鐘智杰，彭杰鋼，*，徐 林，王永鍵

（1.電子科技大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院，四川 成都 610000；2.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430202）

0 引言

20世紀(jì)50年代[1]，生物學(xué)研究者在亞馬遜流域的河流中發(fā)現(xiàn)了一種魚類，擁有人類未能擁有的“第六感”——電感知能力，這些魚類在水下[2-3]進(jìn)行探測(cè)、覓食等生物過(guò)程中，會(huì)通過(guò)自身特有的放電器官在水下產(chǎn)生微弱低頻的電場(chǎng)信號(hào)，振幅約為1 V，頻率不超過(guò)1 000 Hz。當(dāng)電場(chǎng)在水中傳播時(shí)，如果途中有物體存在，電場(chǎng)的空間分布會(huì)發(fā)生畸變。這些魚類通過(guò)電場(chǎng)感知器官獲取畸變電場(chǎng)的信息，并利用這些信息來(lái)指導(dǎo)自身的各項(xiàng)生命活動(dòng)。由于這種魚類發(fā)射的電場(chǎng)較弱，科學(xué)家將其稱為“弱電魚”，稱這種電定位機(jī)制為“主動(dòng)電場(chǎng)探測(cè)機(jī)制”[4-5]。但在典型的海水環(huán)境中，存在大量的正負(fù)離子，對(duì)于電信號(hào)的傳導(dǎo)具備天然優(yōu)勢(shì)，但是大部分能量會(huì)以傳導(dǎo)電流的形式在海水中耗散，所以，基于電磁波理論的傳統(tǒng)電磁學(xué)探測(cè)、通信方式在水下效果甚微[6]。除此之外，以超聲波為主導(dǎo)的聲學(xué)探測(cè)方式（例如聲吶）目前雖然已被廣泛應(yīng)用且技術(shù)成熟[7]，在復(fù)雜的水下環(huán)境中也會(huì)受到形狀特性不一致的大量礁石的影響。另一方面，以光學(xué)為主導(dǎo)的視覺(jué)、紅外等探測(cè)方法也會(huì)受到水下昏暗環(huán)境的影響[8]。然而，弱電魚憑借其天然的主動(dòng)電場(chǎng)探測(cè)機(jī)制，能夠在完全黑暗、無(wú)光、環(huán)境復(fù)雜和渾濁的水域中存活，并全方位地感知周圍環(huán)境，獲取關(guān)于周圍物體位置、大小、形狀和組成等全面的環(huán)境信息。因此，對(duì)主動(dòng)電場(chǎng)探測(cè)機(jī)制的研究具有前景，通過(guò)深入研究弱電魚的電場(chǎng)感知器官結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理機(jī)制，可以設(shè)計(jì)出高度敏感、精準(zhǔn)的電場(chǎng)傳感器，用于智能機(jī)器人、自治式水下機(jī)器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）等應(yīng)用中。

我們?cè)趯?duì)主動(dòng)電場(chǎng)探測(cè)機(jī)制的研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，水下電場(chǎng)信號(hào)的幅頻特性、相頻特性與水下物體的RLC等效電路模型相關(guān)程度非常高。應(yīng)用激發(fā)極化效應(yīng)解釋了金屬物體在主動(dòng)電場(chǎng)探測(cè)機(jī)制中存在轉(zhuǎn)折頻率這一現(xiàn)象，并且使用了Cole-Cole等效模型作為對(duì)金屬物體進(jìn)行主動(dòng)電場(chǎng)探測(cè)時(shí)的RLC等效電路模型[9]。

在此項(xiàng)研究成果的基礎(chǔ)上，我們將關(guān)注重心放到了激發(fā)極化效應(yīng)在勘探地球物理中的成熟應(yīng)用中，即直流激電法與變頻激電法[10]。我們通過(guò)研究分析直流激電法的原理，嘗試對(duì)主動(dòng)電場(chǎng)探測(cè)機(jī)制方法進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)多種物體進(jìn)行了水下實(shí)驗(yàn)對(duì)比。此外，我們還對(duì)變頻激電法進(jìn)行了理論分析，基于變頻激電法，使用1 Hz和1 kHz這2種不同的雙極性方波激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行變頻激勵(lì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)多種物體進(jìn)行了水下實(shí)驗(yàn)對(duì)比，分析總結(jié)探測(cè)結(jié)果。

1 方法原理

1.1 激發(fā)極化效應(yīng)

