一种基于混沌检测的水下电流场探测系统及方法

1.本发明属于水下无线探测技术领域，具体涉及一种基于混沌检测的水下电流场探测系统及方法。


背景技术：

2.现代水下探测对有效性和可靠性的要求日益增高。传统的水下探测技术主要包括声呐、水下光学探测技术和传统水下电流场探测技术。由于水声信号在水下良好具有良好的传播特性使得声呐成为了水下探测技术中应用最为广泛的技术，常用于探测海底地形图绘制，船舶残骸搜索等用途。但由于声波在水下传播的过程中容易发生折射反射和散射的现象，而且水下噪声环境复杂多变，这些都会干扰声呐的探测效果。而且主动式声呐需要自身发射声波进行探测，因而极易暴露自身位置，且由于声波传输速度慢，在回波接收到的时候，自身的位置早已暴露，在很多场合几乎被弃用。水下光学探测技术主要包括水下激光探测技术和水下电视技术。水下激光技术主要使用在空中反潜飞行器上，其原理与回声定位原理较为相似，由激光雷达发射和接收蓝绿激光，由于其整个传输链路中包括了空气与海水，所以会受到大气衰减、海面反射、海水的衰减和散射以及海水环境能够影响极大等众多干扰而严重影响探测精度，故其只适用于水体较清澈的浅水海域；水下电视技术使用摄像机对水下目标进行拍摄实现探测的方式。由于光在水下传播的过程中，水体和微粒对光的吸收作用非常明显，即使使用受到影响最小的蓝绿色光源，其有效探测距离最高只有30米，而且在浑浊的水体环境下，光在水下传播路径上发生散射效应，无法全部到达探测目标，部分光会散射回光源使得能见度下降，极大影响探测效果。
3.无论是声呐技术还是水下光学探测技术在进行水下探测时都存在着缺陷和不足，不能够很好的适用于各种复杂多变的水下环境中，特别是水下浑浊和水下礁石丛生的环境下探测。为了更好的探测海洋环境，需要更加多样的手段来进行水下探测。传统的水下电流场探测技术使用硬判决门限进行判定，如果周围背景环境电场发生变化，则硬判决门限要自适应调整，以便适应周围背景环境电场的变化。本发明所提出的基于混沌检测的水下电流场探测方法，能够克服传统水下电流场探测方法由于环境变化引起检测门限变化导致检测效果较差和误报警高的问题，提高检测有效性和可靠性，一定程度上弥补了传统水下探测技术的不足。基于混沌检测的水下电流场探测方法周围环境依赖大大降低，且探测系统结构简单，非常适合在近海沿岸黑暗浑浊的水域进行使用，而且大大提高探测精度，避免只依靠硬门限进行探测带来的可靠性低有效性差的问题，可应用于大型水下机器人、auv水下探测等领域。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于混沌检测的水下电流场探测系统。
5.本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括天线单元、发射单元4、接收单元5、数字控制单元6和上位机电脑混沌检测器判决单元7；所述的天线单元包括发射天线单元1、
a端接收天线单元2和b端接收天线单元3；所述的数字控制单元6包括控制器601、da模块602、第一ad模块603、第二ad模块604；所述的发射单元4包括功率放大器401和阻抗匹配网络402；所述的接收单元包括第一巴伦选频回路501和第二巴伦选频回路502；所述的上位机电脑混沌检测器判决单元7包括第一混沌检测器703和第二混沌检测器704；
