CN109615845B - 一种声电磁集成探测与通讯一体化缆阵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种声电磁集成探测与通讯一体化缆阵，所述的一体化缆阵列由多段标准化的子缆互联而成，其中每一段子缆包括水听器(1)、声信号处理模块(2)、第一电极(3)、第二电极(4)、电场信号处理模块(5)、磁传感器(6)、磁场信号处理模块、中继模块(8)、第一水密连接器(9)、第二水密连接器(10)及水密电缆(11)。本发明的声电磁集成探测与通讯一体化缆阵集成了水下目标的声场、电场、磁场特征的综合测量，将传感器、信号处理模块以及电缆进行集成，采用光电复合缆进行多节点供电及远距离信号传输。本发明的一体化缆阵具有多物理场同时基测量、信号传输可靠性高、便于收放、可任意扩展等优势，可广泛应用于水下目标探测、水下安防、远程预警、海洋资源勘探等领域。

Description

一种声电磁集成探测与通讯一体化缆阵

技术领域

本发明涉及水下目标探测领域，具体涉及一种声电磁集成探测与通讯一体化缆阵。

背景技术

我国是海洋大国，海域面积高达300万平方公里，海岸线漫长，滨海设施众多，保障海洋以及滨海设施高安全性迫在眉睫。

传统的水下目标探测手段主要是基于声学探测。声学探测距离远，应用广泛，但是随着减振降噪、静音推进等技术的发展，新型水下目标自身的辐射噪声进一步降低，声学探测能力被削弱；此外，浅海环境复杂，背景噪声大，也将影响声呐的性能；并且单一的声侦测手段，虚警率较高，难以实现对目标的精确定位和有效识别。

作为水下新型目标最重要的非声物理场，电场和磁场目前已成为探测水下目标的最有效的手段之一。对于通常采用铁磁性材质制作的水下目标来说，其引起的地磁场畸变和产生的腐蚀电场是典型的电磁场暴露源。电磁场探测由于受复杂环境及水文条件影响较小，并且具有优越的识别能力、精准的定位能力以及高效费比，将成为声学探测手段的最佳补充。

将声学探测与电磁探测相结合，不仅可以保留声学探测距离远的优势，也可以发挥电磁探测的精确定位和高效识别等优势。声电磁集成探测系统可以显著提高探测可靠性、降低虚警率、改善定位精度和识别效果，并且系统的环境适应性会显著增强。

声电磁集成探测虽然能限制提升对水下目标的探测能力，但是单节点的集成探测装置仍然显得水下探测信息量少，探测距离有局限性；多节点组成的阵列式探测系统，能显著提升水下信息感知能力；多个节点协同工作，同时基测量，通过数据融合、综合定位等方法，将大大提高探测距离和定位精度。

声电磁集成探测阵列通常布置于被防护水域的出入口、或者航道的核心位置的水底。沉底布放的阵列面临着多节点供电、数据可靠传输、收放便捷性等一系列问题。

发明内容

针对上述问题，申请人首次提出：如果将声电磁探测单元与信号传输电缆进行一体化集成，并且采用光电复合缆作为载体，则可有效地实现多节点供电、远距离数据传输、布放简单以及收缆方便。因此，声电磁探测与通讯一体化缆阵的提出对于水下安防具有重要意义。

本发明的目的是面向滨海重要设施、重要港口、重要航道及重要水域的安全防卫需求，针对水下目标的高效、可靠探测以及工程应用，提出了适用的声电磁集成探测与通讯一体化缆阵列。

本发明具体的技术方案为一种声电磁集成探测与通讯一体化缆阵，其特征在于所述的一体化缆阵由多段标准化的子缆连接而成，

其中每一段子缆包括：水听器1、声信号处理模块2、第一电极3、第二电极4、电场信号处理模块5、磁传感器6、磁场信号处理模块7、中继模块8、第一水密连接器9、第二水密连接器10及光电复合电缆11；

所述的光电复合电缆11包括光电复合芯线、电缆内层及电缆外层；所述的光电复合芯线分别连接所述的声信号处理模块2、电场信号处理模块5、磁场信号处理模块7、中继模块8、第一水密连接器9及第二水密连接器10，提供供电以及实现光纤通讯；

