CN114325127A - 一种具有方向性的工频电磁波探测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有方向性的工频电磁波探测装置及方法，探测装置包括：用于探测工频电磁波的探测传感器，与探测传感器的输出端连接的信号处理器，用于屏蔽工频电磁信号的带开口结构的屏蔽外壳，以及用于控制屏蔽外壳转动的伺服系统；当需要进行工频电磁波探测时，探测传感器固定于屏蔽外壳内部，通过伺服系统的转动控制探测传感器的探测方向和探测范围，信号处理器用于对探测传感器采集的工频电磁波信号进行处理并获得目标探测信号。本发明通过带开口结构的屏蔽外壳滤除其他不必要方向上工频电磁波的信号干扰，提高特定方向和角度的工频电磁波信号测量的准确度。
Description
技术领域
本发明属于非声学的水下探测和多维信号处理技术的交叉领域，具体地，涉及一种具有方向性的工频电磁波探测装置及方法。
背景技术
在经济全球化的新形势背景下，全球贸易往来极为密切，世界各国，尤其我国的进出口总量呈现较快的增长速度，船舶运输以自身巨大的货运量以及高效的货物保障被全球企业商家所青睐。因此，船舶制造企业的造船数量和船舶吨位逐年增长。船舶在航行过程中的安全问题一直是人们关注的焦点。
沉船目标和战争遗留下的水雷等铁磁性物体是海洋勘探中广泛研究的对象。对失事沉船的打捞和水雷探测需要对其进行精确的定位，同时水下沉船和水雷也是影响海洋通航环境的重要要素。同时，水下潜航器与水下机器人活动范围的日益增大，两者也成为了影响海洋通航的重要因素。船舶航行时对沉船、水下潜航器等铁磁性目标的探测就尤为重要了。
传统的水下目标探测手段通常是采用声呐探测方式，通过接收被探测对象的声呐回波来感知目标的方位。利用声呐探测沉船等水下目标存在着一些问题，沉船往往会受到海洋泥沙的覆盖，而声呐手段很容易受到海底起伏地形的干扰，从而带来较大的检测虚警。同时，声学探测要布置大量的探测阵列，耗费巨大，也极易受到海洋背景噪声的干扰。声学探测手段已经很难远距离、大范围探测隐蔽于海洋背景噪声下的水下目标，无法满足我国广阔海域的探测需求，因此亟需发展新的非声遥感探测手段来探测水下目标。
现有技术提出了使用世界各国电网产生的工频电磁场进行水下铁磁性目标的探测。遍布全世界的高压输/变/用电网络会产生工频电磁场。工频电磁场穿透性强，可穿透海洋作用在水下铁磁性目标上。目标在工频电磁场(波)的作用下产生畸变信号，可进行水下铁磁性目标探测。
但由于工频电磁波属于极长波，传播距离远，穿透能力强，其方向性不好，会向四面八方同时传播，导致工频电磁传感器接收的工频电磁信号也是来源于360°球面方向上的工频电磁信号，使得探测精度不高。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种具有方向性的工频电磁波探测装置及方法，旨在解决现有技术中由于工频电磁波会向四面八方同时传播导致传感器采集的工频电磁信号也是来源于360°球面方向上的工频电磁信号，使得探测精度低的问题。
本发明提供了一种具有方向性的工频电磁波探测装置，包括：用于探测工频电磁波的探测传感器，与所述探测传感器的输出端连接的信号处理器，用于屏蔽工频电磁信号的带开口结构的屏蔽外壳，以及用于控制屏蔽外壳转动的伺服系统；当需要进行工频电磁波探测时，所述探测传感器固定于所述屏蔽外壳内部，通过所述伺服系统的转动控制所述探测传感器的探测方向和探测范围，所述信号处理器用于对所述探测传感器采集的工频电磁波信号进行处理并获得目标探测信号。
更进一步地，屏蔽外壳为开口结构的圆球形壳体。
更进一步地，屏蔽外壳的开口有效角度为45°～60°。
更进一步地，屏蔽外壳的材料为坡莫合金。
