CN112114367B - 一种利用主动电场探测海域中电学分界面的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用主动电场探测海域中电学分界面的方法，包括：设定初值，利用探测器上的两个电场强度传感器获得两个测量点处的电场强度的测量值；将测量点处电场强度的实测值与初值做比较，分别获取两个测点处电场强度实测值与初值的差值；判断分界面是否存在，若是，则进入第五步，若否，使得探测器沿原方向继续行进，并回到第二步；根据无限大海域中电偶极子源的定位算法，由两个测点处电场强度实测值与初值的差值计算出探测器上主动场源的镜像场源的位置，镜像场源与主动场源连线的中垂面即为电学分界面。本发明工程上易于实现，减少拟合运算量，同时基于此思想将该方法稍加改进可以实现对其他对称形状的目标进行探测。

Description

一种利用主动电场探测海域中电学分界面的方法
技术领域
本发明属于水下电场探测技术领域，具体为一种利用主动电场探测海域中电学分界面的方法。
背景技术
主动电场探测技术源于对“弱电鱼”的发现研究，此种鱼类生活在非洲和南美部分水域，它们视力退化，主要依靠腹部的特殊器官发出微弱的电场，然后通过感知电场的畸变发现并定位目标。基于“弱电鱼”探测目标的策略，国内外学者提出了水下主动电场探测的技术思路，重点研究了利用主动电场来探测水下具有简单形状的目标，并得到一些有价值的结论，但尚未见到对海洋环境中常见的电学分界面进行探测的相关报道。
海水是良导体，由于多种原因，海洋中存在各种各样和电场探测技术密切相关的电学分界面(指分界面两侧的媒质电导率不同)，例如海水和空气分界面、海水和海床分界面、舰船尾流边界面、舰艇壳体边界面等。这些分界面的存在，给水下航行器带来障碍，但也给水中兵器的自导提供了新的思路，因此研究海域中电学分界面的探测技术可以为水下航行器的避碰策略及水中兵器的自导技术提供理论支撑。特别是在实际的水下机器人(UUV)的主动电场探测系统和水中兵器的主动电场自导系统设计工作中，主动电场探测器在海水中运动需要及时探测电学分界面的距离与方位，显然研究利用主动电场探测海域中电学分界面的方法具有重要意义。
从目前的文献来看，研究利用主动电场探测海域中电学分界面的方法的文献未见公开报道。电场场源一般可抽象为一个电偶极子，本发明在无限大海域中电偶极子源的定位算法的基础上，借助等效法，给出了一种海域中主动电场探测电学分界面的方法。
当场源靠近分界面时，可将有限大的电学分界面看作无限大，无限大的电学分界面对电场场源的影响可以等效为镜像场源的作用，所以可采用等效思想解决电学分界面的探测问题。其具体思路是，由于分界面对测点电场的影响可以用镜像场源的作用来代替，因此可以假设海水中没有分界面，仅存在一个未知的镜像场源，它产生的电场即测点处电场强度与初值的差值。利用无限大海域中电偶极子源定位算法实现对镜像场源的定位，然后利用镜像场源与主动电场场源关于分界面的对称性便可实现对分界面的探测定位。
发明内容：
为了克服上述背景技术的缺陷，本发明提供一种利用主动电场探测海域中电学分界面的方法，工程上易于实现、减少拟合运算量。
为了解决上述技术问题本发明的所采用的技术方案为：
一种利用主动电场探测海域中电学分界面的方法，包括：
第一步：设定初值，根据海水的电导率、探测器的结构、所施加的主动电场场源强度计算出探测器上的两个电场强度传感器所在位置处电场强度的理论值，将其设置为初值；
第二步：实测场强，利用探测器上的两个电场强度传感器获得两个测量点处的电场强度的测量值；
第三步：计算场强的变化量，将测量点处电场强度的测量值与初值做比较，分别获取两个测量点处电场强度的测量值与初值的差值；
第四步：判断分界面是否存在，若是，则进入第五步，若否，使得探测器沿原方向继续行进，并回到第二步；
第五步：确定分界面参数，根据无限大海域中电偶极子源的定位算法，由两个测量点处电场强度实测值与初值的差值计算出探测器上主动场源的镜像场源的位置，镜像场源与主动场源连线的中垂面即为电学分界面。
较佳地，第一步设定初值时，主动电场场源等效为一个电偶极子，主动电场场源强度即电偶极子的偶极矩。
较佳地，第一步设定初值时，电场强度理论值的计算方法为：
设主动电场场源等效的电偶极子的位置为(xs，ys，zs)，偶极矩为P，海水的电导率为σ，在相对位置矢量为R的场点(x,y,z)处的电场强度为
Figure GDA0004190955930000031
其中矩阵I为3阶单位矩阵,R＝(x-xs,y-ys,z-zs)。
