CN112596006A - 深水低电磁干扰环境的电磁矢量参数测量系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水声定位技术、电磁辐射技术、电磁接收技术、电磁矢量特性测量技术、信号处理技术等领域，提供了一种基于水声三维空间定位的深水低电磁干扰环境的电磁矢量参数测量方法和系统。采用活动甲板双体船船载吊放方式，将电磁辐射装置和电磁接收装置，软连接方式吊放在水下50米深度以上。通过移动活动甲板位置、改变吊放点与船舷的相对位置、吊放深度，实现三维坐标的布放；利用深水形成的天然电磁屏障，获得一个超低背景噪声电磁环境；节省建设磁场屏蔽室的巨大费用，采用水声空间精确定位，获得收发电磁基阵之间的相对距离和角度，用三分量电磁接收传感器对磁场进行测量，在低成本情况下实现超低背景电磁噪声环境下的磁场矢量特性参数标定。
Description
技术领域
本发明涉及电磁矢量参数测量技术领域，具体为深水低电磁干扰环境的电磁矢量参数测量系统和方法。
背景技术
磁场测量是电磁辐射器、电磁接器、空间磁场抵消等应用的技术基础，没有高精度的、科学的测量技术和方法，就不可能精确计量磁场参量。磁信号在近地面空气中极易受到干扰，金属物体、潮湿的地面、钢筋水泥浇筑的地面，建筑墙体中的合金、带变压电路的设备等，都会通过反射、叠加等方式改变磁场的传播特性。磁场的幅度、频率、相位都会受到干扰而改变。目前电磁接收传感器的精度已到皮特量级，而空气中的磁干扰超过几百纳特，也就是背景噪声远远大于被测设备的灵敏度，空气环境完全不能满磁场参量测量要求。
传统情况下，通过在近地空间采用特殊材料建立磁场屏蔽室，以获得低背景噪声、近自由场磁环境。而磁场屏蔽室的建设成本极高，且跟空间体积有关系，体积越大成本越高。磁场强度是矢量参数，不仅有大小，还有方向性，这决定了磁场的测量空间不可能太小，成本随之增加。
如何解决上述问题，在低成本条件下获得低背景噪声、近自由磁场环境，解决高精度电磁参量的矢量测量。本文提出一种基于水声三维空间定位的深水低电磁干扰环境的电磁矢量参数测量方法。
本文提出的方法适用于拥有特殊自然条件，例如一定深度淡水湖，具备一定的基础设施，如带活动甲板的双体船只。这时可利用这些现有条件，采用活动甲板双体船船载吊放方式，利用大于50米水深形成的天然磁屏障，获得超低背景噪声磁场环境，通过在电磁辐射装置与电磁接收装置上安装声学收发基阵及定位装置，对电磁辐射装置及电磁接收装置的相对空间位置进行精确定位，用三分量电磁接收传感器对磁场进行测量。在低成本情况下实现超低背景电磁噪声环境下的磁场矢量特性参数标定。
发明内容
为解决上述现有技术存在的不足，发明人经过研发设计，提供了一种基于水声三维空间定位的深水低电磁干扰环境的电磁矢量参数测量方法和系统，利用天然淡水资源就可获得低电磁背景噪声的环境，节省建设磁场屏蔽室的巨大费用。具体的，本发明是这样实现的：
深水低电磁干扰环境的电磁矢量参数测量系统，包括：安装在水上的磁场测量及声定位显示控制设备；安装在水上能沿水平面横向位移、在水下纵向升降的两套吊放设备，两套吊放设备之间保持一定的距离；其中一套吊放设备软连接有位置相互接近的电磁辐射及声定位发射装置，另一套吊放设备软连接有位置相互接近的电磁接收及声定位接收装置，二者均通过电缆连接至磁场测量及声定位显示控制设备；磁场测量及声定位显示控制设备，用于基于两套吊放设备之间构成的横移量和升降量，利用声定位原理构建三轴坐标系统，并能获取在该三轴坐标系统内由电磁发射、接收装置构成的相对距离和角度，通过电磁接收装置的测量结果获得到当前磁场矢量特性参数标定。