地質(zhì)學(xué)的電法勘探研究工作中，巖石的激發(fā)極化效應(yīng)（Induced Polarization，IP）在早期就已經(jīng)被提出和發(fā)現(xiàn)，在電法勘探中，通常會(huì)通過(guò)在地表施加電流，利用地下介質(zhì)的電阻率差異來(lái)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。當(dāng)電流通過(guò)地下介質(zhì)時(shí)，如果存在極化效應(yīng)，地下介質(zhì)中的電荷分布會(huì)發(fā)生變化，并在電流關(guān)閉后繼續(xù)存在一段時(shí)間。這樣，通過(guò)測(cè)量地表上的電場(chǎng)變化，可以獲得與地下介質(zhì)中的極化效應(yīng)相關(guān)的信息。

1.2 激發(fā)極化法

激發(fā)極化效應(yīng)也可以稱為激電效應(yīng)，描述的是在一個(gè)類似于向大地充放電的過(guò)程中，因供電或斷電而產(chǎn)生電場(chǎng)、形成電位差的現(xiàn)象[11-15]。這個(gè)電位差可以由圖1所示的裝置觀測(cè)到。其中，A、B為供電的電極，M、N為檢測(cè)所用的電極。經(jīng)由A、B發(fā)射出直流電流I后，如果介質(zhì)為均勻非極化的，那么觀測(cè)到的電位將與1V一樣，不會(huì)隨著時(shí)間的改變而變化。反之，如果通電的電極之前存在著可以被極化的介質(zhì)，那么介質(zhì)將會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，從而可以在M、N之間觀察到電位差以及其隨時(shí)間的變化，如同2V。實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的V，實(shí)際上是1V與2V之和，是關(guān)于時(shí)間的函數(shù)。電位差ΔV隨著不同介質(zhì)的激電效應(yīng)的性質(zhì)不同發(fā)生變化，這一點(diǎn)可以很好的擴(kuò)展到水下探測(cè)實(shí)驗(yàn)中，水下的環(huán)境復(fù)雜多變，電位差的存在可以由此分析出不同的性質(zhì)。

圖1 激發(fā)極化現(xiàn)象示意圖Fig.1 Schematic diagram of induced pol arization phenomenon

在電法勘探中，常用的參數(shù)為視極化率sη：

式中：(tioff)為表示斷電后的某個(gè)時(shí)刻ti；ΔV2(tioff)為ti時(shí)刻測(cè)得的二次電位差；ΔV(T-Δt)為快斷電之前測(cè)得的總場(chǎng)電位差，此時(shí)測(cè)得的ΔV(T-Δt)接近于飽和電位差ΔVs；ηs為無(wú)量綱的相對(duì)物理量；T為充電的時(shí)間；Δt為表示短暫的一個(gè)時(shí)間段（比如，0.1 s、0.03 s）；(T-Δt)為考慮到物理誤差的斷電時(shí)刻。

在野外地質(zhì)勘探時(shí)，直流法往往耗時(shí)耗力，要求較高。而且在供電電極給介質(zhì)充電時(shí)，2V總是與1V疊加在一起，我們觀測(cè)到的V不能將2V和1V分別提取出來(lái)。為此，可以選擇用2種頻率不同的電流來(lái)激發(fā)，如圖2所示。當(dāng)頻率足夠高時(shí)，使得供電時(shí)間足夠短，可以近似的認(rèn)為介質(zhì)沒(méi)有發(fā)生明顯的激發(fā)極化效應(yīng)，我們可以認(rèn)為

圖2 寬脈寬和窄脈寬脈沖電流激發(fā)并測(cè)量充電曲線Fig.2 Wide-width and narrow-width pulsed-currents are excited and charging curve is measured

當(dāng)供電的頻率足夠低時(shí)，可以認(rèn)為每一個(gè)周期，激發(fā)極化效應(yīng)都發(fā)生的較為充分，這時(shí)候測(cè)得的ΔV接近飽和，即

因此，我們所關(guān)注的

式中，VfL，VfH分別為低頻、高頻供電時(shí)測(cè)得的ΔV。

如果以激勵(lì)信號(hào)的頻率為橫坐標(biāo)，以測(cè)量信號(hào)的電壓幅值為縱坐標(biāo)，可以繪制出圖3所示的圖像關(guān)系。

圖3 測(cè)得總場(chǎng)電位差與方波激勵(lì)源頻率的關(guān)系Fig.3 Relationship between total field potential difference and frequency of square wave excitation source

