CN114325851B - 一种基于多工频辐射源探测水下铁磁性目标的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多工频辐射源探测水下铁磁性目标的方法和系统，属于非声学的水下探测技术领域，包括：输电网络在空间范围内产生工频电磁场，水下铁磁性目标在工频电磁场以及水下铁磁性目标内、外部海水共同作用下产生的电磁场，若存在多个水面船舶作为二次辐射源作用于水下铁磁性目标时，得到水下铁磁性目标产生的二次磁场，将其和水下铁磁性目标在工频电磁场以及水下铁磁性目标内、外部海水共同作用下产生的电磁场相加，作为水下铁磁性目标产生的总的电磁场；获取水下铁磁性目标周围工频电磁场分布，根据所述工频电磁场的分布实现对水下铁磁性目标的探测。本发明能够增强水下铁磁性目标的工频电磁场信号，实现对水下铁磁性目标的探测。
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技术领域，更具体地，涉及一种基于多辐射源探测水下铁磁性目标的方法和系统。
背景技术
在经济全球化的新形势下，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、水下潜航器等水下铁磁性目标的探测尤为重要。
现有的水下铁磁性目标探测方式仅包括工频电网产生的工频电磁场作用在水下铁磁性目标，没有考虑海水作为良导体，在工频电磁场中可以增强水下铁磁性目标的感应电流，从而增强水下铁磁性目标产生的电磁场信号；同时也没有考虑到将水面船舶视为二次辐射源，增强水下铁磁性目标产生的电磁场信号。
综上，虽然现有技术可以实现对水下铁磁性目标的探测，但是，水下铁磁性目标产生的电磁场信号较弱，无法实现远距离、大范围的探测，因此，提供一种远距离、大范围铁磁性目标探测方法和系统，成为了当前水下铁磁性目标探测领域的当务之急。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于多工频辐射源探测水下铁磁性目标的方法和系统，解决了现有技术成本较高且容易受海底地形、背景噪声干扰导致误判，无法支持远距离、大范围探测的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于多工频辐射源探测水下铁磁性目标的方法，包括如下步骤：
(1)工频电磁场和海水作用于水下铁磁性目标步骤：输电网络在空间范围内产生工频电磁场，水下铁磁性目标在所述工频电磁场作用下产生感生电磁场，同时，水下铁磁性目标内、外部海水在所述工频电磁场作用下产生交变电流，所述交变电流作用于水下铁磁性目标产生二次磁场，若存在水面船舶作为二次辐射源作用于水下铁磁性目标，则进行步骤(2)，反之，若不存在水面船舶作为二次辐射源作用于水下铁磁性目标，则将所述水下铁磁性目标产生的感生电磁场和所述水下铁磁性目标在内、外部海水作用下产生的二次磁场相加作为水下铁磁性目标产生的总的电磁场，进行步骤(3)；
(2)水面船舶作为二次辐射源作用于水下铁磁性目标步骤：将水面船舶在工频电磁场(波)的作用下产生感应电流产生工频电磁场(波)作为二次辐射源作用于附近的水下铁磁性目标，得到水下铁磁性目标产生的二次磁场，将其和水下铁磁性目标产生的感生电磁场、水下铁磁性目标内、外部海水作用下产生的二次磁场，作为水下铁磁性目标产生的总的电磁场，进行步骤(3)；
(3)水下铁磁性目标探测步骤：水下铁磁性目标产生的总的电磁场会对工频电磁场产生扰动，获取水下铁磁性目标周围工频电磁场分布，根据所述工频电磁场的分布实现对水下铁磁性目标的探测。
在一个可选的实施例中，所述工频电磁场和海水作用于水下铁磁性目标步骤，具体为：
输电网络会在空间中会产生工频电磁场其中，/>为时间和空间的四维函数；所述工频电磁场作用于水下铁磁性目标会产生感生电磁场/>
水下铁磁性目标在工频电磁场作用下产生磁化效应，其磁化强度正比于所述工频电磁场强度和所述水下铁磁性目标的磁导率；
水下铁磁性目标在下潜和上浮过程中通过进出海水进行控制，所述水下铁磁性目标内部存在大量海水；
水下铁磁性目标内部的海水为导电体，在所述工频电磁场作用下产生交变电流，所述交变电流作用于水下铁磁性目标产生的二次磁场
包围水下铁磁性目标的外部海水为导电体，在所述工频电磁场作用下产生交变电流，所述交变电流作用于水下铁磁性目标产生的二次磁场
水下铁磁性目标在所述工频电磁场和内、外部海水共同作用下得到水下铁磁性目标产生的总的工频电磁场所述总的电磁场/>计算公式为：
在一个可选的实施例中，所述水面船舶作为二次辐射源作用于水下铁磁性目标步骤，具体为：
单个水面船舶在工频电磁场的作用下，依据法拉第定律产生感生二次场，所述感生二次场可作为二次辐射源，当存在多个水面船舶时，将所述多个水面船舶产生的二次场矢量相加得到多个二次辐射源，将所述多个二次辐射源产生的工频电磁场作用在水下铁磁性目标时，水下铁磁性目标产生的总二次磁场计算公式如下所示：
