CN106646444B - 一种基于阻抗分析的水下固定“频率目标”定位的实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于阻抗分析的水下固定“频率目标”定位的实验装置及方法；本发明设计的实验装置由超声信号接收组件、阻抗分析网络训练组件组成及超声信标组成；本发明设计的阻抗信号接收器采用的球形PZT压电陶瓷，可以适用于探测来自海底各个方位的频率信号；超声信号接收组件能够接收并识别水下固定“频率目标”的信号，超声信号接收组件在三个不同位置做实验，得到三组数据，通过阻抗分析网络训练组对信号的处理，确定水下固定“频率目标”的信号与超声信号接收组件间的三个不同位置的距离；进而确定超声信标的位置。本发明不仅能实现对固定“频率目标”的探测，还能够实现对固定“频率目标”的定位。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于阻抗分析的水下固定“频率目标”定位的实验装置及方法，尤其涉及基于阻抗分析理论的水下固定频率目标探测的技术领域。
背景技术
目前，还没有一个快捷、简便、有效的方法来迅速对复杂环境下的水下固定“频率目标”进行探测、定位。马航事件，暴露出各国的先进技术对于水下搜寻、探测的无奈。近年，我国在水下声音探测关键性技术上取得了一些进展，但大多还处于理论和实验室阶段。因此，加快水下固定频率目标(黑匣子)探测及识别的研究步伐，提升我国水下探测科技实力，很有必要。
压电阻抗技术是最近二十多年才兴起的一项新的检测技术。利用压电阻抗技术来探索构造物结构损伤一直都是国内外研究者的热门话题，现在国内外学者利用该技术在金属梁结损伤及加载实验、混凝土梁结构的损伤及各种加载实验做了大量的研究，取得了一批研究成果，在做加载动态信号梁的扫频阻抗分析时，被加载的动态信号梁与仅对梁的各阶固有频率非常敏感，还对加载的动态信号非常敏感。发明者发明的“一种基于阻抗分析的飞机黑匣子探测实验装置及方法”，专利号为2014106196608，该发明模拟了如何探测落水后的飞机黑匣子的实验装置及探测方法，但不能实现对固定“频率目标”的定位。本发明的一种新的基于阻抗分析理论的固定“频率目标”定位的实验装置及方法，不仅能实现对固定“频率目标”的探测，还能够实现对固定“频率目标”的定位。
发明内容
本发明设计了一种基于阻抗分析的水下固定“频率目标”定位的实验装置及方法，该发明设计了一种水下全方位的基于阻抗分析的水下固定“频率目标”定位的实验装置，该装置由超声信号接收组件(301)、阻抗分析网络训练组件(302)组成及超声信标(8)组成；超声信号接收组件(301)由阻抗信号接收器(1)、导线1(4)、导线2(5)组成；超声信号接收组件(301)能够接收并识别水下固定“频率目标”的信号，并通过阻抗分析网络训练组件(302)对信号的处理，完成对水下固定“频率目标”的信号的定位。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
如图1、2、3、4、5、6、7、8所示，一种基于阻抗分析的水下固定频率目标定位的实验装置由超声信号接收组件(301)、阻抗分析网络训练组件(302)组成及超声信标(8)组成；超声信号接收组件(301)由阻抗信号接收器(1)、导线1(4)、导线2(5)组成；其中阻抗信号接收器(1)由球形PZT组件(303)、导线套管组件(304)及浮球组件(305)组成；所述的球形PZT组件(303)由球形PZT底座(10)、球形PZT压电陶瓷(9)、O型密封圈1(11)、O型密封圈2(14)、导线固定塞(12)、端盖(13)组成；导线套管组件(304)由导线1(4)、导线2(5)、导线定位塞1(16)、导线定位塞2(17)、高强度塑料管(15)组成；浮球组件(305)由硬质塑料下盖(18)、泡沫浮球(19)、硬质塑料上盖(20)、螺母1(21)、螺栓1(22)、螺母2(23)、螺栓2(24)组成；阻抗分析网络训练组件(302)由塑料管固定装置(3)、导线1(4)、导线2(5)、阻抗分析仪(6)、计算机及神经网络分析系统(7)组成。
