專利名稱：水下主動電場成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種水下成像裝置。特別是涉及水下主動電場成像裝置，屬于水下探測 成像技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
進(jìn)入21世紀(jì)，人類的探索對象從陸地轉(zhuǎn)向占地球表面積71%的海洋，并且從淺海 水域延伸至深海領(lǐng)域。水下航行器成為人類對海洋探索的重要工具。水下航行器如何在海 洋的暗環(huán)境下對周圍環(huán)境進(jìn)行成像，以感知周圍水下的環(huán)境成為迫切需要解決的問題。水 下成像技術(shù)成為深海水下航行器功能化、實用化的關(guān)鍵技術(shù)之一。它用于水下航行器在水 下暗環(huán)境中對周圍環(huán)境進(jìn)行感知。目前水下航行器常用的成像方式是基于水聲原理的聲成 像聲吶和基于光學(xué)成像的水下電視。聲成像聲吶應(yīng)用于水下近距離探測時，需要很高的聲 波頻率以提高探測精度，為提高聲成像系統(tǒng)的實時性，不得不增加其硬件復(fù)雜性，致使系統(tǒng) 開銷很大?；诠鈱W(xué)成像的水下電視很好的解決了聲成像聲吶在水下成像中的開銷過大的 問題。但是在存在大量懸浮物渾濁水體中，光會被水中懸浮物散射和反射，影響水下的視 野，使水下電視無法正常進(jìn)行工作。隨著海洋資源探測及海洋資源開發(fā)的深入，水下航行器 的工作環(huán)境日趨復(fù)雜對于近海工作的水下航行器，由于內(nèi)河泥沙和富營養(yǎng)物質(zhì)的流入海 洋，很多淺海都是渾濁水體，水下電視工作受到極大的限制。對于用于海洋水下考古、海洋 資源探測、深?？茖W(xué)考察、海底油井的維護(hù)等領(lǐng)域的水下航行器，一方面深海中存在大量的 浮游生物；另一方面，當(dāng)潛水器靠近目標(biāo)時，由于潛水器的運動會攪動目標(biāo)附近的淤泥使水 體渾濁，這也影響到水下電視近距離成像的效果。所以對于水下航行器而言，水體渾濁成為 影響水下成像的重要因素。水下航行器如何高效地在渾濁水體中進(jìn)行成像，已經(jīng)成為水下 航行器發(fā)展過程中迫切需要解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在之不足，提供一種水下航行器能夠在渾濁 水體中反映目標(biāo)物體幾何特征的成像裝置。本發(fā)明技術(shù)問題解決的方案是水下主動電場成像裝置由發(fā)射器(1)，接收器 (2)，數(shù)據(jù)采樣器(3)，數(shù)據(jù)處理器(4)四部分組成。首先，發(fā)射器由信號發(fā)生器(1-1)和一 對發(fā)射電極(1-2)組成；發(fā)射器的信號發(fā)生器(1-1)用于產(chǎn)生(0HZ-2000HZ)的直流或正弦 或方波信號，作為發(fā)射器的發(fā)射電極的激勵源；這里的發(fā)射電極(1-2)是放入水(或?qū)щ娨?體)中的，具有高導(dǎo)電率的金屬或石墨電極。其次，接收器由呈二維陣列排列的多個接收電 極(2-1)和接收電路(2-2)組成；這里的接收電極是放入水(或?qū)щ娨后w)中，呈矩陣排列 的m行Xn列的高導(dǎo)電率的金屬電極或石墨電極；這里的接收電路安裝在接收電極輸出端， 接收電路將接收電極接收到的微弱電流信號通過轉(zhuǎn)換后變成可以進(jìn)行處理的電壓信號，接 收電路為mXn輸入mXn輸出電路。數(shù)據(jù)采樣器3用于將從接收電路輸出的模擬電壓信號 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號以便于計算機進(jìn)行處理，所說的數(shù)據(jù)采樣器是對mXn路的數(shù)據(jù)采樣卡，數(shù)據(jù)采樣器3通過計算機外部總線和數(shù)據(jù)處理器4互聯(lián)。數(shù)據(jù)處理器4用于對輸入信號進(jìn) 行濾波并分析接收電極陣列輸出的電壓變化，從而對目標(biāo)體進(jìn)行成像，這里的數(shù)據(jù)處理器4 是具有高速運算功能的計算機。本裝置通過發(fā)射器在裝置附近建立低頻探測電場，并由接 收器感知由于附近物體引起的電場變化，最后通過數(shù)據(jù)處理器推演出物體幾何特性。裝置的發(fā)射器1的發(fā)射電極1-2和接收器2的接收電極2-1被放入水(或?qū)щ娨?體)中。發(fā)射電極1-2被信號發(fā)生器1-1驅(qū)動，在介質(zhì)中產(chǎn)生探測電場。接收電極2-1布 置于左右發(fā)射電極之間或兩側(cè)，由多個呈陣列排列的電極組成，接收電極的電流變化被接 收電路2-2轉(zhuǎn)換放大后輸入數(shù)據(jù)采樣器3，數(shù)據(jù)采樣器3將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號輸入數(shù)據(jù)處理 器4進(jìn)行分析處理。本發(fā)明的工作過程如下發(fā)射電極1-2和接收電極2-1被放入水(或?qū)щ娨后w) 中，以建立水下成像探測電場。