CN109632000A - 一种基于沉底式集成探测装置的探测方法 - Google Patents

Abstract

一种沉底式声电磁集成探测装置，包括外壳结构，在所述外壳结构具有中部仪器舱，所述中部仪器仓内部配置有电源管理模块、锂电池、数采及处理单元、通讯模块、三分量磁通门传感器以及姿态传感器；位于所述中部仪器仓上部的顶端传感器支撑结构，所述顶端传感器支撑结构上配置有水听器、压力传感器以及电极，其中所述电极位于该顶端传感器支撑结构的平面圆周中心正上方；位于所述中部仪器仓的底部设置有3个支撑臂，用于将所述探测装置支撑在底面，每个支撑单臂中都配置有一个电极，3个电极处于同一平面内按圆周均匀分布，相邻两只呈120°间隔设置。本发明可以同时收集水底的声电磁信号，并修正后输出。检测速度快，信号处理迅速准确。

Description

一种基于沉底式集成探测装置的探测方法

技术领域

本发明涉及一种基于沉底式集成探测装置的探测方法，更具体地涉 及用于水下目标声、电、磁特征的提取，实现对目标综合定位的集成测 量装置。

背景技术

我国海洋立体探测手段匮乏，水下探测尚未形成有效的综合网络， 空间覆盖不足、盲区范围大、虚警率高等问题无法满足日益严峻的安防 需求。尤其是针对水下目标，由于物理场特征水平更低，水下传播规律 尚不明晰，加之水下探测水域背景复杂、干扰源多，时变特性明显，使 目标探测的难度进一步加大，单一探测手段越来越难以有效探测发现水下目标。因此，研究具有多物理场探测功能的集成探测方法对提高我国 水下探测预警能力，形成有效探测网络具有重要意义。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种沉底式多物理场集成探测 装置及其探测方法，提取水下目标的声场、电场、磁场信号，对其进行 综合警戒和定位。

具体而言，本发明提供了一种沉底式声电磁集成探测装置，包括外 壳结构，在所述外壳结构具有中部仪器舱，所述中部仪器仓内部配置有 电源管理模块、锂电池、数采及处理单元、通讯模块、三分量磁通门传 感器以及姿态传感器；位于所述中部仪器仓上部的顶端传感器支撑结构， 所述顶端传感器支撑结构上配置有水听器、压力传感器以及电极，其中 所述电极位于该顶端传感器支撑结构的平面圆周中心正上方；位于所述 中部仪器仓的底部设置有3个支撑臂，用于将所述探测装置支撑在底面， 每个支撑单臂中都配置有一个电极，3个电极处于同一平面内按圆周均匀 分布，相邻两只呈120°间隔设置；多个所述电极用于测量水体的电场信 息；所述三分量磁通门传感器用于测量水体的磁场信息，所述水听器用 于测量水体的声场信息。

进一步的，所述锂电池用于给所述探测装置供电；所述电源管理模 块用于连接所述锂电池和岸基供电桩，根据需要选择所述锂电池和岸基 供电桩之一或同时对所述探测装置供电。

进一步的，所述数采及处理单元包括高位数据采集电路，用于采集 所述三分量磁通门传感器、姿态传感器、水听器、压力传感器以及电极 的信号；还包括数字信号处理器，用于将所述高位数据采集电路采集到 的信号进行放大、滤波以及模数转换；所述通讯模块用于将所述数字信 号处理器处理后的信号传递给岸基管控中心。

进一步的，所述压力传感器用于监控所述探测装置所处位置的压力 信息，所述姿态传感器用于监测所述探测装置的姿态信息，用于测量信 号校正。

进一步的，所述数采及处理单元接收所述水听器所测量信号，对输 出的振速信号v_x、v_y，声压信号经声信号处理模块进行干扰补偿预处理， 利用平均声强法或直方图法获取目标方位信息，利用视频分析或线谱分 析，获取目标辐射噪声特性。

