CN109188534B - 一种基于主动电场原理的水下金属形状探测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于主动电场原理的水下金属形状探测方法及装置。本发明提供的金属形状探测方法及其装置基于主动电场探测技术，通过水下主动电场从不同角度对金属物体进行全方位探测，对采集到的电场信息进行处理得出物体不同方向上的转折频率，进而处理判断出金属物体的形状。该方法能克服水下环境昏暗、浑浊等众多复杂因素的影响，操作简单，适用范围广，同时本方法所需硬件结构简单、小型化，该方法适用于具有导电特性的液体，对于液体环境中金属物体的形状检测具有良好的效果。

Description

一种基于主动电场原理的水下金属形状探测方法及装置

技术领域

本发明涉及金属探测领域，特别涉及一种基于主动电场原理的水下金属形状探测方法及装置。

背景技术

金属探测在医疗，建筑，材料，考古，安全等方面有着广泛的应用并起着重要作用。从最初的信号模拟技术到连续波技术，再到如今使用的数字脉冲计数，金属探测器已经有了质的飞跃。当下的金属探测，依照金属探测原理，可分为：基于电磁感应原理的探测，基于超声波原理的探测以及基于光电原理的探测技术。依照实际应用场景，又可以分为：工业中应用的检测导磁性/导电性金属探测器，安全型金属探测器等等。但是目前的探测技术都是感应金属是否存在，可以准确的判断出金属物品的大小以及藏匿位置，极少有方法具备探测金属形状的能力。

此外，应用环境也是限制金属探测的重要因素。不同应用场景下金属探测方法有着极大不同，绝大多数金属探测方法都是应用在陆地空气环境中。如今很多行业的发展都已经转向了水下领域，水下金属探测的需求日益增长，比如对水下矿产资源的考察，对沉船的打捞及考古学研究等等，同时随着水下金属探测需求的日益增长，针对水下金属探测的功能要求也在增多。但是由于水下环境的特殊性与复杂性，水下金属探测方法比较少，应用也受到很大的局限性。比如基于金属目标表面激光的反射偏振特性的探测技术，对水质等因素具有很高的要求，而且在水下传播时会发生一些非线性光学作用影响探测效果。又例如：公开号为CN107102363A，名为“一种金属物体探测装置及金属探测方法”的中国专利申请中公开了一种水下金属探测方法，该方法既可以实现在水下环境中对金属物体的准确探测，同时可以探测出金属物体种类。但是该探测方法只能实现水下金属的探测、判断金属的种类，不具备探测金属形状的能力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种基于主动电场原理的水下金属形状探测方法及其装置。针对水下环境探测的，不受探测环境、探测装置自身功能限制的探测效果极佳的水下金属形状探测方法及装置。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种基于主动电场原理的水下金属物体形状探测方法，具体包括如下步骤：

步骤101，基于预设角度确定待测金属物体的多个目标方位；

步骤102，向待测金属物体的目标方位发射多频信号建立第一探测电场；

步骤103，在待测金属物体的目标方位处按照指定路线移动探测装置的接收电极，从第一探测电场采集电场信号；

步骤104，对采集到的电场信号进行处理，得到第一探测电场下的多频幅度-时间曲线，根据所得多频幅度-时间曲线获取待测金属物体在目标方位处的转折频率范围；

步骤105，基于所得转折频率范围选取频率单一的正弦信号作为激励信号在目标方位处建立第二探测电场，从第二探测电场采集电场信号，以获取待测金属物体在该目标方位处的转折频率值；

步骤106，基于预设角度将探测装置分别旋转至待测金属物体的多个目标方位，对待测金属物体的多个目标方位重复步骤102～步骤105，以获取待测金属物体在多个目标方位处的转折频率值；

