CN110261914B - 一种可分辨方位的水下电磁探测器 - Google Patents
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Abstract
一种可分辨方位的水下电磁探测器，包括有与处理及结果显示器相连的定位短基线声纳；定位短基线声纳通过拖曳绳和线缆与V形拖曳杆固定杆；V形拖曳杆固定杆连接有两根V形拖曳杆；两根V形拖曳杆分别通过一绳和信号线缆连接一结构相同的刚性连接杆一、刚性连接杆二；刚性连接杆二的前端设有电磁辐射器A，后端设有电磁检测器A；刚性连接杆二的前端连接有前调节链绳；刚性连接杆的后端还连接有一后调节链绳；前调节链绳、后调节链绳上均设有浮力调节链；通过分时探测，由数据处理器分析电磁检测器A及电磁检测器B输出的幅值大小及比较，判定目标的方位，并估计目标的距离，具有结构简单，可多组合使用的特点。
Description
技术领域
本发明属于水底和水下沉埋金属目标探测技术领域，具体涉及一种可分辨方位的水下电磁探测器，用于水底及水下沉埋磁性及非磁性金属目标的探测，适用于水面船拖曳探测及水下ROV搭载探测。
背景技术
水下沉底金属目标探测涉及军民多个领域的应用，如水下沉埋油气管道路由巡检探测，金属目标水下物证搜寻或危险物探测等应用。市场上的水下金属探测器大都是磁梯度探测器，这种探测器的原理是，磁性目标会对地球磁力线空间分布产生拢动影响，通过磁梯度检测达到探测磁性金属目标的目的，这种探测器不能用于非磁性目标的探测。主动方式的电磁探测器较少，常用的是进口的TSS440电磁探测器，可以用于ROV搭载探测，结构复杂，价格较昂贵，普及应用困难。本发明针对以上需求和困难，提出了一种可分辨方位的水下电磁探测器实现方案，结构简单、可靠，使用方便，可以多个组合并行应用，适用于ROV搭载和水面船拖曳探测。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明的目的提供了一种可分辨方位的水下电磁探测器，用于水底磁性和非磁性金属目标探测，方便水面船拖曳探测和ROV搭载使用，具有结构简单，可多组合使用的特点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种可分辨方位的水下电磁探测器，包括有与处理及结果显示器相连的定位短基线声纳；定位短基线声纳通过拖曳绳和线缆与V形拖曳杆固定杆相连；V形拖曳杆固定杆连接有两根V形拖曳杆；两根V形拖曳杆分别通过一条绳和信号线缆与结构相同的刚性连接杆一、刚性连接杆二相连；刚性连接杆二的前端设有电磁辐射器A，后端设有电磁检测器A；刚性连接杆二的前端连接有前调节链绳；刚性连接杆二的后端还连接有一后调节链绳；前调节链绳、后调节链绳上均设有浮力调节链。
所述的刚性连接杆二两端分别设有一浮球一和浮球二。
所述的绳和信号线缆绕在水面拖船后端的拖曳缆滑轮上。
所述的V形拖曳杆固定杆上端设有浮球三、定位声信标。
所述的刚性连接杆二内设有浮体材料。
所述的刚性连接杆二的长度为2m～5m。
所述的刚性连接杆一前端设有电磁辐射器B，后端设有电磁检测器B；电磁辐射器B与电磁辐射器A相同，电磁检测器B与电磁检测器A相同；刚性连接杆一与刚性连接杆二的结构相同。
所述的电磁检测器A、电磁检测器B为三轴或二轴传感器。
所述的电磁辐射器A、电磁辐射器B通过功率放大器与信号发生器相连；信号发生器与数据采集及数据处理器相连；数据采集及数据处理器的输入端与信号放大滤波器相连，数据采集及数据处理器的输出端与显示及存贮器相连；信号放大滤波器与电磁检测器A、电磁检测器B相连。
所述的刚性连接杆一的数量可根据需要设置。
本发明的有益效果是：
本发明可以探测水底磁性金属和非磁性金属目标，可改变工作频率判别金属目标属性特征。探测器具有结构简单、可靠，可组合扩大探测面积，方便ROV搭载，可用于水面船拖曳探测水底金属目标。