进一步的，所述数采及处理单元接收4个电极的信号，获取测量点 处电场强度信号；所述数采及处理单元进一步接收所述姿态传感器的信 号，利用其信号对上述电场强度进行修正。

进一步的，所述数采及处理单元获取所述三分量磁通门传感器的信 号，对磁场信号进行预处理，获取所述探测装置位置处的三分量磁场强 度，并接收所述姿态传感器的信号对所述磁场信号校正。

本发明还提供了一种沉底式声电磁集成探测装置的探测方法，包括 以下步骤：

构造沉底式声电磁集成探测装置，使其包括位于中部仪器仓中的数 采及处理单元、三分量磁通门传感器以及姿态传感器；以及位于所述中 部仪器仓上部的顶端传感器支撑结构，使得所述顶端传感器支撑结构上 配置有水听器、压力传感器以及电极，所述电极位于该顶端传感器支撑 结构的平面圆周中心正上方；位于所述中部仪器仓的底部设置的3个支 撑臂，每个支撑单臂中都配置有一个电极，3个电极处于同一平面内按圆 周均匀分布，相邻两只呈120°间隔设置；

利用所述数采及处理单元接收所述水听器所测量信号，对输出的振 速信号v_x、v_y，声压信号经声信号处理模块进行干扰补偿预处理，利用平 均声强法或直方图法获取目标方位信息，利用视频分析或线谱分析，获 取目标辐射噪声特性；

利用所述数采及处理单元接收所述4只电极的信号，对信号进行预 处理，计算所述探测装置测量点处电场强度信号，其中采用以下方法计 算电场强度：

将上方电极做为4号电极，下方电极分别做为1、2、3号电极，4号 电极距下方电极平面距离为h，1、2、3号电极至4号电极的直线距离为 l；1、2、3号电极间的距离为d，各电极电位信号为则各电极各方 向电场强度表达式为：

则所述探测装置中心点电场强度可由矢量差值计算获得：

所述数采及处理单元进一步接收所述姿态传感器的信号，利用其信 号对上述电场强度进行修正，该修正过程包括3个步骤：

①根据姿态传感器倾角参数，计算倾角变换后的修正值：

E_倾角修正＝T_q·E_测量值 (6)

其中T_q为倾角变换矩阵。

②倾角传感器与电极理想坐标轴之间的理想轴偏误差修正：

E_{理想轴偏修正}＝T_x·T_y·T_z·E_倾角修正 (7)

T_x，T_y，T_z为绕理想正交三轴旋转矩阵。

③电极理想坐标轴与实际三轴不正交修正：

E_输出＝T·E_{理想轴偏修正} (8)

T为磁传感器三轴不正交修正矩阵；

最终获得E_输出作为输出最终输出电场强度信息；

进一步包括以下步骤：所述数采及处理单元获取所述三分量磁通门 传感器的信号，对磁场信号进行预处理，获取所述探测装置位置处的三 分量磁场强度，并接收所述姿态传感器的信号对所述磁场信号采用如权 利要求8所述的电场修正方法进行修正，最终得到修正后的磁场信号：

B_修正值＝T·T_x·T_y·T_z·T_q·B_实测值 (9)

T为磁传感器三轴不正交修正矩阵；T_x，T_y，T_z为绕理想正交三轴旋 转矩阵；T_q为倾角变换矩阵。

本发明的有益效果是：

(1)声电磁多物理场集成探测，实现了声场、电场、磁场、水压场 等一体化集成探测，即可用于对目标的探测定位，还可用于对海洋环境 进行监测，多功能集成，一体复用；

(2)该探测方法仅用4个电极实现三维电场探测，相对于常规探测 方法可减少2个电极数量，提高了装置的可靠性；

(3)该探测装置配备数据处理模块，可实现多维特征同步采集以及 信息融合处理，实现综合定位与识别；

(4)改装置采用低功耗设计，供电方式多元，自持供电可提高装置 的安全性与持久性；

(5)光纤通讯设计可实现数据的实时传递，供岸基管控中心进一步 处理。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施或现有技术中的技术方案，下面将对 实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人 员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图来获得其 他的附图。