6.所述的控制器601生成正弦波数字信号，通过da模块602产生正弦波信号传输至发射单元4的功率放大器401中；所述的功率放大器401将正弦波信号进行功率放大后，通过阻抗匹配网络402传输至发射天线单元1；所述的发射天线单元1将接收到的功率信号辐射到水中，并将感应接收到的微弱反射信号传送给a端接收天线单元2和b端接收天线单元3；所述的a端接收天线单元2将接收感应到的水中微弱反射电场信号传输至接收单元5的第一巴伦选频回路501中，所述的b端接收天线单元3将接收感应到的水中微弱反射电场信号传输至接收单元5的第二巴伦选频回路502中；所述的第一巴伦选频回路501将接收到的差分电信号转换为单端电压信号，并依次经过低噪声放大器、带通滤波器、二级放大器处理后，传输至数字控制单元6的第一ad模块603；所述的第二巴伦选频回路502将接收到的差分电信号转换为单端电压信号，并依次经过低噪声放大器、带通滤波器、二级放大器处理后，传输至数字控制单元6的第二ad模块604；所述的第一ad模块603与第二ad模块604分别对接收到的信号进行ad转化后通过人机交互接口605传输至上位机电脑混沌检测器判决单元7中；
7.所述的上位机电脑混沌检测器判决单元7接收到第一ad模块603传输的信号后，将其乘以第一幅度调节系数701，使接收到的正弦信号电压的峰峰值调整到第一混沌检测器703的临界电压值；所述的上位机电脑混沌检测器判决单元7接收到第二ad模块604传输的信号后，将其乘以第二幅度调节系数702，使接收到的正弦信号电压的峰峰值调整到第二混沌检测器704的临界电压值；
8.如果在a端接收天线单元2和b端接收天线单元3的探测范围内，水下或水底均没有金属物时，第一混沌检测器703和第二混沌检测器704均输出周期性相图；如果在a端接收天线单元2的探测范围内，水下或水底有金属物时，第一混沌检测器703输出的相图状态从周期态变为混沌态；如果在b端接收天线单元2的探测范围内，水下或水底有金属物时，第二混沌检测器704输出的相图状态从周期态变为混沌态。
9.本发明还可以包括：
10.所述的天线单元安装在天线支架105上；所述的天线支架105包括竖直杆件和水平十字型支架；所述的水平十字型支架由垂直交叉于点o的第一水平杆件和第二水平杆件组成；所述的竖直杆件的下端连接于十字型支架的点o；所述的发射天线单元1、a端接收天线单元2和b端接收天线单元3均为电偶极子天线，发射天线单元1的两个导体分别布置在第一水平杆件上点o两侧，a端接收天线单元2的两个导体布置在第二水平杆件上点o一侧，b端接收天线单元3的两个导体布置在第二水平杆件上点o另一侧，所有导体围绕点o中心对称布置。
11.所述的发射天线单元1、a端接收天线单元2和b端接收天线单元3的导体采用碳棒或氯化银金属棒，导体表面光滑无毛刺，导体上端用连接有导线的铜箔紧密包裹作为天线馈线，导线连接点使用聚酯材料绝缘密封，导体上端使用胶布密封。
12.本发明的目的还在于提供一种基于混沌检测的水下电流场探测方法。
13.本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括以下步骤：
14.步骤1：将天线单元安装在天线支架105上；所述的天线支架105包括竖直杆件和水平十字型支架；所述的水平十字型支架由垂直交叉于点o的第一水平杆件和第二水平杆件组成；所述的竖直杆件的下端连接于十字型支架的点o；所述的发射天线单元1、a端接收天线单元2和b端接收天线单元3均为电偶极子天线，发射天线单元1的两个导体分别布置在第一水平杆件上点o两侧，a端接收天线单元2的两个导体布置在第二水平杆件上点o一侧，b端接收天线单元3的两个导体布置在第二水平杆件上点o另一侧，所有导体围绕点o中心对称布置；
15.步骤2：将安装有天线单元的天线支架105投入水下，水平十字型支架部分平行于探测水底；平行移动天线支架105进行探测，探测方向为a端接收天线单元2前进方向；
16.步骤3：当第一混沌检测器703输出的相图状态从周期态变为混沌态，而第二混沌检测器704输出的相图状态保持不变为周期态时，判定a端接收天线单元2的探测范围内水下或水底有金属物；
