专利名称：水下主动电场成像装置的制作方法
技术领域：
本发明为一种水下成像装置。特别是涉及水下主动电场成像装置，属于水下探测 成像技术领域。
背景技术：
进入21世纪，人类的探索对象从陆地转向占地球表面积71%的海洋，并且从浅海 水域延伸至深海领域。水下航行器成为人类对海洋探索的重要工具。水下航行器如何在海 洋的暗环境下对周围环境进行成像，以感知周围水下的环境成为迫切需要解决的问题。水 下成像技术成为深海水下航行器功能化、实用化的关键技术之一。它用于水下航行器在水 下暗环境中对周围环境进行感知。目前水下航行器常用的成像方式是基于水声原理的声成 像声呐和基于光学成像的水下电视。声成像声呐应用于水下近距离探测时，需要很高的声 波频率以提高探测精度，为提高声成像系统的实时性，不得不增加其硬件复杂性，致使系统 开销很大。基于光学成像的水下电视很好的解决了声成像声呐在水下成像中的开销过大的 问题。但是在存在大量悬浮物浑浊水体中，光会被水中悬浮物散射和反射，影响水下的视 野，使水下电视无法正常进行工作。随着海洋资源探测及海洋资源开发的深入，水下航行器 的工作环境日趋复杂对于近海工作的水下航行器，由于内河泥沙和富营养物质的流入海 洋，很多浅海都是浑浊水体，水下电视工作受到极大的限制。对于用于海洋水下考古、海洋 资源探测、深�？蒲Э疾臁⒑５子途奈さ攘煊虻乃潞叫衅鳎环矫嫔詈Ｖ写嬖诖罅康� 浮游生物；另一方面，当潜水器靠近目标时，由于潜水器的运动会搅动目标附近的淤泥使水 体浑浊，这也影响到水下电视近距离成像的效果。所以对于水下航行器而言，水体浑浊成为 影响水下成像的重要因素。水下航行器如何高效地在浑浊水体中进行成像，已经成为水下 航行器发展过程中迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术存在之不足，提供一种水下航行器能够在浑浊 水体中反映目标物体几何特征的成像装置。本发明技术问题解决的方案是水下主动电场成像装置由发射器(1)，接收器 (2)，数据采样器(3)，数据处理器(4)四部分组成。首先，发射器由信号发生器(1-1)和一 对发射电极(1-2)组成；发射器的信号发生器(1-1)用于产生(0HZ-2000HZ)的直流或正弦 或方波信号，作为发射器的发射电极的激励源；这里的发射电极(1-2)是放入水(或导电液 体)中的，具有高导电率的金属或石墨电极。其次，接收器由呈二维阵列排列的多个接收电 极(2-1)和接收电路(2-2)组成；这里的接收电极是放入水(或导电液体)中，呈矩阵排列 的m行Xn列的高导电率的金属电极或石墨电极；这里的接收电路安装在接收电极输出端， 接收电路将接收电极接收到的微弱电流信号通过转换后变成可以进行处理的电压信号，接 收电路为mXn输入mXn输出电路。数据采样器3用于将从接收电路输出的模拟电压信号 转换为数字信号以便于计算机进行处理，所说的数据采样器是对mXn路的数据采样卡，数据采样器3通过计算机外部总线和数据处理器4互联。数据处理器4用于对输入信号进 行滤波并分析接收电极阵列输出的电压变化，从而对目标体进行成像，这里的数据处理器4 是具有高速运算功能的计算机。本装置通过发射器在装置附近建立低频探测电�。⒂山� 收器感知由于附近物体引起的电场变化，最后通过数据处理器推演出物体几何特性。装置的发射器1的发射电极1-2和接收器2的接收电极2-1被放入水(或导电液 体)中。发射电极1-2被信号发生器1-1驱动，在介质中产生探测电场。接收电极2-1布 置于左右发射电极之间或两侧，由多个呈阵列排列的电极组成，接收电极的电流变化被接 收电路2-2转换放大后输入数据采样器3，数据采样器3将转换后的数字信号输入数据处理 器4进行分析处理。