由于本发明采用的电磁辐射器A与电磁检测器A、电磁辐射器B与电磁检测器B的体积小，方便电磁平衡调整，即要提高电磁检测器的检测灵敏度，而其体积又不能大，当X轴有限幅输出时，使Y轴和Z轴的输出尽量小。电磁检测器的体积小，有利于其空间电磁分布场为轴对称分布场，有利于提高电磁探测器的探测灵敏度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2(a)为磁芯线圈的电磁辐射器磁力线空间分布示意图。
图2(b)为磁偶极子磁力线从N极至S极的方向及分布示意图。
图3为一种可分辨方位的水下电磁探测器组成方式示意图。
图中：1-电磁辐射器A、2-电磁辐射器B、3-电磁检测器A、4-电磁检测器B二、5-刚性连接杆一、6-刚性连接杆二、7-浮体材料、8-浮球一、9-浮球、10-前调节链绳、11-后调节链绳、12-浮力调节链、13-绳和信号线缆、14-V形拖曳杆、15-V形拖曳杆固定结构、16-浮球三、17-拖曳绳和线缆、18-定位声信标、19-定位短基线声纳、20-拖曳缆滑轮、21-处理及结果显示器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明结构原理和工作原理作进一步详细说明。
如图1～图3所示，一种可分辨方位的水下电磁探测器，包括有与处理及结果显示器21相连的定位短基线声纳19；定位短基线声纳19通过拖曳绳和线缆17与V形拖曳杆固定杆15相连；V形拖曳杆固定杆15连接有两根V形拖曳杆14；两根V形拖曳杆14分别通过一绳和信号线缆13连接一结构相同的刚性连接杆一5、刚性连接杆二6；刚性连接杆二6的前端设有电磁辐射器A1，后端设有电磁检测器A3；刚性连接杆二6的前端连接有前调节链绳10；刚性连接杆二6的后端还连接有一后调节链绳11；前调节链绳10、后调节链绳11上均设有浮力调节链12。
所述的刚性连接杆二6两端分别设有一浮球一8和浮球二9。所述的绳和信号线缆13绕在水面拖船后端的拖曳缆滑轮20上。所述的V形拖曳杆固定杆15上端设有浮球三16、定位声信标18。所述的刚性连接杆二6内设有浮体材料7。所述的刚性连接杆二6的长度为2m～5m。
所述的刚性连接杆一5前端设有电磁辐射器B2，后端设有电磁检测器B4；电磁辐射器B2与电磁辐射器A1相同，电磁检测器B4与电磁检测器A3相同；刚性连接杆一5与刚性连接杆二6的结构相同。
所述的电磁检测器A3、电磁检测器B4为三轴或二轴传感器。
所述的电磁辐射器A、电磁辐射器B通过功率放大器与信号发生器相连；信号发生器与数据采集及数据处理器相连；数据采集及数据处理器的输入端与信号放大滤波器相连，数据采集及数据处理器的输出端与显示及存贮器相连；信号放大滤波器与电磁检测器A、电磁检测器B相连。
所述的电磁辐射器A1与电磁检测器A3、电磁辐射器B2与电磁检测器B4分别由不同的刚性连接杆连接，其中，电磁检测器A1、电磁辐射器B2在刚性连接杆前，电磁检测器A3、电磁检测器A4在刚性连接杆后。拖曳中通过前调节链绳10及后调节链绳11上的非磁性高分子材料浮力调节链12的多个环的重量调节刚性连接杆距海床的高度。接固定电磁辐射器A1与电磁检测器A3及电磁辐射器B2与电磁检测器B4的刚性连接杆二6的长度为2m～5m。
参见图1～图2，所述的电磁检测器A3的X轴应与磁芯线圈电磁辐射器A1同轴，通过调整空间的相对位置关系(即电磁平衡调整)，使电磁检测器A3的Y轴和Z轴输出尽量小，如满量程的1/20～1/30,当满量程为10V时，Y轴和Z轴可以为300mV左右，在满足上述条件下，控制电磁辐射器A1的强度足够大，使X轴产生限幅(X轴的输出是不用于分析)。电磁辐射器B2、电磁检测器B4的结构关系参见电磁检测器A3、电磁辐射器A1连接。