步骤107，对所得待测金属物体在多个目标方位处的转折频率值进行分析处理，以获取待测金属物体的形状。

进一步的，所述金属形状探测方法，步骤101中，所述预设探测角度范围在0～60度，满足，预设角度×目标方位个数＝待测金属物体横截面外角和。

进一步的，所述金属形状探测方法中，所述多频信号是多个频率波段正弦信号的叠加。

进一步的，所述金属形状探测方法，步骤103中，从第一探测电场采集电场信号包括，使用至少两个接收电极分别采集所述探测电场的电场信号，并获取两个电场信号的差分信号。

进一步的，所述金属形状探测方法，步骤104包括：对采集到的电场信号进行短时傅里叶变换处理，以获取所述电场信号幅值，从而得到多频幅度-时间曲线；根据多频幅度-时间曲线获取转折频率范围值。

进一步的，所述金属形状探测方法，步骤105包括：采用二分查找法确定转折频率，以获取待测金属物体在该目标方位上的转折频率值。

进一步的，所述金属形状探测方法，步骤107包括：将多个目标方位与探测得到的目标方位转折频率值数据绘制在同一坐标系中，并使探测得到的每个目标方位转折频率值与目标方位位置一一对应，连接图上转折频率值相同的点，以获取待测金属物体的形状。

优选的，一种基于主动电场原理的水下金属物体形状探测装置，包括至少两个发射电极和两个接收电极，以及与其连接的控制装置，所述控制装置用于控制发射电极和接受电极并执行权利要求1至7中任一项所述的方法，所述控制装置为具有信号、数据处理能力的控制器、处理器、单片机或PC机的一种；所述控制装置通过有线或者无线的方式与探测装置进行连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明提供的金属形状探测方法基于主动电场原理，结构简单，可以克服复杂，浑浊的水下环境。本方法操作简单，探测效率高，便于小型化。此外，本发明提供使用多频信号建立第一探测电场测转折频率范围，单频信号建立第二探测电场精准找到转折频率值的金属形状探测方法有效地节省探测时间。经过大量试验，本发明针对形状简单的金属物体具有良好效果。

附图说明：

图1是根据本发明示例性实施例的水下金属探测方法流程图；

图2是根据本发明示例性实施例的水下金属形状探测装置结构示意图；

图3是根据本发明示例性实施例的四棱柱的目标方位标定；

图4是根据本发明示例性实施例的正弦信号激励下的原始数据图形；

图5是根据本发明示例性实施例的正弦信号激励的原始数据经过短时傅里叶变换后的时频分布图；

图6是根据本发明示例性实施例的10Hz方波激励信号下的时频分布谱图；

图7是根据本发明示例性实施例的目标方位1上单频信号下幅值曲线由凸到凹的时频分布图，转折频率为92Hz；

图8是根据本发明示例性实施例的方位2上单频信号下幅值曲线由凸到凹的时频分布图，转折频率为75Hz；

图9是根据本发明示例性实施例的方位3上单频信号下幅值曲线由凸到凹的时频分布图，转折频率为69Hz；

图10是根据本发明示例性实施例的四棱柱各方位上转折频率按照探测方向绘制的散点图；

图11a是根据本发明示例性实施例的将四棱柱一组转折频率值相同的数据连接后所得到的图形；

图11b是根据本发明示例性实施例的将铝四棱柱一组转折频率值最小的数据连接后所得到的图形；

图12是根据本发明示例性实施例的铝六棱柱一组转折频率值相同的数据连接后所得到的图形；

图13是根据本发明示例性实施例的铝八棱柱一组转折频率值相同的数据连接后所得到的图形；

图14是根据本发明示例性实施例的铝圆柱体一组转折频率值相同的数据连接后所得到的图形。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

根据本发明示例性实施例的水下金属形状探测装置，如图2所示，包括一个探测装置和一个控制装置，所述探测装置包括四个电极，其中电极材质不限(本例中使用金属钛丝)，分别是两个发射电极和两个接收电极。发射电极用于发射激励信号，建立探测电场；接收电极用于接收信号。所述控制装置为具有信号、数据处理能力的PC机，并且探测装置与控制装置可以通过有线或者无线的方式进行连接。此外，在一次具体试验中，应保证水体的电导率为固定值，这里的水体电导率经过测定为340uS/cm，实验探测的激励信号幅值为2V。