本发明采用采用了泡沫浮球(19)的方式，利用浮球的浮力，可以将阻抗信号接收器(1)保持在水面上，并可以改变其位置，只需将其置于水面即可；采用的高强度塑料管(15)也可以控制球形PZT压电陶瓷(9)的下潜深度；球形PZT压电陶瓷(9)的优点是作为球形，来自各个方向的信号都可以接收到，且表面均匀，接收信号比较稳定，可以适用于探测来自海底各个方位的频率信号。
本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：
本次发明的一种基于阻抗分析的水下固定频率目标定位的实验装置及实验方法与以往的水下固定“频率目标”的探测相比，本发明不仅能实现对水下固定“频率目标”的探测，还能实现对水下固定“频率目标”的定位，同时本发明设计的阻抗信号接收器(1)采用的球形PZT压电陶瓷(9)，可以适用于探测来自海底各个方位的频率信号，探测效果好。本发明为水下固定“频率目标”的探测及定位提供了新的解决方案和设计依据。
附图说明
下面结合附图和实例对本发明做进一步说明。
图1是本发明的测试原理图。
图2是本发明的超声信号接收组件(301)三维图。
图3是本发明的球形PZT组件(303)爆炸视图。
图4是本发明的导线套管组件(304)爆炸视图
图5是本发明的浮球组件(305)爆炸视图
图6是本发明的导线固定塞(12)的三维图
图7是本发明的导线定位塞1(16)的三维图
图8是本发明的导线定位塞2(17)三维图
在图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8中，1.阻抗信号接收器、2.水介质、3.塑料管固定装置、4.导线1、5.导线2、6.阻抗分析仪、7.计算机及神经网络分析系统、8.超声信标、9.球形PZT压电陶瓷、10.球形PZT底座、11.O型密封圈1、12.导线固定塞、13.端盖、14.O型密封圈2、15.高强度塑料管、16.导线定位塞1、17.导线定位塞2、18.塑料下盖、19.泡沫浮球、20.硬质塑料上盖、21.螺母1、22.螺栓1、23.螺母2、24.螺栓2、301.超声信号接收组件、302.阻抗分析网络训练组件、303.球形PZT组件、304.导线套管组件、305.浮球组件。
具体实施方式
如图1、2、3、4、5、6所示，一种基于阻抗分析的水下固定频率目标定位的实验装置由超声信号接收组件(301)、阻抗分析网络训练组件(302)组成及超声信标(8)组成；超声信号接收组件(301)由阻抗信号接收器(1)、导线1(4)、导线2(5)组成；其中阻抗信号接收器(1)由球形PZT组件(303)、导线套管组件(304)及浮球组件(305)组成；所述的球形PZT组件(303)由球形PZT底座(10)、球形PZT压电陶瓷(9)、O型密封圈1(11)、O型密封圈2(14)、导线固定塞(12)、端盖(13)组成；导线套管组件(304)由导线1(4)、导线2(5)、导线定位塞1(16)、导线定位塞2(17)、高强度塑料管(15)组成；浮球组件(305)由硬质塑料下盖(18)、泡沫浮球(19)、硬质塑料上盖(20)、螺母1(21)、螺栓1(22)、螺母2(23)、螺栓2(24)组成；阻抗分析网络训练组件(302)由塑料管固定装置(3)、导线1(4)、导线2(5)、阻抗分析仪(6)、计算机及神经网络分析系统(7)组成。