进一步的，电磁接收装置为三分量电磁接收传感器，三分量电磁接收传感器用于对磁场进行测量，在低成本情况下实现超低背景电磁噪声环境下的磁场矢量特性参数标定。
本发明的另一方面，提供了深水低电磁干扰环境的电磁矢量参数测量方法，包括以下步骤：S1、在水面上搭建沿水平面可进行相互垂直平移、并能纵向在水下升降的两套吊放设备；S2、在两套吊放设备上分别安装吊放在深水之中的电磁辐射装置与电磁接收装置，并在电磁辐射装置与电磁接收装置上安装声学收发基阵及定位装置；S3、基于声学收发基阵及定位装置的空间方位搭建水下三维坐标，对电磁辐射装置及电磁接收装置的水下相对空间位置进行精确定位，获得收发电磁基阵之间的相对距离和角度；S4、用三分量电磁接收传感器对磁场进行测量，实现超低背景电磁噪声环境下的磁场矢量特性参数标定。
本发明的工作原理和有益效果：采用活动甲板双体船船载吊放方式，将电磁辐射装置和电磁接收装置，软连接方式吊放在水下50米深度以上。通过移动活动甲板位置(x坐标)、改变吊放点与船舷的相对位置(y坐标)、吊放深度(z坐标)，实现三维坐标的布放。利用深水形成的天然电磁屏障，获得一个超低背景噪声电磁环境。通过在电磁辐射装置与电磁接收装置上安装声学收发基阵及定位装置，对电磁辐射装置及电磁接收装置的相对空间位置进行精确定位，用三分量电磁接收传感器对磁场进行测量。在低成本情况下实现超低背景电磁噪声环境下的磁场矢量特性参数标定。本发明利用天然淡水资源就可获得低电磁背景噪声的环境，节省建设磁场屏蔽室的巨大费用，利用水声空间精确定位，获得收发电磁基阵之间的相对距离和角度，用三分量电磁接收传感器对磁场进行测量，在低成本情况下实现超低背景电磁噪声环境下的磁场矢量特性参数标定。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图；
图2是深水电磁矢量参数测量方法设备布放示意图；
图3是深水电磁矢量参数测量系统结构图；
图4是双体船吊放三维坐标移动示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例1：
深水低电磁干扰环境的电磁矢量参数测量系统，包括：安装在水上的磁场测量及声定位显示控制设备；安装在水上能沿水平面横向位移、在水下纵向升降的两套吊放设备，两套吊放设备之间保持一定的距离；其中一套吊放设备软连接有位置相互接近的电磁辐射及声定位发射装置，另一套吊放设备软连接有位置相互接近的电磁接收及声定位接收装置，二者均通过电缆连接至磁场测量及声定位显示控制设备；磁场测量及声定位显示控制设备，用于基于两套吊放设备之间构成的横移量和升降量，利用声定位原理构建三轴坐标系统，并能获取在该三轴坐标系统内由电磁发射、接收装置构成的相对距离和角度，通过电磁接收装置的测量结果获得到当前磁场矢量特性参数标定。
电磁接收装置为三分量电磁接收传感器，三分量电磁接收传感器用于对磁场进行测量，在低成本情况下实现超低背景电磁噪声环境下的磁场矢量特性参数标定。
电磁辐射及声定位发射装置包括电磁辐射阵、电磁辐射电子设备、发射换能器、声定位发射电子设备。
电磁接收阵及声定位接收装置包括电磁接收阵、电磁接收电子设备、接收换能器阵、声定位接收电子设备。
磁场测量及声定位显示控制设备包括电磁辐射、电磁测量显示控制单元，声发射、声定位测量显示控制单元。
实施例2：
深水低电磁干扰环境的电磁矢量参数测量方法，包括以下步骤：
S1、在水面上搭建沿水平面可进行相互垂直平移、并能纵向在水下升降的两套吊放设备；