更进一步地，信号处理器利用时间窗频矢量异常分析方法和功率谱信号处理方法获得目标探测信号。
更进一步地，伺服系统控制屏蔽外壳转动时的俯仰角和滚仰角为(0，15°)。
本发明还提供了一种具有方向性的工频电磁波探测方法，包括下述步骤：
S1将工频电磁波探测传感器安装于带有开口且立体角为θ1的屏蔽外壳内部；利用厚度为d1的球面屏蔽外壳屏蔽工频电磁波探测器上半球面180°立体角的工频电磁波来源，并利用厚度为d1且开口立体角度为θ1的屏蔽外壳屏蔽部分下半球面的工频电磁波干扰来源；
S2通过伺服系统并采用角度滑窗的方法控制探测传感器的扫描待测区域，并对探测到的工频电磁波扰动信号采取一维信号的超分辨率方法，获得工频电磁波信号扰动强度最大的方向；
S3通过探测传感器对扰动强度最大的方向进行探测并采集工频电磁波信号，对所述工频电磁波信号进行信号处理并获得水下铁磁性目标产生的工频电磁信号。
更进一步地，通过仿真获得屏蔽外壳厚度对工频电磁屏蔽效果影响以及屏蔽外壳开后角度大小对工频电磁屏蔽效果影响。其中，屏蔽外壳厚度d1为3mm～5mm；屏蔽外壳的开口有效角度为45°～60°。
本发明将工频电磁传感器安装在开口为θ1立体角的坡莫合金内，且通过伺服系统控制开口的朝向，对需测量的海域进行扫描，此时得到工频电磁波信号是一个比较粗糙的扰动信号，需要通过处理器进行处理，坡莫合金的开口朝向越正对水下铁磁性目标的位置，其测得的工频电磁波扰动信号幅值强度就越大，从而可通过控制开口朝向找到一个信号扰动幅值最大的方向，进而缩小探测感知范围。进一步地，整个探测装置可向该方向区域移动，完成该方向上海域的高精度搜索，进而判断该区域是否为目标可疑区域。具有很高的可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的具有方向性的工频电磁波探测装置中圆球形屏蔽外壳的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的具有方向性的工频电磁波探测装置中伺服系统带动探测传感器转动时俯仰角度示意图；
图3为本发明实施例提供的具有方向性的工频电磁波探测装置中将探测传感器置于屏蔽外壳内部后的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的具有方向性的工频电磁波探测装置进行工频电磁波探测时的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的不开口3mm厚度和5mm厚度的圆球形坡莫合金建模图；
图6为本发明实施例提供的3mm厚度和5mm厚度的圆球形坡莫合金开口60°建模图；
图7为本发明实施例提供的3mm厚度和5mm厚度的圆球形坡莫合金开口90°建模图；
图8为本发明实施例提供的3mm厚度和5mm厚度的圆球形坡莫合金开口120°建模图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种具有方向性的工频电磁探测装置及方法，用以解决现有工频电磁波探测水下目标时，因为存在除水下向上传的工频电磁波扰动信号外，还存在其他方向的工频电磁波信号扰动，这些方向上的干扰信号会遮盖住水下铁磁性目标产生的工频电磁波信号，从而影响探测能力。
本发明实施例提供的一种具有方向性的工频电磁波探测装置，通过机载平台将工频电磁波探测装置搭载至需要的应用场合，工频电磁波探测装置包括：用于探测工频电磁波的探测传感器，与探测传感器配套的信号处理器，用于屏蔽工频电磁信号的带开口结构的屏蔽外壳，以及用于控制屏蔽外壳转动的伺服系统。
