CN109752765B - 一种用于沉底水雷的电场信号接收系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于沉底水雷的电场信号接收系统，采用三轴正交分布的六个电极构成电极阵列，利用同一套电极阵列接收舰船目标电场信号和陆上发射的电磁遥控信号，通过测量同组电极内同一轴向上空间电场中两点的电势差，实现对电场信号的感知，然后电场信号经过前置电路的信号调理、差分电路的差分处理后，分别进入后级滤波器进行分频处理，即利用电磁遥控信号、舰船目标电场信号在工作频段上的差异性，将两者区分开；由此可见，本发明不受舰船目标声场变化、水压场变化和磁场变化的限制，通过电场信号实现沉底水雷的遥控以及沉底水雷对舰船目标的识别，能够有效提高遥控的稳定性和目标识别的准确率。

Description

一种用于沉底水雷的电场信号接收系统
技术领域
本发明属于水雷目标探测和遥控技术领域，尤其涉及一种用于沉底水雷的电场信号接收系统。
背景技术
沉底水雷为布设后沉于水底的水雷，按装药量，沉底水雷分为大型沉底水雷、中型沉底水雷和小型沉底水雷。沉底水雷通常由装药雷体、引信装置和布雷附件等构成，而引信装置通常装有磁场、声场、水压场的单一引信或组合引信等，并由水面舰船、潜艇和飞机布放。沉底水雷具有总体结构简单，隐蔽性较好，受水流及风浪影响小的特点，能够打击不超过50～90米的水面舰船，深度可达200～300米的潜艇。
然而，随着造船技术和消磁技术的进步，舰船目标在水中航行时，引起的声场变化、水压场变化和磁场变化都较小，因而对现有沉底水雷的遥控以及沉底水雷对目标检测的灵敏度大大降低。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种用于沉底水雷的电场信号接收系统，通过电场信号实现沉底水雷的遥控以及沉底水雷对舰船目标的识别，能够有效提高遥控的稳定性和目标识别的准确率。
一种用于沉底水雷的电场信号接收系统，包括三个接收单元，各接收单元包括两个电极、两个前置电路、差分电路、第一滤波器以及第二滤波器，其中，同一接收单元内的电极在同一轴向上相对放置，且每个电极连接一个前置电路，三个接收单元的电极在空间上呈三轴正交分布；
各接收单元的工作过程如下：
所述电极用于接收水下的电场信号，其中，电场信号包括沉底水雷的电磁遥控信号与舰船目标电场信号；
所述前置电路用于将与其连接的电极接收到的电场信号转变为电压信号；
所述差分电路用于将两个前置电路输出的电压信号做相减处理，得到电势差信号；
所述第一滤波器和第二滤波器分别接收所述电势差信号，然后对所述电势差信号进行分频处理，得到电磁遥控信号与舰船目标电场信号，实现沉底水雷的遥控以及沉底水雷对舰船目标的识别，其中，所述第一滤波器保留舰船目标电场信号，第二滤波器保留电磁遥控信号。
进一步的，所述电磁遥控信号的频率为0.3k～30kHz，舰船目标电场信号的频率为100Hz以下。
进一步的，所述第一滤波器是截止频率为100Hz的低通滤波器，第二滤波器是低端截止频率为300Hz，高端截止频率为30kHz的带通滤波器。
进一步的，一种用于沉底水雷的电场信号接收系统，还包括电子磁罗盘、重力角度传感器以及中央处理器；
所述电子磁罗盘用于获取沉底水雷在水底的方位角；
所述重力角度传感器用于获取沉底水雷在水底的俯仰角；
所述中央处理器用于根据所述方位角和俯仰角，确定所述沉底水雷在世界坐标系中的位置坐标。
进一步的，所述各接收单元的差分电路将电势差信号输入第一滤波器和第二滤波器前，还对所述电势差信号进行姿态变换处理，其中，所述姿态变换处理具体为：
将所述电势差信号投影到由所述三组电极构建的三轴坐标系上，得到电势差信号在三轴坐标系上的分量；
将所述三轴坐标系与所述世界坐标系进行坐标转换，得到电势差信号在世界坐标系上的分量，完成电势差信号的姿态变换。
进一步的，所述电极为Ag/AgCl金属化合物电极或高分子聚合物材料电极。
进一步的，所述六个电极分别安装在沉底水雷的尾盖上。
有益效果：
本发明提供一种用于沉底水雷的电场信号接收系统，采用三轴正交分布的六个电极构成电极阵列，利用同一套电极阵列接收舰船目标电场信号和陆上发射的电磁遥控信号，通过测量同组电极内同一轴向上空间电场中两点的电势差，实现对电场信号的感知，然后电场信号经过前置电路的信号调理、差分电路的差分处理后，分别进入后级滤波器进行分频处理，即利用电磁遥控信号、舰船目标电场信号在工作频段上的差异性，将两者区分开；由此可见，本发明不受舰船目标声场变化、水压场变化和磁场变化的限制，通过电场信号实现沉底水雷的遥控以及沉底水雷对舰船目标的识别，能够有效提高遥控的稳定性和目标识别的准确率。