17.步骤4：随着安装有天线单元的天线支架105继续向前移动，第二混沌检测器704输出的相图状态从周期态变为混沌态，第一混沌检测器703输出的相图状态从混沌态变为周期态，验证了步骤3中探测到的金属物。
18.本发明的有益效果在于：
19.本发明通过2次的混沌检测器的相图状态变化，进行水下金属物的探测和验证，大大提高水下或水底金属物探测的灵敏度和可靠性；使用探测信号的更多有用信息进行判决，比传统的只依靠幅度判断灵敏度更高，而且克服了由于环境变化引起检测门限变化导致检测效果较差的问题，避免了设置检测门限的困难。本发明解决了现有水下电流场探测方法检测电压变化太小或者由于环境变化引起检测门限变化导致检测效果较差和误报警高的问题，通过混沌检测提高了检测有效性和可靠性。
附图说明
20.图1为本发明中一种基于混沌检测的水下电流场探测系统的结构图。
21.图2混沌检测器输出混沌态(有金属时)时的示意图。
22.图3混沌检测器输出周期态(无金属时)时的示意图。
具体实施方式
23.下面结合附图对本发明做进一步描述。
24.本发明提供了一种基于混沌检测的水下电流场探测系统及方法，通过2次的混沌检测器的相图状态变化，进行水下金属物的探测和验证，大大提高水下或水底金属物探测的灵敏度和可靠性，使用探测信号的更多有用信息进行判决，比传统的只依靠幅度判断灵敏度更高，而且克服了由于环境变化引起检测门限变化导致检测效果较差的问题，避免了设置检测门限的困难，是一种非常具有广泛应用前景的水下电流场探测方法；一定程度上弥补了传统水下探测技术的不足，降低对周围环境依赖，且探测系统结构简单，非常适合在近海沿岸黑暗浑浊的水域进行使用。本发明是一种应用于探测水下金属物的水下电流场探测方法，解决了现有水下电流场探测方法检测电压变化太小或者由于环境变化引起检测门限变化导致检测效果较差和误报警高的问题，通过混沌检测提高检测有效性和可靠性。
25.一种基于混沌检测的水下电流场探测系统，包括天线单元、发射单元4、接收单元5、数字控制单元6和上位机电脑混沌检测器判决单元7；所述的天线单元包括发射天线单元1、a端接收天线单元2和b端接收天线单元3；所述的数字控制单元6包括控制器601、da模块602、第一ad模块603、第二ad模块604；所述的发射单元4包括功率放大器401和阻抗匹配网络402；所述的接收单元包括第一巴伦选频回路501和第二巴伦选频回路502；所述的上位机电脑混沌检测器判决单元7包括第一混沌检测器703和第二混沌检测器704；
26.所述的天线单元安装在天线支架105上；所述的天线支架105包括竖直杆件和水平十字型支架；所述的水平十字型支架由垂直交叉于点o的第一水平杆件和第二水平杆件组成；所述的竖直杆件的下端连接于十字型支架的点o；所述的发射天线单元1、a端接收天线单元2和b端接收天线单元3均为电偶极子天线，发射天线单元1的两个导体分别布置在第一水平杆件上点o两侧，a端接收天线单元2的两个导体布置在第二水平杆件上点o一侧，b端接收天线单元3的两个导体布置在第二水平杆件上点o另一侧，所有导体围绕点o中心对称布置。
27.所述的控制器601生成正弦波数字信号，通过da模块602产生正弦波信号传输至发射单元4的功率放大器401中；所述的功率放大器401将正弦波信号进行功率放大后，通过阻抗匹配网络402传输至发射天线单元1；所述的发射天线单元1将接收到的功率信号辐射到水中，并将感应接收到的微弱反射信号传送给a端接收天线单元2和b端接收天线单元3；所述的a端接收天线单元2将接收感应到的水中微弱反射电场信号传输至接收单元5的第一巴伦选频回路501中，所述的b端接收天线单元3将接收感应到的水中微弱反射电场信号传输至接收单元5的第二巴伦选频回路502中；所述的第一巴伦选频回路501将接收到的差分电信号转换为单端电压信号，并依次经过低噪声放大器、带通滤波器、二级放大器处理后，传输至数字控制单元6的第一ad模块603；所述的第二巴伦选频回路502将接收到的差分电信号转换为单端电压信号，并依次经过低噪声放大器、带通滤波器、二级放大器处理后，传输至数字控制单元6的第二ad模块604；所述的第一ad模块603与第二ad模块604分别对接收到的信号进行ad转化后通过人机交互接口605传输至上位机电脑混沌检测器判决单元7中；