其中，为单个二次辐射源作用在水下铁磁性目标时，水下铁磁性目标产生的二次磁场，n代表水面船舶的数量。
水下铁磁性目标在多个二次辐射源产生的工频电磁场的作用下，产生的总的电磁场为
在一个可选的实施例中，所述水下铁磁性目标探测步骤，具体为：
建立水下铁磁性目标的探测模型，根据麦克斯韦电磁方程组，对水下铁磁性目标模型进行仿真，获取水下铁磁性目标周围工频电磁场分布，根据所述工频电磁场的分布实现对水下铁磁性目标的探测。
在一个可选的实施例中，所述建立水下铁磁性目标的探测模型，具体为：
所述建立水下铁磁性目标的探测模型包括：建立输电网络模型、水下铁磁性目标模型以及空间域模型。
在一个可选的实施例中，所述建立输电网络模型，具体为：
获取输电网络的节点分布、海拔高度和输电环路分布；
创建输电网络的曲线层，所述曲线层中的曲线作为输电环路的几何描述，所述几何描述作为水下铁磁性目标模型的激励源；
根据输电网络的节点分布和环路信息来设置曲线的参数，并根据海拔高度构建曲线的位置分布；
根据输电网络中不同环路输送电流和传输电压的大小对水下铁磁性目标模型的激励源进行赋值。
在一个可选的实施例中，所述水下铁磁性目标模型，具体为：
水下铁磁性目标模型包括：水下铁磁性目标模型的几何描述、水下铁磁性目标模型中心点的位置坐标、水下铁磁性目标模型的材料属性；其中，水下铁磁性目标模型的几何描述为若干种常规几何体组合成的一个空心组合体；水下铁磁性目标模型中心点的位置坐标为空间直角坐标系中x、y、z坐标轴上的坐标；水下铁磁性目标模型的材料属性包括所述水下铁磁性目标模型材料的相对磁导率、所述水下铁磁性目标模型材料的相对电导率、所述水下铁磁性目标模型材料的相对介电常数、所述水下铁磁性目标模型材料的密度；
所述水下铁磁性目标模型还包括有限元网格划分，所述水下铁磁性目标模型网格的大小根据所述水下铁磁性目标模型的大小自适应。
在一个可选的实施例中，所述空间域模型，具体为：
所述空间域模型为工频电磁场传播的介质层；所述介质层包括：空气层、海洋层、大陆层、海床层、电离层；
所述空间域模型还包括有限元网格划分，所述空间域模型网格的大小根据所述空间域模型的大小自适应。
在一个可选的实施例中，所述水下铁磁性目标探测步骤之后还包括实测数据验证步骤，具体为：
分别采集只有水下铁磁性目标的原始时域信号和有水面船舶经过水下铁磁性目标时的原始时域信号，对采集得到的原始时域信号分别进行傅里叶变换，得到只有水下铁磁性目标时的磁场扰动图和有水面船舶经过铁磁性目标模型时的磁场扰动图，通过磁场扰动图中磁场强度的对比，验证水面船舶经过水下铁磁性目标时，水下铁磁性目标的工频电磁场扰动得到增强。
另一方面，本发明还提供了一种水下铁磁性目标的探测系统，包括如下单元：
工频电磁场和海水作用于水下铁磁性目标单元：输电网络在空间范围内产生工频电磁场，水下铁磁性目标在所述工频电磁场作用下产生感生电磁场，同时，水下铁磁性目标内、外部海水在所述工频电磁场作用下产生交变电流，所述交变电流作用于水下铁磁性目标产生二次磁场，若存在水面船舶作为二次辐射源作用于水下铁磁性目标，则转至水面船舶作为二次辐射源作用于水下铁磁性目标单元，反之，若不存在水面船舶作为二次辐射源作用于水下铁磁性目标，则将所述水下铁磁性目标产生的感生电磁场和所述水下铁磁性目标在内、外部海水作用下产生的二次磁场相加作为水下铁磁性目标产生的总的电磁场，转至水下铁磁性目标探测单元；
水面船舶作为二次辐射源作用于水下铁磁性目标单元：将水面船舶在工频电磁场(波)的作用下产生感应电流产生工频电磁场(波)作为二次辐射源作用于附近的水下铁磁性目标，得到水下铁磁性目标产生的二次磁场，将其和水下铁磁性目标产生的感生电磁场、水下铁磁性目标内、外部海水作用下产生的二次磁场，作为水下铁磁性目标产生的总的电磁场，转至水下铁磁性目标探测单元；
水下铁磁性目标探测单元：水下铁磁性目标产生的总的电磁场会对工频电磁场产生扰动，获取水下铁磁性目标周围工频电磁场分布，根据所述工频电磁场的分布实现对水下铁磁性目标的探测。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明提供了一种基于多工频辐射源探测水下铁磁性目标的方法和系统。利用输电网络在空间范围内产生的工频电磁场，水下铁磁性目标在所述工频电磁场以及水下铁磁性目标内、外部海水共同作用下产生电磁场，若存在多个水面船舶作为二次辐射源作用于水下铁磁性目标时，得到水下铁磁性目标产生的二次磁场，将其和水下铁磁性目标在工频电磁场以及水下铁磁性目标内、外部海水共同作用下产生的电磁场相加，作为水下铁磁性目标产生的总的电磁场；获取水下铁磁性目标周围工频电磁场分布，根据所述工频电磁场的分布实现对水下铁磁性目标的探测。
本发明利用工频电网产生的工频电磁场作用在水下铁磁性目标，同时考虑海水作为良导体，在工频电磁场中可以增强水下铁磁性目标的感应电流，增强水下铁磁性目标产生的电磁场信号；另一方面，将水面船舶视为二次辐射源，增强水下铁磁性目标产生的电磁场信号。