图1是本发明集成探测装置的结构示意图。

图2是本发明探测器各功能模块集成示意图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

更具体的，本发明的沉底式声电磁集成探测装置包括外壳结构、声 电磁测量单元、数采及处理单元、通讯单元、供电单元以及状态监控单 元。

如图1所示，本发明的沉底式多物理场集成探测装置，由10外壳结 构、声电磁测量单元、数采及通讯单元、供电单元以及状态监控单元构 成。测量单元包括1水听器，3电极传感器，8三分量磁通门传感器；数 采及通讯单元由4数采、数据预处理模块及通讯模块构成；供电单元由5 锂电池及供电管理模块；状态监控单元由2压力传感器和9姿态传感器 构成。

所述外壳结构用于各功能单元的布放，主体结构包括顶端传感器支 撑结构、中部仪器舱以及底部支撑臂；其中顶端传感器支撑结构用于水 听器、压力传感器以及电场传感器布放安装；仪器舱内包括电源管理模 块、锂电池、通讯模块、磁场传感器以及姿态传感器；支撑臂用于支撑 结构的稳定性，由3个单臂构成，每个单臂内布放一个电极传感器。

所述声电磁测量单元由水听器、三分量磁通门传感器、三维高灵敏 度电极构成，其中水听器共4只，按圆周均匀布置于支撑结构顶端；三 分量磁通门传感器位于中部仪器舱内；高灵敏度电极共4只，其中1只 位于支撑结构顶端，3只分别位于支撑单臂中，支撑单臂中电极处于同一 平面内按圆周均匀分布，相邻两只呈120°，顶端电极位于该平面圆周中心正上方。

由此构成底下3只，底下3只得圆心正上方再设置一只电极的三维 结构。这种三维结构的设置，更能准确地反映水底三维电场的真实强度。

在一个实施例中，所述外壳结构还包括底座，所述底座上配置有配 重板，所述配重板上配置有凸起的尖部，能够牢固地抓地，从而便于固 定到海床上。

在所述凸起的尖部的内部进一步配置有震动传感器，能够监测海床 的振动，从而提供更丰富的海底信息。

如图2所示，该集成探测装置可分为3层架构，能量管理层、传感 器层及数据处理层，其中能量管理层有锂电池、供电管理模块组成，供 电管理模块可外接岸基供电电缆，能量管理层采用低功耗设计，为所有 电路模块及传感器供电；传感器层由水听器、三维电极传感器、三分量 磁通门传感器、压力传感器、姿态传感器构成，用于获取各物理场信号； 数据处理层由高位数据采集电路、数字信号处理器及通讯模块组成，用 于信息的同步采集、信号预处理及信息传递。

各传感器共同工作，将所获取信号传递至岸基管控台，其中声信号 含由1只矢量水听器处理获得振速及声压3通道信号；电场信号由4只 电极传感器电位信号进行处理获取测量装置中心点电场强度3分量信号； 磁场信号由1只三分量磁通门传感器结合姿态传感器获取测量装置中心 点磁场强度3分量信号。

所述数采及处理单元用于进行数据的采集、处理和转换，将所测量 的声、电、磁信号进行放大、滤波以及模数转换，其中电场信号由4只 电极进行差分放大后在进行滤波及模数转换。

所述通讯单元用于对数据进行传输，将数采及处理单元所获得数据 传递至岸基管控中心。

所述供电单元由锂电池、能量管理模块构成，锂电池用于自持供电， 能量管理模块可实现岸基供电和自持供电的协同管理。

所述状态监控单元含压力传感器及姿态传感器，其中压力传感器用 于监控装置所处位置压力信息，姿态传感器可监测装置姿态信息，用于 测量信号校正。

进一步的，所述集成探测装置的探测方法包括：

1)获取水听器信号，对输出的振速信号v_x、v_y，声压信号经声信号 处理模块进行干扰补偿预处理，利用平均声强法或直方图法获取目标方 位信息，利用视频分析或线谱分析，获取目标辐射噪声特性；

