CN113740917B - 基于水下主动电场的球型阵列空间探测定位装置及方法 - Google Patents

基于水下主动电场的球型阵列空间探测定位装置及方法 Download PDF

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Abstract

基于水下主动电场的球型阵列空间探测定位装置及方法，包括球型阵列支架、电场发射电极和电场接收电极；电场发射电极设置在球型阵列支架的球心位置，若干电场接收电极均匀布置在球型阵列支架外表面。本发明一种基于水下主动电场的球型阵列空间探测定位装置，通过将电场接收电极均匀的布置在球面上，电场发射电极布置在球心处，所有接收电极到发射电极的距离均完全相同，最大程度上抑制了主激励信号对各接收电极的影响。相比于传统的线性阵列、圆形阵列等结构，“一对多”的球型阵列设计能够实现在水下三维空间内对目标物的有效探测与定位，并且探测范围更广，定位精度更高。

Description

基于水下主动电场的球型阵列空间探测定位装置及方法
技术领域
本发明涉及水下探测技术领域，尤其涉及基于水下主动电场的球型阵列空间探测定位装置及方法。
背景技术
海洋面积约占地球总面积的四分之三，广袤无垠的海洋里蕴含着非常丰富的各类资源。作为一种新兴探索领域，海洋资源的开发和利用受到了全球各国的高度重视。目前，常见的水下探测技术主要为：以声学信号为主的声呐探测技术和以光学成像为主的水下电视。声呐是利用声波判断水下环境中物体的存在、位置以及物体的类型等特征的方法和设备。声呐的探测距离较远，但是容易受到外界噪声以及混响干扰，在近岸浅水区域难以应用。水下电视则是基于光学成像的原理进行探测。光学探测具有非常高的探测精度，但是受水域水质和水下光强的影响，无法应用在浑浊水域以及光线较差的深水环境。
无论是声呐技术还是水下电视技术在进行水下探测与定位的过程中都存在一些缺陷和不足，无法很好地适用于各种复杂水况下的工作。
发明内容
本发明的目的在于提供基于水下主动电场的球型阵列空间探测定位装置及方法，以解决声呐和光学成像探测技术在复杂水况下定位精度差甚至无法使用的问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于水下主动电场的球型阵列空间探测定位装置，包括球型阵列支架、电场发射电极和电场接收电极；电场发射电极设置在球型阵列支架的球心位置，若干电场接收电极均匀布置在球型阵列支架外表面。
进一步的，球型阵列支架包括边长相等的十二个球面正五边形和二十个球面正六边形；每个球面正五边形与周围的五个球面正六边形邻接，每个球面正六边形与周围的三个球面正五边形和个球面正六边形邻接；十二个球面正五边形和二十个球面正六边形相互连接共组成六十个节点，每个节点和球心的之间的距离相等。
进一步的，每个节点处均布置有电场接收电极。
进一步的，球型阵列支架上的一个正六边形内设有安装座，安装座上设置有支撑杆，支撑杆延伸到球型阵列支架的球心处，电场发射电极设置在支撑杆上。
进一步的，安装座上设置有螺纹孔，支撑杆上设置有螺纹，支撑杆和安装座螺纹配合连接。
进一步的，电场发射电极为球状结构，通过密封胶粘接在支撑杆底部，用来建立水下电场。
进一步的，电场接收电极为柱状结构，采用过盈配合的方式与球型阵列支架进行紧固连接，用来接收水下电场畸变信号。
进一步的，电场发射电极和电场接收电极均采用固态银/氯化银复合材料制备而成。
进一步的，基于水下主动电场的球型阵列空间探测定位装置的定位方法，包括以下步骤：
步骤1，将电场发射电极接入一频率为f的正弦信号，用来在水下建立一交变电场；
步骤2，获取探测水域内无目标干扰时各电场接收电极的原始电压信号
Figure BDA0003198412860000021
i为接收电极个数；
步骤3，对采集到的原始电压信号
Figure BDA0003198412860000022
进行快速傅里叶变换后得到能量-频率曲线，获取能量-频率曲线上频率为f处的信号能量
Figure BDA0003198412860000023
步骤4，模拟目标物从不同方位或位置处逐渐靠近球型阵列空间探测定位装置，并获取目标扰动下各电场接收电极的探测电压信号
Figure BDA0003198412860000024
步骤5，对采集到的探测电压信号
Figure BDA0003198412860000025
进行快速傅里叶变换后得到能量-频率曲线，获取能量-频率曲线上频率为f处的信号能量
Figure BDA0003198412860000026
步骤6，若原始信号能量
Figure BDA0003198412860000031
与探测信号能量
Figure BDA0003198412860000032
相同，则探测水域内不存在目标物；若原始信号能量
Figure BDA0003198412860000033
与探测信号能量
Figure BDA0003198412860000034
不完全相同，则计算各电场接收电极上的能量差值
Figure BDA0003198412860000035