本发明的工作原理介绍：图2(a)～(b)所示，利用线圈电磁辐射器辐射场轴对称的空间分布特性，在空间场中放置电磁检测器，使电磁检测器X轴与电磁辐射器同轴，从而使电磁检测器Y轴和Z轴垂直于电磁波分布场，输出值最小。当电磁辐射器的空间分布场中出现金属目标时，磁力线空间分布受到影响，使电磁检测器的Y轴和Z轴产生输出变化，通过幅值变化确认存在金属目标，据幅度变化大小估计目标方位和位置。二组电磁辐射器和电磁检测器分时交替工作，从而可以判定目标的方位，有利于引导拖曳船或是水下ROV航行，降低航程损失。同时利用多个频率点的高频CW脉冲电磁波探测信号，探测金属目标并判别目标的磁性与非磁性金属特征。磁芯线圈电磁辐射器具有磁偶极子场的空间分布特性，磁力线空间分布具有轴对称特性，磁力线从N极端头出来，在S极端头进入，在距磁偶极子较远的位置上，中心轴线即X轴具有较强的强度而在Y、Z轴上则强度最小，如空间出现金属物体时，Y、Z轴的输出会产生变化。
图1中，电磁辐射器A1和电磁检测器A3分别嵌入刚性连接杆二的端头内部，通过固化胶固定，保证其相对位置在使用中不会变化。
所述的刚性连接杆一5、刚性连接杆二6的内部均填充浮体材料，以减轻水中的重量，有利于刚性连接杆在使用中减小变形。二根刚性连接杆的间隔约为1m～1.5m，通过前调节链绳(10)及后调节链绳11上的非磁性高分子材料调节链12的重量，调节刚性连接杆距海床的高度，如0.5m(拖曳时会有降低如0.4m)。固定电磁辐射器A1与电磁检测器A3及电磁辐射器B2与电磁检测器B4的刚性连接杆的长度为2m(拖曳使用时可以更大，如为4m)。所述的刚性连接杆为非金属高分子材料加工，采用方管结构，也可以是圆管。
探测器工作时，电磁辐射器A1与电磁检测器A3必须刚性固定，不能在使用中产生相对位置变化；同样，电磁辐射器B2与电磁检测器B4也必须刚性固定，不能在使用中产生相对位置变化。且电磁辐射器A1和电磁检测器A3与电磁辐射器B2和电磁检测器B4之间分时工作，通过分时探测，由数据处理器分析电磁检测器A3及电磁检测器B4输出的幅值大小及比较，判定目标的方位，并估计目标的距离。
所述电磁辐射器A1与电磁检测器A3、电磁辐射器B2与电磁检测器B4固定在刚性连接杆上，电磁辐射器与电磁检测器之间应进行空间电磁平衡调整，电磁平衡调整须在电磁环境好的环境进行，如周围50m范围内无磁性金属物体，周围20m范围内无非磁性金属物体，200m范围没有功率输配电线。必要时在水下进行电磁平衡调整。
所述的电磁检测器可以为三轴或二轴的电磁检测器，电磁平衡调整即是要求电磁辐射器与电磁检测器X轴同轴，从而使电磁检测器的X轴有较大输出，而在Y轴和Z轴方向则输出幅度为最小(实际情况下应调整相对位置，使Y轴和Z轴的输出最小化并满足要求)。
所述刚性连接杆用非金属高分子材料加工，如环氧树脂材料加工的方管或是圆管，电磁辐射器和电磁检测器嵌入刚性连接杆内部固定，固定方式可以是硫化胶、环氧胶等，保证电磁辐射器和电磁检测器在探测使用过程中不会产生相对位置晃动和变化。
所述的电磁辐射器和电磁检测器进行电磁平衡调整(空间相对位置的调整)时，电磁检测器的X轴与电磁辐射器同轴，在电磁检测器的Y轴和Z轴方向的输出尽量小，如满量程的1/20～1/30,当满量程为10V时，Y轴和Z轴可以为300mV左右，在满足上述条件下，控制电磁辐射器的强度足够大使X轴产生限幅(X轴的输出是不用于分析的)，保证电磁探测器有足够大的探测范围。
所述的电磁辐射器A1、电磁辐射器B2以及电磁检测器工作频率范围一般为200Hz～1500Hz内，信号为CW信号，信号宽度为200ms左右,使用不同的工作频率，有利于识别金属目标的磁性和非磁性特征等。信号用功率放大器输出驱动LC谐振电路，谐振电路可以是串联谐振电路也可以是并联谐振电路。针对探测目标可以改变工作频率，如200Hz、500Hz、1000Hz和1500Hz,为节省电路功耗，最好利用CW信号，信号宽度为300ms左右(150ms～350ms)。
所述探测器用于水面船拖曳探测时，为扩大探测范围，可以采用多根电磁辐射器和电磁检测器空间组合方式，且可适当增加电磁检测器与电磁辐射器之间的间隔，如5m，扩大探测器的探测面积。