所述电缆内层用于对所述的光电复合芯线、声信号处理模块2、电场信号处理模块5、磁传感器6、磁场信号处理模块7及中继模块8进行集成密封和水密包裹；

所述的水听器1、第一电极3及第二电极4位于电缆外层及内层之间，电缆外层用于对所述的水听器1、第一电极3及第二电极4进行集成密封，所述的电缆外层在所述的水听器1、第一电极3及第二电极4所处的位置处开孔，以便所述的水听器1、第一电极3及第二电极4能与水接触；

所述声信号处理模块2与所述水听器1相连用于接收并处理所述水听器1接收的声音信号；

所述电场信号处理模块5分别与所述第一电极3和第二电极4相连，用于接收并处理所述第一电极3和第二电极4测得的水下目标的电位信号；

所述磁场信号处理模块7与所述磁传感器6相连，用于接收并处理所述磁传感器6测得的水下目标的磁场信号；

所述的第一水密连接器9、第二水密连接器10分别位于所述子缆的两端，用于与岸基供电装置及监控台或另外一段子缆相连。

进一步地，所述的声信号处理模块2、电场信号处理模块5以及所述磁场信号处理模块7分别处理所述声音信号、电位信号以及磁场信号，获得所述水下目标的声场特征信号、电场特征信号以及磁场特征信号，然后再通过所述的光电复合芯线输出至所述的中继模块8；

所述的中继模块8将测得的所述水下目标的声场特征信号、电场特征信号以及磁场特征信号进行汇聚后，通过所述的光电复合缆11发送至岸基监控台。

进一步地，所述的声信号处理模块2包括前置放大器、前置带通滤波器、高阶Bessel低通滤波器、数采模块以及光电转换模块；所述的声信号处理模块2将所述水听器1测量到的水下目标的声音信号进行放大后，得到高幅值的模拟信号，再经过前置带通滤波器后，将低频和高频环境噪声滤除，再经过高阶Bessel低通滤波器，进一步滤除环境及电路本身引入的噪声信号，得到表征所述水下目标的声场特征信号，该信号经过数采模块后，生成数字信号，再经过光电转换模块转换为光信号，再发送至所述的中继模块8；

所述的电场信号处理模块5包括差分采集器、低通滤波器、第一前置放大器、带通滤波器、第二带前置放大器、高阶Butterworth低通滤波器、数采模块及光电转换模块；所述的电场信号处理模块5接收所述第一电极3和第二电极4测得的所述水下目标的电位信号，先经过差分采集器后，得到电位差信号，所述的电位差信号分别经过低通滤波器和带通滤波器得到直流信号和低频交流信号，再分别经过第一前置放大器和第二前置放大器的比例放大，再经过高阶Butterworth低通滤波器对环境和电路噪声进行滤除，得到表征所述水下目标的静电场特征和低频电场特征信号，该信号经过数采模块后，生成数字信号，再经过光电转换模块转换为光信号，再发送至所述的中继模块8；

所述的磁场信号处理模块7包括供电模块、低通滤波器、数据采集模块、光电转换模块；所述的磁场信号处理模块7接受所述的磁传感器6测得的所述水下目标的三分量磁场信号，该信号经过低通滤波器滤除环境噪声信号后，得到表征所述水下目标的磁场特征信号，该信号经过数采模块后，生成数字信号，再经过光电转换模块转换为光信号，再发送至所述的中继模块8；所述的磁场信号处理模块7中的供电模块主要为所述的磁传感器6供电；

更进一步地，所述的中继模块8包括电能分配单元、光纤交换单元、信号发送单元、数据存储单元；所述的电能分配单元将岸基供电装置的高压直流电转换为不同输出的低压直流电，分别给所述的声信号处理模块2、电场信号处理模块5、及磁场信号处理模块7供电；所述的光纤交换单元用于接收和汇聚所述的声信号处理模块2、电场信号处理模块5、及磁场信号处理模块7输出的光信号；所述的信号发送单元用于将光纤交换单元汇聚的光信号进行对外实时通讯输出；所述的数据存储单元用于将所述的光纤交换单元汇聚的光信号进行处理并存储。