其中，机载平台可以是对当前旋翼无人机进行改装，使其能够挂载伺服系统，并将屏蔽外壳与伺服系统安装在一起，通过伺服系统控制坡莫合金的俯仰角和方位角。具体地，将安放有工频电磁传感器的屏蔽外壳安装在可调角度的伺服系统上，通过伺服系统的转动，调节工频电磁传感器的探测方向和探测范围，从而加大了工频探测传感器的探测搜索范围；俯仰摆动与俯仰角如图2所示；通过伺服系统可以控制坡莫合金转动时的俯仰角和滚仰角，通过采用角度滑窗的方法，其每次角度变化的幅度可为(0，15°)之间，因此扩大了工频电磁传感器的搜索探测范围。
屏蔽外壳的材料可以采用坡莫合金外壳，其结构可以是带开口的圆球形壳体，工频电磁传感器置于其中，这样就可以屏蔽掉除开口方向以外的工频电磁信号，只保留开口方向上的工频电磁信号，从而避免其他方向上的信号干扰。且可以根据需要对坡莫合金外壳进行不同角度的开口，进而完成固定方向上海域的探测任务。
作为本发明的一个实施例，该屏蔽外壳是带有固定开口方向和固定开口角度的屏蔽外壳，开口的有效角度可在[45°，60°]之间，将工频电磁探测传感器置于该屏蔽外壳的内部，只搜集通过开口进入传感器的工频电磁波信号。
本发明实施例中的屏蔽外壳是由坡莫合金构成，该合金材料对工频电磁波具有很好的屏蔽效果，因此具有很高的屏蔽效能。可以有效的屏蔽掉开口方向以外的干扰信号，可营造出一个比较干净的工频电磁场环境，有效降低了信号采集时的噪声。
其中，该合金可加工设计成不同形状和大小，可根据自身需求的探测范围和屏蔽效能进行设计，具有很高的可塑性。
作为本发明的一个实施例，该坡莫合金外壳可设计成圆球形壳体或者圆台形壳体，经仿真计算，同尺寸同厚度条件下，圆球形坡莫合金壳体的屏蔽效能要优于圆台形坡莫合金壳体。若需要很强的屏蔽效果，可将增加壳体的厚度和减小开口的角度。本发明选用开口45°的立体角的圆球形坡莫合金壳体，并通过伺服系统控制坡莫合金开口的朝向，这样在进行探测时，只收集某一方向上45°的工频电磁扰动信号，避免其他方向上的干扰信号。
在本发明实施例中，信号处理器用于处理工频探测传感器所测得的工频电磁波信号，此工频电磁波信号包含未完全被坡莫合金滤除掉的工频电磁波信号。并利用时间窗频矢量异常分析方法和功率谱等信号处理方法，将水下目标引起的异常扰动信号提取出来，从而识别是否为水下铁磁性目标，确定水下目标所处的海域位置。
其中，时间窗频矢量异常分析方法是先获取目标信号50Hz地幅值强度，然后进行傅里叶滑窗分解并设置滑动窗口大小k，并以这个大小进行信号步进，通过一个时间序列分析出现的扰动信号是水下目标所引起的，还是干扰噪声引起的。
作为本发明的一个实施例，当采用信号处理器识别水下铁磁性目标所处地海域时，具体地过程如下：首先，通过工频电磁探测传感器收集所处海域的工频电磁背景信号，并作为数据库保存起来。其次，利用工频探测传感器收集水下铁磁性目标产生的异常扰动信号。将异常扰动信号与背景场信号对比，判断该信号是否为水下目标产生的，若是，则该海域为目标所处区域，若否，则该区域不是目标的所处区域，从而完成时目标区域的识别。
其中，水下铁磁性目标的异常扰动信号是其与工频电磁场(波)相互作用产生的畸变工频电磁场(波)扰动信号，其幅值强度大于纯背景场下的工频电磁场(波)信号幅值强度，可根据幅值大小进行两者的区分。
本发明不仅采用了工频电磁传感器，同时将工频电磁探测传感器安置在带有开口的坡莫合金外壳内部，这样不仅可以探测到水下铁磁性目标产生的异常信号扰动，同时可以将开口方向以外的工频电磁信号给屏蔽掉，避免了一些不必要的干扰，提高了探测精准度。
当没有用坡莫合金外壳进行工频信号屏蔽时，工频探测传感器所接受的信号
θ1+θ2+…+θn＝360°；当有带开口的坡莫合金壳体进行屏蔽时，工频电磁探测传感器接收的信号是
其中
表示未进行屏蔽时工频探测传感器360°立体角上所探测到的信号总和，
表示θ1立体角上工频探测传感器探测到的信号；
