一种水下电场动态测量流体噪声干扰抵消方法及装置

1.本发明涉及水下电场信号处理技术领域，尤其涉及一种水下电场动态测量流体噪声干扰抵消方法及装置。


背景技术：

2.水中舰船、潜艇、以及各种水下航行器等水下目标在航行过程中，其自身水下金属部分的电化学腐蚀或牺牲阳极保护装置会产生水下电场信号（电场信号分为静电场和交变电场），并且可以被安装于水下航行器的电场传感器阵列被动接收，在接收过程中，电场传感器通过获取水下空间内的电势差测量得到水下电场信号。
3.水下航行器在航行过程中，其相对于海水运动，海水作为导电流体从电场传感器阵列的电极间流过，根据电磁感应原理，其在电极间会产生跟海水相对流速相关的感应电场，但产生的感应电场会对水中舰船、潜艇，以及各种水下航行器等水中目标电场信号的测量（包括静电场和交变电场）构成干扰，这种干扰会对测量的目标水下电场的真实空间分布特性产生不良影响。
4.因此，有必要提供一种水下电场动态测量流体噪声干扰抵消方法及装置解决上述技术问题。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提供一种水下电场动态测量流体噪声干扰抵消方法及装置，通过航行器上的测速模块测得速度信号，由速度信号反向控制信号调理模块的增益控制电路的增益倍数，以抵消匀速航行时海水流体产生的直流干扰信号；通过航行器的加速度测量模块测得的加速度信号，并将加速度信号输入锁相跟踪滤波电路，以滤除航行器变速航行时海水流体产生的交流干扰信号，排除海水流体在航行器航行时对电场信号产生的信号干扰。
6.本发明提供了一种水下电场动态测量流体噪声干扰抵消装置，包括航行器以及安装于所述航行器上的电场传感器矩阵、测速模块和加速度测量模块，由所述电场传感器矩阵测得电场信号，由所述测速模块测得所述航行器的速度信号，由所述加速度测量模块测得所述航行器的加速度信号；还包括信号调理模块，所述信号调理模块包括耦合连接的增益控制电路和滤波电路，所述电场传感器矩阵和所述测速模块电性连接在所述增益控制电路的信号输入端，所述加速度测量模块电性连接在所述滤波电路的信号输入端，其中，所述增益控制电路用于根据输入的速度信号输出增益控制信号，通过所述增益控制信号抵消匀速航行时产生的直流电压干扰，所述增益控制电路包括电性连接的增益放大器和反相放大器；所述滤波电路用于根据输入的加速度信号控制陷波频率，通过所述陷波频率滤除变速航行时产生的交流电压干扰，所述滤波电路包括电性连接的限幅放大器、整形电路、倍
频电路和带阻滤波器。
7.优选的，所述电场传感器矩阵包括沿x方向和沿y方向排列的电场传感器。
8.优选的，所述测速模块为安装在所述航行器底部的电磁测速模块。
9.优选的，所述加速度测量模块为安装在航行器底部的mems加速度计。
10.优选的，所述反相放大器包括运算放大器以及与运算放大器电性连接在输出电阻r3和反馈电阻r4。
11.优选的，所述增益控制电路还包括与增益放大器电性连接在分压电阻r1和分压电阻r2。
12.优选的，所述滤波电路为锁相跟踪带阻滤波电路。
13.优选的，所述整形电路包括电性连接的比较器和上拉电阻r4。
14.优选的，所述倍频电路的倍数为五十倍，包括电性连接的锁相环和计数器。
15.本发明还公开了一种水下电场动态测量流体噪声干扰抵消方法，应用于前述的一种水下电场动态测量流体噪声干扰抵消装置，所述抵消方法包括以下步骤：由所述电场传感器矩阵生成电场信号；由所述测速模块测量水下航行器的航行速度，并生成速度信号；由所述加速度测量模块测量水下航行器的加速度，并生成加速度信号；将所述速度信号输入所述增益控制电路，并由所述增益控制电路输出增益控制信号，通过所述增益控制信号抵消匀速航行时产生的直流电压干扰；将所述加速度信号输入所述滤波电路，由所述滤波电路输出陷波频率，通过所述陷波频率滤除变速航行时产生的交流电压干扰。