圖3中：fL為足夠低的方波激勵(lì)源頻率，在這個(gè)頻率激勵(lì)下，介質(zhì)激發(fā)極化效應(yīng)充分；ΔV為一次與二次電位的疊加，接近飽和；fH為足夠高的方波激勵(lì)源頻率，介質(zhì)的激發(fā)極化效應(yīng)不充分，所測(cè)得的VΔ接近一次電位。

2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

2.1 實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中還原水下環(huán)境使用的是90 cm×57 cm×40 cm的蓄水池，材質(zhì)為有機(jī)玻璃，水池中盛放一定量的純凈水，向純凈水中加入一定量的食鹽改變其電導(dǎo)率與海水相近，并撒入適量細(xì)泥沙，用以模擬海水環(huán)境。在蓄水池周圍，架設(shè)一臺(tái)三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)模塊，機(jī)械手通過(guò)絲桿連接電極云臺(tái)裝置，電極云臺(tái)裝置用于固定安放收發(fā)電極，收發(fā)電極選用化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的石墨材料做成棒條狀，直徑為10 mm，尾側(cè)焊接導(dǎo)線。如圖4所示，其余設(shè)備還包括：用于接收信號(hào)的NI-USB6366數(shù)據(jù)采集卡，用于發(fā)射信號(hào)的可編程程控電源，以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理與分析模塊。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖5所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)環(huán)境與電極云臺(tái)裝置Fig.4 Experimental environment and electrode cloud platform

圖5 實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)整體框圖Fig.5 Overall block diagram of experimental hardware platform

2.2 實(shí)驗(yàn)軟件配置

本實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景使用普源精電科技公司的DP832可編程電源作為信號(hào)源，其目的不僅僅在于該儀器本身可以穩(wěn)定、有效地輸出激電法所需要的電信號(hào)。更重要的是，激電法在采集電信號(hào)的過(guò)程中，要求在信號(hào)采集模塊開(kāi)始采集信號(hào)后一段時(shí)間開(kāi)始供電，信號(hào)采集結(jié)束前一段時(shí)間結(jié)束供電。配合DP832的可編程的功能，不僅能夠使得輸出的電信號(hào)更加的精準(zhǔn)有效，而且可以與采集電場(chǎng)信號(hào)模塊協(xié)同配合，通過(guò)LabVIEW的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境協(xié)調(diào)運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)定時(shí)的“采集開(kāi)始–上電–斷電–采集結(jié)束”等一系列操作。

USB6366數(shù)據(jù)采集卡的采樣方式使用差分模式，和單端采集相比可以減少環(huán)境中的電磁干擾，抑制共模噪聲。

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在電法勘探中，當(dāng)電流通過(guò)地下介質(zhì)時(shí)，地下介質(zhì)中的電荷會(huì)受到電場(chǎng)的作用而移動(dòng)，從而引起電勢(shì)差的產(chǎn)生。視極化率是描述這種電場(chǎng)–電荷相互作用的指標(biāo)，表示了地下介質(zhì)對(duì)電場(chǎng)的響應(yīng)程度，可以用于解釋地下介質(zhì)的電性特征，如導(dǎo)電性、極化特性和儲(chǔ)層性質(zhì)等。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于直流激電法的電場(chǎng)探測(cè)實(shí)驗(yàn)，并關(guān)注這幾個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)類型：①上電（通入電場(chǎng)）過(guò)程在接收電極測(cè)得的最高電壓值；②斷電（電場(chǎng)撤除、電流關(guān)閉）前在接收電極測(cè)得的穩(wěn)定的電壓值；③斷電后在接收電極測(cè)得的最低電壓值。無(wú)論是上電過(guò)程還是斷電過(guò)程，其頂峰電壓值相對(duì)穩(wěn)定電壓值越高，則越能體現(xiàn)水下被測(cè)物體對(duì)電流場(chǎng)的響應(yīng)程度。通常，這個(gè)響應(yīng)程度受到探測(cè)裝置與被測(cè)物體之間距離的影響，距離越遠(yuǎn)，則響應(yīng)程度越弱。還受被測(cè)物體形狀、材質(zhì)的影響，導(dǎo)電性強(qiáng)的物體響應(yīng)程度往往大于導(dǎo)電性弱的物體，表面不規(guī)則的物體響應(yīng)程度往往大于表面光滑的物體。