表示进行屏蔽后，工频探测传感器所探测到的工频电磁信号总和，但是坡莫合金并不能完全屏蔽掉所有开口以外的信号，因此存在一定的工频信号残差，可用
表示，
表示所需要的方向上的工频电磁波信号。
本发明还提供了一种具有方向性的工频电磁波探测方法，具体包括如下步骤：
S1将工频电磁波探测传感器安装于带有开口且立体角为θ1的屏蔽外壳内部；利用厚度为d1的球面屏蔽外壳屏蔽工频电磁波探测器上半球面180°立体角的工频电磁波来源，并利用厚度为d1且开口立体角度为θ1的屏蔽外壳屏蔽部分下半球面的工频电磁波干扰来源；
S2通过伺服系统并采用角度滑窗的方法控制探测传感器的扫描待测区域，并对探测到的工频电磁波扰动信号采取一维信号的超分辨率方法，获得工频电磁波信号扰动强度最大的方向；
S3通过探测传感器对扰动强度最大的方向进行探测并采集工频电磁波信号，对所述工频电磁波信号进行信号处理并获得水下铁磁性目标产生的工频电磁信号。
其中，通过仿真获得屏蔽外壳厚度对工频电磁屏蔽效果影响以及屏蔽外壳开后角度大小对工频电磁屏蔽效果影响。
优选地，屏蔽外壳厚度d1为3mm～5mm。
优选地，屏蔽外壳的开口有效角度θ1为45°～60°。
本发明提出的探测方法利用带开口的坡莫合金外壳，有效降低非目标区域以外的工频电磁信号干扰；同时利用伺服系统控制工频探测传感器的探测方向，同时也保留了其探测范围；另外还可以定向精准地探测出水下铁磁性目标所处地方向和位置。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的具有方向性的工频电磁波探测装置及方法，现结合具体实例并参照附图详述如下：
实施例一
一种可探测固定方向上工频电磁的装置，如图1所示，包括：用于包裹工频电磁传感器的坡莫合金，安放在坡莫合金内部的工频电磁传感器，以及控制探测方向和探测范围的伺服系统。其中，工频电磁探测传感器为磁通门，其安放在球形坡莫合金外壳的中心位置，且磁通门的探测感知部位置于坡莫合金的开口方向上，开口角为一个45°的圆锥角。因此可以感知该圆锥角下的海域范围。将磁通门传感器所得到工频电磁信号与背景场的工频电磁信号进行对比，完成信号识别，判断该区域是否存在水下铁磁性目标。
图1是一个球形坡莫合金壳体，将工频探测传感器置于该坡莫合金壳体中，θ1表示该坡莫合金壳体的开口的立体角，同时也是磁通门传感器探测感知的角度范围。
控制坡莫合金开口朝向的伺服系统，每个传感器均可通过伺服系统控制其探测搜索区域，对自身探测区域以外方向的工频电磁信号扰动不接收，具有灵活方面，可靠性高的特点。
进一步地，每个伺服系统包括控制方位角的电机和控制俯仰的电机。
其中俯仰电机控制工频电磁传感器的俯仰摆动，以使其摆动的俯仰角度是我们所期望的俯仰角度。俯仰角为工频探测传感器到所探测海面的夹角，方位角可控制工频探测传感器向四周探测的角度，可以进一步的扩大搜索探测范围。
进一步地，如图2所示，伺服系统可实现方位角±180°，俯仰角±90°；
具体地：通过伺服系统可使坡莫合金的45°圆孔实现在水平方向上360°扫描，垂直方向上±90°扫描。且伺服系统有减震措施，吊舱适合装载无人机上。
优选地，将工频电磁传感器放置于有固定开口的坡莫合金壳体中，如图3所示，其中坡莫合金的开口方向朝向需要探测水面上，以此来收集从该开口进入的工频电磁扰动信号。
工频电磁扰动信号进入传感探测系统中，经工频电磁传感器测量收集，然后经由信号处理器处理。当整个探测系统扫描经过目标区域水面时，如图4所示，其携带的工频电磁探测传感器可以探测感知当前水域的工频电磁信号，并与该水域的工频电磁背景场信号进行对比，若出现异常的畸变信号，可以先通过伺服系统进一步确定信号的来源方向，从而分析找出水下目标所处的区域位置。
实施例二