根据本发明示例性实施例的一种基于主动电场原理的水下金属物体形状探测方法，如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤101，基于预设角度确定待测金属物体的多个目标方位；

具体的，在探测开始前，为了方便对比分析，需要约定好探测角度，确定待测金属物体多个目标方位。所述预设探测角度是在根据探测时间进行的设定，其范围在0～60度。在对一个金属物体进行探测时，需要围绕待测金属物体进行旋转一周的探测，若探测时间充足，则可以将角度设置为比较小的角度，例如五度，即每五度划定一个目标方位进行测量，此时得到的目标方位个数就会增多，反之，若探测时间不足，则可以将角度设置为比较大的角度，例如六十度，即每六十度划定一个目标方位进行测量，此时得到的目标方位个数相应减少。同时预设角度与目标方位个数应满足预设角度×目标方位个数＝待测金属物体横截面外角和，同时多边形的外角和为固定的360度，因此为了得到准确的金属形状，预设角度应小于六十度，否则会因为探测数据较少得不到准确的金属形状。在本发明的进一步实施例中，待测金属物体为尺寸规格为44mm×44mm×50mm铝材质的四棱柱，在探测开始前，将探测角度设置为22.5度，而四棱柱的横截面为外角和为360度的正四边形，因此所得目标方位个数为16，接着对目标方位进行编号。如图3所示，我们将垂直于四棱柱一条边的方向约定为方向1，以目标方位1为原点，逆时针旋转一周，对探头每转22.5度的地方依次编号，即确定待测金属物体的从1到16的目标方位。

步骤102，向待测金属物体的目标方位发射多频信号建立第一探测电场；

具体的，所述多频信号是多个频率波段正弦信号的叠加，该多频信号可以是双峰脉冲信号、方波信号等。具体的，在确定了待测金属物体的多个目标方位后，从待测金属物体的目标方位1开始探测，这里我们选择10Hz的方波发射激励信号在待测金属物体的目标方位1上建立第一探测电场。

步骤103，在待测金属物体的目标方位处按照指定路线移动发射电极和接收电极，自探测电场采集电场信号；

具体的，以目标方位1为例，装置带动电极在目标方位1进行靠近物体远离物体的探测，使目标物体的目标方位1经过装置的正下方，并使用至少两个接收电极分别采集所述探测电场的电场信号，并获取两个电场信号的差分信号，数据采集器对差分信号进行处理得到离散信号x(n)。在实际探测中，电极的有效探测范围与电极排布，物体本身性质有关，在本装置中，使用内电场进行探测。此种情况下，只有当物体经过装置正下方探测信号才会产生变化，即探测装置的有效范围局限于装置下方的内电场范围内。此方式下，可以一定程度上排除周边噪音的干扰，有更优的探测效果。当探测电极移动路线不在有效范围内时，探测电场不会发生被干扰的现象，探测信号也不会发生任何变化，进而对探测信号的幅度值造成影响。如图4所示，只有当目标物体进入到电极的有效探测范围时，幅度-时间曲线才会表现出相应的凹凸性。电极运动使目标物体离开有效探测范围后，曲线复归为平滑的直线。

步骤104，对采集到的电场信号进行处理，得到第一探测电场下的多频幅度-时间曲线，根据所得多频幅度时间曲线获取待测金属物体在目标方位处的转折频率范围；

具体的，我们对在上述步骤103得到的电场信号采用短时傅里叶变换进行处理，以获取待测金属物体在该方位上的多频幅度-时间曲线。短时傅里叶变换是一种最简单，应用最早的联合时频分析方法，其主要用来描述非平稳信号或时变信号的频谱随时间的变化。短时傅里叶变换的基本思想是使用一个时间窗函数将原始信号(非平稳)分解为一组近似平稳的短时信号，然后再使用傅里叶变换对各段短时信号分别进行分析处理，通过将各段频谱联系在一起，从而观察出非平稳信号频谱随时间变化的情况。