附图说明
图1为本发明提供的基于多工频辐射源探测水下铁磁性目标的方法的流程图；
图2为本发明提供的华中-华东-华南电网示意图；
图3为本发明提供的水下铁磁性目标示意图；
图4为本发明提供的介质层网格划分示意图；
图5为本发明提供的水下目标网格划分示意图；
图6为本发明实施例1提供的磁场等值线图；
图7为本发明实施例1提供的电场等值线图；
图8为本发明实施例2提供的水面船舶作为二次辐射源示意图；
图9为本发明实施例2提供的水面船舶示意图；
图10为本发明实施例2提供的水面船舶网格划分示意图；
图11(a)为本发明实施例2提供的水面船舶与水下铁磁性目标相距1km时的工频磁场扰动示意图；
图11(b)为本发明实施例2提供的水面船舶与水下铁磁性目标相距1km时的工频电场扰动示意图；
图12(a)为本发明实施例2提供的水面船舶与水下铁磁性目标相距5km时的工频磁场扰动示意图；
图12(b)为本发明实施例2提供的水面船舶与水下铁磁性目标相距5km时的工频电场扰动示意图；
图13(a)为本发明实施例2提供的水面船舶与水下铁磁性目标相距10km时的工频磁场扰动示意图；
图13(b)为本发明实施例2提供的水面船舶与水下铁磁性目标相距10km时的工频电场扰动示意图；
图14(a)为本发明实施例2提供的水面船舶与水下铁磁性目标相距15km时的工频磁场扰动示意图；
图14(b)为本发明实施例2提供的水面船舶与水下铁磁性目标相距15km时的工频电场扰动示意图；
图15(a)为本发明实施例2提供的水面船舶与水下铁磁性目标相距20km时的工频磁场扰动示意图；
图15(b)为本发明实施例2提供的水面船舶与水下铁磁性目标相距20km时的工频电场扰动示意图；
图16(a)为本发明实施例2提供的潜航器单独存在时磁场扰动图；
图16(b)为本发明实施例2提供的潜航器和水面船舶同时存在时磁场扰动图。
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。
如图1所示，本发明的基于多工频辐射源探测水下铁磁性目标的方法，包括如下步骤：
(1)工频电磁场和海水作用于水下铁磁性目标步骤：输电网络在空间范围内产生工频电磁场，水下铁磁性目标在所述工频电磁场作用下产生感生电磁场，同时，水下铁磁性目标内、外部海水在所述工频电磁场作用下产生交变电流，所述交变电流作用于水下铁磁性目标产生二次磁场，若存在水面船舶作为二次辐射源作用于水下铁磁性目标，则进行步骤(2)，反之，若不存在水面船舶作为二次辐射源作用于水下铁磁性目标，则将所述水下铁磁性目标产生的感生电磁场和所述水下铁磁性目标在内、外部海水作用下产生的二次磁场相加作为水下铁磁性目标产生的总的电磁场，进行步骤(3)；
(2)水面船舶作为二次辐射源作用于水下铁磁性目标步骤：将水面船舶作为二次辐射源作用于水下铁磁性目标，得到水下铁磁性目标产生的二次磁场，将其和水下铁磁性目标产生的感生电磁场、水下铁磁性目标内、外部海水作用下产生的二次磁场，作为水下铁磁性目标产生的总的电磁场，进行步骤(3)；
(3)水下铁磁性目标探测步骤：水下铁磁性目标产生的总的电磁场会对工频电磁场产生扰动，获取水下铁磁性目标周围工频电磁场分布，根据所述工频电磁场的分布实现对水下铁磁性目标的探测。
具体地，本发明实施例1提供了基于多工频辐射源探测水下铁磁性目标的方法，以下是详细的技术方案，包括如下步骤：
(1)工频电磁场和海水作用于水下铁磁性目标步骤。
(1.1)工频电磁场(波)对水下目标的磁化效应。
输电网络会在周围空间产生工频电磁场(波)，假设某个地区的电网在空间中任一点产生的工频电磁场(波)为水下铁磁性目标可以看作大型金属腔体，水下铁磁性目标在工频电磁场(波)中会产生振荡的磁化，产生感生电磁场扰动/>所述感生电磁场扰动强度正比于原生磁场强度和水下铁磁性目标的磁导率。该磁化效应产生的磁化电流在次生电流中占主导地位，且磁化可以穿透水下铁磁性目标。
(1.2)金属导体和包裹导体海水共同效应。
水下铁磁性目标可以看作大型金属腔体，其内、外均为海水。
水下铁磁性目标内部的海水为导电体，在工频电磁场作用下产生交变电流，所述交变电流作用于水下铁磁性目标产生二次磁场扰动
包围水下铁磁性目标的海水柱体为导电体，在工频电磁场作用下产生交变电流，所述交变电流作用于水下铁磁性目标产生二次磁场扰动
水下铁磁性目标总的工频磁场扰动可以表示为：
(2)构建水下铁磁性目标探测模型步骤。
在本实施例中，通过构建水下铁磁性目标探测模型实现对水下铁磁性目标的探测，水下铁磁性目标的构建过程包括如下子步骤：
(2.1)建立分布式输电网络模型子步骤。