附图说明
图1为本发明提供的一种用于沉底水雷的电场信号接收系统的原理框图；
图2为本发明提供的三组电极在沉底水雷上的一种安装示意图；
图3为本发明提供的三组电极在沉底水雷上的另一种安装示意图；
1-电极，2-雷体。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例一
参见图1，该图为本实施例提供的一种用于沉底水雷的电场信号接收系统的原理框图。一种用于沉底水雷的电场信号接收系统，三个接收单元，各接收单元包括两个电极、两个前置电路、差分电路、第一滤波器以及第二滤波器，其中，同一接收单元内的电极在同一轴向上相对放置，且每个电极连接一个前置电路，三个接收单元的电极在空间上呈三轴正交分布；
各接收单元的工作过程如下：
所述电极用于接收水下的电场信号，其中，电场信号包括沉底水雷的电磁遥控信号与舰船目标电场信号；
可选的，所述电磁遥控信号的频率为0.3k～30kHz，舰船目标电场信号的频率为100Hz以下。
需要说明的是，甚低频(3k～30kHz)及超低频段(0.3k～3kHz)的电磁信号能够穿透海底岩层，经过折射、透射沿海底地层远距离传播。利用这种电磁波可以实现沉底水雷的远程遥控，即由埋设在陆地上的发射天线发出的低频电磁遥控信号，被布放在海底的沉底水雷接收，实现对沉底水雷的远程遥控。由于电磁信号本质上是海底介质中电场与磁场相互转换并向远处传播形成的，电场效应与磁场效应是同时伴随存在的，因此可以用电极构成阵列传感器感知电场信号来实现对电磁遥控信号的接收。
同样的，由于舰船腐蚀防腐因素产生的舰船静电场、起源于磁性船体运动和金属船体运动舰船感应电场信号，包括静电场和轴频电场信号，可以应用于水雷目标探测系统，实现对舰船目标的检测，舰船目标电场信号主要集中在100Hz以下，远低于水雷电磁遥控信号(甚低频3k～30kHz、及超低频段300Hz～3kHz)的工作频段，但同样可以被电极阵列感知接收。
可选的，电极为Ag/AgCl金属化合物电极或高分子聚合物材料电极。
可选的，六个电极分别安装在沉底水雷的尾盖上。参见图2和图3，分别为本实施例提供的三组电极在沉底水雷上的安装示意图。电极阵列安装在雷体尾盖上，信号导线引入雷体内的仪表舱内；同一组内的两个电极在同一轴向上，则同一轴线方向上的两个电极间的距离设为d，则有：
Figure BDA0001906987020000051
其中，VP是电势差，
Figure BDA0001906987020000052
是场强，
Figure BDA0001906987020000053
是距离；可见，若测得电势差VP，电极间的距离为定值d，则能得到场强E。
所述前置电路用于将与其连接的电极接收到的电场信号转变为电压信号。
需要说明的是，同一轴向上的两个电极分别命名为电极X1和电极X2，则两个电极接收到的电场信号的处理过程为：两个电极后均连接前置电路，则两个电极上感知到的电场信号经过前置电路阻抗变换、信号预放大后，转变为电压信号。
所述差分电路用于将两个前置电路输出的电压信号做相减处理，得到各组电极对应的电势差信号。
需要说明的是，电压信号进入差分电路做相减处理，得到电场中同一轴向上两点间的电势差信号，而由前面的叙述中可知：在距离一定的情况下，电势差能够反映电场强度的变化，即电势差能够表征水下电场强度的变化。
所述第一滤波器和第二滤波器分别接收所述电势差信号，然后对所述电势差信号进行分频处理，得到电磁遥控信号与舰船目标电场信号，实现沉底水雷的遥控以及沉底水雷对舰船目标的识别，其中，所述第一滤波器保留舰船目标电场信号，第二滤波器保留电磁遥控信号。
需要说明的是，差分电路得到电势差信号进入后级滤波电路进行分频处理：由于水雷电磁遥控信号的工作频段使用甚低频3k～30kHz及超低频段300Hz～3kHz频段，这是可以由水雷遥控系统设计具体确定的，其发射频率可以选定这个范围内任何一个频段；而沉底水雷对舰船目标进行探测识别，针对的是舰船腐蚀防腐因素产生的舰船静电场、起源于磁性船体运动和金属船体运动而产生的舰船感应电场信号，包括静电场和轴频电场信号，目标舰船的静电场和轴频电场信号能量集中在100Hz以下；因此可以使用两个滤波器分频处理来区分水雷电磁遥控信号和目标舰船的水下电场信号。
