CN108761545A - 一种深海水下目标监测装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及深海水下目标监测领域，具体地来讲为一种深海水下目标监测装置及监测方法，通过在发射线圈中产生能够激发海水氢核进动的交变电流，使海水中氢质子跃迁到高能级；一段时间后关断发射电流，高能级氢质子逐渐回到低能级状态，释放出大量具有拉莫尔频率的能量子，在接收线圈中感应出磁共振衰减信号，根据接收到异常信号的特征完成对水下目标的确定。利用在陆地上建立的数据处理中心实时获得监测装置的信号特征，经过分析与处理后给出水下目标的位置、大小、航向、航速等特征。与现有技术相比，将磁共振技术应用于深海水下目标监测，具有监测范围更大、灵敏度更高、获得信息更准确等优势，进一步拓展了深海水下目标识别与监测的有效途径。

Description

一种深海水下目标监测装置及监测方法

技术领域

本发明涉及深海水下目标监测领域，具体地来讲为一种深海水下目标监测装置及监测方法。

背景技术

水下目标的长期监测和精确识别是现代国防与海洋工程领域的研究热点之一。近年来，海洋的战略地位愈发重要，人类对海洋的监测活动日益增多，水下目标的准确定位和识别成为海洋工程领域的重要课题之一。军事方面，对潜艇、水下滑翔机等目标的监测一直是海上防务的关键问题。包括内海、领海、专属经济区等在内，我们有大概300万平方公里的“蓝色领土”，发展尖端的监测技术保卫这些“蓝色领土”具有重要意义。

地球物理方法是海底监测的有效手段。在深远海洋环境中，在海底进行电磁测量会碰到许多技术上的困难，对仪器设备的性能和操作有一些特殊的要求。诸如海底仪器的密封、抗压和连接；发射机、接收机的布放、回收或拖曳；海底数据的采集、存贮和传送等，都比在陆地上进行监测工作困难的多。所以，传统方法一般采用机载或者拖曳的方式对水下目标进行流动探测，探测时间短，对仪器的长时工作能力要求不高，可以随时动态调整仪器系统参数，便于维护。但是这样的流动探测缺点就是无法全天候的对水下目标进行不间断监测，极易发生水下目标的漏测问题，存在着较大的测量时段盲区，因此，开展“海上栅栏”式的水下目标永久监测系统研究，也是近年来我国海上防务的一个重要攻关方向。

CN1O7643546A公开了一种基于统计叠加法的磁力仪，包括:探头、信号发射及接收模块、控制模块和电子陀螺仪，信号发射及接收模块包括射频激励电路、直流极化电路、电容配谐滤波电路和滤波整形放大电路，探头分别与射频激励电路、直流极化电路和电容配谐滤波电路连接，控制模块分别与射频激励电路、直流极化电路、电容配谐滤波电路、滤波整形放大电路和电子陀螺仪连接，电容配谐滤波电路与滤波整形放大电路连接。

传统磁力仪进行远海监测时，一方面该磁力仪只能对信号的频率进行测量，无法获得信号的其他信息，因此仅能对测区磁场异常做出较为准确的评估，而不能从信号整体进行异常全面评估。另一方面磁力仪探头采用富含氢质子的自由基溶液，由于氧化作用需要定期更换，将磁力仪布置在远海时需要定时回收，浪费大量的人力物力，同时具有被敌方获取监测系统位置信息的暴露风险。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种深海水下目标监测装置及监测方法，解决现有采用磁力仪探头采用富含氢质子的自由基溶液，需要定期更换的问题。

本发明是这样实现的，一种深海水下目标监测装置，该装置包括：该装置包括：数据处理中心、上位机、MCU、北斗定位模块、可调电源模块、发射单元、接收单元、发射线圈、接收线圈以及收发切换继电器，其中：北斗定位模块实时记录测点位置数据存储到上位机中；通过上位机设置电压参数，控制可调电源模块，设置合适的电源电压和设置激发频率参数；所述MCU根据上位机设置的参数产生具有拉莫尔进动频率的触发信号，发射单元在发射线圈上产生相应频率的交变电流；MCU通过收发切换继电器切断发射单元的发射电流，并通过收发切换继电器连接接收单元与接收线圈，通过接收单元接收被测海水所产生的磁共振信号传输至上位机；上位机对测点信号的特征参数进行处理分析，比对无异常时的信号特征，确定监测过程中是否存在水下目标，若存在信号特征异常，结合北斗定位信息确定水下目标位置，通过可调电源模块利用北斗系统的短报文发送功能将目标信息通过卫星发送至建立在海岸的数据处理中心，数据处理中心结合多点监测数据，确定水下目标的位置、大小、航向、航速等动态特征，完成对水下目标的监测。