在COMSOL软件(下文简称为COMSOL)进行电磁场仿真过程中，需要建立一个电磁场激励源，本实施例以我国输电网络作为水下铁磁性目标模型的激励源，首先获取输电网络的节点分布、海拔高度和输电环路分布，然后在COMSOL的几何建模过程中建立输电网络的模型。具体的，在COMSOL的组件一栏的几何组件下创建曲线层，其中的曲线是输电环路的几何描述，作为水下铁磁性目标的激励源。根据输电网络的节点分布和环路信息来设置曲线的参数。构建完曲线的位置分布后，根据电网中不同环路输送电流和传输电压的大小来对所述激励源进行赋值。在本实例中，以华中-华东-华南地区的输/变/用电网络作为仿真过程的工频电磁场(波)激励源，在实际建模过程中，我们将日本冲绳作为模型空间直角坐标系的原点，依次建立华中-华东-华南电网的各传输节点和传输环路，分布式输电网络模型如图2所示。
(2.2)建立空间域模型子步骤。
输电网络会在空间中产生工频电磁场(波)，因此需要建立一个空间域模型作为整个仿真过程中的实际计算域。本发明主要研究的是水下目标对整个工频电磁场(波)的影响，因此建立包括空气层、海洋层、大陆层、海床层、电离层的空间域模型。实际在COMSOL建模时，我们将各介质层设置为地球曲率的曲面体。工频电磁场(波)在不同材料中的传输特性不同，因此需要对空间计算域的不同区域赋予不同的材料属性。
在本实例中，空气层的大小为：6000km*6000km*60km，海水层的大小为：6000km*6000km*10km，海床层的大小为：6000km*6000km*100km，电离层大小为：6000km*6000km*270km。
(2.3)建立水下铁磁性目标模型子步骤。
水下铁磁性目标模型可以等效为一个空心组合体，用下面的模型表示：
Mtarget＝(Vtarget，P，mtarget)
其中，Mtarget表示水下铁磁性目标模型，Vtarget表示水下铁磁性目标模型的几何描述，P表示水下铁磁性目标模型中心点的位置坐标，mtarget表示水下铁磁性目标模型的材料属性。
在本实例中，水下铁磁性目标模型设置为潜航器，在几何建模过程中使用多种常规几何体(如长方体，棱柱体等)组合成一个船体的近似模型，如图3所示。
具体的，P＝(x0，y0，z0)，其中x0，y0，z0表示水下铁磁性目标模型中心点在空间直角坐标系下的三个位置坐标；mtarget＝(mur，sigma，epsilon，rho)，mur表示水下铁磁性目标材料模型的相对磁导率，sigma表示水下铁磁性目标模型材料的相对电导率，epsilon表示水下铁磁性目标模型材料的相对介电常数，rho表示水下铁磁性目标模型材料的密度，在本实例中，水下铁磁性目标模型的材料为铁质，具体属性设置为：mur＝400，sigma＝1.12e7[S/m]，epsilon＝1，rho＝7870[kg/cm^3]。
(2.4)有限元网格划分子步骤。
在进入COMSOL电磁场仿真计算之前，有限元网格划分是至关重要的一步，由于空气和水体都是用长方体描述，而水下目标模型则是用空心组合体描述，因此可以分别对着两种几何模型进行不同精细度的网格划分。即对水下目标使用高精度的网格划分尺寸，其他区域使用较高精度的网格划分尺寸。具体地，所有几何模型的网格剖分方式均设置为自由剖分四面体网格，潜航器网格尺寸最大为5m、最小为2m。介质层网格划分模式选择COMSOL自带的“特别细化模式”，网格大小根据模型大小自适应。介质层的网格划分如图4所示，水下铁磁性目标模型的网格划分如图5所示。
(3)对水下铁磁性目标探测模型进行仿真，获取水下铁磁性目标模型周围的电磁场分布步骤。
基于Maxwell方程组，可以建立边界条件约束下的输电网络工频电磁场(波)方程：
其中，表示微分算子，μr表示传输介质相对磁导率，εr表示传输介质相对介电常数，ε0表示真空中的介电常数，E表示电场矢量，k0表示方程参数，σ表示电导率。
设置求解控制参数，方程组采用BiCGStab求解器，保持默认设置对求解器进行初始化。初始化完成后，设置迭代计算的步数为10000步，仿真频率设置为50Hz，对求解器进行计算。
设定好观测平面的高度为10km后，通过对所述输电网络工频电磁场(波)方程求解，获得该高度下的电场幅值和磁场幅值，绘制电场等值线和磁场等值线。具体的，首先创建等值线绘制图层，选择数据源为电场幅值和磁场幅值，设置等值线的数目为200，调整等值线的类型为实线，绘制工频电磁场(波)的等值线图。图6为本发明实施例1提供的磁场等值线图，图7为本发明实施例1提供的电场等值线图。
从磁场等值线图和电场等值线图中磁场幅值和电场幅值的异常，实现对水下铁磁性目标的探测。
具体地，本发明实施例1提供的基于多工频辐射源探测水下铁磁性目标的系统，包括如下单元：
工频电磁场、海水、水面船舶作用于水下铁磁性目标单元：输电网络在空间范围内产生工频电磁场，水下铁磁性目标在所述工频电磁场作用下产生感生电磁场，同时，水下铁磁性目标内、外部海水在所述工频电磁场作用下产生交变电流，所述交变电流作用于水下铁磁性目标产生二次磁场，将所述水下铁磁性目标产生的感生电磁场和所述水下铁磁性目标内、外部海水作用于水下铁磁性目标产生的二次磁场相加，作为水下铁磁性目标产生的总的电磁场；