16.与相关技术相比较，本发明提供的一种水下电场动态测量流体噪声干扰抵消方法及装置具有如下有益效果：本发明通过航行器上的测速模块测得速度信号，由速度信号反向控制信号调理模块的增益控制电路的增益倍数，以抵消匀速航行时海水流体产生的直流电压干扰信号，保证获取的水下电场空间分布特性的可靠性。
17.本发明通过航行器的加速度测量模块测得的加速度信号，并将加速度信号输入锁相跟踪滤波电路，通过控制滤波电路的陷波频率来滤除航行器变速航行时海水流体产生的交流电压干扰信号，保证获取的水下电场空间分布特性的可靠性。
附图说明
18.图1为本发明提供的一种水下电场动态测量流体噪声干扰抵消装置的结构示意图；图2为本发明提供的一种水下电场动态测量流体噪声干扰抵消装置的增益控制电路示意图；图3为本发明提供的一种水下电场动态测量流体噪声干扰抵消装置的滤波电路示意图；图4为本发明提供的一种水下电场动态测量流体噪声干扰抵消方法的流程示意图；图5为本发明提供的一种水下电场动态测量流体噪声干扰抵消装置的电场传感器
矩阵分布示意图；图中标号：1、电场传感器a；2、电场传感器b；3、电场传感器c；4、信号调理模块；5、加速度测量模块；6、测速模块。
具体实施方式
19.航行器在航行过程中是相对于海水运动，而海水作为导电流体从航行器底部安装的电场传感器矩阵的电极间流过，那么，根据电磁感应原理，在电场传感器矩阵的电极间会产生跟海水相对流速相关的感应电场，具体的，根据电磁感应公式e=blv，当航行器在匀速运动时，电场传感器矩阵之间会产生与速度v相关的直流电压干扰；当航行器在变速运动时，电场传感器矩阵之间会产生与加速度相关的交流电压干扰。
20.而在对水中舰船、潜艇，以及各种水下航行器等水中目标电场信号（包括静电场和交变电场）的测量过程中，产生的直流电压干扰和交流电压干扰均会对测量结果产生干扰，这种干扰会使得测量的目标水下电场的空间分布特性失真，因此，需要采用本技术提出的一种水下电场动态测量流体噪声干扰抵消装置及方法来解决。
21.下面结合附图和实施方式对本发明提供的一种水下电场动态测量流体噪声干扰抵消装置及方法做详细说明。
22.实施例一参考图1和图4所示，本发明提供了一种水下电场动态测量流体噪声干扰抵消装置，包括航行器、电场传感器矩阵、测速模块和加速度测量模块，其中，电场传感器矩阵、测速模块和加速度测量模块均安装在航行器的底部，并分别由电场传感器矩阵测得电场信号，由测速模块测得航行器的速度信号，由加速度测量模块测得航行器的加速度信号。
23.在本实施例中，参考图5所示，电场传感器矩阵以x轴和y轴矩阵分布于在航行器的底部，电场传感器主要由银-氯化银传感器或碳纤维传感器构成。
24.例如，航行器上安装有位于x轴方向的电场传感器a和电场传感器b，从而构成x方向上的电场传感器对；航行器上安装有位于y轴方向的电场传感器a和电场传感器c，从而构成y方向上的电场传感器对，最终电场传感器a、电场传感器b和电场传感器c构成电场传感器矩阵，可以测量水下x、y两轴方向上的水下电场分布。
25.在本实施例中，测速模块为通用的水下航速测量装置，可以是电磁测速、惯性导航或者声学测速装置，将测量的航速近似等效为航行器与海水间的相对速度，即海水流体在电场传感器间的相对速度，利用电磁感应定律得到感应电动势与相对速度之间的对应关系，将此对应关系用传递函数表示出来，能够给出与相对速度对应的模拟电压v1。
26.在本实施例中，加速度测速模块为电容加速度计或mems加速度计，用于测量航行器的速度变化量，能够给出与航行器加速度对应的模拟电压v2。