更进一步地，所述的水听器1的输出端与声信号处理模块2的输入端以最短的间距相连接；

所述的磁传感器6的输出端与磁场信号处理模块7的输入端以最短的间距相连接；

第一电极3与第二电极4之间以最大间距集成于所述的光电复合缆11内部，所述的电场信号处理模块5位于所述的第一电极3与第二电极4的输出端正中间位置；

所述的中继模块8位于所述的所述光电复合缆11的内层的端部。

更进一步地，所述的第一电连接器9、第二电连接器10采用无磁非金属材质的湿插拔快速连接器；

所述的光电复合缆11的外层采用具有无磁性、无导电特性的材质。

更进一步地，所述的水听器1采用高灵敏度的压电水听器；

所述的磁传感器6采用高精度的磁通门或者磁阻传感器；

所述的第一电极3和第二电极4采用低噪声Ag/AgCl电极或者碳纤维电极。

本发明的优点在于：

1)声、电、磁多维物理场集成探测，水下信息感知能力显著增强，相较于单一的声探测装置，可靠性更高，识别效果更好，定位精度更高；

2)基于光电复合缆，探测与通讯一体化结构，可实现多节点供电、数据远距离可靠传输；

3)采用缆阵结构，便于水下布置，并且回收简单，既可沉底布放，也可以采用母船拖曳；

4)采用标准化构造，声场探测单元、磁场探测单元、电场探测单元、以及中继模块采用标准化设计，通用性强，互相置换性好；

5)扩展性强，每条子缆采用标准化设计，自带输入和输出连接器，可任意扩展；

6)应用范围广，本发明的一体化缆阵，既可用于水下目标探测、水域安防，也可用于反潜、远程预警，还可用于海洋资源勘探等。

附图说明

图1本发明的声电磁集成探测与通讯一体化缆阵

图2是本发明实施例4中弧形阵列布置方式的原理示意图。

图3是磁梯度测量传统方法所用的磁场传感器十字型布置方式。

图4是本发明实施例4中用于磁梯度测量的磁场传感器三种简易布置方式。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行更详细的说明。

实施例1

本发明所述的一种声电磁集成探测与通讯一体化缆阵，由多条标准化的子缆阵相互连接而成，每一段子缆包括水听器1、声信号处理模块2、第一电极3、第二电极4、电场信号处理模块5、磁传感器6、磁场信号处理模块7、中继模块8、第一水密连接器9、第二水密连接器10及光电复合电缆11；

所述的光电复合电缆11包括光电复合芯线、电缆内层及电缆外层；所述的光电复合芯线分别连接所述的声信号处理模块2、电场信号处理模块5、磁场信号处理模块7、中继模块8、第一水密连接器9及第二水密连接器10，提供供电以及实现光纤通讯；

所述电缆内层用于对所述的光电复合芯线、声信号处理模块2、电场信号处理模块5、磁传感器6、磁场信号处理模块7及中继模块8进行集成密封和水密包裹；

所述的水听器1、第一电极3及第二电极4位于电缆外层及内层之间，电缆外层用于对所述的水听器1、第一电极3及第二电极4进行集成密封，所述的电缆外层在所述的水听器1、第一电极3及第二电极4所处的位置处开孔，以便所述的水听器1、第一电极3及第二电极4能与水接触；

所述的水听器1测量水下目标的声音信号，然后经过所述的声信号处理模块2得到所述水下目标的声场特征信号，然后再通过所述的光电复合缆11输出至所述的中继模块8；

所述的第一电极3和第二电极4测量所述水下目标的电位信号，然后经过所述的电场信号处理模块5得到所述水下目标的电场特征信号，然后再通过所述的光电复合缆11输出至所述的中继模块8；

所述的磁传感器6测量所述水下目标的磁场信号，然后经过所述的磁场信号处理模块7得到所述水下目标的磁场特征信号，然后再通过所示的光电复合缆11输出至所述的中继模块8；

所述的中继模块8将测得的所述水下目标的声特征信号、电场特征信号以及磁场特征信号进行汇聚后，通过所述的光电复合缆11发送至岸基监控台；

所述的第一水密连接器9、第二水密连接器10分别连接所述的子缆的两端，用于与岸基供电装置及监控台或另外一段子缆相连；

所述的声信号处理模块2包括前置放大器、前置带通滤波器、五阶Bessel低通滤波器、数采模块以及光电转换模块；所述的声信号处理模块2将所述水听器1测量到的水下目标的声音信号进行放大后，得到幅值较高的模拟信号，再经过前置带通滤波器后，将低频和高频环境噪声滤除，再经过五阶Bessel低通滤波器，进一步滤除环境及电路本身引入的噪声信号，得到表征所述水下目标的声场特征信号，该信号经过数采模块后，生成数字信号，再经过光电转换模块转换为光信号，再发送至所述的中继模块8；