28.所述的上位机电脑混沌检测器判决单元7接收到第一ad模块603传输的信号后，将其乘以第一幅度调节系数701，使接收到的正弦信号电压的峰峰值调整到第一混沌检测器703的临界电压值；所述的上位机电脑混沌检测器判决单元7接收到第二ad模块604传输的信号后，将其乘以第二幅度调节系数702，使接收到的正弦信号电压的峰峰值调整到第二混沌检测器704的临界电压值；
29.如果在a端接收天线单元2和b端接收天线单元3的探测范围内，水下或水底均没有金属物时，第一混沌检测器703和第二混沌检测器704均输出周期性相图；如果在a端接收天线单元2的探测范围内，水下或水底有金属物时，第一混沌检测器703输出的相图状态从周期态变为混沌态；如果在b端接收天线单元2的探测范围内，水下或水底有金属物时，第二混沌检测器704输出的相图状态从周期态变为混沌态。
30.本发明解决了传统水下电场探测易受周围环境影响而灵敏度低可靠性差的问题，解决了传统水下电场探测使用硬判决门限进行判定需要自适应调整的问题。本发明通过2次的混沌检测器的相图状态变化，进行水下金属物的探测和验证，大大提高水下或水底金属物探测的灵敏度和可靠性，使用探测信号的更多有用信息进行判决，比传统的只依靠幅
度判断灵敏度更高，而且克服了由于环境变化引起检测门限变化导致检测效果较差的问题，避免了设置检测门限的困难。本发明方法的复杂程度和常规水下电场探测一样，只是上位机电脑判决算法复杂度提高，运算量更大但采用主频更高的计算机可以实现算法，此复杂度也是可以接受的。
31.实施例1：
32.结合图1，一种基于混沌检测的水下电流场探测方法，其系统包括发射天线单元1、a端接收天线单元2、b端接收天线单元3、发射单元4、接收单元5、数字控制单元6和上位机电脑混沌检测器判决算法7；
33.发射天线单元1用于将数字控制单元6的da模块602产生的正弦波信号频率是250hz通过发射单元4调制为功率信号辐射到水中，并将感应接收到的微弱反射信号传送给a端接收天线单元2和b端接收天线单元3；发射天线单元1由发射电线和天线支架105构成，发射天线单元是电偶极子天线；发射天线单元1的发射天线由2根碳棒或氯化银金属棒(101和102)组成电偶极子天线；发射天线单元大小根据发射电流大小确定，小于1安培一般为直径约为10mm，长度为50mm，表面光滑无毛刺；在发射天线一端用牢固焊接导线的铜箔紧密包裹作为天线馈线，焊点平整使用聚酯材料绝缘密封，并用胶布密封此端，并把导线可靠连接到发射单元4，水下导线连接点使用聚酯材料绝缘密封，制作成电偶极子发射天线一根101；另一根电偶极子天线棒102也采用相同方式制作；a端接收天线单元2也由2根碳棒(201和202)组成电偶极子天线，制作方法和电偶极子发射天线101一样，并通过导线可靠连接到接收单元5；b端接收天线单元3也由2根碳棒(301和302)组成电偶极子天线，制作方法和电偶极子发射天线101一样，并通过导线可靠连接到接收单元5；发射天线单元1的发射天线101和102布置在一条直线上，以中心点对称，距离中心点150cm，而a端接收天线单元2和b端接收天线单元3分别放置在发射天线连线的中垂线以中心点对称两侧放置，距离中心点距离相同，距离中心点100cm，每个天线长度50cm，且探测前进方向为a端接收天线单元前进方向；