發(fā)射器的信號發(fā)生器1-1產(chǎn)生低頻(0HZ-2000HZ)直流或正 弦或方波信號，作為激勵源，輸入發(fā)射電極1-2。左右兩個發(fā)射電極1-2-1和1-2-2，除了電 荷或電壓的變化，硬件結(jié)構(gòu)是完全相同的。其中一個發(fā)射電極獲得的電荷量為Q或電壓為 V.而另一個接地，因此電荷量或電壓為0。這兩個電極在分析區(qū)域內(nèi)共同形成了一個有規(guī) 律變化的電場。接收電極2-1接收到這個電場信號后，將會產(chǎn)生相應(yīng)的電流信號輸出，此信 號通過接收電路2-2進(jìn)行轉(zhuǎn)換放大后轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后通過數(shù)據(jù)采樣器3將模擬的電 壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)入數(shù)據(jù)處理器4進(jìn)行處理?！┏赎嚵信帕械慕邮针姌O2-1與發(fā)射電極1-2的相對位置被固定，當(dāng)探測電場 區(qū)域中沒有目標(biāo)體時，接收電極的電流輸出分布是平行分布(如圖4 (a)所示)，此時的接收 電極2-1輸出為背景。當(dāng)電場中有目標(biāo)體存在時，目標(biāo)體的距離，形狀，大小將影響到接收 電極的電流輸出，接收電極的電流變化幅度將發(fā)生變化。電流分布變化的幅度將隨目標(biāo)體 對弱電場在空間上的影響不同而發(fā)生不同的變化。圖4(b)所示是一個絕緣球體放入探測 電場時，電流分布情況。這樣目標(biāo)體幾何特征將對弱電場產(chǎn)生影響，并反映到由接收電極組 成的陣列上，從而得到目標(biāo)體的幾何圖像信息。本發(fā)明的有益效果是1、本裝置硬件簡單，其低頻電場的特點克服了聲成像聲納產(chǎn)生和處理高頻聲波硬 件和能量開銷過大的問題，特別適用于水下航行器小型化趨勢和長時間水下工作的要求。2、在使用本裝置實現(xiàn)主動電場成像過程中，其電場成像原理克服了光學(xué)成像在渾 濁水體中無法工作的機理限制。3、本裝置不僅反映出目標(biāo)體的距離特征，還可以反映出物體幾何特征。是一種水 下成像系統(tǒng)。


圖1是本發(fā)明水下成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖1圖2是本發(fā)明水下成像裝置的另一種結(jié)構(gòu)示意圖2圖3是本發(fā)明水下成像裝置的另一種結(jié)構(gòu)示意圖3圖4是探測電場對目標(biāo)體成像測量原理(電場分布)的示意5是本發(fā)明的工作狀態(tài)示意圖1圖6是本發(fā)明的工作狀態(tài)示意圖2
圖7是本發(fā)明的正弦信號發(fā)生器的電路8是本發(fā)明的單個接收電極轉(zhuǎn)換放大電路的電路中信號發(fā)生器1-1，發(fā)射電極1-2，接收電極2-1，接收電路2-2。
具體實施例方式實施例1 如圖5所示，在可導(dǎo)電液體介質(zhì)5中，發(fā)射電極1-2和接收電極2-1的位置是固定 在一個電路板上。目標(biāo)體6可以在液體介質(zhì)5中在介質(zhì)中相對運動(平移和轉(zhuǎn)動)。信號 產(chǎn)生器1-1產(chǎn)生直流或正弦或方波信號作為激勵源，輸入發(fā)射電極1-2。在介質(zhì)中形成了 一個規(guī)律變化的電場。接收電極2-1接收到電流將發(fā)生相應(yīng)變化，此信號通過接收電路 2-2進(jìn)行變換，放大后轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，最后通過數(shù)據(jù)采樣器3轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)入數(shù) 據(jù)處理器4進(jìn)行處理。當(dāng)電場中有目標(biāo)體在液體介質(zhì)中時，接收電極的電流變化幅度將隨 物體與接受電極之間的相對位置而發(fā)生變化，電流變化的幅度將隨目標(biāo)體位置和發(fā)射電極 的相對位置變化相應(yīng)發(fā)生有規(guī)律的變化，物體的幾何特征反映在不同范圍幾何分布探測電 極的電壓變化程度上，這樣可通過物體位置和幾何特征來得到目標(biāo)體的位置和幾何特征信 肩、ο實施例2 如圖6所示，目標(biāo)體6在液體介質(zhì)5中的位置是固定的。在液體介質(zhì)5中，發(fā)射電 極1-2和接收電極2-1被固定一個固定板7上。固定板7可以在介質(zhì)中相對運動(平移或 轉(zhuǎn)動)。信號發(fā)生器產(chǎn)生的直流或正弦或方波信號作為激勵源，輸入發(fā)射電極1-2。在介質(zhì) 中形成了一個規(guī)律變化的電場。接收電極2-1接收到電流將發(fā)生相應(yīng)變化，此信號通過接 收電路2-2進(jìn)行變換，放大后轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，最后通過數(shù)據(jù)采樣器3轉(zhuǎn)換為數(shù)字信 號進(jìn)入數(shù)據(jù)處理器4進(jìn)行處理。