所述的电场信号处理模块5包括差分采集器、低通滤波器、第一前置放大器、带通滤波器、第二带前置放大器、八阶Butterworth低通滤波器、数采模块及光电转换模块；所述的电场信号处理模块5接收所述第一电极3和第二电极4测得的所述水下目标的电位信号，先经过差分采集器后，得到电位差信号，所述的电位差信号分别经过低通滤波器和带通滤波器得到直流信号和低频交流信号，再分别经过第一前置放大器和第二前置放大器的比例放大，再经过八阶Butterworth低通滤波器对环境和电路噪声进行滤除，得到表征所述水下目标的静电场特征和低频电场特征信号，该信号经过数采模块后，生成数字信号，再经过光电转换模块转换为光信号，再发送至所述的中继模块8；

所述的磁场信号处理模块7包括供电模块、低通滤波器、数据采集模块、光电转换模块；所述的磁场信号处理模块7接受所述的磁传感器6测得的所述水下目标的三分量磁场信号，该信号经过低通滤波器滤除环境噪声信号后，得到表征所述水下目标的磁场特征信号，该信号经过数采模块后，生成数字信号，再经过光电转换模块转换为光信号，再发送至所述的中继模块8；所述的磁场信号处理模块7中的供电模块主要为所述的磁传感器6供电；

所述的中继模块8包括电能分配单元、光纤交换单元、信号发送单元、数据存储单元；所述的电能分配单元将岸基供电装置的高压直流电转换为不同输出的低压直流电，分别给所述的声信号处理模块2、电场信号处理模块5、及磁场信号处理模块7供电；所述的光纤交换单元用于接收和汇聚所述的声信号处理模块2、电场信号处理模块5、及磁场信号处理模块7输出的光信号；所述的信号发送单元用于将光纤交换单元汇聚的光信号进行对外实时通讯输出；所述的数据存储单元用于将所述的光纤交换单元汇聚的光信号进行处理并存储；

所述的第一水密连接器9、第二水密连接器10分别位于所述子缆的两端；所述的中继模块8位所述的所述光电复合缆11的内层的端部；

所述的水听器1可采用高灵敏度的压电水听器；

所述的磁传感器6可采用高精度的磁通门或者磁阻传感器；

所述的第一电极3、第二电极4可采用低噪声Ag/AgCl电极或者碳纤维电极。

实施例2

虽然实施例1中的一体化缆阵能够实现声、电、磁多维物理场一体的集成探测，但是在实验过程中，申请人注意到，实施例1中的一体化缆阵所测信号中，存在较强的干扰，信噪比较低。

经过进一步深入研究，申请人意外发现，造成该干扰的一个主要原因是第一水密连接器9、第二水密连接器10，这种水密连接器通常由不锈钢材料、铜材质或铝合金材质制成，虽然所述的水密连接器并不与子缆内的部件接触，但是采用不锈钢材质会对磁传感器带来干扰，而采用铜材质或铝合金材质则会对电极的测量信号造成干扰。

因此，发明人进一步改进，提出了本实施例。本实施例中，声电磁集成探测与通讯一体化缆阵总体与实施例1类似，由多条标准化的子缆相互连接而成，每一段子缆包括水听器1、声信号处理模块2、第一电极3、第二电极4、电场信号处理模块5、磁传感器6、磁场信号处理模块7、中继模块8、第一水密连接器9、第二水密连接器10及光电复合电缆11。

与实施例1不同的是，第一水密连接器9、第二水密连接器10在本实施例中采用无磁非金属材质的连接器，比如，橡胶水密连接器。

经测试，按照本实施例，相比于实施例1，所述一体化缆阵对于水下目标的电场、磁场特征信号的测量有显著改善，磁场信号、电位信号测量噪声能降低一倍以上。

此外，申请人还发现，所述的光电复合缆11的外层不能使用铠装材质，因为铠装外套存在磁性，影响所述的磁传感器6的测量效果。

实施例3

在反复试验过程中，申请人还发现，所述子缆中各部件的相对位置对于测量结果也会带来显著影响。

本实施例与实施例1采用基本相同的构造，只是对各部件的位置进行了特殊设置。

申请人发现，所述的第一电极3、第二电极4在所述的光电复合缆11中以最大间距布置，能够显著提高电极测量的灵敏度；所述的电场信号处理模块5须布置在所述的第一电极3及第二电极4的正中间，以确保由于连线引入的干扰电位基本一致，通过两个电极输出之间的差分运算，能消除干扰的影响；