实验中，电场接收信号经过数据采集器后为离散信号，因此，这里我们需要使用离散型短时傅里叶变换来对数据进行处理。离散时间信号x(n)的短时傅里叶变换表达式可表示为

式中m′＝n-m。

采集到的原始数据经过短时傅里叶变换处理后，如图5所示，可以得到更加直观的时频分布图。在三维联合时频谱图中，x轴表示的是激励信号的频率(单位：Hz)，y轴表示的是探测装置单个探测过程运行的时间(单位：s)，z轴表示傅里叶变换后振幅峰值(单位：V)，可以从时频分布图上直观地找到对应的幅度-时间曲线。

此外，在本方法的第一探测电场探测阶段(采用10Hz的方波信号发射激励建立第一探测电场的探测阶段，所述步骤102-步骤104即为第一探测电场探测阶段)采用多频信号而非单频信号的原理是：任意周期多频信号都可以分解成不同频率的正弦信号的叠加，一次探测，再对原始数据经过短时傅里叶变换处理后就可以得到多个频率下的时频分布图，可以直观地看到不同频率下的幅度-时间曲线，而使用单频信号进行探测时，每次探测只能得到单一频率的多频幅度-时间曲线。因此，在实际的应用中，若使用单频信号进行探测，则需要使用一组单频的正弦信号进行多次探测，操作繁琐，耗时高；反之，使用多频信号进行探测，一次探测即可得到多个频率上对应的幅度-时间曲线，可以简明的看出幅度-时间曲线随着频率增加的凹凸趋势。综上，在探测初始的数据采集阶段使用多频信号进行探测极大优于使用单频信号进行一系列探测。

具体的，在本发明的进一步实施例中，在10Hz方波激励信号建立的电场下，在对步骤102采集的原始数据进行所述短时傅里叶变换后，可以得到如图6的时频分布谱图(x轴表示的是激励信号的频率，单位：Hz；y轴表示的是探测装置单个探测过程运行的时间，单位：s；z轴表示傅里叶变换后振幅峰值，单位：V)由此得到多个频率下的幅度-时间曲线。找到幅度-时间曲线由凸到凹的时所对应的频率即为转折频率。如图5所示，在探测有效位置，在不同频率下，处理得到的幅度-时间曲线凹凸程度不同，同时基于多频信号所得多频幅度-时间曲线会存在一定误差，由于误差缘故，此时得到的转折频率是一个范围值。

步骤105，基于所得转折频率范围选取频率单一的正弦信号作为激励信号建立第二探测电场，从第二探测电场采集电场信号，以获取待测金属物体在该目标方位处转折频率值；

具体的，该正弦信号的频率应在上述步骤104所得的转折频率范围内取值。本方法在探测阶段使用单频信号的原因是：使用多频激励信号所测得的转折频率范围普遍较大，精度较低。以方波为例分析其原因：方波信号的频谱中仅包含基波信号的奇次谐波分量，其频谱分量不连续，这就造成所求得的被测物体的转折频率范围过大。比如，我们选择的方波信号频率为10Hz，则在0～100Hz范围内其仅在10Hz、30Hz、50Hz、70Hz、90Hz处存在频谱分量，另外，若方波的奇次谐波分量恰好处于被测物体的转折频率范围之内，将造成求取的转折频率范围进一步扩大。因此，在探测阶段选用多频信号得到转折频率的模糊范围后，使用单频信号进行探测以求得精确地转折频率。