较佳地，第一步设定初值时：或将探测器远离分界面时，其上的电场强度传感器获得的电场强度取为初值。
较佳地，第四步判断分界面是否存在的方法为，判断两个测量点处电场强度实测值与初值的差值的模之和是否小于预设限值，若是，则可以判断探测器附近海域没有电学分界面，若否，则可以判断探测器附近海域存在电学分界面。
较佳地，预设限值为人工经验参数。
较佳地，预设限值的数值为两个测量点处电场强度实测值中较小的一个的1％。
较佳地，预设限值可以根据实际应用情况及所选择的传感器精度选择其他参数值。
较佳地，根据无限大海域中电偶极子源的定位算法计算出镜像场源的位置的方法包括：
电偶极子源的位置为(xs，ys，zs)，P为电偶极矩，海水的电导率为σ，在相对于电偶极子源的相对位置矢量分别为R1、R2的场点处布设两个三分量场强传感器，可获得测量点1、2两个位置处的电场强度分别为E1测、E2测。测量点1、2两个位置分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)，则R1＝(x1-xs,y1-ys,z1-zs)，R2＝(x2-xs,y2-ys,z2-zs)。
根据电偶极子在场点处的电场强度的表达式，得测量点1、2处的电场强度理论值E1、E2与电偶极矩及场点位置有如下关系
Figure GDA0004190955930000041
/>
其中矩阵I为3阶单位矩阵；
将上述(1)式变形为
Figure GDA0004190955930000051
测量点1、2处的电场强度理论值将使(2)式中两式之差为0。而实际测量值由于测量误差的存在，两式之差最小时的场源参数即为最佳参数；
用测点处电场强度测量值E1测、E2测替换(2)式中的E1、E2，并设两式差值为三维矢量参量G，即
Figure GDA0004190955930000052
使G的模取最小值时的(xs，ys，zs)，即为电偶极子场源位置参数。
本发明的有益效果在于：(1)利用主动电场源和两个三分量电场强度传感器来获得定位分界面的数据信息，工程上易于实现。
(2)定位所需输入数据为测点的电场强度，而利用电场强度对镜像电场场源进行定位的时候，可以通过求解逆矩阵减少需拟合的参数，减少拟合运算量。
(3)利用等效思想将分界面的探测问题转化为对镜像电场场源的定位问题，思路巧妙，同时基于此思想将该方法稍加改进可以实现对其他对称形状的目标进行探测。
附图说明
图1为主动电场探测电学分界面的示意图；
图2为主动电场探测电学分界面的流程图；
图3为参数α、β、d随参数d变化的响应曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
一种利用主动电场探测海域中电学分界面的方法，包括：
第一步：设定初值，根据海水的电导率、探测器的结构、所施加的主动电场场源强度计算出探测器上的两个电场强度传感器所在位置处电场强度的理论值，将其设置为初值；
设定初值时，主动电场场源等效为一个电偶极子，主动电场场源强度即电偶极子的偶极矩。
设定初值时，电场强度理论值的计算方法为：
设主动电场场源等效的电偶极子的位置为(xs，ys，zs)，偶极矩为P，海水的电导率为σ，在相对位置矢量为R的场点(x,y,z)处的电场强度为
Figure GDA0004190955930000061
其中矩阵I为3阶单位矩阵,R＝(x-xs,y-ys,z-zs)。
设定初值时：或将探测器远离分界面时，其上的电场强度传感器获得的电场强度取为初值。
第二步：实测场强，利用探测器上的两个电场强度传感器获得两个测量点处的电场强度的测量值；
第三步：计算场强的变化量，将测量点处电场强度的测量值与初值做比较，分别获取两个测量点处电场强度的测量值与初值的差值；
第四步：判断分界面是否存在，若是，则进入第五步，若否，则使探测器沿原运动方向继续行进，并回到第二步；
第四步判断分界面是否存在的方法为，判断两个测量点处电场强度实测值与初值的差值的模之和是否小于预设限值，若是，则可以判断探测器附近海域没有电学分界面，若否，则可以判断探测器附近海域存在电学分界面。
预设限值为人工经验参数；预设限值的数值或者为两个测点处电场强度实测值中较小的一个的1％；预设限值也可以根据实际应用情况及所选择的传感器精度选择其他参数值。
第五步：确定分界面参数，根据无限大海域中电偶极子源的定位算法，由两个测量点处电场强度实测值与初值的差值计算出探测器上主动场源的镜像场源的位置，镜像场源与主动场源连线的中垂面即为电学分界面。