所述的磁传感器6与磁场信号处理模块7以最短间距布置于所述的光电复合电缆11中，确保所述的磁传感器6的输出端与所述的磁场信号处理模块7之间的连线最短，可以显著减小线路引入的干扰；

所述的水听器1与声信号处理模块2以最短间距布置于所述的光电复合电缆11中，确保所述的水听器1的输出端与所述的声信号处理模块2的输入端之间的连线最短，可以显著减小线路引入的干扰。

经测试，按照本实施例，相比于实施例1，所述的一体化缆阵对于水下目标的声场、电场、磁场特征信号的测量有显著改善，声音信号、磁场信号、电位信号测量噪声能降低一倍以上，电场特征信号的测量灵敏度能提高五倍以上。

实施例4

在另一个优选实施例中，采用一体化缆阵围成弧形，通过弧形缆阵进行信号采集。

以采用9节子缆的缆阵为例，本实施例中主要侧重磁信号的检测。水听器和电信号测量采用常规方式实现，这里不再详述。其采用弧形布置，布置方式为按照图2方式布置，即L4C1线与L2C1线夹角30度，L4C1线与R4C1线夹角60度，L2C1与R2C1连线夹角120度。

9个磁传感器中，定点采用一个，另外8个左右两侧各布置4个，左右对称，可以以中间的为信号输出节点，或者两端为信号输出节点。

以左侧为例，C1、L2和L4组成包含120度顶角的三角形，L2、R2和C1组成包含120度顶角的三角形，C1、L4、R4组成包含60度顶角的三角形。更有选地，所布置传感器中还能够构成顶角90度的三角形。

磁性目标探测和定位方法具体包括以下步骤：

步骤1：所有的磁场传感器实时采集数据，在任意采样时刻，判断是否存在三个以上磁场传感器的磁场测量异常值大于探测阈值，若存在则判断有水中目标出现，执行步骤2，否则继续执行步骤1；

步骤2：根据磁场传感器的数目，将满足预定条件的3个传感器设定为一个传感器阵列组，形成多个传感器阵列组，根据所形成的磁场传感器阵列组，基于磁场梯度张量法进行水中目标的位置和磁矩计算，得到一系列水中目标的位置和磁矩初值，并估算水中目标的大小范围和所处的位置区间；

步骤3：根据步骤2估算得到的水中目标的大小范围和所处的位置区间，随机生成一组水中目标的位置和磁矩值，与步骤2得到的一系列水中目标的位置和磁矩初值共同形成水中目标的磁场定位初始解；

步骤4：以磁场传感器测得的三个最大磁场测量异常值为依据，以步骤3得到的磁场定位初始解作为初代种群，采用进化优化算法进行寻优，得到当前采样时刻的水中目标的位置和磁矩参数；

步骤5：到下一个采样时刻，根据步骤4得到水中目标的位置和磁矩参数，随机生成一组水中目标的位置和磁矩值形成初代种群，采用进化优化算法进行寻优，得到当前采样时刻的水中目标的位置和磁矩参数；

步骤6：判断是否存在至少三个磁场传感器的磁场测量异常值大于探测阈值，若仍然存在，则重复步骤5，否则，判断水中目标消失，返回步骤1。

在步骤2中，采用改进的梯度张量法和所提出的传感器组合方式进行目标探测定位的具体过程如下。

根据经验在远场可把磁性目标视为一磁偶极子，假设磁偶极子的三方向偶极矩分别为m_x、m_y和m_z，在水中目标坐标系下距离目标r(x，y，z)处的磁场强度三分量表达式为：