本发明的工作过程如下发射电极1-2和接收电极2-1被放入水(或导电液体) 中，以建立水下成像探测电场。发射器的信号发生器1-1产生低频(0HZ-2000HZ)直流或正 弦或方波信号，作为激励源，输入发射电极1-2。左右两个发射电极1-2-1和1-2-2，除了电 荷或电压的变化，硬件结构是完全相同的。其中一个发射电极获得的电荷量为Q或电压为 V.而另一个接地，因此电荷量或电压为0。这两个电极在分析区域内共同形成了一个有规 律变化的电场。接收电极2-1接收到这个电场信号后，将会产生相应的电流信号输出，此信 号通过接收电路2-2进行转换放大后转换成电压信号，然后通过数据采样器3将模拟的电 压信号转换为数字信号进入数据处理器4进行处理。—旦呈阵列排列的接收电极2-1与发射电极1-2的相对位置被固定，当探测电场 区域中没有目标体时，接收电极的电流输出分布是平行分布(如图4 (a)所示)，此时的接收 电极2-1输出为背景。当电场中有目标体存在时，目标体的距离，形状，大小将影响到接收 电极的电流输出，接收电极的电流变化幅度将发生变化。电流分布变化的幅度将随目标体 对弱电场在空间上的影响不同而发生不同的变化。图4(b)所示是一个绝缘球体放入探测 电场时，电流分布情况。这样目标体几何特征将对弱电场产生影响，并反映到由接收电极组 成的阵列上，从而得到目标体的几何图像信息。本发明的有益效果是1、本装置硬件简单，其低频电场的特点克服了声成像声纳产生和处理高频声波硬 件和能量开销过大的问题，特别适用于水下航行器小型化趋势和长时间水下工作的要求。2、在使用本装置实现主动电场成像过程中，其电场成像原理克服了光学成像在浑 浊水体中无法工作的机理限制。3、本装置不仅反映出目标体的距离特征，还可以反映出物体几何特征。是一种水 下成像系统。
图1是本发明水下成像装置的结构示意图1图2是本发明水下成像装置的另一种结构示意图2图3是本发明水下成像装置的另一种结构示意图3图4是探测电场对目标体成像测量原理(电场分布)的示意5是本发明的工作状态示意图1图6是本发明的工作状态示意图2
图7是本发明的正弦信号发生器的电路8是本发明的单个接收电极转换放大电路的电路中信号发生器1-1，发射电极1-2，接收电极2-1，接收电路2-2。
具体实施例方式实施例1 如图5所示，在可导电液体介质5中，发射电极1-2和接收电极2-1的位置是固定 在一个电路板上。目标体6可以在液体介质5中在介质中相对运动(平移和转动)。信号 产生器1-1产生直流或正弦或方波信号作为激励源，输入发射电极1-2。在介质中形成了 一个规律变化的电场。接收电极2-1接收到电流将发生相应变化，此信号通过接收电路 2-2进行变换，放大后转换成模拟电压信号，最后通过数据采样器3转换为数字信号进入数 据处理器4进行处理。当电场中有目标体在液体介质中时，接收电极的电流变化幅度将随 物体与接受电极之间的相对位置而发生变化，电流变化的幅度将随目标体位置和发射电极 的相对位置变化相应发生有规律的变化，物体的几何特征反映在不同范围几何分布探测电 极的电压变化程度上，这样可通过物体位置和几何特征来得到目标体的位置和几何特征信 肩、ο实施例2 如图6所示，目标体6在液体介质5中的位置是固定的。在液体介质5中，发射电 极1-2和接收电极2-1被固定一个固定板7上。固定板7可以在介质中相对运动(平移或 转动)。信号发生器产生的直流或正弦或方波信号作为激励源，输入发射电极1-2。在介质 中形成了一个规律变化的电场。接收电极2-1接收到电流将发生相应变化，此信号通过接 收电路2-2进行变换，放大后转换成模拟电压信号，最后通过数据采样器3转换为数字信 号进入数据处理器4进行处理。当电场中有目标体存在时，接收电极的电流变化幅度将发 生变化，电流变化的幅度将随目标体位置和发射电极的相对位置变化相应发生有规律的变 化，物体的几何特征反映在不同范围几何分布探测电极的电压变化程度，这样可通过物体 位置和几何特征来得到目标体的位置和几何特征信息。虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域普通技术人员在所附权利要 求的范围内不需要创造性的劳动就能作出的各种变形或修改仍属本专利的保护范围。
