CN110208863B

CN110208863B - 一种基于频域的水下物体探测形状的方法及装置

Info

Publication number: CN110208863B
Application number: CN201910555953.7A
Authority: CN
Inventors: 彭杰钢; 苏新铎
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2019-06-25
Filing date: 2019-06-25
Publication date: 2021-06-01
Anticipated expiration: 2039-06-25
Also published as: CN110208863A

Abstract

本发明公开了一种基于频域的水下物体探测形状的方法及装置，包括如下步骤：建立探测电场、采集电场信号、计算该位置的转折频率、移动发射电极获取多个位置转折频率和获取目标方向的形状。本发明通过水下主动电场从同一方向的不同位置对物体进行多次探测，对采集到的电场信息进行处理得出物体同一方向的不同位置上的转折频率，进而处理判断出物体单方向上的形状。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，探测迅速，灵活型好，适用范围广，对硬件设备要求不高，适用于在具有导电特性的液体环境中。特别的，在只能对物体的部分进行探测或只关心特定方向上的形状时具有良好效果。

Description

一种基于频域的水下物体探测形状的方法及装置

技术领域

本发明涉及水下探测领域，尤其涉及一种基于频域的水下物体探测形状的方法。

背景技术

水下探测是一门还在发展之中的技术。水下环境情况千变万化，针对不同的目标往往要应用不同的探测技术。常用的水下探测方式包括声呐探测、蓝绿激光水下探测，可以被用来定位物体、测定物体速度、寻找矿产资源等，但专门针对水下物体形状的探测方法还比较少。水下物体形状探测有着极为广泛的应用，比如测定沉船、水下环境精确勘测等。

主动电场探测技术来源于对弱电鱼的仿生。弱电鱼通过主动发射、接收并分析低频低压的电场来探测环境以活动、捕食，而不需依赖视觉、嗅觉。模仿弱电鱼的机制，探测器主动发射电场信号，通过对接收信号的畸变探测周边环境内物体信息，比如材质、形状、大小等。

在一些环境下，基于主动电场的探测可能会受到限制，比如目标物体部分被其他可隔绝探测的物质掩埋，或物体体积十分庞大，只关心物体特定方向形状时的情况，此时无法对物体进行全方位的完整探测，只能在有限的角度对部分物体进行扫描，因此，需要一种水下形状探测方法即使在上述情况下仍然能对物体形状进行识别。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于频域的水下物体探测形状的方法及装置。

一种基于频域的水下物体探测形状的方法，包括如下步骤：

S1，发射电极向待测物体的目标方向发射多频信号建立探测电场；

S2，接收电极采集探测电场的电场信号；

S3，对采集到的电场信号进行处理，得到该位置探测电场下的一组时频特性曲线，根据时频特性曲线确定该位置的转折频率；

S4，沿垂直于目标方向移动发射电极，改变发射电极位置；

S5，重复步骤S1-S3获取该目标方向多个位置的转折频率；

S6，对所得待测物体在目标方向的多个位置处的转折频率值进行分析处理，以获取待测物体该目标方向的形状。

所述多频信号为多个不同频率的正弦信号的叠加。

所述步骤S3包括如下子步骤：

S31：对接收信号进行短时傅里叶变换，得到一组时频特性曲线；

S32：观察信号频率增加时，时频特性曲线由凸起变成凹陷的变化过程；

S33：取时频特性曲线变为平直时的频率作为该位置的转折频率。

步骤S6包括，比较相邻两个位置所得转折频率，若两次转折频率相同，则代表两处扫描位置处于同一平面；若这两点转折频率不同，代表这两处位置不处于同一平面，两处之间存在转折，根据多次相邻位置转折频率的比较，即可判断该方向上物体形状。

一种基于频域的水下物体探测形状的方法，还包括步骤S7，对物体的四个方向分别做步骤S1-S7，得到四个方向上的物体形状，可以求得物体整体形状。

一种基于频域的水下物体探测形状的方法的探测装置，包括发射电极正极、发射电极负极、两个接收电极和处理装置；两个接收电极与发射电极正极处于同一直线且关于发射电极正极对称；发射电极负极放置于水体环境中，接收电极的输出与处理装置连接，所述处理装置用于对待测物体在目标方向的多个位置处的转折频率值进行分析处理，获取待测物体该目标方向的形状。

本发明的有益效果：提供一种基于频域的水下物体探测形状的方法及装置，通过水下主动电场从同一方向的不同位置对物体进行多次探测，对采集到的电场信息进行处理得出物体同一方向的不同位置上的转折频率，进而处理判断出物体单方向上的形状。进一步的，可对物体整体形状进行标识。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，探测迅速，灵活型好，适用范围广，对硬件设备要求不高，适用于在具有导电特性的液体(如水)环境中，特别的，在只能对物体的部分进行探测或只关心特定方向上的形状时具有良好效果。