所述的PZT压电陶瓷烧结在球形PZT底座(10)的内壁上，形成球形PZT压电陶瓷(9)，底,导线1(4)的一端焊接在球形PZT压电陶瓷(9)上，导线1(4)通过导线定位塞2(17)固定在高强度塑料管(15)上，导线1(4)的另一端与阻抗分析仪(6)的正极相连接；导线2(5)的一端焊接在球形PZT底座(10)的内部突出边缘上，导线2(5)通过导线定位塞1(16)固定在高强度塑料管(15)上，导线2(5)的另一端与阻抗分析仪(6)的负极相连接；导线1(4)、导线2(5)通过导线固定塞(12)固定在端盖(13)的中心孔上。
所述的O型密封圈1(11)安装在球形PZT底座(10)内部沟槽内；端盖(13)的凸台上开有六角孔，端盖(13)通过螺纹连接方式与球形PZT底座(10)连接，通过压紧O型密封圈1(11)，实现端盖(13)与球形PZT底座(10)的密封；在端盖(13)凸台处的凹槽内装有O型密封圈2(14)；高强度塑料管(15)通过螺纹与端盖(13)处凸台上的螺纹连接，高强度塑料管(15)与端盖(13)通过O型密封圈2(14)实现密封；硬质塑料下盖(18)与硬质塑料上盖(20)间装有泡沫浮球(19)，硬质塑料上盖(20)和硬质塑料下盖(18)用螺纹连接；硬质塑料下盖(18)下部加工有螺纹，硬质塑料下盖(18)通过螺纹与高强度塑料管(15)进行连接；高强度塑料管(15)与硬质塑料上盖(20)接口处用密封胶进行密封。
所述的阻抗分析仪(6)通过RJ45接口与计算机相接；硬质塑料上盖(20)顶上有绳环，钢丝绳固定在绳环上；通过收放钢丝绳来收回超声信号接收组件(301)或将超声信号接收组件(301)放入水中；阻抗信号接收器(1)通过浮球组件(305)的浮力飘浮在水面之上，浮球组件(305)提供的浮力为超声信号接收组件(301)重量的3～4倍。
所述的一种基于阻抗分析的水下固定“频率目标”定位的实验装置，其特征在于：球形PZT压电陶瓷(9)为球形的压电陶瓷，烧结在球形PZT底座(10)的内壁上，能接收来自各个方向的信号，接收信号稳定，适用于探测来自海底各个方位的频率信号。
所述的一种基于阻抗分析的水下固定频率目标定位的实验装置的方法，其特征在于包括以下步骤：
①将超声信标(8)的发射频率调到和目标信号一致的频率；超声信标(8)发出的超声波经过水介质(2)传送到球形PZT压电陶瓷(9)，完成模拟水下固定频率目标所发出的超声波；
②启动阻抗分析仪(6)，对球形PZT压电陶瓷(9)进行在目标信号频率f±0.1kHz的频率范围进行扫频分析；由于球形PZT压电陶瓷(9)采用的是球形形状，可以均匀有效的接收到由超声信标(8)通过水介质(2)传送过来的目标信号；同时，利用阻抗分析仪扫频频率与被测目标信号频率f相同时，压电阻抗值与目标频率出现类似于“同频共振”的现象，从而可以检测到超声信标(8)发出的目标频率信号；
③超声信标(8)的定位方法
将超声信标(8)发射的信号设为与所需探测信号一致的频率，将阻抗信号接收器(1)至于水介质(2)中，阻抗信号接收器(1)通过泡沫浮球(19)的作用，漂浮在水上，将超声信标(8)置于相关水域，超声信标(8)遇水后自动打开，并发出频率为f kHz的超声信号；启动阻抗分析仪(6)，让阻抗分析仪(6)在f±0.1kHz频率范围内对球形PZT压电陶瓷(9)进行扫频；当球形PZT压电陶瓷(9)接收到超声信标(8)发出的信号时，阻抗分析仪(6)的阻抗值在频率f处会出现“同频共振”的现象，实现超声信标(8)的识别；其实验步骤如下：
1)确定超声信标(8)与阻抗信号接收器(1)间的距离
A、实验时，保持超声信标(8)位置固定不变，阻抗信号接收器(1)来控制与超声信标之间的位置改变，分别做六组实验，分别是超声信标(8)没有发射信号时，阻抗分析仪(6)在f±0.1kHz扫频时所得的对比数据、球形PZT压电陶瓷(9)距离超声信标(8)距离L为50m、500m、1000m、2000m、3000m时，阻抗分析仪(6)在f±0.1kHz扫频时所得的5组实验数据；阻抗数据中每次扫频采集1600个点的阻抗值；加上对比组数据，会得到6组频率-阻抗数据；采集的实验数据会经过传输接口传给计算机，完成阻抗分析神经网络的创建。
