支架，该支架所形成的三维正交坐标系定义为仪器坐标系，以大地坐标系作为导航坐标系。如图5所示，在支架上，沿着3个坐标轴的正方向分别安装3个加速度计、3个陀螺仪、3个GPS接收机和3个电场测量电极，沿3个坐标轴的负方向也分别安装3个电场测量电极；3个加速度计敏感轴分别与相应的坐标轴重合并尽量靠近坐标原点，3个陀螺仪敏感轴与坐标轴平行，3个GPS接收机安装在坐标轴上，每个坐标轴正方向和负方向的2个电场测量电极关于坐标原点对称。由于测量过程中，本装置可以任意移动，在不同时刻，仪器坐标系以不同的姿态和速度，处于导航坐标系的不同坐标位置上。这些姿态、速度和位置值由数据采集部件里的陀螺仪和加速度计确定。陀螺仪能够敏感载体的角度变化，其输出数据有两个作用：其一，角度变化值的累加可以实时得出本装置的姿态；其二，利用角度值可将本装置的加速度分解至相应的正交坐标轴上，然后由加速度积分得出本装置运动速度，再一次积分即可实时得出本装置位置。惯性位置与姿态解算流程如图6所示，其关键在于怎样得到从仪器坐标系到导航坐标系的姿态转换矩阵，也就是捷联矩阵Cbn，常用四元数法得到捷联矩阵，四元数更新算法很多，如数值积分法解微分方程和增量算法等，通常选用龙格－库塔法解四元数微分方程，由姿态转换矩阵进而求得本装置在导航坐标系中的最新姿态。本装置的位置解算，首先用一个计算周期内的平均速度来代替对速度的连续积分，然后用平均速度来计算一个周期内的位移，进而求出本装置在导航坐标系中的最新位置。以上算法就确定了仪器坐标系在导航坐标系中的姿态(α_q  β_q  γ_q)′、位置(x_q  y_q  z_q)′等状态参数。

GPS位置与姿态解算的具体原理和过程如下：本测量系统为保证测量精度，用的所有GPS均应用载波相位差分技术（RTK，Real Time Kinematic），以安装在岸站上的基准GPS接收机作为参考站，以安装在数据采集部件中的3个GPS接收机和被测船舶上的3个GPS接收机都作为移动站。GPS定位原理是依据测边(距)交会原理，利用空间分布的卫星以及卫星与地面点的距离交会从而得出地面点的位置。载波相位测量就是通过测量GPS卫星发射的载波信号从发射时刻到接收时刻的相位变化量，从而以此来确定站星之间距离。一般来说，载波的波长比较短，所以载波相位测量可以获得比其它测量方法（如码相位测量）更高的测量精度。而差分GPS是一种能改善GPS定位或授时性能的方法，它利用一个或多个位置已知的基准站，每一个基准站至少装备了一个GPS接收机，给终端用户提供数据校正信息、完好性检测信息和一些辅助数据，从而进一步提高移动站GPS的测量精度。通常移动站GPS在运动状态下的测量精度为厘米级，在静止状态下的测量精度可达毫米级，可以满足舰船防护电场测量的误差要求。根据几何原理可知，不在同一条直线上的三个点确定一个平面，根据三个点的位置值，就可以解算出该平面的姿态。因此，当得到数据采集部件和被测舰船上的3个GPS位置值后，就可以依据几何原理计算出其相对于大地坐标系的姿态值。

数据采集部件位置测量方法的选取及其运动路径规划的具体原理和过程如下：惯性位置与姿态解算有个很大的缺点是：长时间的累加和积分会造成测量误差的积累，影响位置和姿态测量的精度。同样GPS测量也有两个缺点：其一，它的数据不是实时输出的，一般每秒钟输出1～20次数据；其二，GPS在水下或者受到遮挡时不能工作，不能输出数据。所以，数据采集部件运动路径规划要兼顾两种测量方法的特点，发挥二者的优势，避免二者的缺点。本装置的位置测量分为两种情况：其一，当本装置在水上受到遮挡或者运动至水下时，完全由三个陀螺仪和三个加速度计解算出本装置任意时刻的准确位置和姿态；其二，当本装置运动至水上且无遮挡时，由三个GPS接收机辅助陀螺仪和加速度计实时提供本装置的准确位置和姿态。数据采集部件的运动路径规划，需要注意不能使数据采集部件长时间连续在水下或遮挡区域工作，而应该将水下测量任务分成多个短时间任务，与水上任务穿插进行，完成一个较短的水下测量任务后，就到水上，利用GPS卫星数据对误差进行校正。