构建水下铁磁性目标探测模型单元：使用仿真软件构建水下铁磁性目标探测模型，所述探测模型包括：建立输电网络模型、水下铁磁性目标模型以及空间域模型，水下铁磁性目标模型和空间域模型还包括无限元网格划分。
获取水下铁磁性目标模型周围电磁场分布单元：根据麦克斯韦电磁方程组，对水下铁磁性目标模型进行仿真，获取水下铁磁性目标周围工频电磁场分布，根据所述工频电磁场的分布实现对水下铁磁性目标的探测。
具体地，本发明实施例2提供的基于多工频辐射源探测水下铁磁性目标的方法，以下是详细的技术方案，包括如下步骤：
(1)工频电磁场、海水、水面船舶作用于水下铁磁性目标步骤。
(1.1)工频电磁场(波)对水下目标的磁化效应。
输电网络会在周围空间产生工频电磁场(波)，假设某个地区的电网在空间中任一点产生的工频电磁场(波)为水下铁磁性目标可以看作大型金属腔体，水下铁磁性目标在工频电磁场(波)中会产生振荡的磁化，产生感生电磁场扰动/>所述感生电磁场扰动强度正比于原生磁场强度和水下铁磁性目标的磁导率。该磁化效应产生的磁化电流在次生电流中占主导地位，且磁化可以穿透水下铁磁性目标。
(1.2)金属导体和包裹导体海水共同效应。
水下铁磁性目标可以看作大型金属腔体，其内、外均为海水。
水下铁磁性目标内部的海水为导电体，在工频电磁场作用下产生交变电流，所述交变电流作用于水下铁磁性目标产生二次磁场
包围水下铁磁性目标的海水柱体为导电体，在工频电磁场作用下产生交变电流，所述交变电流作用于水下铁磁性目标产生二次磁场
水下铁磁性目标在所述工频电磁场和其内、外部海水共同作用下产生的电磁场可以表示为：
(1.3)获取水下铁磁性目标和水面船舶同时存在时产生的总的电磁场。
当水面船舶与潜航器同时存在时，水面船舶在工频电磁场(波)的作用下，其次生场(波)依据法拉第定律感生二次场，其产生的二次场可作为二次辐射源，所述水面船舶作为二次辐射源示意图如图8所示，当有n艘水面船舶时，其产生的二次辐射场为多个二次场的叠加。
其中，为所有船舶作用在潜航器产生的二次磁场扰动，/>为单个船舶作用在潜航器产生的二次磁场扰动。
输电网络产生的工频电磁场(波)、潜航器内、外部的海水以及水面船舶共同作用在潜航器产生的总的电磁场为：
其中，为水下铁磁性目标产生的总的电磁场。
(2)构建水下铁磁性目标探测模型步骤。
(2.1)建立分布式输电网络模型子步骤。
本发明实施例2中所述子步骤与本发明实施例1中所述子步骤相同。
(2.2)建立空间域模型子步骤。
本发明实施例2中所述子步骤与本发明实施例1中对应的所述子步骤相同。
(2.3)建立水下铁磁性目标模型和水面船舶模型子步骤。
水下铁磁性目标模型和水面传播可以等效为一个空心组合体，用下面的模型表示：
Mtarget＝(Vtarget，P，mtarget)
其中Mtarget表示模型抽象，Vtarget表示目标的几何描述，P表示目标几何中心的位置坐标，mtarget表示目标的材料属性。在本实例中，水下铁磁性目标类型设置为潜航器，在几何建模过程中使用多种常规几何体(如长方体，棱柱体，椭球等)组合成一个潜航器和水面船舶的近似模型。
具体的，P＝(x0，y0，z0)，其中x0，y0，z0表示水下铁磁性目标中心点在空间直角坐标系下的三个位置坐标；mtarget＝(mur，sigma，epsilon，rho)，mur表示水下铁磁性目标材料的相对磁导率，sigma表示水下铁磁性目标材料的相对电导率，epsilon表示水下铁磁性目标材料的相对介电常数，rho表示水下铁磁性目标材料的密度，在本实例中，水下铁磁性目标材料为铁质，具体属性设置为：mur＝400，sigma＝1.12e7[S/m]，epsilon＝1，rho＝7870[kg/cm^3]。
本发明实施例2中，潜航器位于水下100m深处，长轴约100m，外径约8m；船舶位于水面，长约50m，宽约20m，高约20m，如图9所示。
(2.4)有限元网格划分子步骤。
在进行COMSOL工频电磁场(波)仿真计算之前，有限元网格划分是至关重要的一步，由于空气和水体都是用长方体描述，而水下铁磁性目标模型和水面船舶则是用空心组合体描述，因此可以分别对两类几何模型进行不同精细度的网格划分。具体地，所有几何模型的网格剖分方式均设置为自由剖分四面体网格，其中水面船舶网格尺寸最大为5m、最小为1m；潜航器网格尺寸最大为5m、最小为2m。水体层和空气层网格划分模式选择COMSOL自带的“特别细化模式”，网格大小根据模型大小自适应。水面船舶几何模型的网格划分结果如图10所示。
(3)获取水下铁磁性目标模型周围电磁场分布步骤。
对空间计算域进行有限元网格划分之后，设定COMSOL射频物理场的边界条件，进行频域稳态仿真计算。基于Maxwell方程组，可以建立边界条件约束下的输电网络工频电磁场(波)方程：
其中，表示微分算子，μr表示传输介质相对磁导率，εr表示传输介质相对介电常数，ε0表示真空中的介电常数，E表示电场矢量，k0表示方程参数，σ表示电导率。按照上述方程进行仿真得到电场矢量，对电场矢量进行转换得到磁场矢量，由此得到输电网络的工频电磁场(波)分布。