所述声信号处理模块包括前置放大器、前置带通滤波器以及数采模 块；声信号处理模块将水听器测量的信号经过放大、滤波、数采后转换 为数字信号；

2)获取4只电极信号，对信号进行预处理，获取测量点处电场强度 信号，去上方电极为4号电极，下方电极分别为1、2、3号电极，4号电 极距下方电极平面距离为h，1、2、3号电极至4号电极的直线距离为l； 1、2、3号电极间的距离为d，各电极电位信号为则各电极各方向 电场强度表达式为：

测量装置中心点电场强度可由矢量差值计算获得：

结合姿态传感器进行修正，该修正过程可简化为3个步骤：

①根据姿态传感器倾角参数，计算倾角变换后的修正值：

E_倾角修正＝T_q·E_测量值 (6)

其中T_q为倾角变换矩阵。

②倾角传感器与电极理想坐标轴之间的理想轴偏误差修正：

E_{理想轴偏修正}＝T_x·T_y·T_z·E_倾角修正 (7)

T_x，T_y，T_z为绕理想正交三轴旋转矩阵。

③电极理想坐标轴与实际三轴不正交修正：

E_输出＝T·E_{理想轴偏修正} (8)

T为磁传感器三轴不正交修正矩阵。

所述电场信号预处理包括信号的差分采集、前置放大以及低通滤波。

3)获取三分量磁通门信号，对磁场信号进行预处理，结合姿态传感 器进行校正，获取测量点三分量磁场强度，重复电场信号校正方法，可 得最终磁场强度修正值为：

B_修正值＝T·T_x·T_y·T_z·T_q·B_实测值 (9)

所述磁场信号预处理包括信号的前置放大以及低通滤波。T为磁传感 器三轴不正交修正矩阵；T_x，T_y，T_z为绕理想正交三轴旋转矩阵；T_q为倾 角变换矩阵。

4)将声电磁特征信号传递至岸基管控台后，进行信号滤波与信号处 理，构造目标电偶极子场模型、磁偶极子模型，计算目标特征信息。

本领域技术人员熟知的，上述矩阵均为常规的数学矩阵。

尽管已经结合相关实施例对本发明进行了详细描述，但是对于本领 域技术人员而言，在不背离本发明精神和实质的情况下所做的各做修改、 替换和形变，均落入本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种沉底式声电磁集成探测装置，其特征在于，包括外壳结构，在所述外壳结构具有中部仪器舱，所述中部仪器仓内部配置有电源管理模块、锂电池、数采及处理单元、通讯模块、三分量磁通门传感器以及姿态传感器；位于所述中部仪器仓上部的顶端传感器支撑结构，所述顶端传感器支撑结构上配置有水听器、压力传感器以及电极，其中所述电极位于该顶端传感器支撑结构的平面圆周中心正上方；位于所述中部仪器仓的底部设置有3个支撑臂，用于将所述探测装置支撑在底面，每个支撑单臂中都配置有一个电极，3个电极处于同一平面内按圆周均匀分布，相邻两只呈120°间隔设置；多个所述电极用于测量水体的电场信息；所述三分量磁通门传感器用于测量水体的磁场信息，所述水听器用于测量水体的声场信息。

2.根据权利要求1所述的一种沉底式声电磁集成探测装置，其特征在于，所述锂电池用于给所述探测装置供电；所述电源管理模块用于连接所述锂电池和岸基供电桩，根据需要选择所述锂电池和岸基供电桩之一或同时对所述探测装置供电。

3.根据权利要求1所述的一种沉底式声电磁集成探测装置，其特征在于，所述数采及处理单元包括高位数据采集电路，用于采集所述三分量磁通门传感器、姿态传感器、水听器、压力传感器以及电极的信号；还包括数字信号处理器，用于将所述高位数据采集电路采集到的信号进行放大、滤波以及模数转换；所述通讯模块用于将所述数字信号处理器处理后的信号传递给岸基管控中心。