S2、在两套吊放设备上分别安装吊放在深水之中的电磁辐射装置与电磁接收装置，并在电磁辐射装置与电磁接收装置上安装声学收发基阵及定位装置；
S3、基于声学收发基阵及定位装置的空间方位搭建水下三维坐标，对电磁辐射装置及电磁接收装置的水下相对空间位置进行精确定位，获得收发电磁基阵之间的相对距离和角度；
S4、用三分量电磁接收传感器对磁场进行测量，实现超低背景电磁噪声环境下的磁场矢量特性参数标定。
进一步的，两套吊放设备搭建在双体船的两侧船体之间，沿中间镂空部位搭建，且能沿夹板平面设置成相互垂直分布的两个可移动轴结构，并通过电缆深度可控地分别向水下吊放电磁发射阵和电磁接收阵，整体吊放构成三轴可动式结构，三轴移动能改变电磁收发阵的相对位置；其中一条电缆连接电磁发射阵和声学定位发射基阵，另一条电缆则连接电磁接收阵和声学定位接收基阵。
实际应用时：
测量条件包括：具有一定水深的淡水湖、可移动甲板双体船。淡水中磁场衰减特性与空气中磁场衰减特性极其相似，可用淡水代替空气。双体船中间镂空部位沿甲板吊放电磁发射阵和接收阵，甲板移动方向为x方向，垂直甲板边沿为y方向，吊放深度控制z，三轴移动可改变电磁收发阵的相对位置。
基于声定位的深水电磁矢量参数测量系统由磁场测量及声定位显示控制设备1、电磁辐射及声定位发射装置2、电磁接收阵及声定位接收装置3、电缆4等组成。
磁场测量及声定位显示控制设备1由电磁辐射、电磁测量显示控制单元1-1，声发射、接收定位测量显示控制单元1-2组成。
电磁辐射及声定位发射装置2由电磁辐射电子设备2-1、电磁辐射阵2-2、声定位发射电子设备2-3、发射换能器2-4、深度及工作状态监测电路2-5、深度传感器2-6组成。
磁场测量及声定位显示控制设备1通过电缆4，向电磁辐射及声定位发射装置2传递电磁辐射参数及命令，电磁辐射电子设备2-1根据参数，产生特定强度、频率的数字信号，经过功率放大器输出驱动电磁辐射阵2-2，产生电磁信号。
磁场测量及声定位显示控制设备1通过电缆4，向电磁辐射及声定位发射装置2传递水声定位信标参数，声定位发射电子设备2-3根据参数，产生特定脉冲数字信号，经过功率放大器输出驱动发射换能器2-4，产生水声信号。
电磁接收阵及声定位接收装置3由电磁接收阵3-1、电磁接收电子设备3-2、接收换能器阵3-3、声定位接收电子设备3-4、深度及工作状态监测电路3-6、深度传感器3-5组成。
电磁接收阵3-1接收电磁辐射阵2-2辐射的电磁信号，经过电磁接收电子设备3-2放大、滤波、采集、模/数转化,输出数字信号，通过电缆4传输至磁场测量及声定位显示控制设备1的电磁辐射、电磁测量显示控制单元1-1，进行显示。
接收换能器阵3-3接收发射换能器2-4产生水声信号，经过声定位接收电子设备3-4放大、滤波、采集、模/数转化,输出数字信号，通过电缆4传输至磁场测量及声定位显示控制设备1的声发射、接收定位测量显示控制单元1-2，进行信号检测、方位解算显示。
深度及工作状态监控电路2-5采集深度传感器2-6输出的深度信号，电磁辐射电子设备2-1和声定位发射电子设备2-3的电流和电压信号，输出到磁场测量及声定位显示控制设备1进行显示。
深度及工作状态监控电路3-6采集深度传感器3-5的深度信号，电磁辐射电子设备3-2和声定位发射电子设备3-4的电流和电压信号，输出到磁场测量及声定位显示控制设备1进行显示。
用户根据磁场测量及声定位显示控制设备1显示的深度，调整布放深度。
电磁接收阵3-1为三分量磁接收传感器，对空间位置的磁场采用三分量参数表征，表征方式为，P(x,y,z)->B(x,y,z),P(x,y,z)是相对于电磁接收传感器相对于电磁发射阵的三维坐标，B(x,y,z)。
