CN110850483B - 一种基于电场电极阵列布置的水中目标探测和定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电场电极阵列的水中目标探测和定位方法，所述方法中，电场电极呈弧形阵列布置，由满足一定条件的电场电极组合形成一个探测阵列组，采用电场定位算法由不同探测阵列组分别计算水中目标定位参数，最后对多组水中目标定位参数进行融合获得精确的水中目标三方向坐标位置和电偶极矩。本发明适用于水下安全警戒领域，算法适应性好，定位精度高。

Description

一种基于电场电极阵列布置的水中目标探测和定位方法

技术领域

本发明涉及水中目标探测技术领域，尤其涉及利用水中目标电场特征对其进行探测和定位的方法。

背景技术

在水下，可通过水中目标的声场、电磁场和光学等特征进行探测和定位，实现水下目标探测。对于大多数水中目标来说，因其由不同金属制造，自腐蚀和腐蚀防护系统将产生静电场和轴频电场等电场特征信号，利用其电场特征信号可以实现探测和定位。目前，尚缺乏基于电场特征对水中目标进行定位的方法。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于电场电极阵列的水中目标探测和定位方法，通过采用阵列形式布置多个电场电极，扩大探测范围，并由不同位置的电场电极针对不同类型目标形成探测组，基于融合定位算法实现大型目标、中型目标和小型目标的探测和定位。算法适应性好，同时能满足精度要求，基于该方法搭建的系统结构精简，效费比高。

本发明的具体技术方案是提供了一种基于电场电极阵列的水中目标探测和定位方法，包括：

布设多个电场测量电极和1个参考电极，所述多个电场测量电极呈弧形阵列布置，利用多个电场测量电极和1个参考电极分别进行不同位置处的电位信号采集，分析获取不同位置处的电场特征量实现水中目标的探测和定位。

进一步地，所述方法包括下述步骤：

步骤1：所有的电场电极实时采集数据，在任意采样时刻，判断是否存在某个电场电极的电位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：根据预设的电场电极阵列组，由测量分析得到的电场特征量计算电场定位非线性方程组，得到水中目标的三方向坐标位置(x，y，z)以及电偶极矩(IL)_x或(IL)_y，由不同电场电极阵列组求解得到的水中目标三方向坐标位置以及电偶极矩形成水中目标的电场定位初始解；

步骤3：以电场电极测得的三个最大电位测量异常值为依据，以步骤2得到的水中目标的电场定位初始解作为初代种群，采用遗传算法进行逼近函数寻优，得到水中目标的三方向坐标位置以及电偶极矩精确解；

步骤4：判断是否存在至少1个电场电极的电位测量异常值大于探测阈值，若仍然存在，则重复步骤3，否则，判断水中目标消失，返回步骤1。

进一步地，所述电场特征量为电位φ、电场x方向分量E_x及其在x和y方向上的梯度

和

进一步地，所述步骤2中，设定电场电极阵列组的预定条件为3个电场电极排列所形成的三角形为为等边三角形、直角三角形和120°等腰三角形。

进一步地，所述步骤2中，针对不同设定电场电极阵列组测量得到的电场信号，分别采用下述公式计算得到电场特征量：

1)等边三角阵阵列组，其电场特征量近似计算式为

式中：d为电场测量电极间距，序号1～3为电场测量电极编号；

2)直角三角形阵阵列组，其电场特征量近似计算式为

3)120°等腰三角形阵列组，其电场特征量近似计算式为

进一步地，所述步骤2中，采用下述公式描述电场定位非线性方程组：

1)当水中目标电偶极矩沿x方向时，电场定位非线性方程组为

式中：σ为海水电导率，

z'为电场电极布置深度；

2)当水中目标电偶极矩沿y方向时，电场定位非线性方程组为

本发明提出的一种基于电场电极阵列布置的水中目标探测和定位方法，具有以下优点：

(1)实现电场探测和定位的电场电极数量较少，可使搭建的系统简单可靠，成本低；

(2)不同位置处的电场电极优化组合可适应不同类型目标的探测和定位需求，算法适用性强；

(3)采用融合算法对目标进行探测和定位，定位精度高。

附图说明

图1是本发明提出的基于电场电极阵列的水中目标探测和定位方法原理示意图。

图2是基于6个电极测量电场强度三分量的原理示意图。

图3是本发明提出的用于单点电场梯度测量定位的电极布置方式。

图4是本发明提出的用于单点电场梯度测量的三种简易电极布置方式。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步地说明。