附图说明

图1是对称电极对物体进行探测的示意图，其中(a)为对称电极从正方向对物体进行探测；(b)为对称电极从反方向对物体进行探测。

图2是单方向多路探测示意图。

图3是正向对铝立方体进行多路探测示意图。

图4是铝立方体正向时的时频分布谱图。

图5是铝立方体旋转任意角度探测示意图。

图6是铝立方体方向1上的时频分布谱图。

图7是铝立方体方向5上的时频分布谱图。

图8是对旋转一定角度的六棱柱探测示意图。

图9是方向1上铝六棱柱的时频分布谱图。

图10是方向3上铝六棱柱的时频分布谱图。

图11是方向5上铝六棱柱的时频分布谱图。

图12是六棱柱不同角度摆放时的探测示意图。

图13是铝圆柱探测示意图。

图14是铝圆柱方向1上的时频分布谱图。

图15是铝圆柱方向2上的时频分布谱图。

图16是铝圆柱方向3上的时频分布谱图。

图17是铝圆柱方向4上的时频分布谱图。

图18是铝圆柱方向5上的时频分布谱图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

本发明使用运动控制装置带动电极对物体进行探测。采用这种方式进行扫描实验，该电极的探测区域位于电极正下方，因此在探测时是对物体的部分而非整体进行探测。在同一个方向上横向移动电极对物体的不同部分进行探测，对所得到的同一面上的转折频率进行比较。

具体来以图2为例，图中在同一方向的五处位置进行探测，实验中从一端开始沿箭头方向对物体进行扫频试验，一次实验完成后电极横向移动一定距离，继续沿箭头方向进行相同的扫频试验。若两次实验中所得转折频率相同，则代表这两处扫描位置处于同一平面；若这两点转折频率不同，代表这两处位置不处于同一平面，两处之间存在转折。沿X轴进行多次实验，即可判断在该方向上物体形状；为节约时间，也可以采用多组电极协同探测，预设好电极组距离间隔，即可一次性得到多组数据。

本发明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与被测平面形成的角度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。电场线的畸变导致转折频率的改变，可在联合式频谱图表现出来。通过对物体同一方向不同位置多次扫描得来的转折频率的比较分析可以判断物体单方向形状。若要对物体整体形状进行判断只需在物体四个方向上探测即可。

本发明中的实施例现象均是以金属为例，但由主动电场探测技术的原理知对任何拥有转折频率的物体均可以用此种方法探测形状。

实施例1：铝立方体单方向多路探测。

如图3所示，使用运动控制装置带动电极对物体进行探测，从起点开始电极扫过物体上方，每次扫描结束后X轴横向运动直至运动结束，本此探测中横向移动步长7mm，在五个位置进行探测。同样的，使用多频信号与单频信号结合的方式寻找转折频率，水体电导率为17.5mS/m，温度为10摄氏度。

如图4及表1所示，(a)为多频下的时频分布图；(b)～(f)10Hz、20Hz、30Hz、40Hz、50Hz下的时频分布曲线，分别列出了20HZ脉冲信号响应下的时频分布谱图和频率在10HZ、20HZ、30HZ、40HZ、50HZ下的时频分布曲线。五次探测现象相同、转折频率相同均为20Hz，为避免重复，仅列出一次探测数据。其中，(a)为使用方波信号进行探测所得的联合时频分布谱图，可以明显的看到在中间物体出现的位置呈现出先凸后凹的趋势；(b)～(f)则是单频下的时频特性曲线。

表1铝立方体正向单方向上各点转折频率

本次探测频率从10Hz到50Hz以10Hz的间隔逐渐增大。幅度—时间曲线由凸到平，直到凹陷，趋势十分明显。在这五次探测中转折频率没有发生改变，均为20Hz，这五次探测中电极与物体被采样面所成夹角没有发生变化，即这五点处于同一平面，探测结论与目标物体的情况相符。

将铝立方体随机旋转某一角度如图5，重复上述探测步骤，探测数据如图6，图7及表2。图6中(a)为多频下的时频分布图；(b)～(f)10Hz、20Hz、30Hz、40Hz、50Hz下的时频曲线，图7中(a)为多频下的时频分布图；(b)～(f)10Hz、20Hz、30Hz、40Hz、50Hz下的时频曲线。在五次探测中前两次探测数据相同，后三次探测数据相同。因此仅列出两组不同的探测数据。

探测位置	1	2	3	4	5
						频率(Hz)	25	25	30	30	30

表2铝立方体旋转后单方向上各点转折频率

可以看到，几次探测中转折频率发生改变，在经过第3点前，转折频率保持于25Hz；而到了第3点及之后，转折频率转变为30Hz。据此判断，第1点，第2点处于同一平面，第3点，第4点，第5点处于同一平面且这两个平面之间存在转折。检查被测物体，发现这与实际情况相同。若将X方向上的步进距离减小，增加采样次数，可以找到具体的转折位置。在本次探测中，粗略的确定了转折发生时的大致位置。

实施例2：铝六棱柱的单方向多路探测。

将六棱柱进行一定角度的旋转，如图8所示，在该方向上存在两处转折点，共有三种转折频率，如图9、10、11所示。

图9中(a)(b)为多频下的时频分布图；(c)～(i)为20Hz、50Hz、100Hz、150Hz、200Hz、250Hz、300Hz下的时频曲线；

图10中(a)(b)为多频下的时频分布图；(c)～(i)为100Hz、150Hz、180Hz、200Hz、210Hz、230Hz、250Hz、300Hz下的时频曲线；