一种可确定坡莫合金屏蔽工频电磁场(波)效果的仿真计算方法，其仿真计算步骤如下：
(1)建立一个半径为20cm，厚度为3mm的坡莫合金球形外壳模型。
(2)建立一个半径为20cm，厚度为5mm的坡莫合金球形外壳模型。
(3)分别对两个不开口的坡莫合金模型进行屏蔽效果仿真计算，其模型如图5所示，图中所示的模型是将一个半径为20cm，厚度为3mm的坡莫合金球形外壳模型和一个半径为20cm，厚度为5mm厚度的坡莫合金球形外壳模型，分别放置在comsol有限仿真元软件中进行仿真计算，得到其中心点的屏蔽效能。
(4)对两个坡莫合金外壳模型进行开口60°仿真计算，其模型如图6所示，图中所示的模型均是将两个不开口圆球形壳体，以其球心为原点开一个60°的立体角，从而在壳体就会出现一个开口孔洞。再将其放置在comsol有限仿真元软件中进行仿真计算，得到其中心点的屏蔽效能。
(5)对两个坡莫合金外壳模型进行开口90°仿真计算，其模型如图7所示，图中所示的模型均是将两个不开口圆球形壳体，以其球心为原点开一个90°的立体角，从而在壳体就会出现一个开口孔洞。再将其放置在comsol有限仿真元软件中进行仿真计算，得到其中心点的屏蔽效能。
(6)对两个坡莫合金外壳模型进行开口120°仿真计算，其模型如图8所示，图中所示的模型均是将两个不开口圆球形壳体，以其球心为原点开一个90°的立体角，从而在壳体就会出现一个开口孔洞。再将其放置在comsol有限仿真元软件中进行仿真计算，得到其中心点的屏蔽效能。
在本发明实施例中，可以利用cosol有限仿真元软件进行仿真计算，其具体过程如下：
本次仿真磁场强度为木兰湖试验点磁场强度，即2.76nT，其中x轴磁场强度为2.56nT,y轴磁场强度为1.033nT,z轴磁场强度为0.26nT。仿真计算球形坡莫合金中心点屏蔽前和屏蔽后的磁场强度。
①坡莫合金不开口时仿真情况
仿真计算结果为，无坡莫合金时，磁场强度为2.76nT，当3mm厚度地的坡莫合金不开口时，其中心点磁场强度为0.034nT，根据屏蔽效能公式：
计算其屏蔽效能为38.2dB。当5mm厚度的坡莫合金不开口时，其中心点磁场强度为0.0334nT，根据屏蔽效能公式：
计算其屏蔽效能为38.34dB。
②坡莫合金开口60°时仿真情况
仿真计算结果为，无坡莫合金时，磁场强度为2.76nT，当坡莫合金厚度为3mm，且开口60°时，其中心点磁场强度为0.136nT，计算其屏蔽效能为26.1dB。当坡莫合金厚度为5mm，且开口60°时，其中心点磁场强度为0.123nT，计算其屏蔽效能为27.02dB。
③坡莫合金开口90°时仿真情况
仿真计算结果为，无坡莫合金时，磁场强度为2.76nT，当坡莫合金厚度为3mm，且开口90°时，其中心点磁场强度为0.435nT，计算其屏蔽效能为16dB。当坡莫合金厚度为5mm，且开口90°时，其中心点磁场强度为0.4074nT，计算其屏蔽效能为16.61dB。
④坡莫合金开口120°时仿真情况
仿真计算结果为，无坡莫合金时，磁场强度为2.76nT，当坡莫合金厚度为3mm，且开口120°时，其中心点磁场强度为0.884nT，计算其屏蔽效能为9.89dB。当坡莫合金厚度为5mm，且开口120°时，其中心点磁场强度为0.8589nT，计算其屏蔽效能为10.13dB。
表1坡莫合金厚度3mm不同开口情况下的屏蔽效能
表2坡莫合金厚度5mm不同开口情况下的屏蔽效能
由上表可以看出，当坡莫合金壳体随着开口角度的增加，其屏蔽效能会随之减小；当开口角度大小相同时，坡莫合金壳体的屏蔽效能会随着厚度的增加而增大。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有方向性的工频电磁波探测装置，其特征在于，包括：用于探测工频电磁波的探测传感器，与所述探测传感器的输出端连接的信号处理器，用于屏蔽工频电磁信号的带开口结构的屏蔽外壳，以及用于控制屏蔽外壳转动的伺服系统；