进一步地，所述发射单元包括：

H桥驱动电路用于接收MCU的控制信号，并与可调电源模块连接；

H型桥路通过H桥驱动电路驱动导通关断，使发射线圈激发出相应频率的交变电流；

以及与H型桥路的输出端连接的配谐电容，所述配谐电容通过收发切换继电器连接发射线圈。

进一步地，接收单元通过收发切换继电器连接发射/接收线圈，包括：匹配电路、信号调理电路、程控放大电路、以及信号采集单元，接收的信号经过匹配电阻将接收的信号进行阻抗匹配经由信号调理电路与程控放大电路对信号进行滤波放大处理后由信号采集单元存入上位机。

进一步地，所述的发射线圈与接收线圈置于海中，通过抗拉绳和电缆与装置的相应电路部分相连。

一种深海水下目标监测方法，该方法包括：

步骤1，采用北斗定位实时记录测点位置数据；

步骤2，设置合适的电源电压和设置激发频率参数，发射/接收线圈发产生相应频率的交变电流，激发频率固定的交变电磁场，使海水中大量氢质子跃迁到高能级上；

步骤3，切断发射电流，氢质子回到低能态过程中释放出大量具有拉莫尔频率的能量子，在发射/接收线圈中感应出磁共振信号；

步骤4，对每个测点信号的特征参数进行处理分析，比对无异常时的信号特征，确定监测过程中是否存在水下目标，若存在信号特征异常，结合北斗定位信息确定水下目标位置；

步骤5，利用北斗系统的短报文发送功能将目标信息通过卫星发送至建立在海岸的数据处理中心，数据处理中心结合多点监测数据，确定水下目标的位置、大小、航向、航速等动态特征，完成对水下目标的监测。

进一步地，监测前在海面确定测区位置，确定等间隔测线、等间距测点，逐点布设监测装置，并将发射线圈与接收线圈投放入海中，发射线圈与接收线圈通过抗拉绳和电缆与监测装置的其他电路系统相连，接收单元和发射单元均通过悬浮板漂浮在海面上。

进一步地，步骤2中还包括，通过上位机设置相关参数，控制可调直流电源输出合适电压，该电压作为H型桥路所连发射/接收线圈的发射电压，产生相应频率的交变电流，对发射线圈所包围的海水进行激发。

进一步地，步骤3中还包括，发射线圈产生交变电流之前，MCU控制收发切换继电器断开；发射完毕后，利用正反并联的二极管吸收发射回路的能量，MCU控制收发切换继电器闭合，接收线圈感应接收线圈内海水所产生的磁共振信号。

进一步地，同一电源电压多次重复步骤2-4，重复次数由海水中电磁噪声环境而定，将重复测得数据进行叠加及压噪处理，去除噪声干扰，然后通过串行总线上传到上位机进行保存。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

本发明利用海水作为激发目标，既可以增大天线尺寸获得更强的磁共振信号提高监测精度，又可避免更换受激发溶液，能够实现监测装置的长久隐蔽监测，降低被敌方发现的风险。本发明采用海面测量的方式，方便布设的同时能够实现通讯数据卫星上传，确保水下目标的实时快速探测。本装置采集的信号为全波信号，分析信号的各项参数，提高了测量的精度及处理结果的可靠性。最后，本发明可以将特征参数传回位于海岸或陆地的数据处理中心，利用多点联合信息实现对水下目标的位置、大小、航向、航速等信息的动态监测。综上，本发明为拓展远海环境下的水下目标有效监测提供了新途径，将在海洋安全防卫等国防科技事业中发挥重要的作用。

本发明提出了利用磁共振技术以海水为激发目标，通过获得海水的磁共振信号特征为依据，实现水下目标的识别与监测。应用磁共振技术探测的条件是所研究物质的原子核具有非零磁矩。就深海监测而言，海水中氢核具有核子顺磁性，其磁矩不为零，在海面测区产生拉莫尔进动频率的电磁波，即可接收到感应的磁共振信号。当水下目标出现时，其自身产生的金属磁场异常会影响测区的地磁场分布，进而造成受激发后海水的磁共振信号特征异常。根据此信号特征异常以及多点信息综合处理，即可获得水下目标的动态特征。本发明专利的实现，为拓展深远海环境下的水下目标监测提供了有效途径。