图11中(a)(b)为多频下的时频分布图；(c)～(i)为150Hz、180Hz、190Hz、200Hz、230Hz、250Hz、270Hz、350Hz下的时频曲线。

在图9(a)(b)中，因为转折频率数值较大，列出了两张频率值连续的联合式频谱图，图中可以明显的看到转折频率先凸后凹。

表3铝六棱柱旋转后单方向上各点转折频率

铝六棱柱各方向转折频率如表3所示。可以看到，使用铝六棱柱进行探测时其曲线的形状与立方体不同，但是仍然可以看到凹凸度的变化，在不同方位转折频率不同，该转折频率分别为150Hz，200Hz，230Hz。这是因为当旋转一定角度后三处的夹角均不相同。六棱柱摆放角度不同会导致结果产生变化，当铝六棱柱摆放如图12(a)时，电极运动方向垂直于铝六棱柱表面，此时只存在两种转折频率；而当六棱柱摆放如图12(b)时，探测方向垂直于铝六棱柱的面时，虽然转折频率转折两次，但两处转折点的前后转折频率相同，两处转折点中间的所探测到的频率发生改变。

实施例3：铝圆柱的单方向多路探测。

使用铝圆柱进行探测，同样的进行5次探测，如图13所示，按照从左到右的顺序标为1、2、3、4、5，实验数据均不相同。

数据如图14-18及表4所示：

图14中(a)为多频下的时频分布；(b)～(f)为10Hz、20Hz、30Hz、40Hz、50Hz下的时频曲线；

图15中(a)为多频下的时频分布；(b)～(f)为10Hz、20Hz、30Hz、40Hz、50Hz下的时频曲线；

图16(a)为多频下的时频分布；(b)～(d)为10Hz、20Hz、30Hz下的时频曲线；

图17(a)为多频下的时频分布；(b)～(d)为5Hz、10Hz、20Hz下的时频曲线；

图18(a)为多频下的时频分布；(b)～(f)为10Hz、20Hz、25Hz、30Hz、40Hz下的时频曲线。

表4铝圆柱各方向上转折频率

通过探测现象，可以看出铝圆柱在各个位置处所得到的转折频率均不相同，这亦符合实际情景：由于电极没有进行旋转，电极切入方向与圆柱体形成角度除了恰好对称的位置外处处不同，因此在每一点上的转折频率均不相同。如果减小运动步长进行更为细致的扫描，所得的转折频率仍然各不相同，得到探测物体单方向的形状。

本发明提供一种基于频域的水下物体探测形状的方法及装置，通过水下主动电场从同一方向的不同位置对物体进行多次探测，对采集到的电场信息进行处理得出物体同一方向的不同位置上的转折频率，进而处理判断出物体单方向上的形状，规避了对转折频率的精确寻找，不对转折频率的精度值有过高的要求，不是通过转折频率的具体值而是通过比对不同点转折频率间的改变来表示物体形状。进一步的，可对物体整体形状进行标识。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，探测迅速，灵活型好，适用范围广，对硬件设备要求不高，适用于在具有导电特性的液体(如水)环境中，特别的，在只能对物体的部分进行探测或只关心特定方向上的形状时具有良好效果。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种基于频域的水下物体探测形状的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S2，接收电极采集探测电场的电场信号；

S3，对采集到的电场信号进行处理，得到该发射电极位置探测电场下的一组时频特性曲线，根据时频特性曲线确定该发射电极位置的转折频率；

S4，沿垂直于目标方向移动发射电极，改变发射电极位置；

S5，重复步骤S1-S3获取该目标方向多个位置的转折频率；

S6，对所得待测物体在目标方向的多个位置处的转折频率值进行分析处理，以获取待测物体该目标方向的形状，比较相邻两个位置所得转折频率，若两次转折频率相同，则代表两处扫描位置处于同一平面；若这两点转折频率不同，代表这两处位置不处于同一平面，两处之间存在转折，根据多次相邻位置转折频率的比较，即可判断该方向上物体形状；

S7，对物体的四个方向分别做步骤S1-S6，得到四个方向上的物体形状，可以求得物体整体形状。

2.根据权利要求1所述的一种基于频域的水下物体探测形状的方法，其特征在于，所述多频信号为多个不同频率的正弦信号的叠加。

3.根据权利要求1所述的一种基于频域的水下物体探测形状的方法，其特征在于，所述步骤S3包括如下子步骤：

4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种基于频域的水下物体探测形状的方法的探测装置，其特征在于，包括发射电极正极、发射电极负极、两个接收电极和处理装置；两个接收电极与发射电极正极处于同一直线且关于发射电极正极对称；发射电极负极放置于水体环境中，接收电极的输出与处理装置连接，所述处理装置用于对待测物体在目标方向的多个位置处的转折频率值进行分析处理，获取待测物体该目标方向的形状。