27.参考图1所示，还包括信号调理模块，信号调理模块包括耦合连接的增益控制电路和滤波电路，电场传感器矩阵电性连接在增益控制电路的信号输入端，电场传感器测量的电场信号需要经过信号调理电路处理，可以获得更加真实的水下电场分布特性；测速模块电性连接在增益控制电路的信号输入端，将测速模块测量得到的速度信号对应的模拟电压v1输入增益控制电路，可以抵消匀速航行时海水流体产生的直流电压干扰信号，保证获取的水下电场空间分布特性的可靠性。
28.加速度测量模块电性连接在滤波电路的信号输入端，将加速度信号对应的模拟电压v2输入滤波电路，通过控制滤波电路的陷波频率来滤除航行器变速航行时海水流体产生的交流电压干扰信号，保证获取的水下电场空间分布特性的可靠性。
29.在本实施例中，参考图2所示，增益控制电路用于根据输入的速度信号输出增益控制信号，通过增益控制信号抵消匀速航行时产生的直流电压干扰，增益控制电路包括电性连接的增益放大器和反相放大器。
30.其中，增益放大器为n2压控增益放大器，型号为vca810，n2压控增益放大器的反相输入端接前级输入的电场信号，正相输入端接地，对电场信号进行反相放大。
31.反相放大器主要由运算放大器（型号为opa698）、输出电阻r3和反馈r4构成，且输出电阻r3和反馈r4的阻值相等，则该反相放大器的增益为-1倍，即只进行了反相变换。
32.此外，反相放大器包括运算放大器以及与运算放大器电性连接在输出电阻r3和反馈电阻r4。
33.n2压控增益放大器的增益调整端接增益控制电压，而增益控制电压是由包含航速信息的模拟电压v1经过反相变换后，再经过分压电阻r1和分压r2分压后得到，则整个增益控制电路的增益为：；其中，v
in
等同于v1。
34.可见，v
in
越大，整个增益控制电路环路的放大倍数越小。
35.由此，包含水下航行体航速信息的模拟电压v
in
形成了负反馈：水下航行体航速越高，在电场传感器间形成的感应直流电压越大；而航速越高，给出的与航行器航速对应的模拟电压v1越大，模拟电压信号v
in
相应也越大，整个电路环路的直流放大倍数越小，这样，对水下流体产生的直流电压干扰起到抑制与抵消作用。
36.在本实施例中，参考图3所示，滤波电路为锁相跟踪带阻滤波电路，用于根据输入的加速度信号控制陷波频率，通过陷波频率滤除变速航行时产生的交流电压干扰，滤波电路包括电性连接的限幅放大器、整形电路、倍频电路和带阻滤波器。
37.更为具体的，锁相跟踪带阻滤波电路以开关电容滤波器（型号为ltc1068-50）为核心，并具有自动跟踪输入信号的带阻滤波器，其中，开关电容滤波器的滤波频率为：；开关电容滤波器与外围阻容器件按照芯片手册典型电路的结构构成带阻滤波器，带阻滤波器阻带的中心频率为控制时钟信号频率的五十分之一。
38.限幅放大器主要由运算放大器（型号为opa698）与外围电阻构成，在加速度信号进入限幅放大器后，由于限幅放大器的闭环增益极大，即便是微弱的加速度信号，也被放大为满幅输出，此时，加速度测量模块测得加速度信号的频率信息被提取出来。
39.整形电路主要由高速比较器（型号为lm311）与外围上拉电阻r4构成，信号进入高速比较器的正向输入端，与负向输入端的低电平比较，比较器发生翻转，信号变为更加规整的矩形波，得到整形，此时，前级限幅放大器的满幅输出的加速度信号进入整形电路，被整形为规整的方波，而频率信息继续得到保留。
40.倍频电路主要由锁相环（型号为74hc4046）和计数器（型号为74hc390）两级电路构
成，整形电路输出的方波信号进入倍频电路后，频率提高了50倍。