附图说明

图1为本发明的深海水下目标监测装置系统框图；

图2为本发明测线测点布设示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1所示，本发明深海水下目标监测装置。该装置由上位机1(本实施例中采用微型上位机)、串行总线3、北斗定位模块15、可调电源模块4、发射单元、接收单元、发射线圈、接收线圈、收发切换继电器、MCU10组成。其中，发射单元包括：H桥驱动电路5、H型桥路6以及配谐电容7，接收电路包括匹配电路11、信号调理电路12、程控放大电路13及信号采集单元14，所述上位机1通过串行总线3分别连接可调电源模块4、MCU，并于北斗定位模块15以及信号采集单元14连接。整个装置的用电通过数字系统电源2来供电。

发射单元由MCU10发出控制信号，经H桥驱动电路5、H型桥路6、配谐电容7及收发切换继电器8送及发射线圈9，发射电压由上位机1设置参数控制可调大功率电源4提供；接收单元由MCU10发出控制信号，所接收信号经匹配电路11、信号调理电路12、程控放大电路13及信号采集单元14进一步统计处理存入上位机1。

具体的过程为：北斗定位模块15实时记录测点位置数据存储到上位机1中；上位机1设置电压参数，通过串行总线控制可调电源模块4，设置合适的电源电压和设置激发频率参数；MCU10根据上位机设置的参数产生具有拉莫尔进动频率的触发信号，发射单元在发射线圈9上产生相应频率的交变电流；MCU通过收发切换继电器8切断发射单元的发射电流，并通过收发切换继电器8连接接收单元与接收线圈(与发射线圈由于重叠，无法区分标注，此处图中未显示标记)，接收被测海水所产生的磁共振信号传输至上位机1；上位机1对测点信号的特征参数进行处理分析，比对无异常时的信号特征，确定监测过程中是否存在水下目标，若存在信号特征异常，结合北斗定位信息确定水下目标位置，并利用北斗系统的短报文发送功能将目标信息通过卫星发送至建立在海岸的数据处理中心，数据处理中心结合多点监测数据，确定水下目标的位置、大小、航向、航速等动态特征，完成对水下目标的监测。

本发明还提供了一种深海水下目标监测方法，利用磁共振技术以海水为激发目标，通过获得海水的磁共振信号特征为依据，实现水下目标的识别与监测。应用磁共振技术探测的条件是所研究物质的原子核具有非零磁矩。就深海监测而言，海水中氢核具有核子顺磁性，其磁矩不为零，在海面测区产生拉莫尔进动频率的电磁波，即可接收到感应的磁共振信号。当水下目标出现时，其自身产生的金属磁场异常会影响测区的地磁场分布，进而造成受激发后海水的磁共振信号特征异常。根据此信号特征异常以及多点信息综合处理，即可获得水下目标的动态特征。具体包括如下的步骤：

a.参见图2，根据选定的测区位置确定测线和测点，以测点精确位置为根据，投放水下目标监测装置。监测装置的发射线圈与接收线圈位于海面以下一定深度，探测天线的发射单元与接收单元电路通过浮板漂浮在海面上。线圈与电路模块通过抗拉绳与电缆相连接。

b.系统上电时，北斗定位模块将位置信息送至上位机并保存下来。上位机通过串行总线控制可调电源模块，设置合适的电源输出电压作为发射电压。上位机设置激发频率等相关参数，通过串行总线控制发射单元在发射线圈上产生相应频率的激发电流。该激发电流通过环形发射线圈形成激发磁场，对所包含的含水体进行激发，使海水中的氢质子产生能级跃迁。

c.MCU产生具有拉莫尔进动频率的触发信号，通过驱动器控制H型桥路中晶体管的导通关断，使发射线圈激发出相应频率的交变电流。

d.发射线圈产生电流激发的同时，MCU控制收发切换继电器断开；一段时间后发射结束，此时海水中被激发的氢质子从高能级向低能级跃迁，在接收线圈中产生感应的磁共振信号。进行信号接收前，首先利用正反并联的二极管吸收发射回路的能量，随后，MCU控制收发切换继电器闭合，将接收线圈与接收单元连接，将感应到的磁共振信号送至监测装置的接收单元，进行信号接收。

e.感应信号经阻抗匹配后送入信号调理模块。模块将海水产生的微弱信号进行前置放大、带通滤波，滤除掺杂在信号中的噪声，然后将滤除噪声的信号进行程控放大。调理放大的模拟信号经高速差分运算放大器进一步抑制共模噪声后送入A/D转换，采集模块通过上位机设置的采样率对放大的磁共振信号进行采样，采样结果存入存储器中。

f.同一电源电压等级多次重复步骤c、e、f，重复次数由深海电磁噪声环境而定，通过上位机进行设置，将重复测得信号进行统计及数据处理，去除噪声干扰，上传到上位机进行保存。