设置求解控制参数，方程组采用BiCGStab求解器，保持默认设置对求解器进行初始化。初始化完成后，设置迭代计算的步数为10000步，仿真频率设置为50Hz，对求解器进行计算。
通过对所述输电网络工频电磁场(波)方程求解，获得潜航器与水面船舶相距不同距离时产生的总的工频电磁场扰动。
当潜航器和水面船舶相距1km时，水下铁磁性目标周围的工频磁场扰动图如图11(a)所示，水下铁磁性目标周围的工频电场扰动图如图11(b)所示；
当潜航器和水面船舶相距5km时，水下铁磁性目标周围的工频磁场扰动图如图12(a)所示，水下铁磁性目标周围的工频电场扰动图如图12(b)所示；
当潜航器和水面船舶相距10km时，水下铁磁性目标周围的工频磁场扰动图如图13(a)所示，水下铁磁性目标周围的工频电场扰动图如图13(b)所示；
当潜航器和水面船舶相距15km时，水下铁磁性目标周围的工频磁场扰动图如图14(a)所示，水下铁磁性目标周围的工频电场扰动图如图14(b)所示；
当潜航器和水面船舶相距20km时，水下铁磁性目标周围的工频磁场扰动图如图15(a)所示，水下铁磁性目标周围的工频电场扰动图如图15(b)所示。
通过上述潜航器和水面船舶相距不同距离得到工频磁场扰动图和工频电场扰动图可知：随着潜航器和船舶之间距离的不断增加，可以观察到逐渐分开的两处明显的较亮的扰动，且两处扰动均向周围海水及空气介质中发生了传播与扩散，其中一个扰动扩散范围较大可达到20km*20km，另外一个扰动扩散范围相对较小可达到5km*5km。
(4)实测数据验证步骤。
(4.1)获取潜航器单独存在时产生的电磁场信号。
1)获取50Hz电磁场信号。
通过磁通门传感器进行数据采集，数据采样率设置为1024Hz，采集的数据为0～512Hz的时域原始信号。对该原始信号进行滑窗傅里叶变化，步进为1个点，傅里叶窗口大小为30s数据。
其中，F(ω)为频率域函数，f(t)为时间域函数，ω为频率，t为时间。对经过傅里叶变换的频域谱提取50Hz信号f′(t)。
2)对提取的50Hz信号进行傅里叶变换。
将提取的f′(t)作为原始时域信号做傅里叶变换，步进为1s，傅里叶窗口大小为30s数据。
其中，F(ω)为频率域函数，f(t)为时间域函数，ω为频率，t为时间。
对经过傅里叶变换的频域谱提取50Hz信号，得到潜航器单独存在时磁场扰动图，如图16(a)所示。
(4.2)获取船舶与潜航器同时存在时产生的电磁场信号。
(4.2.1)获取50Hz信号数据。
通过磁通门传感器进行数据采集，数据采样率设置为1024Hz，采集的数据为0～512Hz的时域原始信号。对该原始信号进行滑窗傅里叶变化，步进为1个点，傅里叶窗口大小为30s数据。
其中，F(ω)为频率域函数，f(t)为时间域函数，ω为频率，t为时间。对经过傅里叶变换的频域谱提取50Hz信号f′(t)。
(4.2.2)对50Hz信号进行傅里叶变换。
将(4.2.1)中提取的f′(t)做傅里叶变换，步进为1s，傅里叶窗口大小为30s数据。
其中，F′(ω)为50Hz信号傅里叶变换后得到的频率域函数，f′(t)为50Hz信号时间域函数，ω为频率，t为时间。对经过傅里叶变换的频域谱提取50Hz信号，得到潜航器单独存在时磁场扰动图，如图16(b)所示。
从图16(a)和图16(b)数据可以看出，当潜航器单独存在时，潜航器离岸13m时已看不到明显潜航器扰动信号。当船舶与潜航器同时存在时，潜航器离岸20m时，仍可看到明显潜航器扰动信号。因此可推断出水面船舶可增大水下铁磁性目标信号。
具体地，本发明实施例2提供的基于多工频辐射源探测水下铁磁性目标的系统，包括如下单元：
工频电磁场、海水、水面船舶作用于水下铁磁性目标单元：输电网络在空间范围内产生工频电磁场，水下铁磁性目标在所述工频电磁场作用下产生感生电磁场，同时，水下铁磁性目标内、外部海水在所述工频电磁场作用下产生交变电流，所述交变电流作用于水下铁磁性目标产生二次磁场，将水面船舶在工频电磁场(波)的作用下产生感应电流产生工频电磁场(波)作为二次辐射源作用于附近的水下铁磁性目标，得到水下铁磁性目标产生的二次磁场，将其和水下铁磁性目标产生的感生电磁场、水下铁磁性目标内、外部海水作用下产生的二次磁场相加，作为水下铁磁性目标产生的总的电磁场；
构建水下铁磁性目标探测模型单元：使用仿真软件构建水下铁磁性目标探测模型，所述探测模型包括：建立输电网络模型、水下铁磁性目标模型以及空间域模型，水下铁磁性目标模型和空间域模型还包括无限元网格划分。
获取水下铁磁性目标模型周围电磁场分布单元：根据麦克斯韦电磁方程组，对水下铁磁性目标模型进行仿真，获取水下铁磁性目标周围工频电磁场分布，根据所述工频电磁场的分布实现对水下铁磁性目标的探测。