根据无限大海域中电偶极子源的定位算法计算出镜像场源的位置的方法包括：
电偶极子源的位置为(xs，ys，zs)，P为电偶极矩，海水的电导率为σ，在相对于电偶极子源的相对位置矢量分别为R1、R2的场点处布设两个三分量场强传感器，可获得测量点1、2两个位置处的电场强度分别为E1测、E2测。测量点1、2两个位置分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)，则R1＝(x1-xs,y1-ys,z1-zs)，R2＝(x2-xs,y2-ys,z2-zs)。
根据电偶极子在场点处的电场强度的表达式，得测量点1、2处的电场强度理论值E1、E2与电偶极矩及场点位置有如下关系
Figure GDA0004190955930000081
其中矩阵I为3阶单位矩阵；
将上述(1)式变形为
Figure GDA0004190955930000082
/>
测量点1、2处的电场强度理论值将使(2)式中两式之差为0。而实际测量值由于测量误差的存在，两式之差最小时的场源参数即为最佳参数；
用测点处电场强度测量值E1测、E2测替换(2)式中的E1、E2，并设两式差值为三维矢量参量G，即
Figure GDA0004190955930000083
使G的模取最小值时的(xs，ys，zs)，即为电偶极子场源位置参数。
本实施例如图1所示，在探测器上布设1个主动场源p(由相距很近的两个通电铂片作为发射电极，可等效为一个电偶极子)及2个三分量电场强度传感器A、B，三者相对方位固定。为方便起见，可取传感器A、B的三个探测轴方向分别一致，且两个传感器的位置连线与某探测轴方向保持平行。将主动场源p置于A、B中垂线上。建立坐标系如图，取场强传感器A、B的中点为坐标原点，A、B的连线方向为x方向，坐标原点与主动电场源p连线方向为y方向。在该坐标系中，设传感器A的坐标为(-a，0，0)，传感器B的坐标为(a，0，0)，主动场源p的坐标为(0，b，0)，源强度(等效电偶极子的电偶极矩)为P。
以探测器距离分界面较远时，传感器A、B的测量值作为电场强度的初值EA0、EB0，或者以不考虑分界面时，根据海水的电导率σ0及主动电场探测器的已知条件，计算出的测点A、B处电场强度的理论值作为电场强度的初值EA0、EB0。在探测器运动时，根据传感器A、B测得电场强度的实测值EA测、EB测相对于电场强度的初值的变化量(即电场强度的差值)δEA、δEB判断探测器附近是否存在电学分界面。
此时
Figure GDA0004190955930000091
若|δEA|+|δEB|≤c(其中常数c为一小量)，表明探测器在运动时，传感器测得的电场强度变化量很小，因此判断探测器附近不存在电学分界面；若|δEA|+|δEB|＞c，表明探测器在运动时，传感器测得的电场强度变化量不可忽略，而测点处电场强度的变化量我们认为是电学分界面引起的，因此判断此时探测器附近存在电学分界面。
当判断探测器附近存在电学分界面时，先定位出主动电场场源关于电学分界面镜像的镜像场源的位置p＇。
设镜像场源p＇的坐标为(x，y，z)，则传感器A、B相对于镜像场源p＇的相对位置矢量分别为R′A＝(-a-x，-y，-z)，R′B＝(a-x，-y，-z)，将相对位置矢量RA＇、RB＇和电场强度的差值δEA、δEB带入式(5)，通过拟合运算使得参量G的模小于阈值k(其中常数k为一小量)时，此时镜像场源的坐标(x，y，z)取最优解。
Figure GDA0004190955930000101
主动电场场源p的坐标为(0，b，0)，镜像场源的坐标(x，y，z)，根据镜像场源p＇与主动电场场源p关于电学分界面S对称，所以电学分界面S的单位法向向量n和坐标原点距离分界面S的距离d可分别如下计算：
Figure GDA0004190955930000102
利用主动电场探测分界面的具体过程如图2所示。
图2中参数c为判断海域中电学分界面是否存在的阀值，可用两个测点处电场强度差值的模的和与该阈值进行比较，以判断探测器附近是否存在电学分界面。参数k为判断镜像场源坐标是否为最优解的阈值，当拟合运算后得到参量G的模小于阈值k，此时镜像场源坐标(x，y，z)即为最优解。
下面为本发明具体实施例
1、仿真算例——对海水-空气分界面的探测定位
(1)采用如图1所示结构的主动电场探测器，以传感器A、B的中点为坐标原点，以场强传感器的探测轴方向为坐标系的正方向建立直角坐标系。对海洋环境和主动电场探测器的设置如下：
主动电场探测器