具体的，以方位1为例，在选择合适的单频正弦信号建立电场后，使用同样的既定路线(步骤102所述的指定探测路线)对目标方位1进行探测，对得到的原始数据进行对应的短时傅里叶变换即可得到所述单频信号下的幅度-时间曲线。进一步的，使用二分查找法确定转折频率。该方法首先得到上述步骤103所得的转折频率范围中值的幅度时间曲线，判断曲线在探测有效位置的凹凸性。若曲线为凹，下一次探测频率为上述频率范围最小值和中值的中值；若曲线为凸，下一次探测频率为中值和范围最大值的中值。重复探测直到曲线平直，此时得到的频率范围已经很小。另外受到探测装置的灵敏度限制，一般来说，通过个位次的探测即可得到具体的转折频率。本例中，在步骤104中得到的待测金属物体目标方位1处的转折频率范围为60-100Hz，因此此时的频率范围中值为80Hz，使用80Hz作为探测频率时，所得曲线呈现凸状，接着选取80-100Hz的中值90Hz作为探测频率，此时曲线已比较平直，得到的频率范围大约在90Hz到93Hz之间，我们取这之间的一个信号频率92Hz(以该信号作为探测信号得到的联合时频分布谱图中电场信号幅值没有明显的变化)作为探测信号的转折频率值。如图7所示，本实例中1方位上一组单频信号下幅值曲线由凸到凹的时频分布图，转折频率为92Hz。

步骤106，基于预设角度将探测装置分别旋转至待测金属物体的多个目标方位，对待测金属物体的多个目标方位重复步骤102～步骤105，以获取待测金属物体在多个目标方位处的转折频率值；

具体的，在完成对待测金属物体方位1转折频率的探测后，将探头逆时针旋转22.5度到方位2，重复上述步骤102-步骤105，得到待测金属物体目标方位2上的转折频率值。再将探头依次转至目标方位3，目标方位4……目标方位16上，重复上述步骤102-步骤105，从而得到待测金属物体各个方位的转折频率值，进而得到物体全方位的转折频率值。在本实例中，如图8、图9所示，即为本实例在方位2、方位3上处理得到的转折频率值，分别是75Hz和69Hz。在实际探测中，探测装置的旋转方向、探测路径与预设角度一样可以进行随机设定。

步骤107，对所得待测金属物体多个目标方位处的转折频率值进行分析处理，以获取待测金属物体的形状。

具体的，我们将上述步骤106所述已得到的16个不同方位的目标物体转折频率数据进行对比分析。对得到的转折频率进行分析处理的具体步骤是，如图10(X轴，Y轴是距离，Z轴转折频率值，单位是Hz，(0,0)是物体的中心)所示，将目标方位与探测得到的目标方位转折频率数据绘制在同一坐标系中，并使探测得到的目标方位转折频率与目标方位位置一一对应，连接图上转折频率值相同的点(一般的，连接转折频率值最小或者最大的点，在图上能更直观地反映出金属物体的形状，本实例中连接的为转折频率值最小的点)以获取待测金属物体的形状。

在本发明进一步的实施例中，我们发现这16组数据其中每一组数据都跟前三个采集方位中的某一组数据吻合(即在方位5测出来的结果与在方位1测出来的一致、方位4与方位2测量结果一致、方位6与方位三一致…)。这是因为当目标物体在某两方向上形状相同时，从这两方向探测采集到的电场信息数据基本一致。因此为了验证一现象，我们选取16组数据中最大的转折频率(92Hz)重新在16个方向上对物体进行采集，此时，只有在转折频率为92Hz的方向上(即方向1，方向5，方向9，方向13)其探测信号幅值与之前得到的相同，而其他方向上的探测信号幅值则会产生“下凹”的现象，只有当目标物体在某两方向上形状相同时，其幅值、转折频率才会一致。将这16组数据按照其采集方位绘制在同一坐标系当中，通过连接幅值相同方向上的数据来反映出被测物体的几何特征。该现象反映出：被探测的物体外在几何特征至少在该四个方向上是一样的。将所有方向的转折频率按照上述的方式绘制在同一坐标系中。将其按照采集方位进行摆放；接着连接了这些数据点中最小的四个点。作出的图中呈现了跟探测目标物体几何特征(被探测的四个方向上对称)一致的如图9的正方形图案。此时我们探测得到了物体的几何形状。