实测数据验证单元：分别采集只有水下铁磁性目标时的原始时域信号和有水面船舶经过铁磁性目标时的原始时域信号，对采集得到的原始时域信号分别进行傅里叶变换，得到只有水下铁磁性目标时的磁场扰动图和有水面船舶经过铁磁性目标时的磁场扰动图，通过磁场扰动图中磁场强度的对比，验证水面船舶经过铁磁性目标时水下铁磁性目标的工频电磁场扰动得到增强。
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 (5)
1.一种基于多工频辐射源探测水下铁磁性目标的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1) 工频电磁场和海水作用于水下铁磁性目标步骤：输电网络在空间范围内产生工频电磁场，水下铁磁性目标在所述工频电磁场作用下产生感生电磁场，同时，水下铁磁性目标内、外部海水在所述工频电磁场作用下产生交变电流，所述交变电流作用于水下铁磁性目标产生二次磁场，若存在水面船舶作为二次辐射源作用于水下铁磁性目标，则进行步骤(2)，反之，若不存在水面船舶作为二次辐射源作用于水下铁磁性目标，则将所述水下铁磁性目标产生的感生电磁场和所述水下铁磁性目标在内、外部海水作用下产生的二次磁场相加作为水下铁磁性目标产生的总的电磁场，进行步骤(3)；
(2) 水面船舶作为二次辐射源作用于水下铁磁性目标步骤：将水面船舶在工频电磁场的作用下产生感应电流产生工频电磁场作为二次辐射源作用于附近的水下铁磁性目标，得到水下铁磁性目标产生的二次磁场，将其和水下铁磁性目标产生的感生电磁场、水下铁磁性目标内、外部海水作用下产生的二次磁场，作为水下铁磁性目标产生的总的电磁场，进行步骤(3)；
(3) 水下铁磁性目标探测步骤：水下铁磁性目标产生的总的电磁场会对工频电磁场产生扰动，获取水下铁磁性目标周围工频电磁场分布，根据所述工频电磁场的分布实现对水下铁磁性目标的探测；所述水下铁磁性目标探测步骤，具体为：建立水下铁磁性目标的探测模型，根据麦克斯韦电磁方程组，对水下铁磁性目标模型进行仿真，获取水下铁磁性目标周围工频电磁场分布，根据所述工频电磁场的分布实现对水下铁磁性目标的探测；所述建立水下铁磁性目标的探测模型，具体为：所述建立水下铁磁性目标的探测模型包括：建立输电网络模型、水下铁磁性目标模型以及空间域模型；所述建立输电网络模型，具体为：获取输电网络的节点分布、海拔高度和输电环路分布；创建输电网络的曲线层，所述曲线层中的曲线作为输电环路的几何描述，所述几何描述作为水下铁磁性目标模型的激励源；根据输电网络的节点分布和环路信息来设置曲线的参数，并根据海拔高度构建曲线的位置分布；根据输电网络中不同环路输送电流和传输电压的大小对水下铁磁性目标模型的激励源进行赋值；所述水下铁磁性目标模型，具体为：水下铁磁性目标模型包括：水下铁磁性目标模型的几何描述、水下铁磁性目标模型中心点的位置坐标、水下铁磁性目标模型的材料属性；其中，水下铁磁性目标模型的几何描述为若干种常规几何体组合成的一个空心组合体；水下铁磁性目标模型中心点的位置坐标为空间直角坐标系中x、y、z坐标轴上的坐标；水下铁磁性目标模型的材料属性包括所述水下铁磁性目标模型材料的相对磁导率、所述水下铁磁性目标模型材料的相对电导率、所述水下铁磁性目标模型材料的相对介电常数、所述水下铁磁性目标模型材料的密度；所述水下铁磁性目标模型还包括有限元网格划分，所述水下铁磁性目标模型网格的大小根据所述水下铁磁性目标模型的大小自适应；所述空间域模型，具体为：所述空间域模型为工频电磁场传播的介质层；所述介质层包括：空气层、海洋层、大陆层、海床层、电离层；所述空间域模型还包括有限元网格划分，所述空间域模型网格的大小根据所述空间域模型的大小自适应。
2.如权利要求1所述的一种基于多工频辐射源探测水下铁磁性目标的方法，其特征在于，所述工频电磁场和海水作用于水下铁磁性目标步骤，具体为：
输电网络会在空间中会产生工频电磁场，其中，/>为时间和空间的四维函数；所述工频电磁场作用于水下铁磁性目标会产生感生电磁场/>；
水下铁磁性目标在工频电磁场作用下产生磁化效应，其磁化强度正比于所述工频电磁场强度和所述水下铁磁性目标的磁导率；
水下铁磁性目标在下潜和上浮过程中通过进出海水进行控制，所述水下铁磁性目标内部存在大量海水；
水下铁磁性目标内部的海水为导电体，在所述工频电磁场作用下产生交变电流，所述交变电流作用于水下铁磁性目标产生的二次磁场；
包围水下铁磁性目标的外部海水为导电体，在所述工频电磁场作用下产生交变电流，所述交变电流作用于水下铁磁性目标产生的二次磁场；
水下铁磁性目标在所述工频电磁场和内、外部海水共同作用下得到水下铁磁性目标产生的总的工频电磁场，所述总的电磁场/>计算公式为：
。
3.如权利要求1所述的一种基于多工频辐射源探测水下铁磁性目标的方法，其特征在于，所述水面船舶作为二次辐射源作用于水下铁磁性目标步骤，具体为：
单个水面船舶在工频电磁场的作用下，依据法拉第定律产生感生二次场，所述感生二次场可作为二次辐射源，当存在多个水面船舶时，将所述多个水面船舶产生的二次场矢量相加得到多个二次辐射源，将所述多个二次辐射源产生的工频电磁场作用在水下铁磁性目标时，水下铁磁性目标产生的总二次磁场，计算公式如下所示：