34.数字控制单元6中的控制器601可由高速单片机构成，通过查表法生成频率为250hz正弦波数字信号，通过da模块602产生的正弦波信号，通过信号发射单元4的功放电路401进行功率放大，获得5瓦左右的大功率电场信号；并将大功率电场信号送到阻抗匹配网络402和发射天线101和102连接，通过阻抗匹配网络实现功放和发射天线之间的阻抗匹配，通过阻抗匹配网络的匝数比满足功放的最佳输出阻抗；
35.信号接收单元5将2路a端接收天线单元2和b端接收天线单元3感应到的水中的微弱电信号分别送入2套巴伦选频回路501和502把差分电信号转换为单端电压信号，然后分别输出送到2套低噪声放大器503和504进行放大，再分别通过2套带通滤波器505和506滤除带外噪声，再分别输入到2套二级放大器507和508变成2路范围合适的模拟接收信号，送到数字控制单元6进行2路采样；
36.数字控制单元6对2路接收到的信号通过ad模块603和604进行100倍采样，ad转化后通过人机交互接口605高速传输到上位机电脑混沌检测器判决算法7进行判决；
37.巴伦选频回路501和502用于抑制共模电信号，并将a端接收天线单元和b端接收天线单元感应到的差分电信号转换为单端电压信号，滤除单端电压信号频带以外的无用噪声和干扰，将信号传送到低噪声放大器503和504；
38.低噪声放大器503和504用于接收巴伦选频回路501和502输入的微弱电信号，并对接收的微弱电信号进行低噪声适度放大，使接收的电信号的强度达到带通滤波器505和506的处理电平范围以内将放大后的电信号发送至带通滤波器505和506；
39.带通滤波器505和506的中心频率是正弦波信号频率发送频率250hz，接收到的电信号进行高q值滤波，q值可以达到60
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80，并将滤波后的信号输出至后端二级放大器507和508；
40.二级放大器507和508将滤波后信号的电平控制在ad模块转化范围内，电平控制1v左右，并将信号输入到数字控制单元6的2路ad模块603和604分别进行100倍采样采样频率25khz；ad转化后2路数字信号通过人机交互接口605高速传输到上位机电脑混沌检测器判决算法7进行判决，一般可以选用高速串口作为人机交互接口605，传输速率尽可能选取较高速率115200bps，以便能够及时处理；
41.上位机电脑混沌检测器判决算法7接收到2路数字接收信号后，每一路都乘以一个幅度调节系数(701和702)，使2路接收到的正弦信号电压的峰峰值都调整到混沌检测器的临界电压值，变为0.82v，这时2路混沌检测器都输出周期性相图；如果在水下或水底探测范围没有金属物时，2路接收信号的混沌检测器都输出周期性相图，效果图如图2所示；如果在a端接收天线附近的水下或水底探测范围有金属物时，a端天线接收感应到的水中微弱反射电场信号发生跳变，在a路接收到的信号幅度减少和相位上发生微弱跳变，使混沌检测器的相图状态从周期态变为混沌态，效果图如图3所示，而此时b端天线由于远离a端的探测范围内的金属物，信号没有跳变，b路混沌检测器输出相图状态还保持不变为周期态；此时通过a路和b路的混沌检测器输出不同相图状态判断是否检测到水下或水底的金属物；然后随着接收天线继续向前移动，b端接收天线移动到金属物附近，而a端天线由于远离了金属物，从而信号幅度恢复到原有程度，b路的混沌检测器的相图状态从周期态变为混沌态，而a路的混沌检测器的相图状态从混沌态变为周期态，从而验证探测到金属物；因此通过a路和b路的混沌检测器的相图状态实时反应探测情况，大大提高水下金属物探测的灵敏度和可靠性。
