CN109596901A - 基于传感器电极竖直排布的水下主动电场探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种于传感器电极竖直排布的水下主动电场探测系统，将传感器电极设置为竖直排布方式，即传感器探头模块包括电极支架、发射电极和接收电极，其中电极支架竖直放置，发射电极和接收电极水平固定在电极支架上，发射电极和接收电极存在高度差。本发明可以准确探测水下物体的几何形状。

Description

基于传感器电极竖直排布的水下主动电场探测系统

技术领域

本发明属于水下主动电场探测技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于传感器电极竖直排布的水下主动电场探测系统。

背景技术

地球约四分之三的面积都被海洋覆盖着，水底下蕴藏着丰富的资源和未知的奥秘等待着人们去探索。人类对地球的研究也从陆地向海洋扩展，各国在海洋下也展开了激烈的资源争夺以及技术竞争，在这一过程中，科研工作者们不断推进新的技术手段并不断完善。在对水下环境及资源进行探测的过程中，水下探测装置发挥着至关重要的作用。然而水下环境复杂，很多适用于陆地的设备装置在水下都无法发挥作用，例如水下定位、设备对接、物体形状探测等陆地可以轻易解决的问题在水下都变成难题。且水下装置都存在操作困难、代价高昂、效果不佳等问题，特别是在深水区域，水域环境复杂，对设备装置要求更为严苛。为解决这一系列问题，科学家们提出譬如声呐、水下光学成像等技术方法。

目前，水下探测常用的方式有：声学探测、光学探测和电磁场探测等。声学探测例如声呐，主要利用声波来感知环境和探测物体，这种探测方式在进行水下探测时，会收到周围环境中的其他物质的干扰，如海水中岩石的声波吸收等问题，而且声呐探测为了保证探测的精度必须提高声波频率和数据更新率，这就增加了系统硬件的复杂度和工作人员的操作复杂度。光学探测方法，如水下电视，主要基于视觉成像的手段，虽然在一定程度上可以降低系统开销，但是，光学传感器作用距离近，必须依赖于外光源，对水质的要求很高，本来水对可见光就有一定的吸收和散射作用，若水体中还存在着大量的悬浮物，光的传播就会受到更强的阻碍作用，光能将在水中快速衰减，严重影响到系统的探测效率和定位精度，致使水下电视无法正常工作。使用电磁传感器进行探测时，传感器尺寸大，技术复杂，容易受到其他装置的电磁干扰，而且海水对电磁波能量的吸收作用很强，电磁波在海水中衰减很快。

综合上述分析可知，现阶段使用较多的水下探测方法或多或少均存在些许不足，为了克服复杂的水下环境带来的外界干扰，基于对深海中弱电鱼的研究，恰恰能够解决由于视觉限制以及外界干扰带来的问题。与声学、光学、电磁场等探测方式不同，弱电鱼通过在水下建立低频电场来感知外界环境，称为主动电场定位。利用电场作为水下探测的手段，不会像水下电视那样依赖于光源，可以有效地克服水体能见度和浑浊度所造成的影响。同时，探测电场激励信号的频率设置较低，系统的组成结构相对简单，开销不大，易于被广泛应用，水下电场探测技术可用于水下巡检及管道缺陷检查，取得了良好的效果。基于主动电场定位的水下终端对接目标识别和定位，为水下物体的辨别、定位和追踪等提供了新的研究依据，为水下航行器在复杂海洋环境中的工作提供更多、更有效的帮助。有望为实现水下机器人的模块化和可重构性提供帮助，对于发展海底空间站和深海长期观测系统具有深远意义。

图1是水下主动电场探测系统的结构图。如图1所示，一般而言，水下主动电场探测系统包括上位机11、信号发生器12、数据采集器13、运动模块14和传感器探头模块15，上位机11根据用户设置向信号发生器12发送激励信号参数，并向运动模块14发送控制传感器探头模块15运动的运动控制信号参数，信号发生器12根据激励信号参数生成激励信号发送给传感器探头模块15，运动模块14根据运动控制信号参数生成运动控制信号发送给传感器探头模块15，传感器探头模块15中的发射电极151发射激励信号建立探测电场，接收电极152接收水下电场信号发送给数据采集器13，数据采集器13对水下电场信号进行采集，将采集信号反馈至上位机11，上位机11对采集信号进行数据分析处理，得到探测结果。

在现有的水下主动电场探测系统中，传感器探头模块15中的发射电极151和接收电极152为水平排布，即将发射电极151和接收电极152竖直插入水平的电极支架153中。这种排布方式在探测水下物体几何形状过程中会由于物体几何形状的影响，导致采集到的数据不完整，不能够完整地探测到物体的几何形状。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于传感器电极竖直排布的水下主动电场探测系统，准确探测水下物体的几何形状。

为实现上述发明目的，本发明基于传感器电极竖直排布的水下主动电场探测系统包括上位机、信号发生器、数据采集器、运动模块和传感器探头模块，传感器探头模块包括电极支架、发射电极和接收电极，其中电极支架竖直放置，发射电极和接收电极水平固定在电极支架上，发射电极和接收电极存在高度差。