权利要求
1.水下主动电场成像装置，本装置由发射器(1)，接收器0)，数据采样器(3)，数据 处理器四部分组成，其特征在于所说的发射器由信号发生器(1-1)和一对发射电极 (1-2)组成；所说的发射电极(1- 是放入水(或导电液体)5中高导电率的金属电极或石 墨电极，接收器由呈二维阵列排列的多个接收电极(2-1)和接收电路(2- 组成；所说的接 收电极是放入水(或导电液体)5中呈矩形二维排列的m行Xn列个高导电率的金属电极； 所说的接收电路安装在接收电极输出端，接收电路将接收电极接收到的微弱电流信号通过 转换放大后变成可以进行处理的电压信号，接收电路为mX η输入mX η输出电路；数据采样 器C3)用于将从接收电路输出的模拟电压信号转换为数字信号以便于计算机进行处理，所 说的数据采样器是对mXn路并行采样的数据采样卡，数据采样器C3)通过计算机外部总线 和数据处理器(4)互联；数据处理器(4)用于对输入信号进行滤波并分析接收电极阵列输 出的电压变化从而对目标体进行定位，所说的数据处理器(4)是具有高速数据处理功能的 计算机。
2.根据权利要求1所述的水下成像装置，其特征是所述的发射器(1)的信号发生器 1-1发射的信号为O 2000HZ的电压幅度为1 IOV的直流或正弦或方波信号。
3.根据权利要求1所述的水下成像装置，其特征是所述的发射器(1)的发射电极1-2 的左发射电极1-2-1和右发射电极1-2-2间的相互距离N在10 IOOOOmm之间。
4.根据权利要求1所述的水下成像装置，其特征是所述的接收器O)的接收电极2-1 应布置在左发射电极1-2-1与右发射电极1-2-2之间或发射器1的发射电极1-2的左发射 电极1-2-1的左侧或右发射电极1-2-2的右侧。
5.根据权利要求1所述的水下定位装置，其特征是所述的接收器(2)的接收电极2-1 由多个单立的电极组成，电极个数K在9 100个之间。
6.根据权利要求4所述的水下定位装置的接收器O)的接收电极2-1，其特征是所述 的接收电极2-1由多个单立电极呈二维矩形阵列组成，该单立电极的二维矩形排列对称于 左发射电极1-2-1和右发射电极1-2-2的连线对称分布。接收电极分布区域垂直尺寸L是 在1 1000cm之间，接收电极分布区域垂直距离水平尺寸P是在1 1000cm之间，接收电 极区域与左发射电极1-2-1和右发射电极1-2-2的最短距离0. 1 40cm之间。
全文摘要
水下主动电场成像装置，属水下成像技术领域。本装置由发射器1，接收器2，数据采样器3，数据处理器4四部分组成，所说的发射器由信号发生器(1-1)和发射电极(1-2)组成。所说的接受器由接受电极(2-1)和接受电路(2-2)组成。本装置有以下优点1、本装置通过探测电场变化进行成像，克服了光学成像视野受限的问题。2、本装置硬件结构简单，能量效率高，克服了声学成像硬件复杂的问题。3、本装置可以反映出目标体几何特征和距离特征。
文档编号G01S13/89GK102073046SQ20101024250
公开日2011年5月25日 申请日期2010年8月2日 优先权日2010年8月2日
发明者彭杰钢, 王世杰 申请人:电子科技大学
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