B、对测试到的数据进行缩放处理，使输入数据的值都落在0～1之间。
C、在对超声信标(8)探测定位中，输出量0或1的编码就可以显示超声信标(8)位置的接近位置，设置不同的距离输出不同的位置编码，不同的位置用k表示，且k＝1～～6，且k分别对应的是对比数据、50m、500m、1000m、2000m、3000m；则不同位置的编码用6阶单位矩阵表示。
D、阻抗分析神经网络训练
创建网络的输入层节点数为1600个点；网络隐含层选择双曲型正切函数，输出层传递函数采用双曲型对数函数，网络测试次数的上限定为1000次，网络的收敛率为0.01，网络的测试误差定为0.001；网络的隐层节点数按照公式
确定，N为隐层节点数，I为输入节点数，O为输出节点数；a为可调整参数，取0～10之间的整数；算出为16，网络的输出层节点为6；最终的目标输出向量与6阶单位阵一致时，网络可以达到要求。
E、阻抗分析神经网络验证
创建好了用于探测定位超声信标(8)的阻抗分析神经网络后，将之前测得的数据信息导入到网络中；需要进行已知距离的阻抗分析神经网络验证；以球形PZT压电陶瓷(10)与超声信标(8)距离为2900m为例，对待检验的样本进行测试，测试结果输出为行向量：b1＝(bL1,bL2,bL3,bL4,bL5,bL6),取max(bLi)，当bL1,bL2,bL3,bL4,bL5接近于0，bL6接近于1，说明超声信标在距离3000m处附近。
2)超声信标(8)的定位方法
由创建好的阻抗分析神经网络，根据行向量b1＝(bL1,bL2,bL3,bL4,bL5,bL6),的输出结果，确定超声信标(8)与球形PZT压电陶瓷(10)的距离；设球形压电陶瓷(10)均在同一水平面，所以坐标z0不变。
A、设在水平面上一固定点处为坐标原点，则设球形PZT压电陶瓷(10)的空间坐标向量为(x1,y1,z0),设超声信标(8)的空间坐标向量为C＝(x,y,z)，通过阻抗分析神经网络，确定两者之间的距离
B、通过改变球形PZT压电陶瓷(10)的空间位置，实现改变二者之间的距离L；当球形压电陶瓷(10)的坐标为(x2,y2,z0),通过阻抗分析神经网络，确定两者之间的距离为：
C、当球形压电陶瓷(10)的坐标为(x3,y3,z0),通过阻抗分析神经网络，确定两者之间的距离为：
D、超声信标(8)的坐标的确定
分别以阻抗信号接收器(1)的三个测量点的位置(x1,y1,z0)、(x2,y2,z0)、(x3,y3,z0)为球心,分别以L1、L2、L3为半径，画三个球，三球的水下交点坐标，即超声信标(8)的位置坐标(x，y，z)，如下式所示：
考虑到实验误差，根据三球相交得到超声信标(8)的位置是一片很小的区域，在创建网络过程中，需要进行大量的实验，创建数据库，可以设置更多的目标输出向量，以便适用于探测和定位更远位置的发射固定信号频率的信标。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.一种基于阻抗分析的水下固定“频率目标”定位的实验装置，该实验装置由超声信号接收组件（301）、阻抗分析网络训练组件（302）组成及超声信标（8）组成；超声信号接收组件（301）由阻抗信号接收器（1）、导线1（4）、导线2（5）组成；其中阻抗信号接收器（1）由球形PZT组件（303）、导线套管组件（304）及浮球组件（305）组成；所述的球形PZT组件（303）由球形PZT底座（10）、球形PZT压电陶瓷（9）、O型密封圈1（11）、O型密封圈2（14）、导线固定塞（12）、端盖（13）组成；导线套管组件（304）由导线1（4）、导线2（5）、导线定位塞1（16）、导线定位塞2（17）、高强度塑料管（15）组成；浮球组件（305）由硬质塑料下盖（18）、泡沫浮球（19）、硬质塑料上盖（20）、螺母1（21）、螺栓1（22）、螺母2（23）、螺栓2（24）组成；阻抗分析网络训练组件（302）由塑料管固定装置（3）、导线1（4）、导线2（5）、阻抗分析仪（6）、计算机及神经网络分析系统（7）组成；