本发明基于传感器电极竖直排布的水下主动电场探测系统，将传感器电极设置为竖直排布方式，即传感器探头模块包括电极支架、发射电极和接收电极，其中电极支架竖直放置，发射电极和接收电极水平固定在电极支架上，发射电极和接收电极存在高度差。本发明具有以下有益效果：

1)本发明硬件结构简单，且在各种水下环境中皆可工作。

2)本发明的能够在黑暗的水下环境中探测出金属物体的几何特征，初步得出被探测物体的形状，提高的水下探测的实用性。

附图说明

图1是水下主动电场探测系统的结构图；

图2是本发明中传感器电极竖直排布的一种具体实施方式示意图；

图3是本实施例中传感器电极水平排布方式一的示意图；

图4是本实施例中传感器电极水平排布方式二的示意图；

图5是本实施例中传感器电极水平排布方式三的示意图；

图6是采用传感器电极水平排布方式一对铝圆环进行探测的电场信息变化图；

图7是采用传感器电极水平排布方式二对铝圆环进行探测的电场信息变化图；

图8是采用传感器电极水平排布方式三对铝圆环进行探测的电场信息变化图；

图9是采用本发明传感器电极竖直排布对铝圆环进行探测的电场信息变化图；

图10是采用本发明传感器电极竖直排布对铝四棱柱进行探测的电场信息变化图；

图11是采用本发明传感器电极竖直排布对铝圆柱体进行探测的电场信息变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

本发明基于传感器电极竖直排布的水下主动电场探测系统与常规水下主动电场探测系统一样，包括上位机、信号发生器、数据采集器、运动模块和传感器探头模块，本发明对于传感器探头模块中的电极排布进行了改进，使其能够准确探测水下物体的几何形状。

本发明的传感器探头模块包括电极支架、发射电极和接收电极，其中电极支架竖直放置，发射电极和接收电极水平固定在电极支架上，发射电极和接收电极存在高度差。发射电极用于发射激励信号形成探测电场，接收电极用于接收水下电场信号。

图2是本发明中传感器电极竖直排布的一种具体实施方式示意图。其中图2(a)为正视图，图2(b)为侧视图。如图2所示，本发明水下主动电场探测系统中传感器探头模块包括电极支架21、两个信号发射电极22，两个信号接收电极23，其中电极支架21竖直放置，两个信号发射电极22和两个信号接收电极23水平固定在支架上，且本实施例中各电极在竖直方向上呈一条直线，两个信号接收电极23位于两个信号发射电极22之间。为了便于更换，本实施例中4个电极采用螺纹连接方式固定在电极支架21上。

两个信号发射电极22中的一个信号发射电极22接入信号发生器以接收激励信号进行发射，另一个信号发射电极22接入探测系统的接地点，使水下探测环境与探测系统共地，实现以公共地为参考点。两个信号接收电极23用于接收水下电场信号，将探测到的水下电场信号以差分输出模式输出到数据采集器。差分输出模式指的是：两个信号接收电极23分别将探测到的水下电场信号传输到数据采集器，差分信号是两个信号接收电极23分别相对于公共地参考点的电势差。本实施例中采用差分信号的优点是：两个信号接收电极23之间的耦合程度很好，当探测环境中存在干扰信号时，几乎会同时被耦合到两条线上，而数据采集器得到的只是两信号的差值，所以外界的干扰信号可以抵消。

经研究发现，当采用本实施例中的传感器电极竖直排布方式时，两个信号发射电极22之间的距离一般是在80mm较为合适，两个信号接收电极23之间距离一般是在40mm较为合适。采用这种排布方式，能够避免电极之间的互相影响，信号接收电极放在内电场里面能够比较敏感的感应到水下电场的变化。

为了更好地说明本发明的技术效果，采用三种传感器电极水平排布方式作为对比技术方案，对水下金属物体的探测进行实验验证。

图3是本实施例中传感器电极水平排布方式一的示意图。如图3所示，本实施例中传感器电极水平排布方式一中，两个发射电极位于左侧，间隔10cm；两个接收电极位于右侧，间隔6cm；发射电极与接收电极间隔4cm。其中发射电极A用于发射激励信号，发射电极B用于连接激励信号源的地。

图4是本实施例中传感器电极水平排布方式二的示意图。如图4所示，本实施例中传感器电极水平排布方式二中，两个发射电极和两个接收电极在水平方向上呈一条直线，两个接收电极位于两个发射电极之间。

图5是本实施例中传感器电极水平排布方式三的示意图。如图5所示，本实施例中传感器电极水平排布方式三中，两个发射电极和两个接收电极呈菱形分布，两个接收电极连成的直线与两个发射电极连成的直线互相垂直。