本发明的一种可分辨方位的水下电磁探测器实现方案，可以适应磁性和非磁性金属的水下沉底目标探测，探测器的结构简单、可靠，重量轻，方便水下ROV安装，并能通过组合方式适应水面船拖曳方式探测，扩大探测范围。本发明的电磁探测器适用于ROV搭载探测，电磁辐射器A1与电磁检测器A3、电磁辐射器B2与电磁检测器B4之间分时工作，通过分时探测，分析电磁检测器A3及电磁检测器B4输出的幅值大小，通过比较分析，判定目标的方位，并估计目标的距离。
所述的电磁辐射器A1与电磁检测器A3、电磁辐射器B2与电磁检测器B4之间的相对位置调整须在电磁环境好的环境进行，如周围50m范围内无磁性金属物体，周围20m范围内无非磁性金属物体，200m范围没有功率输配电线。同时最好在水下进行电磁平衡调整。
所述电磁辐射器A1与电磁检测器A3、电磁辐射器B2与电磁检测器B4的体积小，方便电磁平衡调整，即要提高电磁检测器的检测灵敏度，而其体积又不能大，当X轴有限幅输出时，使Y轴和Z轴的输出尽量小。电磁检测器的体积小，有利于其空间电磁分布场为轴对称分布场，有利于提高电磁探测器的探测灵敏度。
所述的探测器用于水面船拖曳探测时，为扩大探测范围，可以采用多根电磁辐射器和电磁检测器空间组合方式，扩大探测面积。
应当理解的是，本发明上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种可分辨方位的水下电磁探测器，包括有与处理及结果显示器(21)相连的定位短基线声纳(19)；定位短基线声纳(19)通过拖曳绳和线缆(17)与V形拖曳杆固定杆(15)相连；其特征在于，V形拖曳杆固定杆(15)连接有两根V形拖曳杆(14)；两根V形拖曳杆(14)分别通过一条绳和信号线缆(13)与结构相同的刚性连接杆一(5)、刚性连接杆二(6)相连；刚性连接杆二(6)的前端设有电磁辐射器A(1)，后端设有电磁检测器A(3)；刚性连接杆二(6)的前端连接有前调节链绳(10)；刚性连接杆二(6)的后端还连接有一后调节链绳(11)；前调节链绳(10)、后调节链绳(11)上均设有浮力调节链(12)；
所述的刚性连接杆一(5)前端设有电磁辐射器B(2)，后端设有电磁检测器B(4)；电磁辐射器B(2)与电磁辐射器A(1)相同，电磁检测器B(4)与电磁检测器A(3)相同；刚性连接杆一(5)与刚性连接杆二(6)的结构相同，通过分时探测，分析电磁检测器A(3)及电磁检测器B(4)输出的幅值大小，通过比较分析，判定目标的方位，并估计目标的距离。
2.根据权利要求1所述的一种可分辨方位的水下电磁探测器，其特征在于，所述的刚性连接杆二(6)两端分别设有一浮球一(8)和浮球二(9)。
3.根据权利要求1所述的一种可分辨方位的水下电磁探测器，其特征在于，所述的绳和信号线缆(13)绕在水面拖船后端的拖曳缆滑轮(20)上。
4.根据权利要求1所述的一种可分辨方位的水下电磁探测器，其特征在于，所述的V形拖曳杆固定杆(15)上端设有浮球三(16)、定位声信标(18)。
5.根据权利要求1所述的一种可分辨方位的水下电磁探测器，其特征在于，所述的刚性连接杆二(6)内设有浮体材料(7)；所述的刚性连接杆二(6)的长度为2m～5m。
6.根据权利要求1所述的一种可分辨方位的水下电磁探测器，其特征在于，所述的电磁检测器A(3)、电磁检测器B(4)为三轴或二轴传感器。
7.根据权利要求1所述的一种可分辨方位的水下电磁探测器，其特征在于，所述的电磁辐射器A、电磁辐射器B通过功率放大器与信号发生器相连；信号发生器由数据采集及数据处理器控制；数据采集及数据处理器的输入端与信号放大滤波器相连，数据采集及数据处理器的输出端与显示及存贮器相连；信号放大滤波器与电磁检测器A、电磁检测器B相连。
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