参数校正的具体原理和过程如下：本装置工作时，被测船舶往往会随着海浪摇晃，而船舶防护电场是在船舶上产生的，也必然会随之变化，因此需要在被测船舶上安装3个GPS，以测得船舶的位置和姿态，并校正船舶防护电场的相对位置和姿态。为保证测量精度，被测舰船GPS也均应用载波相位差分技术（RTK，Real Time Kinematic），也以安装在岸站上的基准GPS作为参考站，以安装在被测船舶上的3个GPS作为移动站。当测得被测舰船上的3个GPS位置值后，依据几何原理计算出被测舰船相对于大地坐标系的姿态值。然后，应用被测船舶的位置与姿态校正数据采集部件的位置和姿态，补偿掉被测船舶摇晃运动带来的误差，得出当前时刻相对于被测船舶的防护电场位置和防护电场姿态。

船舶防护电场矢量测量具体原理和过程如下：舰船防护电场矢量测量系统一般由测量电极、信号调理和采集模块、密封承压舱和电源模块等几部分构成。测量电极是舰船防护电场矢量测量的关键元件。测量电极按用途可分为陆地测量电极和水下测量电极两种，按电极体材料可分为惰性电极和化学电极两种。惰性电极主要有碳、钛、金、银、钳和银等几种。化学电极则包括氯化银电极、铅，氯化铅电极、锌，硫酸锌电极、铜／硫酸铜电极和碳纤维电极等。陆上电磁法勘探和地电场监测一般使用铅，氯化铅电极和铜／硫酸铜电极等。陆地上电场信号幅值较大，因此对测量电极材料要求不高。海洋中电场信号非常徽弱，目前水下电场测量一般采用银／氯化银电极和碳纤维电极。本装置采用6个银／氯化银电极测量水下舰船电场，每个测量点的船舶电场矢量值由电场测量电极的输出数据得出。如图5所示，提取6个电场测量电极的输出数据，以同一个坐标轴上的2个对应电场测量电极为一对，将同一时刻的六个电场测量电极输出数据分成3对，分别计算出此时船舶电场的三个正交分量，得出舰船电场矢量。

逆向重构船舶防护电场的具体原理和过程如下：由数据处理软件系统逆向重构船舶电场，由于数据采集部件工作时可以任意运动，可能会产生位置重叠。特别是数据采集部件在工作时，其姿态和位置的连续变化，要求将测得的数据统一到一个坐标系里，这个数据处理过程就是多视数据定位对齐(多视点云的拼合)。通过专用的测量软件装置实现测量数据的对齐，可视情形选用对数据的直接对齐和基于图形的对齐。对数据的直接对齐又可选用ICP算法；四元数法；SVD法；基于三个基准点的对齐方法等。船舶防护电场等强度曲面的三维几何模型CAD重建是最关键、最复杂的环节。可用曲线拟合造型，即用数据点通过插值或逼近拟合成样条曲线，然后采用造型软件完成曲面片的重构造型。也可用曲面片直接拟合造型，该方法直接对测量数据点进行曲面片拟合，获得曲面片经过过渡、混合、连接形成最终的曲面模型。还可用点数据网格化，网络化实体模型通常是将数据点连接成三角面片，形成多面体实体模型。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种船舶防护电场三维空间分布特性测量方法，其基于的测量装置包括数据采集部件、参数校正系统和数据处理系统；

数据采集部件包括由三个相互正交的支杆组成的支架、3个加速度计、3个陀螺仪、3个GPS接收机、6个电场测量电极以及数据采集存储设备A，所述支架形成三维正交坐标系；3个加速度计、3个陀螺仪、3个GPS接收机及3个电场测量电极分别安装于三个坐标轴正方向的支架上，另3个电场测量电极分别安装于三个坐标轴中每一坐标轴负方向的支架上；所述3个加速度计靠近坐标轴原点，且加速度计敏感轴分别与其所处的坐标轴重合；所述3个陀螺仪敏感轴分别与其所处的坐标轴平行；每一坐标轴正方向和负方向的2个电场测量电极关于坐标原点对称；数据采集存储设备A用于采集并存储数据采集部件上各设备生成的数据；参数校正系统包括4套GPS接收机和数据采集存储设备B，其中3套GPS接收机呈三角形阵列形式安装于被测船舶上，1套GPS接收机作为参考站安装在岸上已知位置的固定点上；数据处理系统利用参数校正系统GPS接收机接收的数据，对数据采集存储设备A中生成的数据进行校正，获取船舶防护电场的三维空间分布特性；