接下来采用基于以上三种传感器电极水平排布的水下主动电场探测系统和本发明基于传感器电极竖直排布的水下主动电场探测系统对水下的铝圆环进行探测，其中水环境的尺寸为3*2*0.2m，电导率为20uS/cm；铝圆环的参数为：外径为10cm，内径为8cm，厚度为1cm，高度为5cm。通过扫描采集的方式，对水域范围内进行网格数据采集，采集的数据点为80*80个，采集回来的网格数据首先进行短时傅里叶变换，变换后的结果通过三维联合时频谱图或畸变电场电势模型图展现出来，然后由origin软件进行数据描绘，得到电场信息变化图。为了更全面地展示电场信息变化图，以下每个示例图均采用三个角度：水平方向、斜向下45°以及俯视。

图6是采用传感器电极水平排布方式一对铝圆环进行探测的电场信息变化图。如图6所示，当传感器电极靠近被探测物体的时候，探测数据不再是水平，而是会有一定幅度的减小的，减小的幅度由所靠近圆环的位置所影响。沿X轴运动时，电极靠近圆环的左侧和右侧，幅值下降的较大；电极靠近圆环中间时，因为在电极运动过程中，会遇到圆环两次，且距离远大于电极的间隔，故采集回来的电场幅值在第一次遇到圆环一边是先变小再变大，第二次遇到圆环对边时再变小然后恢复到水平值，即当电极第一次靠近圆环的时候，采集的电场信号是先变小再变大，当电极在圆环中间范围运动的时候，采集到的电场会比周边更大，但比外面水域采集到的电场幅值更小。且电极在整个运动过程中，内部凸起部分呈现一个圆形(如图6(c)所示)，符合被探测物体是一个圆环形状的电场影响信息图。在这种电极排布方式下，通过采集到的电场信息图，可以局部表征被探测物体的特性。

图7是采用传感器电极水平排布方式二对铝圆环进行探测的电场信息变化图。如图7所示，与传感器电极水平排布方式一采集数据的不同之处在于下凹的幅度比较小，且两边下凹的幅值不一致，但是整体的电场差幅值比较大，是因为当采用这种排布方式时，两个接收电极位于发射电极中间，发射电极中间的电场下降是最快速的，故最大值与最小值之间的差值较大。这种排布方式是变化比较明显，但是采集的数据不均匀，受到外界影响时对整体影响较大，也没有完整的表现被探测物体的几何形状。

图8是采用传感器电极水平排布方式三对铝圆环进行探测的电场信息变化图。如图8所示，由于在这种电极排布方式下，当电极靠近物体或者远离物体的过程以及电极在物体左边或者电极在物体右边运动过程中，物体影响的主要电极是不一样的，比如当电极沿着X轴运动，接收电极2靠近铝圆环，接收电极1距离铝圆环较远，在这种情况下，物体对接收电极2影响较大，对接收电极1影响较小，由于数据采集过程中，采集到的数据是两个接收电极的电势差，故当不同的电极靠近物体的时候，电势差的幅值是相反的。故这种电极排布方式也无法将物体的几何特征探测出来。

图9是采用本发明传感器电极竖直排布对铝圆环进行探测的电场信息变化图。如图9所示，在铝圆环处，图像下凹成一个圆环状，物体对电场的影响均匀，所以能够很清晰的检测到物体对电场的影响，从而将被探测物体的几何形状清晰的表现出来。

为了进一步说明本发明基于传感器电极竖直排布的水下主动电场探测系统对不同物体几何形状的良好适应性，再采用本发明基于传感器电极竖直排布的水下主动电场探测系统对铝四棱柱和铝圆柱体进行探测，其中铝四棱柱的尺寸为44*44*50mm，圆柱体的直径为44mm、高度为50mm。图10是采用本发明传感器电极竖直排布对铝四棱柱进行探测的电场信息变化图。图11是采用本发明传感器电极竖直排布对铝圆柱体进行探测的电场信息变化图。如图10和图11所示，本发明基于传感器电极竖直排布的水下主动电场探测系统对于铝四棱柱和铝圆柱体几何形状探测的效果也很好。

综上所述，当传感器电极采用水平排布方式时，不能把水下电场对物体几何形状探测的结果完全的表征出来，而传感器电极采用本发明所提出的竖直排布时，能够比较好的把被探测物体的几何形状特征表现出来。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.一种基于传感器电极竖直排布的水下主动电场探测系统，包括上位机、信号发生器、数据采集器、运动模块和传感器探头模块，其特征在于：传感器探头模块包括电极支架、发射电极和接收电极，其中电极支架竖直放置，发射电极和接收电极水平固定在电极支架上，发射电极和接收电极存在高度差。

2.根据权利要求1所述的水下主动电场探测系统，其特征在于，所述发射电极和接收电极在竖直方向上位于一条直线。

3.根据权利要求1所述的水下主动电场探测系统，其特征在于，所述发射电极的数量为2，其中一个接收激励信号进行发射，另一个接入探测系统的接地点。

4.根据权利要求3所述的水下主动电场探测系统，其特征在于，所述发射电极位于2个发射电极之间。

5.根据权利要求1所述的水下主动电场探测系统，其特征在于，所述接收电极的数量为2，分别探测水下电场信号，用于获取差分信号。