PZT压电陶瓷烧结在球形PZT底座（10）的内壁上，形成球形PZT压电陶瓷（9），底,导线1（4）的一端焊接在球形PZT压电陶瓷（9）上，导线1（4）通过导线定位塞2（17）固定在高强度塑料管（15）上，导线1（4）的另一端与阻抗分析仪（6）的正极相连接；导线2（5）的一端焊接在球形PZT底座（10）的内部突出边缘上，导线2（5）通过导线定位塞1（16）固定在高强度塑料管（15）上，导线2（5）的另一端与阻抗分析仪（6）的负极相连接；导线1（4）、导线2（5）通过导线固定塞（12）固定在端盖（13）的中心孔上；
所述的一种基于阻抗分析的水下固定“频率目标”定位的实验装置，其特征在于：O型密封圈1（11）安装在球形PZT底座（10）内部沟槽内；端盖（13）的凸台上开有六角孔，端盖（13）通过螺纹连接方式与球形PZT底座（10）连接，通过压紧O型密封圈1（11），实现端盖（13）与球形PZT底座（10）的密封；在端盖（13）凸台处的凹槽内装有O型密封圈2（14）；高强度塑料管（15）通过螺纹与端盖（13）处凸台上的螺纹连接，高强度塑料管（15）与端盖（13）通过O型密封圈2（14）实现密封；硬质塑料下盖（18）与硬质塑料上盖（20）间装有泡沫浮球（19），硬质塑料上盖（20）和硬质塑料下盖（18）用螺纹连接；硬质塑料下盖（18）下部加工有螺纹，硬质塑料下盖（18）通过螺纹与高强度塑料管（15）进行连接；高强度塑料管（15）与硬质塑料上盖（20）接口处用密封胶进行密封。
2.根据权利要求1所述的一种基于阻抗分析的水下固定频率目标定位的实验装置，其特征在于：阻抗分析仪（6）通过RJ45接口与计算机相接；硬质塑料上盖（20）顶上有绳环，钢丝绳固定在绳环上；通过收放钢丝绳来收回超声信号接收组件（301）或将超声信号接收组件（301）放入水中；阻抗信号接收器（1）通过浮球组件（305）的浮力飘浮在水面之上，浮球组件（305）提供的浮力为超声信号接收组件（301）重量的3～4倍。
3.根据权利要求1所述的一种基于阻抗分析的水下固定“频率目标”定位的实验装置，其特征在于：球形PZT压电陶瓷（9）为球形的压电陶瓷，烧结在球形PZT底座（10）的内壁上，能接收来自各个方向的信号，接收信号稳定，适用于探测来自海底各个方位的频率信号。
4.一种基于权利要求1、权利要求2、权利要求3任一项所述的一种基于阻抗分析的水下固定“频率目标”定位的实验装置的方法，其特征在于包括以下步骤：
①将超声信标（8）的发射频率调到和目标信号一致的频率；超声信标（8）发出的超声波经过水介质（2）传送到球形PZT压电陶瓷（9），完成模拟水下固定频率目标所发出的超声波；
②启动阻抗分析仪（6），对球形PZT压电陶瓷（9）进行在目标信号频率 
kHz的频率范围进行扫频分析；由于球形PZT压电陶瓷（9）采用的是球形形状，可以均匀有效的接收到由超声信标（8）通过水介质（2）传送过来的目标信号；同时，利用阻抗分析仪扫频频率与被测目标信号频率f相同时，压电阻抗值与目标频率出现类似于“同频共振”的现象，从而可以检测到超声信标（8）发出的目标频率信号；
③超声信标（8）的定位
将超声信标（8）发射的信号设为与所需探测信号一致的频率，将阻抗信号接收器（1）至于水介质（2）中，阻抗信号接收器（1）通过泡沫浮球（19）的作用，漂浮在水上，将超声信标（8）置于相关水域，超声信标（8）遇水后自动打开，并发出频率为f kHz的超声信号；启动阻抗分析仪（6），让阻抗分析仪（6）在f