步骤7，比较各电场接收电极上的能量差值ΔEi，能量差值ΔEi最大值对应的电场接收电极方向即为目标物所处空间方向和位置。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种基于水下主动电场的球型阵列空间探测定位装置，通过将电场接收电极均匀的布置在球面上，电场发射电极布置在球心处，所有接收电极到发射电极的距离均完全相同，最大程度上抑制了主激励信号对各接收电极的影响。相比于传统的线性阵列、圆形阵列等结构，“一对多”的球型阵列设计能够实现在水下三维空间内对目标物的有效探测与定位，并且探测范围更广，定位精度更高。
本发明一种基于水下主动电场的球型阵列空间探测定位装置及方法，通过在水下建立起一主动电场，并通过接收和分析目标物扰动下引起的电场畸变信号，从而实现对探测水域内目标物的有效探测与定位。相比传统的基于声呐和光学成像的水下探测技术，水下主动电场探测不受外界环境噪声、水域水质和光线强度等因素的影响，在复杂地貌、浑浊水质以及无光区域仍可正常工作，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明所述基于水下主动电场的球型阵列空间探测定位装置的主视图示意图；
图2是本发明所述基于水下主动电场的球型阵列空间探测定位装置的俯视图示意图；
图3是本发明所述基于水下主动电场的球型阵列空间探测定位装置的工作示意图；
图4是本发明所述基于水下主动电场的球型阵列空间探测定位方法的工作流程图；
图中1.球型阵列支架，2.安装座，3.支撑杆，4.电场发射电极，5.电场接收电极。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和技术方案更加明显，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加完整和详尽的描述。
参照图1至图3，一种基于水下主动电场的球型阵列空间探测定位装置，包括球型阵列支架1、支撑杆3、电场发射电极4和电场接收电极5。
球型阵列支架1由边长完全相等的12个球面正五边形和20个球面正六边形组成。每个球面正五边形与周围的5个球面正六边形邻接，每个球面正六边形与周围的3个球面正五边形和3个球面正六边形邻接。球型阵列支架1的直径根据探测水域的面积设计，本申请中球型阵列支架1的直径为200mm。12个球面正五边形和20个球面正六边形相互连接共组成60个节点，每个节点和球心的之间的距离完全相等，每个节点处均布置1个电场接收电极5。整个球型阵列支架1共布置有60个电场接收电极5，每个电场接收电极5均独立地连接至多通道数据采集卡，用来接收和采集探测水域内的电场畸变信号，而后通过有线的方式将采集的各路信号输入至计算机进行处理和分析。球型阵列支架1顶部一球面正六边形处设有安装座2，安装座2内部具有螺纹结构，用来与支撑杆3进行固定。
支撑杆3通过位于杆上的外螺纹与球型阵列支架1上的安装座2进行固定。支撑杆底部布置1个电场发射电极4，电场发射电极4通过连接信号发生器可以在探测区域内建立水下电场。电场发射电极4位于球型阵列支架1的球心处，且距离球型阵列支架安装座2的距离等于球型阵列支架1的半径。
电场发射电极4采用固态银/氯化银复合材料制备而成，电场发射电极4设计为球状结构，直径可根据需求设计，本申请中电场发射电极4的直径为30mm。电场发射电极4通过密封胶粘接在支撑杆3底部。
电场接收电极5采用固态银/氯化银复合材料制备而成，电场接收电极5设计为棒状结构，尺寸可根据需求设计，本申请中电场接收电极5的直径为6mm，长度为15mm，电场接收电极5采用过盈配合的方式与球型阵列支架1进行紧固连接。
本发明中通过将60个电场接收电极5均匀的布置在球型阵列支架1上，1个电场发射电极4通过支撑杆2布置在球型阵列支架1的球心处，所有电场接收电极5到电场发射电极4的距离均完全相同，最大程度上抑制了主激励信号对各电场接收电极的影响。本发明可在三维空间内对水下目标进行有效探测与定位，并且探测范围更广，定位精度更高。
参照图4，一种基于水下主动电场的球型阵列空间探测定位过程包括电场建立阶段、待探测阶段和探测定位阶段。
电场建立阶段中采用信号发生器调制出一频率为f的正弦交流信号，本申请中f取值为1000Hz。并将调制出的信号连接至电场发射电极4，用来在被探测水域内部建立一水下交变电场；
待探测阶段中在保证探测水域内无目标物干扰的情况下，利用多通道数据采集卡对多个电场接收电极5独立地进行原始电压信号
Figure BDA0003198412860000051
的采集，i为电场接收电极个数。本申请中i取值为60。对采集到的原始电压信号
Figure BDA0003198412860000052
进行快速傅里叶变换后得到能量-频率曲线，获取能量-频率曲线上频率为f处的原始信号能量
Figure BDA0003198412860000053
快速傅里叶变换函数为：
Figure BDA0003198412860000054
探测定位阶段中模拟目标物从不同方位或位置处逐渐靠近所述球型阵列空间探测定位装置，同时采集目标物扰动下各电场接收电极的探测电压信号