41.而加速度测量模块感知的加速度信号经过限幅放大器限幅放大后，经过高速比较器后整形为方波，则加速度测量模块测得的频率信号被提取出来；锁相环和计数器构成的倍频电路将频率信号提高50倍，由于，开关电容滤波器芯片的滤波频率为，这就使带阻滤波器阻带的中心陷波频率自动保持与加速度测量模块测得的航行器速度变化的频率始终一致，使阻带陷波频率始终跟踪加速度测量模块的信号频率，以滤除航行器相对海水流体变速运动产生的交流电压干扰。
42.本发明提供的一种水下电场动态测量流体噪声干扰抵消方法及装置的工作原理如下：航行器运动时接收水下目标的电场信号，经过信号调理模块的处理后进入后级数据记录，而由于海水流体在电场传感器矩阵间的相对运动，会产生直流电压和交流电压干扰信号。
43.因此，航行器的测速模块测得的航行器的速度信号，并转变为控制电压（等同于模拟电压v1），反向控制信号调理模块的增益控制电路的增益倍数，以抵消海水流体感应电压产生的直流电压干扰信号。
44.同时，由航行器上的加速度测量模块测得航行器的加速度信号，经过锁相跟踪滤波器提取到加速度频率信息后，将该频带加速度的干扰信号带阻滤波，抑制交流电压干扰信号，最终，电场信号经过增益调整和跟踪带阻滤波，使得直流电压干扰信号和交流电压干扰信号被抑制，保证获取的水下电场空间分布特性的可靠性。
45.实施例二本发明还公开了一种水下电场动态测量流体噪声干扰抵消方法，应用于前述的一种水下电场动态测量流体噪声干扰抵消装置，抵消方法包括以下步骤：由电场传感器矩阵生成电场信号；由测速模块测量水下航行器的航行速度，并生成速度信号；由加速度测量模块测量水下航行器的加速度，并生成加速度信号；将速度信号输入增益控制电路，并由增益控制电路输出增益控制信号，通过增益控制信号抵消匀速航行时产生的直流电压干扰；将加速度信号输入滤波电路，由滤波电路输出陷波频率，通过陷波频率滤除变速航行时产生的交流电压干扰。
46.本发明还公开了一种水下电场动态测量流体噪声干扰抵消方法，具体原理如下：由航行器的测速模块测得的航行器的速度信号，并转变为控制电压（等同于模拟电压v1），反向控制信号调理模块的增益控制电路的增益倍数，以抵消海水流体感应电压产生的直流电压干扰信号。
47.同时，由航行器上的加速度测量模块测得航行器的加速度信号，经过锁相跟踪滤波器提取到加速度频率信息后，将该频带加速度的干扰信号带阻滤波，抑制交流电压干扰信号，最终，电场信号经过增益调整和跟踪带阻滤波，使得直流电压干扰信号和交流电压干扰信号被抑制，保证获取的水下电场空间分布特性的可靠性。
48.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备（系统）和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框，以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指
令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
49.本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，存储介质包括只读存储器（rom）、随机存储器（ram）、可编程只读存储器（prom）、可擦除可编程只读存储器（eprom）、一次可编程只读存储器（otprom）、电子抹除式可复写只读存储器（eeprom）、只读光盘（cd-rom）或其他光盘存储器、磁盘存储器、磁带存储器，或者能够用于携带或存储数据的计算机可读的任何其他介质。
50.还需要说明的是，术语“包括”“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

技术特征：