可选的，第一滤波器可以设置是截止频率为100Hz的低通滤波器，则通过的信号为直流DC～100Hz的范围内的信号，这样就将频率更高的水雷电磁遥控信号滤除；同样的，第二滤波器可以设置是低端截止频率300Hz，高端截止频率30kHz的带通滤波器，这样通过第二滤波器后的信号内就不包含目标舰船的水下电场信号，从而实现了采用同一套电极阵列接收处理电磁遥控信号和目标舰船水下电场信号的功能，避免了遥控和探测两个子系统相互干扰的可能性。
实施例二
以上实施例中，沉底水雷通过舰船目标电场信号来对舰船目标进行识别，得到的只是舰船目标在由电极构成的三轴坐标系下的位置。为了实现舰船目标在世界坐标系下的定位，基于以上实施例，本实施例提出另一种用于沉底水雷的电场信号接收系统。
一种用于沉底水雷的电场信号接收系统，还包括电子磁罗盘、重力角度传感器以及中央处理器；
所述电子磁罗盘用于获取沉底水雷在水底的方位角；
所述重力角度传感器用于获取沉底水雷在水底的俯仰角；
所述中央处理器用于根据所述方位角和俯仰角，确定所述沉底水雷在世界坐标系中的位置坐标。
所述差分电路将电势差信号输入第一滤波器和第二滤波器前，还对所述电势差信号进行姿态变换处理，其中，所述姿态变换处理具体为：
将所述电势差信号投影到由所述三组电极构建的三轴坐标系上，得到电势差信号在三轴坐标系上的分量；
将所述三轴坐标系与所述世界坐标系进行坐标转换，得到电势差信号在世界坐标系上的分量，完成电势差信号的姿态变换。
由此可见，由于电场强度是矢量，存在方向，采用空间三轴坐标系下的三分量电极阵列，得到的使电场强度在三轴坐标系上的投影。通过雷体内安装电子磁罗盘和角度传感器，可以测得沉底水雷布放到海底后的方位角和俯仰角，建立世界坐标系，通过电子磁罗盘和重力角度传感器的信息，可以实现电场强度测量值从雷体三轴坐标系到世界坐标系的转换，将电场强度投影到世界坐标系中，即实现对三分量电极阵列的姿态变换和补偿。
需要说明的是，经过姿态修正后的电势差信号输入两个滤波器，则最终得到的是在世界坐标系下的电磁遥控信号与舰船目标电场信号，有利于实现对沉底水雷布控位置的统一管理，以及对舰船目标的识别和定位。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于沉底水雷的电场信号接收系统，其特征在于，包括电子磁罗盘、重力角度传感器、中央处理器以及三个接收单元，各接收单元包括两个电极、两个前置电路、差分电路、第一滤波器以及第二滤波器，其中，同一接收单元内的电极在同一轴向上相对放置，且每个电极连接一个前置电路，三个接收单元的电极在空间上呈三轴正交分布；
所述电子磁罗盘用于获取沉底水雷在水底的方位角；
所述重力角度传感器用于获取沉底水雷在水底的俯仰角；
所述中央处理器用于根据所述方位角和俯仰角，确定所述沉底水雷在世界坐标系中的位置坐标；
各接收单元的工作过程如下：
所述电极用于接收水下的电场信号，其中，电场信号包括沉底水雷的电磁遥控信号与舰船目标电场信号；
所述前置电路用于将与其连接的电极接收到的电场信号转变为电压信号；
所述差分电路用于将两个前置电路输出的电压信号做相减处理，得到电势差信号；然后对所述电势差信号进行姿态变换处理，其中，所述姿态变换处理具体为：
将所述电势差信号投影到由三组电极构建的三轴坐标系上，得到电势差信号在三轴坐标系上的分量；
将所述三轴坐标系与所述世界坐标系进行坐标转换，得到电势差信号在世界坐标系上的分量，完成电势差信号的姿态变换；
所述第一滤波器和第二滤波器分别接收完成姿态变换后的电势差信号，然后对电势差信号进行分频处理，得到电磁遥控信号与舰船目标电场信号，实现沉底水雷的遥控以及沉底水雷对舰船目标的识别，其中，所述第一滤波器保留舰船目标电场信号，第二滤波器保留电磁遥控信号。
2.如权利要求1所述的一种用于沉底水雷的电场信号接收系统，其特征在于，所述电磁遥控信号的频率为0.3k～30kHz，舰船目标电场信号的频率为100Hz以下。
3.如权利要求2所述的一种用于沉底水雷的电场信号接收系统，其特征在于，所述第一滤波器是截止频率为100Hz的低通滤波器，第二滤波器是低端截止频率为300Hz，高端截止频率为30kHz的带通滤波器。
4.如权利要求1所述的一种用于沉底水雷的电场信号接收系统，其特征在于，所述电极为Ag/AgCl金属化合物电极或高分子聚合物材料电极。
5.如权利要求1所述的一种用于沉底水雷的电场信号接收系统，其特征在于，六个电极分别安装在沉底水雷的尾盖上。
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