g.探测工作结束后，将每个测点信号的特征参数进行处理分析，比对无异常时的信号特征，确定监测过程中是否存在水下目标。若存在信号特征异常，结合北斗定位信息确定水下目标位置，并利用北斗系统的短报文发送功能将目标信息通过卫星发送至建立在海岸的数据处理中心，数据处理中心结合多点监测数据，确定水下目标的位置、大小、航向、航速等动态特征，完成对水下目标的监测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种深海水下目标监测装置，其特征在于，该装置包括：数据处理中心、上位机、MCU、北斗定位模块、可调电源模块、发射单元、接收单元、发射线圈、接收线圈以及收发切换继电器，其中：北斗定位模块实时记录测点位置数据存储到上位机中；通过上位机设置电压参数，控制可调电源模块，设置合适的电源电压和设置激发频率参数；所述MCU根据上位机设置的参数产生具有拉莫尔进动频率的触发信号，发射单元在发射线圈上产生相应频率的交变电流；MCU通过收发切换继电器切断发射单元的发射电流，并通过收发切换继电器连接接收单元与接收线圈，通过接收单元接收被测海水所产生的磁共振信号传输至上位机；上位机对测点信号的特征参数进行处理分析，比对无异常时的信号特征，确定监测过程中是否存在水下目标，若存在信号特征异常，结合北斗定位信息确定水下目标位置，通过可调电源模块利用北斗系统的短报文发送功能将目标信息通过卫星发送至建立在海岸的数据处理中心，数据处理中心结合多点监测数据，确定水下目标的位置、大小、航向、航速等动态特征，完成对水下目标的监测。

2.按照权利要求1所述的深海水下目标监测装置，其特征在于，所述发射单元包括：

H桥驱动电路用于接收MCU的控制信号，并与可调电源模块连接；

H型桥路通过H桥驱动电路驱动导通关断，使发射线圈激发出相应频率的交变电流；

以及与H型桥路的输出端连接的配谐电容，所述配谐电容通过收发切换继电器连接发射线圈。

3.按照权利要求1所述的深海水下目标监测装置，其特征在于，接收单元通过收发切换继电器连接发射/接收线圈，包括：匹配电路、信号调理电路、程控放大电路、以及信号采集单元，接收的信号经过匹配电阻将接收的信号进行阻抗匹配经由信号调理电路与程控放大电路对信号进行滤波放大处理后由信号采集单元存入上位机。

4.按照权利要求1所述的深海水下目标监测装置，其特征在于，所述的发射线圈与接收线圈置于海中，通过抗拉绳和电缆与装置的相应电路部分相连。

5.一种深海水下目标监测方法，其特征在于，该方法包括：

步骤1，采用北斗定位实时记录测点位置数据；

步骤2，设置合适的电源电压和设置激发频率参数，发射/接收线圈发产生相应频率的交变电流，激发频率固定的交变电磁场，使海水中大量氢质子跃迁到高能级上；

步骤3，切断发射电流，氢质子回到低能态过程中释放出大量具有拉莫尔频率的能量子，在发射/接收线圈中感应出磁共振信号；

步骤4，对每个测点信号的特征参数进行处理分析，比对无异常时的信号特征，确定监测过程中是否存在水下目标，若存在信号特征异常，结合北斗定位信息确定水下目标位置；

步骤5，利用北斗系统的短报文发送功能将目标信息通过卫星发送至建立在海岸的数据处理中心，数据处理中心结合多点监测数据，确定水下目标的位置、大小、航向、航速等动态特征，完成对水下目标的监测。

6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，监测前在海面确定测区位置，确定等间隔测线、等间距测点，逐点布设监测装置，并将发射线圈与接收线圈投放入海中，发射线圈与接收线圈通过抗拉绳和电缆与监测装置的其他电路系统相连，接收单元和发射单元均通过悬浮板漂浮在海面上。

7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中还包括，通过上位机设置相关参数，控制可调直流电源输出合适电压，该电压作为H型桥路所连发射/接收线圈的发射电压，产生相应频率的交变电流，对发射线圈所包围的海水进行激发。

8.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中还包括，发射线圈产生交变电流之前，MCU控制收发切换继电器断开；发射完毕后，利用正反并联的二极管吸收发射回路的能量，MCU控制收发切换继电器闭合，接收线圈感应接收线圈内海水所产生的磁共振信号。

9.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，同一电源电压多次重复步骤2-4，重复次数由海水中电磁噪声环境而定，将重复测得数据进行叠加及压噪处理，去除噪声干扰，然后通过串行总线上传到上位机进行保存。