42.输入到混沌检测器的2路接收信号，每一路都乘以一个幅度调节系数(701和702)，使2路接收到的正弦信号电压的峰峰值都调整到混沌检测器的临界电压值，由于a和b的2路的前端放大器等部件不能完全一致，使得2路接收到稍有不同，通过调整幅度调节系数使的2路的临界电压的峰峰值基本一致，并保持2路幅度调节系数比例关系不变，如果随着周围环境变化，使得2路信号同时减少，使得2路混沌检测器的相图同时从周期态变为混沌态，则按比例调整2路幅度调节系数，使得混沌检测器的相图同时从混沌态变为周期态，恢复探测能力，克服了由于环境变化引起检测门限变化导致检测效果较差问题，提高了抗干扰能力。
43.数字控制单元6中控制器601可以采用fpga或者高速单片机实现，其中可以通过高速单片机内置的ad模块(603和604)和da模块602实现。
44.发射天线单元1、a端接收天线单元2和b端接收天线单元3在一个平面内放置，而且平行于探测水底，平行移动进行探测，探测方向为a端接收天线单元前进方向。
45.发射天线单元1的发射天线之间的阻抗，可以通过rlc阻抗测试仪进行测量，测得在淡水下发射天线之间的阻抗为820欧姆，然后按照功率放大器的最佳输出阻抗8欧姆对阻抗匹配网络匝数比匹配，匝数比为10：1。
46.探测过程分为探测判定和验证，a路的混沌检测器的相图状态从周期态变为混沌态，而b路的混沌检测器的相图状态还是周期态，为探测判定过程；b路的混沌检测器的相图状态从周期态变为混沌态，而a路的混沌检测器的相图状态从混沌态恢复为周期态，为探测验证过程；通过探测判定和验证两个过程，提高检测有效性和可靠性。
47.本发明所述的一种基于混沌检测的水下电流场探测方法如图1所示，其发射天线将发射单元输出的电场功率信号辐射到水中和水下地层中，实现正弦波信号的有效辐射形成探测空间；2路接收天线将感应到的水中微弱反射电场信号送到低噪声放大器同时进行放大，然后再通过带通滤波器滤除带外噪声提高接收效果，然后再进行二级放大器放大到合适范围波形，然后通过ad进行采样，采样率为正弦波频率的100倍，把采样后的2路数字信号通过串口高速传输到上位机电脑进行混沌探测算法判决，上位机电脑接收到2路数字信号后，每一路都乘以一个幅度调节系数使接收到的正弦信号电压峰峰值为混沌检测器的临界电压值，使2路混沌检测器都输出周期性相图，如图2所示；如果在水下或水底探测范围没有金属物时，2路接收信号的混沌检测器都输出周期性相图；如果在a端接收天线附近的水下或水底探测范围有金属物时，a端天线接收感应到的水中微弱反射电场信号发生跳变，在a路接收到的信号幅度减少和相位上发生微弱跳变，使混沌检测器的相图状态从周期态变为混沌态，如图3所示，而此时b端天线由于远离a端的探测范围内的金属物，信号没有跳变，b路混沌检测器输出相图状态还保持不变为周期态；此时通过a路和b路的混沌检测器输出不同相图状态判断是否检测到水下或水底的金属物；然后随着接收天线继续向前移动，b端接收天线移动到金属物附近，而a端天线由于远离了金属物，从而信号幅度恢复到原有程度，b路的混沌检测器的相图状态从周期态变为混沌态，而a路的混沌检测器的相图状态从混沌态变为周期态，从而验证探测到金属物。基于混沌检测的水下电流场探测方法通过2次的混沌检测器的相图状态变化，进行水下金属物的探测和验证，大大提高水下或水底金属物探测的灵敏度和可靠性，使用探测信号的更多有用信息进行判决，比传统的只依靠幅度判断灵敏度更高，而且克服了由于环境变化引起检测门限变化导致检测效果较差的问题，避免了设置检测门限的困难，是一种非常具有广泛应用前景的水下电流场探测方法。
48.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。