1.一种水下电场动态测量流体噪声干扰抵消装置，包括航行器以及安装于所述航行器上的电场传感器矩阵、测速模块和加速度测量模块，由所述电场传感器矩阵测得电场信号，由所述测速模块测得所述航行器的速度信号，由所述加速度测量模块测得所述航行器的加速度信号；其特征在于，还包括信号调理模块，所述信号调理模块包括耦合连接的增益控制电路和滤波电路，所述电场传感器矩阵和所述测速模块电性连接在所述增益控制电路的信号输入端，所述加速度测量模块电性连接在所述滤波电路的信号输入端，其中，所述增益控制电路用于根据输入的速度信号输出增益控制信号，通过所述增益控制信号抵消匀速航行时产生的直流电压干扰，所述增益控制电路包括电性连接的增益放大器和反相放大器；所述滤波电路用于根据输入的加速度信号控制陷波频率，通过所述陷波频率滤除变速航行时产生的交流电压干扰，所述滤波电路包括电性连接的限幅放大器、整形电路、倍频电路和带阻滤波器。2.根据权利要求1所述的一种水下电场动态测量流体噪声干扰抵消装置，其特征在于，所述电场传感器矩阵包括沿x方向和沿y方向排列的电场传感器。3.根据权利要求1所述的一种水下电场动态测量流体噪声干扰抵消装置，其特征在于，所述测速模块为安装在所述航行器底部的电磁测速模块。4.根据权利要求1所述的一种水下电场动态测量流体噪声干扰抵消装置，其特征在于，所述加速度测量模块为安装在航行器底部的电容加速度计或mems加速度计。5.根据权利要求1所述的一种水下电场动态测量流体噪声干扰抵消装置，其特征在于，所述反相放大器包括运算放大器以及与运算放大器电性连接在输出电阻r3和反馈电阻r4。6.根据权利要求1所述的一种水下电场动态测量流体噪声干扰抵消装置，其特征在于，所述增益控制电路还包括与增益放大器电性连接在分压电阻r1和分压电阻r2。7.根据权利要求6所述的一种水下电场动态测量流体噪声干扰抵消装置，其特征在于，所述滤波电路为锁相跟踪带阻滤波电路。8.根据权利要求7所述的一种水下电场动态测量流体噪声干扰抵消装置，其特征在于，所述整形电路包括电性连接的比较器和上拉电阻r4。9.根据权利要求8所述的一种水下电场动态测量流体噪声干扰抵消装置，其特征在于，所述倍频电路的倍数为五十倍，包括电性连接的锁相环和计数器。10.一种水下电场动态测量流体噪声干扰抵消方法，应用于权利要求1至9任意一项所述的一种水下电场动态测量流体噪声干扰抵消装置，其特征在于，所述抵消方法包括以下步骤：由所述电场传感器矩阵生成电场信号；由所述测速模块测量水下航行器的航行速度，并生成速度信号；由所述加速度测量模块测量水下航行器的加速度，并生成加速度信号；将所述速度信号输入所述增益控制电路，并由所述增益控制电路输出增益控制信号，通过所述增益控制信号抵消匀速航行时产生的直流电压干扰；将所述加速度信号输入所述滤波电路，由所述滤波电路输出陷波频率，通过所述陷波频率滤除变速航行时产生的交流电压干扰。

技术总结
本发明提供一种水下电场动态测量流体噪声干扰抵消方法及装置，包括航行器、电场传感器矩阵、测速模块和加速度测量模块，由电场传感器矩阵测得电场信号，由测速模块测得航行器的速度信号，由加速度测量模块测得航行器的加速度信号，还包括放大和滤波电场信号的信号调理模块，信号调理模块包括耦合连接的增益控制电路和滤波电路，电场传感器矩阵和测速模块电性连接在增益控制电路的信号输入端，加速度测量模块电性连接在滤波电路的信号输入端，本发明通过增益控制电路抵消匀速航行时产生的直流干扰信号，通过滤波电路滤除变速航行时产生的交流干扰信号，保证获取的水下电场空间分布特性的可靠性。特性的可靠性。特性的可靠性。


技术研发人员：高伟 张颖璐 刘风榆
受保护的技术使用者：中国海洋大学
技术研发日：2023.09.01
技术公布日：2023/10/6