0.1 kHz频率范围内对球形PZT压电陶瓷（9）进行扫频；当球形PZT压电陶瓷（9）接收到超声信标（8）发出的信号时，阻抗分析仪（6）的阻抗值在频率f处会出现“同频共振”的现象，实现超声信标（8）的识别；其实验步骤如下：
1）确定超声信标（8）与阻抗信号接收器（1）间的距离
A、实验时，保持超声信标（8）位置固定不变，阻抗信号接收器（1）来控制与超声信标之间的位置改变，分别做六组实验，分别是超声信标（8）没有发射信号时，阻抗分析仪（6）在
kHz扫频时所得的对比数据、球形PZT压电陶瓷（9）距离超声信标（8）距离L为50m、500m、1000m、2000m、3000m时，阻抗分析仪（6）在
kHz扫频时所得的5组实验数据；阻抗数据中每次扫频采集1600个点的阻抗值；加上对比组数据，会得到6组频率-阻抗数据；采集的实验数据会经过传输接口传给计算机，完成阻抗分析神经网络的创建；
B、对测试到的数据进行缩放处理，使输入数据的值都落在0~1之间；
C 、在对超声信标（8）探测定位中，输出量0或1的编码就可以显示超声信标（8）位置的接近位置，设置不同的距离输出不同的位置编码，不同的位置用k表示，且k=1~~6，且k分别对应的是对比数据、50m、500m、1000m、2000m、3000m； 则不同位置的编码用6阶单位矩阵表示；
D、阻抗分析神经网络训练
创建网络的输入层节点数为1600个点；网络隐含层选择双曲型正切函数，输出层传递函数采用双曲型对数函数，网络测试次数的上限定为1000次，网络的收敛率为0.01，网络的测试误差定为0.001；网络的隐层节点数按照公式N=
确定，N为隐层节点数，I为输入节点数，O为输出节点数；a为可调整参数，取0~10之间的整数；算出为16，网络的输出层节点为6；最终的目标输出向量与6阶单位阵一致时，网络可以达到要求；
E、阻抗分析神经网络验证
创建用于探测定位超声信标（8）的阻抗分析神经网络后，以球形PZT压电陶瓷（10）与超声信标（8）距离为2900m为例，将测得的数据信息导入到网络中，对待检验的样本进行测试，测试结果输出为行向量：b1=(bL1,bL2,bL3,bL4,bL5,bL6),由于bL1,bL2,bL3,bL4,bL5接近于0，bL6接近于1，说明超声信标在距离3000m处附近，完成阻抗分析神经网络验证；
2)超声信标（8）的定位方法
由创建好的阻抗分析神经网络，根据行向量b1=(bL1,bL2,bL3,bL4,bL5,bL6)的输出结果，确定超声信标（8）与球形PZT压电陶瓷（10）的距离；设球形压电陶瓷（10）均在同一水平面，所以坐标z0不变；
A、设在水平面上一固定点处为坐标原点，则设球形PZT压电陶瓷（10）的空间坐标向量为(x1,y1,z0),设超声信标（8）的空间坐标向量为C=（x,y,z），通过阻抗分析神经网络，可确定两者之间的距离为：L1=
；
B、通过改变球形PZT压电陶瓷（10）的空间位置，实现改变二者之间的距离L；当球形压电陶瓷（10）的坐标为（x2,y2,z0）,通过阻抗分析神经网络，确定两者之间的距离为：L2=
；
C、当球形压电陶瓷（10）的坐标为（x3,y3,z0）,通过阻抗分析神经网络，确定两者之间的距离为：L3=
；
D、超声信标（8）的坐标的确定
分别以阻抗信号接收器（1）的三个测量点的位置(x1,y1,z0)、（x2,y2,z0）、（x3,y3,z0）为球心,分别以L1、L2、L3为半径，画三个球，三球的水下交点坐标，即超声信标（8）的位置坐标（x，y，z），如下式所示：
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