當(dāng)電場中有目標(biāo)體存在時，接收電極的電流變化幅度將發(fā) 生變化，電流變化的幅度將隨目標(biāo)體位置和發(fā)射電極的相對位置變化相應(yīng)發(fā)生有規(guī)律的變 化，物體的幾何特征反映在不同范圍幾何分布探測電極的電壓變化程度，這樣可通過物體 位置和幾何特征來得到目標(biāo)體的位置和幾何特征信息。雖然結(jié)合附圖描述了本發(fā)明的實施方式，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在所附權(quán)利要 求的范圍內(nèi)不需要創(chuàng)造性的勞動就能作出的各種變形或修改仍屬本專利的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.水下主動電場成像裝置，本裝置由發(fā)射器(1)，接收器0)，數(shù)據(jù)采樣器(3)，數(shù)據(jù) 處理器四部分組成，其特征在于所說的發(fā)射器由信號發(fā)生器(1-1)和一對發(fā)射電極 (1-2)組成；所說的發(fā)射電極(1- 是放入水(或?qū)щ娨后w)5中高導(dǎo)電率的金屬電極或石 墨電極，接收器由呈二維陣列排列的多個接收電極(2-1)和接收電路(2- 組成；所說的接 收電極是放入水(或?qū)щ娨后w)5中呈矩形二維排列的m行Xn列個高導(dǎo)電率的金屬電極； 所說的接收電路安裝在接收電極輸出端，接收電路將接收電極接收到的微弱電流信號通過 轉(zhuǎn)換放大后變成可以進(jìn)行處理的電壓信號，接收電路為mX η輸入mX η輸出電路；數(shù)據(jù)采樣 器C3)用于將從接收電路輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號以便于計算機進(jìn)行處理，所 說的數(shù)據(jù)采樣器是對mXn路并行采樣的數(shù)據(jù)采樣卡，數(shù)據(jù)采樣器C3)通過計算機外部總線 和數(shù)據(jù)處理器(4)互聯(lián)；數(shù)據(jù)處理器(4)用于對輸入信號進(jìn)行濾波并分析接收電極陣列輸 出的電壓變化從而對目標(biāo)體進(jìn)行定位，所說的數(shù)據(jù)處理器(4)是具有高速數(shù)據(jù)處理功能的 計算機。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下成像裝置，其特征是所述的發(fā)射器(1)的信號發(fā)生器 1-1發(fā)射的信號為O 2000HZ的電壓幅度為1 IOV的直流或正弦或方波信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下成像裝置，其特征是所述的發(fā)射器(1)的發(fā)射電極1-2 的左發(fā)射電極1-2-1和右發(fā)射電極1-2-2間的相互距離N在10 IOOOOmm之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下成像裝置，其特征是所述的接收器O)的接收電極2-1 應(yīng)布置在左發(fā)射電極1-2-1與右發(fā)射電極1-2-2之間或發(fā)射器1的發(fā)射電極1-2的左發(fā)射 電極1-2-1的左側(cè)或右發(fā)射電極1-2-2的右側(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下定位裝置，其特征是所述的接收器(2)的接收電極2-1 由多個單立的電極組成，電極個數(shù)K在9 100個之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的水下定位裝置的接收器O)的接收電極2-1，其特征是所述 的接收電極2-1由多個單立電極呈二維矩形陣列組成，該單立電極的二維矩形排列對稱于 左發(fā)射電極1-2-1和右發(fā)射電極1-2-2的連線對稱分布。接收電極分布區(qū)域垂直尺寸L是 在1 1000cm之間，接收電極分布區(qū)域垂直距離水平尺寸P是在1 1000cm之間，接收電 極區(qū)域與左發(fā)射電極1-2-1和右發(fā)射電極1-2-2的最短距離0. 1 40cm之間。
全文摘要
水下主動電場成像裝置，屬水下成像技術(shù)領(lǐng)域。本裝置由發(fā)射器1，接收器2，數(shù)據(jù)采樣器3，數(shù)據(jù)處理器4四部分組成，所說的發(fā)射器由信號發(fā)生器(1-1)和發(fā)射電極(1-2)組成。所說的接受器由接受電極(2-1)和接受電路(2-2)組成。本裝置有以下優(yōu)點1、本裝置通過探測電場變化進(jìn)行成像，克服了光學(xué)成像視野受限的問題。2、本裝置硬件結(jié)構(gòu)簡單，能量效率高，克服了聲學(xué)成像硬件復(fù)雜的問題。3、本裝置可以反映出目標(biāo)體幾何特征和距離特征。
文檔編號G01S13/89GK102073046SQ20101024250
公開日2011年5月25日 申請日期2010年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月2日
發(fā)明者彭杰鋼, 王世杰 申請人:電子科技大學(xué)