4.根据权利要求1所述的一种沉底式声电磁集成探测装置，其特征在于，所述压力传感器用于监控所述探测装置所处位置的压力信息，所述姿态传感器用于监测所述探测装置的姿态信息，用于测量信号校正。

5.根据权利要求1所述的一种沉底式声电磁集成探测装置，其特征在于，所述数采及处理单元接收所述水听器所测量信号，对输出的振速信号v_x、v_y，声压信号经声信号处理模块进行干扰补偿预处理，利用平均声强法或直方图法获取目标方位信息，利用视频分析或线谱分析，获取目标辐射噪声特性。

6.根据权利要求1所述的一种沉底式声电磁集成探测装置，其特征在于，所述数采及处理单元接收4个电极的信号，获取测量点处电场强度信号；所述数采及处理单元进一步接收所述姿态传感器的信号，利用其信号对上述电场强度进行修正。

7.根据权利要求6所述的一种沉底式声电磁集成探测装置，其特征在于，所述数采及处理单元获取所述三分量磁通门传感器的信号，对磁场信号进行预处理，获取所述探测装置位置处的三分量磁场强度，并接收所述姿态传感器的信号对所述磁场信号校正。

8.一种沉底式声电磁集成探测装置的探测方法，其特征在于包括以下步骤：

构造沉底式声电磁集成探测装置，使其包括位于中部仪器仓中的数采及处理单元、三分量磁通门传感器以及姿态传感器；以及位于所述中部仪器仓上部的顶端传感器支撑结构，使得所述顶端传感器支撑结构上配置有水听器、压力传感器以及电极，所述电极位于该顶端传感器支撑结构的平面圆周中心正上方；位于所述中部仪器仓的底部设置的3个支撑臂，每个支撑单臂中都配置有一个电极，3个电极处于同一平面内按圆周均匀分布，相邻两只呈120°间隔设置；

利用所述数采及处理单元接收所述水听器所测量信号，对输出的振速信号v_x、v_y，声压信号经声信号处理模块进行干扰补偿预处理，利用平均声强法或直方图法获取目标方位信息，利用视频分析或线谱分析，获取目标辐射噪声特性；

利用所述数采及处理单元接收所述4只电极的信号，对信号进行预处理，计算所述探测装置测量点处电场强度信号，其中采用以下方法计算电场强度：

将上方电极做为4号电极，下方电极分别做为1、2、3号电极，4号电极距下方电极平面距离为h，1、2、3号电极至4号电极的直线距离为l；1、2、3号电极间的距离为d，各电极电位信号为则各电极各方向电场强度表达式为：

则所述探测装置中心点电场强度可由矢量差值计算获得：

所述数采及处理单元进一步接收所述姿态传感器的信号，利用其信号对上述电场强度进行修正，该修正过程包括3个步骤：

①根据姿态传感器倾角参数，计算倾角变换后的修正值：

E_倾角修正＝T_q·E_测量值 (6)

其中T_q为倾角变换矩阵。

②倾角传感器与电极理想坐标轴之间的理想轴偏误差修正：

E_{理想轴偏修正}＝T_x·T_y·T_z·E_倾角修正 (7)

T_x，T_y，T_z为绕理想正交三轴旋转矩阵。

③电极理想坐标轴与实际三轴不正交修正：

E_输出＝T·E_{理想轴偏修正} (8)

T为磁传感器三轴不正交修正矩阵；

最终获得E_输出作为输出最终输出电场强度信息。

9.根据权利要求8所述的一种沉底式声电磁集成探测装置的探测方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：所述数采及处理单元获取所述三分量磁通门传感器的信号，对磁场信号进行预处理，获取所述探测装置位置处的三分量磁场强度，并接收所述姿态传感器的信号对所述磁场信号采用如权利要求8所述的电场修正方法进行修正，最终得到修正后的磁场信号：

B_修正值＝T·T_x·T_y·T_z·T_q·B_实测值 (9)

T为磁传感器三轴不正交修正矩阵；T_x，T_y，T_z为绕理想正交三轴旋转矩阵；T_q为倾角变换矩阵。