该方法对于研究水下电磁场相关技术具有较好的适用性，利用天然淡水资源就可获得低电磁背景噪声的环境，节省建设磁场屏蔽室的巨大费用。采用水声空间精确定位，获得收发电磁基阵之间的相对距离和角度。用三分量电磁接收传感器对磁场进行测量。在低成本情况下实现超低背景电磁噪声环境下的磁场矢量特性参数标定。
应当理解的是，本发明的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。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (7)
1.深水低电磁干扰环境的电磁矢量参数测量系统，其特征在于，包括：
安装在水上的磁场测量及声定位显示控制设备；
安装在水上能沿水平面横向位移、在水下纵向升降的两套吊放设备，两套吊放设备之间保持一定的距离；
其中一套吊放设备软连接有位置相互接近的电磁辐射及声定位发射装置，另一套吊放设备软连接有位置相互接近的电磁接收及声定位接收装置，二者均通过电缆连接至磁场测量及声定位显示控制设备；
磁场测量及声定位显示控制设备，用于基于两套吊放设备之间构成的横移量和升降量，利用声定位原理构建三轴坐标系统，并能获取在该三轴坐标系统内由电磁发射、接收装置构成的相对距离和角度，通过电磁接收装置的测量结果获得到当前磁场矢量特性参数标定。
2.根据权利要求1所述的电磁矢量参数测量系统，其特征在于，所述电磁接收装置为三分量电磁接收传感器，三分量电磁接收传感器用于对磁场进行测量，在低成本情况下实现超低背景电磁噪声环境下的磁场矢量特性参数标定。
3.根据权利要求1火2所述的电磁矢量参数测量系统，其特征在于，所述电磁辐射及声定位发射装置包括电磁辐射阵、电磁辐射电子设备、发射换能器、声定位发射电子设备。
4.根据权利要求1所述的电磁矢量参数测量系统，其特征在于，电磁接收阵及声定位接收装置包括电磁接收阵、电磁接收电子设备、接收换能器阵、声定位接收电子设备。
5.根据权利要求1所述的电磁矢量参数测量系统，其特征在于，磁场测量及声定位显示控制设备包括电磁辐射、电磁测量显示控制单元，声发射、声定位测量显示控制单元。
6.深水低电磁干扰环境的电磁矢量参数测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在水面上搭建沿水平面可进行相互垂直平移、并能纵向在水下升降的两套吊放设备；
S2、在两套吊放设备上分别安装吊放在深水之中的电磁辐射装置与电磁接收装置，并在电磁辐射装置与电磁接收装置上安装声学收发基阵及定位装置；
S3、基于声学收发基阵及定位装置的空间方位搭建水下三维坐标，对电磁辐射装置及电磁接收装置的水下相对空间位置进行精确定位，获得收发电磁基阵之间的相对距离和角度；
S4、用三分量电磁接收传感器对磁场进行测量，实现超低背景电磁噪声环境下的磁场矢量特性参数标定。
7.根据权利要求6所述的电磁矢量参数测量方法，其特征在于，两套吊放设备搭建在双体船的两侧船体之间，沿中间镂空部位搭建，且能沿夹板平面设置成相互垂直分布的两个可移动轴结构，并通过电缆深度可控地分别向水下吊放电磁发射阵和电磁接收阵，整体吊放构成三轴可动式结构，三轴移动能改变电磁收发阵的相对位置；其中一条电缆连接电磁发射阵和声学定位发射基阵，另一条电缆则连接电磁接收阵和声学定位接收基阵。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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