当需要进行工频电磁波探测时，所述探测传感器固定于所述屏蔽外壳内部，通过所述伺服系统的转动控制所述探测传感器的探测方向和探测范围，所述信号处理器用于对所述探测传感器采集的工频电磁波信号进行处理并获得目标探测信号。
2.如权利要求1所述的工频电磁波探测装置，其特征在于，屏蔽外壳为开口结构的圆球形壳体。
3.如权利要求1或2所述的工频电磁波探测装置，其特征在于，所述屏蔽外壳的开口有效角度θ1为45°～60°。
4.如权利要求1-3任一项所述的工频电磁波探测装置，其特征在于，所述屏蔽外壳的材料为坡莫合金。
5.如权利要求1-4任一项所述的工频电磁波探测装置，其特征在于，所述信号处理器利用时间窗频矢量异常分析方法和功率谱信号处理方法获得目标探测信号。
6.如权利要求1-5任一项所述的工频电磁波探测装置，其特征在于，所述伺服系统控制屏蔽外壳转动时的俯仰角和滚仰角为(0，15°)。
7.一种具有方向性的工频电磁波探测方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1将工频电磁波探测传感器安装于带有开口且立体角为θ1的屏蔽外壳内部；利用厚度为d1的球面屏蔽外壳屏蔽工频电磁波探测器上半球面180°立体角的工频电磁波来源，并利用厚度为d1且开口立体角度为θ1的屏蔽外壳屏蔽部分下半球面的工频电磁波干扰来源；
S2通过伺服系统并采用角度滑窗的方法控制探测传感器的扫描待测区域，并对探测到的工频电磁波扰动信号采取一维信号的超分辨率方法，获得工频电磁波信号扰动强度最大的方向；
S3通过探测传感器对扰动强度最大的方向进行探测并采集工频电磁波信号，对所述工频电磁波信号进行信号处理并获得水下铁磁性目标产生的工频电磁信号。
8.如权利要求7所述的工频电磁波探测方法，其特征在于，通过仿真获得屏蔽外壳厚度对工频电磁屏蔽效果影响以及屏蔽外壳开后角度大小对工频电磁屏蔽效果影响。
9.如权利要求8所述的工频电磁波探测方法，其特征在于，所述屏蔽外壳厚度d1为3mm～5mm。
10.如权利要求8或9所述的工频电磁波探测方法，其特征在于，所述屏蔽外壳的开口有效角度θ1为45°～60°。
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| CN202111676454.7A CN114325127A (zh) | 2021-12-31 | 2021-12-31 | 一种具有方向性的工频电磁波探测装置及方法 |
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Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
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| CN110244368A (zh) * | 2019-07-09 | 2019-09-17 | 中国矿业大学(北京) | 一种基于电磁感应原理的孔中扫描探测装置及方法 |
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-
2021
- 2021-12-31 CN CN202111676454.7A patent/CN114325127A/zh active Pending
Patent Citations (4)
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