式中：

磁梯度张量矩阵为：

基于空间一点磁梯度张量和三分量磁场的磁性目标实时定位公式为：

根据上式确定了磁性目标位置后,再根据下式推算磁性目标的磁矩，通过磁矩即可对目标的状态、类型和尺度等信息作出判断。

在磁梯度张量的9个要素中,只有5个是独立的，即只需得到其中的5个独立要素,就可得到完整的磁梯度张量矩阵。

通常需要采用图3所示5个呈十字分布的传感器，才可以得中心点位置处的到磁梯度张量和测量点磁场三分量。1号传感器测量三分量磁场,2号、3号测量y向的分量变化率,4号、5号测量x向的分量变化率。具体计算式如下。

式中：d为磁场传感器间距，H_xi、H_yi和H_zi(i＝1～5)分别为第i个位置处测得的磁场强度三分量。

考虑到采用十字分布时传感器数量将会太多，本发明根据磁场梯度随空间位置变化比磁场强度变化(磁梯度)慢的基本特征，去掉两个传感器，仅采用三个传感器计算磁场梯度就可以实现定位。具体而言，本申请的发明人通过推导获得了仅通过三个传感器来计算磁场梯度的算法。

典型的，本发明采用图4所示的三种布置形式：

1)120°阵列组(近似线阵)，其磁场梯度计算式如下：

2)60°阵列组(等边三角阵)，其磁场梯度计算式如下：

3)90°阵列组(直角三角形阵)，其磁场梯度计算式如下：

将上面所获得的磁场梯度带入到公式(3)和(4)中，可分别求得位置参数和磁矩参数。

采用本发明的上述技术方案和简化的传感器布置方式，利用改进的梯度张量法就可实现对水中目标的初步定位。但由于测得的不是严格意义上的同一位置点的磁场强度和磁场梯度，其解总是距离真实值存在一定差距的。

在通过改进的梯度张量法获得了水中目标的位置和磁矩初值后，本发明将在步骤4中，以磁场传感器测得的三个最大磁场测量异常值为依据，通过建立反映磁场定位解与真实水中目标位置和磁矩参数逼近程度的目标函数，对水中目标的位置和磁矩进行进一步寻优，以实现目标精确定位。

反映磁场定位解与真实水中目标位置和磁矩参数逼近程度的目标函数如下：

式中：H'_xi、H'_yi和H'_zi为对应某一组水中目标位置和磁矩参数的解计算得到的第i个位置处的磁场强度三分量。根据给定的水中目标的位置和磁矩值，通过式(1)得到磁场值，然后求解该目标函数来度量该水中目标位置和磁矩参数与真实值的逼近程度。

以水中目标位置和磁矩参数作为寻优变量，上述目标函数作为适应度函数，约束条件设定为改进的梯度张量法所求磁场定位解最大值的两倍，采用粒子群、遗传或者差分进化等优化算法进行寻优，可进一步得到精度更高的水中目标定位解。

在采用进化算法进行寻优时，为同时兼顾全局搜索性能以及收敛性，在步骤3形成初代种群时，除了引入改进的梯度张量法所获得水中目标的位置和磁矩初值外，还根据约束条件随机生成一组水中目标的位置和磁矩值，共同形成水中目标的磁场定位初始解，以保证寻优时能快速收敛到最优变量处。

由于水中目标的磁场定位参数的变化过程相对磁场数据采集速度来说要慢很多，步骤5中，本发明在第一次获取了精确的水中目标的磁场定位参数后，将不再采用改进的梯度张量法，而是直接基于上一采样时刻获得的水中目标的位置和磁矩参数，采用进化优化算法进行局部寻优，以保证能快速得到当前采样时刻的磁场定位参数，进一步还可实现目标的位置跟踪。

以上以具体实施例的方式描述了本发明的工作原理和构造方法，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，本领域的技术人员可根据需求进行适当变化，这些变化都归入所要求保护的范围内。

Claims (7)

1.一种声电磁集成探测与通讯一体化缆阵，其特征在于，所述的一体化缆阵由多段标准化的子缆连接而成，

其中每一段子缆包括：水听器（1）、声信号处理模块（2）、第一电极（3）、第二电极（4）、电场信号处理模块（5）、磁传感器（6）、磁场信号处理模块（7）、中继模块（8）、第一水密连接器（9）、第二水密连接器（10）及光电复合缆（11），

所述的声信号处理模块（2）、电场信号处理模块（5）以及所述磁场信号处理模块（7）分别处理声音信号、电位信号以及磁场信号，获得水下目标的声场特征信号、电场特征信号以及磁场特征信号，然后再通过光电复合芯线输出至所述的中继模块（8）；