如图1所示，本发明的一种基于电场电极阵列，布设多个电场测量电极和1个参考电极，所述多个电场测量电极呈弧形阵列布置，利用多个电场测量电极和1个参考电极分别进行不同位置处的电位信号采集，分析获取不同位置处的电场特征量实现水中目标的探测和定位。

水中目标探测和定位方法具体包括以下步骤：

步骤1：所有的电场电极实时采集数据，在任意采样时刻，判断是否存在某个电场电极的电位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：根据预设的电场电极阵列组，由测量分析得到的电场特征量计算电场定位非线性方程组，得到水中目标的三方向坐标位置(x，y，z)以及电偶极矩(IL)_x或(IL)_y，由不同电场电极阵列组求解得到的水中目标三方向坐标位置以及电偶极矩形成水中目标的电场定位初始解；

步骤3：以电场电极测得的三个最大电位测量异常值为依据，以步骤2得到的水中目标的电场定位初始解作为初代种群，采用遗传算法进行逼近函数寻优，得到水中目标的三方向坐标位置以及电偶极矩精确解；

步骤4：判断是否存在至少1个电场电极的电位测量异常值大于探测阈值，若仍然存在，则重复步骤3，否则，判断水中目标消失，返回步骤1。

在步骤2中，每组电场电极采用电场特征量进行水下目标定位的具体过程如下。

讨论利用电场特征对水下目标进行定位时,由于测量设备一般距水下目标较远,根据经验可把水下目标视为一水平电偶极子。以空气—海水界面下的水平电偶极子模型为例，假若z＝0为海平面,水平直流电偶极子沿x轴向位于点(0,0,z′)处,电偶极矩为(IL)_x，海水电导率为σ，海水中任一点(x,y,z)处的电位大小为：

式中：

同理，水平直流电偶极子沿y轴向位于点(0,0,z′)处,电偶极矩为(IL)_y，时，海水中任一点(x,y,z)处的电位大小为：

电场强度及梯度可由上式对各方向求导获得。

当水平直流电偶极子沿x轴向位于点(0,0,z′)处，两个电场水平分量和两个水平方向上的电场梯度为：

当水平直流电偶极子沿y轴向位于点(0,0,z′)处，两个电场水平分量和两个水平方向上的电场梯度为：

在水下电场测量中,主要测量对象包括电位，一般用测量电极与远处的参考电极的电位差来衡量；电场强度，利用4～6个电极。

如图2所示，在6个电极测量电场的方法中，每个方向上至少2个电极成对测量电势差，由电势差/电极间距来衡量，电极间距在一定程度上决定了电场测量灵敏度，间距越大灵敏度越高。

如图3所示，为实现基于单点电场测量进行定位，首先提出基于单点电场梯度张量测量定位方法。通过8个电场电极和1个参考电极测量得到8个电位φ₁～φ₉，得到反映单点的电位、两个电场水平分量和两个水平方向上的电场梯度共5个特征量，即

式中：△为电极之间的相对距离。

在水平直流电偶极子方向未知的情形下，水平直流电偶极子将沿x轴向和y轴向共2个偶极矩分量(IL)_x和(IL)_y，类比式(1)，可知理论上水平直流偶极子在单点的电位、两个电场水平分量和两个水平方向上的电场梯度可表示为：

理论上，由上述5个特征量即可求解含目标水平电偶极子的2个偶极矩分量以及3个位置分量的方程组得到位置参数。

上述基于单点电场梯度张量测量定位的方法所需电场电极数量较多，探测范围小，电场电极的间距相对固定也限制了其探测灵敏度的自适应性，限制了其适应不同类型目标定位的可能。当需要扩大搜索范围时，需要以8个电场电极为基本单元布置阵列，电场电极数量较多，造成系统复杂。