其中，为单个二次辐射源作用在水下铁磁性目标时，水下铁磁性目标产生的二次磁场，/>代表水面船舶的数量；
水下铁磁性目标在多个二次辐射源产生的工频电磁场的作用下，产生的总的电磁场为：
。
4.如权利要求1所述的一种基于多工频辐射源探测水下铁磁性目标的方法，其特征在于，所述水下铁磁性目标探测步骤之后还包括实测数据验证步骤，具体为：
分别采集只有水下铁磁性目标的原始时域信号和有水面船舶经过水下铁磁性目标时的原始时域信号，对采集得到的原始时域信号分别进行傅里叶变换，得到只有水下铁磁性目标时的磁场扰动图和有水面船舶经过铁磁性目标模型时的磁场扰动图，通过磁场扰动图中磁场强度的对比，验证水面船舶经过水下铁磁性目标时，水下铁磁性目标的工频电磁场扰动得到增强。
5.一种基于多辐射源探测水下铁磁性目标的系统，其特征在于，包括如下单元：
工频电磁场和海水作用于水下铁磁性目标单元：输电网络在空间范围内产生工频电磁场，水下铁磁性目标在所述工频电磁场作用下产生感生电磁场，同时，水下铁磁性目标内、外部海水在所述工频电磁场作用下产生交变电流，所述交变电流作用于水下铁磁性目标产生二次磁场，若存在水面船舶作为二次辐射源作用于水下铁磁性目标，则转至水面船舶作为二次辐射源作用于水下铁磁性目标单元，反之，若不存在水面船舶作为二次辐射源作用于水下铁磁性目标，则将所述水下铁磁性目标产生的感生电磁场和所述水下铁磁性目标在内、外部海水作用下产生的二次磁场相加作为水下铁磁性目标产生的总的电磁场，转至水下铁磁性目标探测单元；
水面船舶作为二次辐射源作用于水下铁磁性目标单元：将水面船舶在工频电磁场的作用下产生感应电流产生工频电磁场作为二次辐射源作用于附近的水下铁磁性目标，得到水下铁磁性目标产生的二次磁场，将其和水下铁磁性目标产生的感生电磁场、水下铁磁性目标内、外部海水作用下产生的二次磁场，作为水下铁磁性目标产生的总的电磁场，转至水下铁磁性目标探测单元；
水下铁磁性目标探测单元：水下铁磁性目标产生的总的电磁场会对工频电磁场产生扰动，获取水下铁磁性目标周围工频电磁场分布，根据所述工频电磁场的分布实现对水下铁磁性目标的探测；所述水下铁磁性目标探测步骤，具体为：建立水下铁磁性目标的探测模型，根据麦克斯韦电磁方程组，对水下铁磁性目标模型进行仿真，获取水下铁磁性目标周围工频电磁场分布，根据所述工频电磁场的分布实现对水下铁磁性目标的探测；所述建立水下铁磁性目标的探测模型，具体为：所述建立水下铁磁性目标的探测模型包括：建立输电网络模型、水下铁磁性目标模型以及空间域模型；所述建立输电网络模型，具体为：获取输电网络的节点分布、海拔高度和输电环路分布；创建输电网络的曲线层，所述曲线层中的曲线作为输电环路的几何描述，所述几何描述作为水下铁磁性目标模型的激励源；根据输电网络的节点分布和环路信息来设置曲线的参数，并根据海拔高度构建曲线的位置分布；根据输电网络中不同环路输送电流和传输电压的大小对水下铁磁性目标模型的激励源进行赋值；所述水下铁磁性目标模型，具体为：水下铁磁性目标模型包括：水下铁磁性目标模型的几何描述、水下铁磁性目标模型中心点的位置坐标、水下铁磁性目标模型的材料属性；其中，水下铁磁性目标模型的几何描述为若干种常规几何体组合成的一个空心组合体；水下铁磁性目标模型中心点的位置坐标为空间直角坐标系中x、y、z坐标轴上的坐标；水下铁磁性目标模型的材料属性包括所述水下铁磁性目标模型材料的相对磁导率、所述水下铁磁性目标模型材料的相对电导率、所述水下铁磁性目标模型材料的相对介电常数、所述水下铁磁性目标模型材料的密度；所述水下铁磁性目标模型还包括有限元网格划分，所述水下铁磁性目标模型网格的大小根据所述水下铁磁性目标模型的大小自适应；所述空间域模型，具体为：所述空间域模型为工频电磁场传播的介质层；所述介质层包括：空气层、海洋层、大陆层、海床层、电离层；所述空间域模型还包括有限元网格划分，所述空间域模型网格的大小根据所述空间域模型的大小自适应。
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- 2022-12-30 US US18/148,460 patent/US20230243997A1/en active Pending
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Also Published As
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|---|---|
| US20230243997A1 (en) | 2023-08-03 |
| CN114325851A (zh) | 2022-04-12 |
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