所述的中继模块（8）将测得的所述水下目标的声场特征信号、电场特征信号以及磁场特征信号进行汇聚后，通过所述的光电复合缆（11）发送至岸基监控台， 其中，所述的第一电极、第二电极在所述的光电复合缆中以最大间距布置；所述电场信号处理模块布置在所述的第一电极及第二电极的正中间，通过两个电极输出之间的差分运算，能消除干扰的影响；

所述的磁传感器与磁场信号处理模块以最短间距布置于所述的光电复合缆中，确保所述的磁传感器的输出端与所述的磁场信号处理模块之间的连线最短，可以显著减小线路引入的干扰；

所述的水听器与声信号处理模块以最短间距布置于所述的光电复合缆中，确保所述的水听器的输出端与所述的声信号处理模块的输入端之间的连线最短， 多段子缆连接成缆阵，布置成弧形，通过弧形缆阵进行信号采集， 所述缆阵通过下述方法进行磁场检测：

步骤1：所有的磁传感器 实时采集数据，在任意采样时刻，判断是否存在三个以上磁传感器 的磁场测量异常值大于探测阈值，若存在则判断有水中目标出现，执行步骤2，否则继续执行步骤1；

步骤2：根据磁传感器 的数目，将满足预定条件的3个传感器设定为一个传感器阵列组，形成多个传感器阵列组，根据所形成的磁传感器 阵列组，基于磁场梯度张量法进行水中目标的位置和磁矩计算，得到一系列水中目标的位置和磁矩初值，并估算水中目标的大小范围和所处的位置区间；

步骤3：根据步骤2估算得到的水中目标的大小范围和所处的位置区间，随机生成一组水中目标的位置和磁矩值，与步骤2得到的一系列水中目标的位置和磁矩初值共同形成水中目标的磁场定位初始解；

步骤4：以磁传感器 测得的三个最大磁场测量异常值为依据，以步骤3得到的磁场定位初始解作为初代种群，采用进化优化算法进行寻优，得到当前采样时刻的水中目标的位置和磁矩参数；

步骤5：到下一个采样时刻，根据步骤4得到水中目标的位置和磁矩参数，随机生成一组水中目标的位置和磁矩值形成初代种群，采用进化优化算法进行寻优，得到当前采样时刻的水中目标的位置和磁矩参数；

步骤6：判断是否存在至少三个磁传感器 的磁场测量异常值大于探测阈值，若仍然存在，则重复步骤5，否则，判断水中目标消失，返回步骤1。

2.如权利要求1所述的一种声电磁集成探测与通讯一体化缆阵，其特征在于，

所述的声信号处理模块（2）包括前置放大器、前置带通滤波器、高阶Bessel低通滤波器、数采模块以及光电转换模块；所述的声信号处理模块（2）将所述水听器（1）测量到的水下目标的声音信号进行放大后，得到高幅值的模拟信号，再经过前置带通滤波器后，将低频和高频环境噪声滤除，再经过高阶Bessel低通滤波器，进一步滤除环境及电路本身引入的噪声信号，得到表征所述水下目标的声场特征信号，该信号经过数采模块后，生成数字信号，再经过光电转换模块转换为光信号，再发送至所述的中继模块（8）；

所述的电场信号处理模块（5）包括差分采集器、低通滤波器、第一前置放大器、带通滤波器、第二带前置放大器、高阶Butterworth低通滤波器、数采模块及光电转换模块；所述的电场信号处理模块（5）接收所述第一电极（3）和第二电极（4）测得的所述水下目标的电位信号，先经过差分采集器后，得到电位差信号，所述的电位差信号分别经过低通滤波器和带通滤波器得到直流信号和低频交流信号，再分别经过第一前置放大器和第二前置放大器的比例放大，再经过高阶Butterworth低通滤波器对环境和电路噪声进行滤除，得到表征所述水下目标的静电场特征和低频电场特征信号，该信号经过数采模块后，生成数字信号，再经过光电转换模块转换为光信号，再发送至所述的中继模块（8）；

