[发明专利]基于传感器电极竖直排布的水下主动电场探测系统

说明书

本发明公开了一种于传感器电极竖直排布的水下主动电场探测系统，将传感器电极设置为竖直排布方式，即传感器探头模块包括电极支架、发射电极和接收电极，其中电极支架竖直放置，发射电极和接收电极水平固定在电极支架上，发射电极和接收电极存在高度差。本发明可以准确探测水下物体的几何形状。

技术领域

本发明属于水下主动电场探测技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于传感器电极竖直排布的水下主动电场探测系统。

背景技术

地球约四分之三的面积都被海洋覆盖着，水底下蕴藏着丰富的资源和未知的奥秘等待着人们去探索。人类对地球的研究也从陆地向海洋扩展，各国在海洋下也展开了激烈的资源争夺以及技术竞争，在这一过程中，科研工作者们不断推进新的技术手段并不断完善。在对水下环境及资源进行探测的过程中，水下探测装置发挥着至关重要的作用。然而水下环境复杂，很多适用于陆地的设备装置在水下都无法发挥作用，例如水下定位、设备对接、物体形状探测等陆地可以轻易解决的问题在水下都变成难题。且水下装置都存在操作困难、代价高昂、效果不佳等问题，特别是在深水区域，水域环境复杂，对设备装置要求更为严苛。为解决这一系列问题，科学家们提出譬如声呐、水下光学成像等技术方法。

目前，水下探测常用的方式有：声学探测、光学探测和电磁场探测等。声学探测例如声呐，主要利用声波来感知环境和探测物体，这种探测方式在进行水下探测时，会收到周围环境中的其他物质的干扰，如海水中岩石的声波吸收等问题，而且声呐探测为了保证探测的精度必须提高声波频率和数据更新率，这就增加了系统硬件的复杂度和工作人员的操作复杂度。光学探测方法，如水下电视，主要基于视觉成像的手段，虽然在一定程度上可以降低系统开销，但是，光学传感器作用距离近，必须依赖于外光源，对水质的要求很高，本来水对可见光就有一定的吸收和散射作用，若水体中还存在着大量的悬浮物，光的传播就会受到更强的阻碍作用，光能将在水中快速衰减，严重影响到系统的探测效率和定位精度，致使水下电视无法正常工作。使用电磁传感器进行探测时，传感器尺寸大，技术复杂，容易受到其他装置的电磁干扰，而且海水对电磁波能量的吸收作用很强，电磁波在海水中衰减很快。

综合上述分析可知，现阶段使用较多的水下探测方法或多或少均存在些许不足，为了克服复杂的水下环境带来的外界干扰，基于对深海中弱电鱼的研究，恰恰能够解决由于视觉限制以及外界干扰带来的问题。与声学、光学、电磁场等探测方式不同，弱电鱼通过在水下建立低频电场来感知外界环境，称为主动电场定位。利用电场作为水下探测的手段，不会像水下电视那样依赖于光源，可以有效地克服水体能见度和浑浊度所造成的影响。同时，探测电场激励信号的频率设置较低，系统的组成结构相对简单，开销不大，易于被广泛应用，水下电场探测技术可用于水下巡检及管道缺陷检查，取得了良好的效果。基于主动电场定位的水下终端对接目标识别和定位，为水下物体的辨别、定位和追踪等提供了新的研究依据，为水下航行器在复杂海洋环境中的工作提供更多、更有效的帮助。有望为实现水下机器人的模块化和可重构性提供帮助，对于发展海底空间站和深海长期观测系统具有深远意义。

图1是水下主动电场探测系统的结构图。如图1所示，一般而言，水下主动电场探测系统包括上位机11、信号发生器12、数据采集器13、运动模块14和传感器探头模块15，上位机11根据用户设置向信号发生器12发送激励信号参数，并向运动模块14发送控制传感器探头模块15运动的运动控制信号参数，信号发生器12根据激励信号参数生成激励信号发送给传感器探头模块15，运动模块14根据运动控制信号参数生成运动控制信号发送给传感器探头模块15，传感器探头模块15中的发射电极151发射激励信号建立探测电场，接收电极152接收水下电场信号发送给数据采集器13，数据采集器13对水下电场信号进行采集，将采集信号反馈至上位机11，上位机11对采集信号进行数据分析处理，得到探测结果。

在现有的水下主动电场探测系统中，传感器探头模块15中的发射电极151和接收电极152为水平排布，即将发射电极151和接收电极152竖直插入水平的电极支架153中。这种排布方式在探测水下物体几何形状过程中会由于物体几何形状的影响，导致采集到的数据不完整，不能够完整地探测到物体的几何形状。