其特征在于，该方法包括数据测量和数据处理两部分；

数据测量的过程为：

步骤一、规划数据采集部件的运动路径，使其环绕被测船且水上水下交替运动；

步骤二、数据采集部件按照规划的运动路径运动，数据采集存储设备A采集并存储数据采集部件上各设备生成的数据；数据采集存储设备B采集并存储参数校正系统上各GPS接收机接收的数据；

数据处理由数据处理系统完成，具体的过程为：

步骤(1)、数据处理系统采集存储于数据采集存储设备A和数据采集存储设备B上的数据，然后将采集的数据按照时间同步的形式存储成数组，该数组的列数据按照时间顺序排列，该数组的行数据为同一时刻各设备所采集的数据；

步骤(2)、基于所述数组上的数据，从初始时刻接收的数据开始，计算数据采集部件的GPS位置与姿态，计算被测船舶的GPS位置与姿态；

步骤(3)、根据所述数据采集部件的GPS位置与姿态，设置初始惯性位置变量Lang、姿态变量Sita及姿态转换矩阵Fang；

步骤(4)、将下一时刻定义为当前时刻，利用陀螺仪和加速度计生成的数据，并基于当前惯性位置变量Lang、姿态变量Sita及姿态转换矩阵Fang，获取当前时刻数据采集部件的惯性位置和姿态，并更新惯性位置变量Lang、姿态变量Sita及姿态转换矩阵Fang；

步骤(5)、基于数组上当前时刻和上一时刻的数据，判断数据采集部件上的GPS接收机是否接收到新的GPS信号，若是，则计算数据采集部件的GPS位置与姿态，并利用此时计算出的GPS位置与姿态对惯性位置变量Lang和姿态变量Sita进行校正，若否，则保持惯性位置变量Lang和姿态变量Sita的值不变；

步骤(6)、基于数组上当前时刻和上一时刻的数据，判断被测船舶上的GPS接收机是否接收到新的GPS信号，若有，则计算出此时被测船舶的GPS位置与姿态，否则保持被测船舶的GPS位置与姿态不变；

步骤(7)、利用当前时刻被测船舶的GPS的位置和姿态对步骤(5)中得到的惯性位置变量Lang和姿态变量Sita进行校正，获取数据采集部件相对于被测船舶的惯性位置变量Lang’与姿态变量Sita’；

步骤(8)、根据数据采集部件上电场测量电极，计算出船舶防护电场，然后利用数据采集部件的姿态变量Sita’，将所述船舶防护电场转换到船舶坐标系，并存储转换后的防护电场和惯性位置变量Lang’，使其与数组上其他数据保持时间同步；

步骤(9)、判断下一时刻是否存在测量数据，若是，返回步骤(5)，否则，基于上述计算得出的惯性位置变量Lang’和防护电场，逆向重构出被测船舶的防护电场在空间的分布特性。

2.根据权利要求1所述的船舶防护电场三维空间分布特性测量方法，其特征在于，在执行完步骤(1)之后对数据采集部件上各GPS接收机接收信号的情况进行判断：

首先，设置数据采集部件中3个GPS接收机能否接收到卫星信号的判断变量Ji，i＝1,2,3；

其次，从初始时刻接收的数据开始，判断当前时刻数据采集部件上各GPS接收机是否接收到卫星信号，若是，令Ji＝1；否则，令Ji＝0；

再次，判断3个Ji是否都为1，若是，则进入步骤(2)，否则，对下一时刻接收的数据进行判断，直至3个Ji都为1为止；此时将3个GPS接收机都接收的卫星信号的时刻定义为当前时刻，并进入步骤(2)。

3.根据权利要求1所述的船舶防护电场三维空间分布特性测量方法，其特征在于，在执行完步骤(1)之后对被测船舶上各GPS接收机接收信号的情况进行判断：

首先，设置被测船舶上3个GPS接收机能否接收到卫星信号的判断变量Ji，i＝1,2,3；

其次，从初始时刻接收的数据开始，判断当前时刻被测船舶上各GPS接收机是否接收到卫星信号，若是，令Ji＝1；否则，令Ji＝0；

再次，判断3个Ji是否都为1，若是，则进入步骤(2)，否则，对下一时刻接收的数据进行判断，直至3个Ji都为1为止；此时将3个GPS接收机都接收的卫星信号的时刻定义为当前时刻，并进入步骤(2)。