本方法可以探测金属形状的原理是：通过电场可以对周边环境进行一定程度的探测。当物体周边存在电场时，物体会引起电场线的畸变。具体来说，当存在物体是导电性良好的导体时，电场线在导体附近会表现的更加密集；而当物体是绝缘体时，电场线则表现出稀疏的性状。随着物体的形状，材质，大小的不同，畸变程度也会有相应不同。对同一物体进行扫频实验时也会随着切入角度的不同而产生类似的现象：扫描方向的切入角度不同，物体的导电性也会相应的有所变化，进而导致电场现象表现不同。电场线的畸变经过处理后表现为转折频率的改变。通过对物体不同角度扫描得来的转折频率的比较分析可以判断物体形状。

在本发明的进一步实施例中，如表1、图10所示，我们对六棱柱(旋转15度)、八棱柱(旋转11度)以及圆柱体进行上述金属形状探测操作，得到了类似的实验现象。同样的，将目标物体所有方向上得到的转折频率值按照采集方位绘制在同一个坐标系中，得到的图形可以揭示目标物体的几何形状。显然，我们得到了一种可以探测金属物体的几何形状的有效方法。

表1

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可想到的水下金属形状探测方法的相关变种都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (8)

1.一种基于主动电场原理的水下金属物体形状探测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤101，基于预设角度确定待测金属物体的多个目标方位；

步骤102，向待测金属物体的目标方位发射多频信号建立第一探测电场；

步骤103，在待测金属物体的目标方位处按照指定路线移动探测装置的接收电极，从第一探测电场采集电场信号；

步骤104，对采集到的电场信号进行处理，得到第一探测电场下的多频幅度-时间曲线，根据所得多频幅度-时间曲线获取待测金属物体在目标方位处的转折频率范围；

步骤105，基于所得转折频率范围选取频率单一的正弦信号作为激励信号在目标方位处建立第二探测电场，从第二探测电场采集电场信号，以获取待测金属物体在该目标方位处的转折频率值；

步骤106，基于预设角度将探测装置分别旋转至待测金属物体的多个目标方位，对待测金属物体的多个目标方位重复步骤102～步骤105，以获取待测金属物体在多个目标方位处的转折频率值；

步骤107，对所得待测金属物体在多个目标方位处的转折频率值进行分析处理，以获取待测金属物体的形状。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤101中，所述预设探测角度范围在0～60度，满足，预设角度×目标方位个数＝待测金属物体横截面外角和。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多频信号是多个频率波段正弦信号的叠加。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤103中，从第一探测电场采集电场信号包括，使用至少两个接收电极分别采集所述探测电场的电场信号，并获取两个电场信号的差分信号。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤104包括：对采集到的电场信号进行短时傅里叶变换处理，以获取所述电场信号幅值，从而得到多频幅度-时间曲线；根据多频幅度-时间曲线获取转折频率范围值。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤105包括：采用二分查找法确定转折频率，以获取待测金属物体在该目标方位上的转折频率值。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤107包括：将多个目标方位与探测得到的目标方位转折频率值数据绘制在同一坐标系中，并使探测得到的每个目标方位转折频率值与目标方位位置一一对应，连接图上转折频率值相同的点，以获取待测金属物体的形状。

8.一种基于主动电场原理的水下金属物体形状探测装置，其特征在于，包括至少两个发射电极和两个接收电极，以及与其连接的控制装置，所述控制装置用于控制发射电极和接受电极并执行权利要求1至7中任一项所述的方法，所述控制装置为具有信号、数据处理能力的控制器、处理器、单片机或PC机的一种；所述控制装置通过有线或者无线的方式与探测装置进行连接。

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