如图4所示，为简化配置在图3的基础上提出以3个电场电极为基本单元布置的改进方案，即本发明采用的三种简易布置形式：

1)120°阵列组(等腰三角形)，其电场特征量近似计算式如下：

2)60°阵列组(等边三角阵)，其电场特征量近似计算式如下：

3)90°阵列组(直角三角形阵)，其电场特征量近似计算式如下：

假设测量电极均沿水下目标坐标系的x向或y向布置，上述简易布置方案可以测得电位、电场x方向分量及其在x和y方向上的梯度共计4个特征量，虽然理论上缺少一个分量，但考虑到传感器布置呈弧形，总有与目标水平偶极子方向接近的电极组合，因此用4个特征量去求解方程组时也可以得到接近目标真实定位值的初解。

在此基础上，再以电场电极测得的三个最大电位值为依据，通过建立反映电场定位解与真实水中目标位置和水平偶极子电偶极矩参数逼近程度的目标函数，对水中目标的位置和电偶极矩进行进一步寻优，以实现目标精确定位。目标函数选用电场电位，尽量减少姿态测量误差对定位的影响。目标函数如下所示：

式中：φ_i'为对应某一组水下目标位置和电偶极矩参数计算得到的第i个位置处的电场电位，采用式(6)进行计算；φ_i为实际测量得到的第i个位置处的电场电位。

在步骤3中，以水中目标的位置和电偶极矩作为寻优变量，上述目标函数作为适应度函数，约束条件设定为初解最大值的两倍，采用遗传算法进行寻优，可进一步得到精度更高的水中目标定位解。

图1所示的弧形阵列布置形式，是本发明所提方法的一种典型示意。在图1的基础上，可对阵列进一步细分，减小电场电极间距，增大电场电极个数，丰富电场电极组合，以适应目标大小的变化。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据实施例和附图公开内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变换或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种基于电场电极阵列的水中目标探测和定位方法，其特征在于，所述方法包括：

布设多个电场测量电极和1个参考电极，所述多个电场测量电极呈弧形阵列布置，利用多个电场测量电极和1个参考电极分别进行不同位置处的电位信号采集，分析获取不同位置处的电场特征量实现水中目标的探测和定位；所述方法包括下述步骤：

步骤1：所有的电场电极实时采集数据，在任意采样时刻，判断是否存在某个电场电极的电位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：根据预设的电场电极阵列组，由测量分析得到的电场特征量计算电场定位非线性方程组，得到水中目标的三方向坐标位置(x，y，z)以及电偶极矩(IL)_x或(IL)_y，由不同电场电极阵列组求解得到的水中目标三方向坐标位置以及电偶极矩形成水中目标的电场定位初始解；

步骤3：以电场电极测得的三个最大电位测量异常值为依据，以步骤2得到的水中目标的电场定位初始解作为初代种群，采用遗传算法进行逼近函数寻优，得到水中目标的三方向坐标位置以及电偶极矩精确解；

步骤4：判断是否存在至少1个电场电极的电位测量异常值大于探测阈值，若仍然存在，则重复步骤3，否则，判断水中目标消失，返回步骤1；所述电场特征量为电位φ、电场x方向分量E_x及其在x和y方向上的梯度

和

所述步骤2中，预设的电场电极阵列组的预定条件为3个电场电极排列所形成的三角形为为等边三角形、直角三角形和120°等腰三角形；针对不同设定电场电极阵列组测量得到的电场信号，分别采用下述公式计算得到电场特征量：

1)等边三角阵阵列组，其电场特征量近似计算式为

式中：d为电场测量电极间距，序号1～3为电场测量电极编号；

2)直角三角形阵阵列组，其电场特征量近似计算式为

3)120°等腰三角形阵列组，其电场特征量近似计算式为

采用下述公式描述电场定位非线性方程组：

1)当水中目标电偶极矩沿x方向时，电场定位非线性方程组为

式中：σ为海水电导率，

z'为电场电极布置深度；

2)当水中目标电偶极矩沿y方向时，电场定位非线性方程组为

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