Figure BDA0003198412860000055
。对采集到的探测电压信号
Figure BDA0003198412860000056
进行快速傅里叶变换后得到能量-频率曲线，获取能量-频率曲线上频率为f处的信号能量
Figure BDA0003198412860000057
由于探测水域内目标物的存在会对已建立的电场产生一定的干扰，进而致使水下电场发生畸变，反应至电场接收电极上即为信号的能量值发生改变。因此，可以通过计算无目标干扰的待探测阶段所得原始信号能量
Figure BDA0003198412860000058
与目标干扰下的探测定位阶段所得探测信号能量
Figure BDA0003198412860000059
的差值
Figure BDA00031984128600000510
来实现对水下目标的探测与定位。若各电场接收电极所得能量差值ΔEi相同，则说明探测水域内部存在目标物；若各电场接收电极所得能量差值ΔEi不完全相同，则说明探测水域中存在目标物，且能量差值ΔEi最大值对应的电场接收电极方向即为目标物所处空间方向和位置。
以上内容仅为说明本申请发明的技术思想，不能作为限定本发明的保护范围的依据，凡是按照本发明提出的设计构思和技术特征，在技术方案上所做的任何修改与替换，均在本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于水下主动电场的球型阵列空间探测定位装置，其特征在于，包括球型阵列支架(1)、电场发射电极(4)和电场接收电极(5)；电场发射电极(4)设置在球型阵列支架(1)的球心位置，若干电场接收电极(5)均匀布置在球型阵列支架(1)外表面；
球型阵列支架(1)包括边长相等的十二个球面正五边形和二十个球面正六边形；每个球面正五边形与周围的五个球面正六边形邻接，每个球面正六边形与周围的三个球面正五边形和(3)个球面正六边形邻接；十二个球面正五边形和二十个球面正六边形相互连接共组成六十个节点，每个节点和球心的之间的距离相等；
每个节点处均布置有电场接收电极(5)；
球型阵列支架(1)上的一个正六边形内设有安装座(2)，安装座(2)上设置有支撑杆(3)，支撑杆(3)延伸到球型阵列支架(1)的球心处，电场发射电极(4)设置在支撑杆(3)上。
2.根据权利要求1所述的基于水下主动电场的球型阵列空间探测定位装置，其特征在于，安装座(2)上设置有螺纹孔，支撑杆(3)上设置有螺纹，支撑杆(3)和安装座(2)螺纹配合连接。
3.根据权利要求1所述的基于水下主动电场的球型阵列空间探测定位装置，其特征在于，电场发射电极(4)为球状结构，通过密封胶粘接在支撑杆(3)底部，用来建立水下电场。
4.根据权利要求1所述的基于水下主动电场的球型阵列空间探测定位装置，其特征在于，电场接收电极(5)为柱状结构，采用过盈配合的方式与球型阵列支架进行紧固连接，用来接收水下电场畸变信号。
5.根据权利要求1所述的基于水下主动电场的球型阵列空间探测定位装置，其特征在于，电场发射电极(4)和电场接收电极(5)均采用固态银/氯化银复合材料制备而成。
6.基于水下主动电场的球型阵列空间探测定位装置的定位方法，其特征在于，基于权利要求1至5任意一项所述的基于水下主动电场的球型阵列空间探测定位装置，包括以下步骤：
步骤1，将电场发射电极接入一频率为f的正弦信号，用来在水下建立一交变电场；
步骤2，获取探测水域内无目标干扰时各电场接收电极的原始电压信号
Figure FDA0003838543050000021
i为接收电极个数；
步骤3，对采集到的原始电压信号
Figure FDA0003838543050000022
进行快速傅里叶变换后得到能量-频率曲线，获取能量-频率曲线上频率为f处的信号能量
Figure FDA0003838543050000023
步骤4，模拟目标物从不同方位或位置处逐渐靠近球型阵列空间探测定位装置，并获取目标扰动下各电场接收电极的探测电压信号
Figure FDA0003838543050000024
步骤5，对采集到的探测电压信号
Figure FDA0003838543050000025
进行快速傅里叶变换后得到能量-频率曲线，获取能量-频率曲线上频率为f处的信号能量
Figure FDA0003838543050000026
步骤6，若原始信号能量
Figure FDA0003838543050000027
与探测信号能量
Figure FDA0003838543050000028
相同，则探测水域内不存在目标物；若原始信号能量
Figure FDA0003838543050000029
与探测信号能量
Figure FDA00038385430500000210
不完全相同，则计算各电场接收电极上的能量差值
Figure FDA00038385430500000211
步骤7，比较各电场接收电极上的能量差值ΔEi，能量差值ΔEi最大值对应的电场接收电极方向即为目标物所处空间方向和位置。
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