所述的磁场信号处理模块（7）包括供电模块、低通滤波器、数据采集模块、光电转换模块；所述的磁场信号处理模块（7）接受所述的磁传感器（6）测得的所述水下目标的三分量磁场信号，该信号经过低通滤波器滤除环境噪声信号后，得到表征所述水下目标的磁场特征信号，该信号经过数采模块后，生成数字信号，再经过光电转换模块转换为光信号，再发送至所述的中继模块（8）；所述的磁场信号处理模块（7）中的供电模块主要为所述的磁传感器（6）供电。

3.如权利要求1所述的一种声电磁集成探测与通讯一体化缆阵，其特征在于，所述的中继模块（8）包括电能分配单元、光纤交换单元、信号发送单元、数据存储单元；所述的电能分配单元将岸基供电装置的高压直流电转换为不同输出的低压直流电，分别给所述的声信号处理模块（2）、电场信号处理模块（5）及磁场信号处理模块（7）供电；所述的光纤交换单元用于接收和汇聚所述的声信号处理模块（2）、电场信号处理模块（5）、及磁场信号处理模块（7）输出的光信号；所述的信号发送单元用于将光纤交换单元汇聚的光信号进行对外实时通讯输出；所述的数据存储单元用于将所述的光纤交换单元汇聚的光信号进行处理并存储。

4.如权利要求1所述的一种声电磁集成探测与通讯一体化缆阵，其特征在于，

所述的水听器（1）的输出端与声信号处理模块（2）的输入端以最短的间距相连接；

所述的磁传感器（6）的输出端与磁场信号处理模块（7）的输入端以最短的间距相连接；

第一电极（3）与第二电极（4）之间以最大间距集成于所述的光电复合缆（11）内部；

所述的中继模块（8）位于所述的所述光电复合缆（11）的内层的端部。

5.如权利要求1所述的一种声电磁集成探测与通讯一体化缆阵，其特征在于，

所述的第一水密连接器（9）、第二水密连接器（10）采用无磁非金属材质的湿插拔快速连接器。

6.如权利要求1所述的一种声电磁集成探测与通讯一体化缆阵，其特征在于，

所述的水听器（1）采用高灵敏度的压电水听器；

所述的磁传感器（6）采用高精度的磁通门或者磁阻传感器；

所述的第一电极（3）和第二电极（4）采用低噪声Ag/AgCl电极或者碳纤维电极。

7.一种利用权利要求1中所述的声电磁集成探测与通讯一体化缆阵进行信号检测的方法，其特征在于，所述方法包括，将若干节子缆连接成缆阵，布置成预定形状，利用所述水听器（1）进行水声信号检测；利用所述磁传感器进行磁信号检测，利用所述第一电极（3）和第二电极（4）进行电信号检测，然后分别将每节子缆所检测的信号通过所述光电复合缆传输回控制中心，所述方法还包括磁性目标探测和定位的方法，其包括如下步骤： 步骤1：所有的磁传感器 实时采集数据，在任意采样时刻，判断是否存在三个以上磁传感器 的磁场测量异常值大于探测阈值，若存在则判断有水中目标出现，执行步骤2，否则继续执行步骤1；

步骤2：根据磁传感器 的数目，将满足预定条件的3个传感器设定为一个传感器阵列组，形成多个传感器阵列组，根据所形成的磁传感器 阵列组，基于磁场梯度张量法进行水中目标的位置和磁矩计算，得到一系列水中目标的位置和磁矩初值，并估算水中目标的大小范围和所处的位置区间；

步骤3：根据步骤2估算得到的水中目标的大小范围和所处的位置区间，随机生成一组水中目标的位置和磁矩值，与步骤2得到的一系列水中目标的位置和磁矩初值共同形成水中目标的磁场定位初始解；

步骤4：以磁传感器 测得的三个最大磁场测量异常值为依据，以步骤3得到的磁场定位初始解作为初代种群，采用进化优化算法进行寻优，得到当前采样时刻的水中目标的位置和磁矩参数；

步骤5：到下一个采样时刻，根据步骤4得到水中目标的位置和磁矩参数，随机生成一组水中目标的位置和磁矩值形成初代种群，采用进化优化算法进行寻优，得到当前采样时刻的水中目标的位置和磁矩参数；

步骤6：判断是否存在至少三个磁传感器 的磁场测量异常值大于探测阈值，若仍然存在，则重复步骤5，否则，判断水中目标消失，返回步骤1。

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