电场场源p的偶极矩为P＝(10，1，1)A·m，场源位置坐标为(0，0.5，0)m。场强传感器A的坐标为(-0.2，0，0)m，场强传感器B的坐标为(0.2，0，0)m。设场强传感器A、B在每个探测轴方向上的测量精度为1μv/m，传感器测量每个方向的场强噪声为noise＝10-6randn(1)。在实验中不考虑主动电场探测器自身结构对电场分布的影响。
海洋环境
设海水电导率为4S/m，空气电导率为0S/m，海水较深可以忽略海床对测点A、B处电场的影响。
(2)用无分界面时两测点处的电场强度的理论值为初值。
(3)获得测量点处的电场强度实测值。
将测量点处电场强度的理论值加上一定幅度的噪声作为实测值的仿真。
即
E测＝E+10-6rand(3，1) (7)
其中E表示测点处电场强度的理论值(有分界面时)。计算出A、B两点处电场强度的理论值EA、EB，再将其带入(7)式即可得到测点A、B处电场强度的测量值EA测、EB测。
(4)探测结果及分析
设海平面在主动电场探测器坐标系中的单位法向向量n1与z轴正方向成角β＝π/3，其在x-o-y平面的投影与x轴正方向成角α＝π/6，坐标原点O距离海平面S1的距离d的取值范围为[1,10.5]m。
按图2所示流程，将EA测、EB测带入镜像场源的定位算法中，解算出相应的镜像场源的坐标(x1，y1，z1)，然后带入(6)式得海水-空气分界面的单位法向向量n1和距离参数d。并将解算出来的海平面参数与真实值进行比值，得到参数的响应函数，即H(α)＝α测/α真，H(β)＝β测/β真，H(d)＝d测/d真，画出各参数随d变化的响应曲线如图3所示。
由图3可见，在所设置的仿真条件下，本发明所述主动电场探测电学分界面的方法能准确的对分界面参数进行确定，显然方法是有效的。当然，由图3也可看到，随着探测距离的增加，响应度会下降，这是任何一种探测方法都存在的现象，且本发明中可以通过提高场源强度、提高传感器精度来改善此现象。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种利用主动电场探测海域中电学分界面的方法，其特征在于，包括：
第一步：设定初值，根据海水的电导率、探测器的结构、所施加的主动电场场源强度计算出探测器上的两个电场强度传感器所在位置处电场强度的理论值，将其设置为初值；
第二步：实测场强，利用探测器上的两个电场强度传感器获得两个测量点处的电场强度的测量值；
第三步：计算场强的变化量，将测量点处电场强度的测量值与初值做比较，分别获取两个测量点处电场强度的测量值与初值的差值；
第四步：判断分界面是否存在，若是，则进入第五步，若否，则使得探测器沿原方向继续行进，并回到第二步；
第五步：确定分界面参数，根据无限大海域中电偶极子源的定位算法，由两个测量点处电场强度实测值与初值的差值计算出探测器上主动场源的镜像场源的位置，镜像场源与主动场源连线的中垂面即为电学分界面。
2.根据权利要求1所述的一种利用主动电场探测海域中电学分界面的方法，其特征在于，所述第一步设定初值时，主动电场场源等效为一个电偶极子，主动电场场源强度即电偶极子的偶极矩。
3.根据权利要求1所述的一种利用主动电场探测海域中电学分界面的方法，其特征在于，所述第一步设定初值时，电场强度理论值的计算方法为：
设主动电场场源等效的电偶极子的位置为(xs，ys，zs)，偶极矩为P，海水的电导率为σ，在相对位置矢量为R的场点(x,y,z)处的电场强度为
Figure FDA0004175470810000021
其中矩阵I为3阶单位矩阵,R＝(x-xs,y-ys,z-zs)。
4.根据权利要求1所述的一种利用主动电场探测海域中电学分界面的方法，其特征在于，所述第一步设定初值时：或将探测器远离分界面时，其上的电场强度传感器获得的电场强度取为初值。
5.根据权利要求1所述的一种利用主动电场探测海域中电学分界面的方法，其特征在于：所述第四步判断分界面是否存在的方法为，判断所述两个测量点处电场强度实测值与初值的差值的模之和是否小于预设限值，若是，则可以判断探测器附近海域没有电学分界面，若否，则可以判断探测器附近海域存在电学分界面。
6.根据权利要求5所述的一种利用主动电场探测海域中电学分界面的方法，其特征在于：所述预设限值为人工经验参数。
7.根据权利要求5所述的一种利用主动电场探测海域中电学分界面的方法，其特征在于：所述预设限值的数值为两个测量点处电场强度实测值中较小的一个的1％。
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