式（3）、式（4）為變頻激電法提供了理論依據(jù)，我們?cè)O(shè)計(jì)基于變頻激電法的電場(chǎng)探測(cè)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)激電電極將2個(gè)不同頻率的交流電流信號(hào)注入到水下，通過(guò)分析接收電極2個(gè)頻率下的電位差相對(duì)變化值，再次對(duì)水下被測(cè)介質(zhì)物的相關(guān)信息進(jìn)行獲取。

3.2 基于直流激電法的電場(chǎng)探測(cè)實(shí)驗(yàn)

直流激電法的探測(cè)實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)上是通過(guò)寬脈寬脈沖激勵(lì)供電的方式，能夠?qū)?shí)驗(yàn)物體的激發(fā)極化效應(yīng)在時(shí)間域上最大程度的體現(xiàn)出來(lái)。

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，水體介質(zhì)環(huán)境溫度為15℃，電導(dǎo)率為645 μs/cm。在水體介質(zhì)內(nèi)部無(wú)任何實(shí)驗(yàn)物體的情況下，按照“采集開(kāi)始–上電–斷電–采集結(jié)束”的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，激勵(lì)信號(hào)的幅值為20 V，輸出到發(fā)射電極，通電持續(xù)6 min表示充電過(guò)程，時(shí)間達(dá)到6 min后激勵(lì)源斷電，接收電極采集到的數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)環(huán)境無(wú)物體時(shí)采集信號(hào)時(shí)域特性Fig.6 Time domain characteristics of collected signals without objects in experimental environment

在激勵(lì)信號(hào)發(fā)射的瞬間，電場(chǎng)采集信號(hào)的電壓幅值有一個(gè)急速上升，最高可達(dá)1.726 V，而后緩慢下降，經(jīng)過(guò)3～5 s后趨于一個(gè)穩(wěn)定值0.2 V，但是幅值依舊有緩慢下降的趨勢(shì)。充電達(dá)6 min時(shí)，電場(chǎng)采集信號(hào)的電壓幅值穩(wěn)定在0.135±0.005 V，此后斷電（放電）過(guò)程中，其電壓從穩(wěn)定值0.135 V迅速衰減，直至–0.152 5 V，而后緩慢上升，直至恢復(fù)到0的水平。

可以發(fā)現(xiàn)在全水體介質(zhì)覆蓋的環(huán)境下，激發(fā)極化效應(yīng)與傳統(tǒng)地球物理學(xué)電法勘探中存在著一定的區(qū)別，放電時(shí)的時(shí)域幅值曲線沒(méi)有表現(xiàn)為單調(diào)的衰減，直至為0，而是表現(xiàn)為從正到負(fù)，再緩慢衰減到零值。區(qū)別于視極化率，定義3個(gè)指標(biāo)對(duì)本實(shí)驗(yàn)的后續(xù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別為：上電過(guò)程采集信號(hào)的最高幅值Uon，放電過(guò)程前的穩(wěn)定幅值Usta，放電過(guò)程采集信號(hào)的最低幅值Uoff，以及它們之間的相對(duì)關(guān)系，可計(jì)算得到對(duì)照組的ρ1=0.078，ρ2＝-1.129。

實(shí)驗(yàn)物體選用了銅立方體（40 mm×40 mm×40 mm），銅圓柱（Φ40 mm×40 mm），鋁立方體（40 mm×40 mm×40 mm），鋁圓柱（Φ40 mm×40 mm），塑料圓柱（Φ40 mm×40 mm）。

以銅立方體為例，放置在蓄水池內(nèi)，水體環(huán)境將其完全浸沒(méi)，控制三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)模塊將收發(fā)電極模塊移動(dòng)至銅立方體正上方，電極棒下段二分之一浸沒(méi)在水體內(nèi)，且不與銅立方體直接接觸。如圖7所示，電極裝置的初始位置為0，向右依次10 cm遞增至50 cm。并且，為了避免累積的激發(fā)效應(yīng)，對(duì)每個(gè)距離進(jìn)行實(shí)驗(yàn)間隔時(shí)間不少于2 min。在這個(gè)間隔時(shí)間里，被測(cè)物體可以完成充分放電。

圖7 電極裝置運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.7 Motion diagram of electrode device

銅立方體實(shí)驗(yàn)得到的信號(hào)特征值1ρ、2ρ如圖8所示，電極裝置從0移動(dòng)到10 cm時(shí)，曲線發(fā)生大幅度變化，到50 cm時(shí)變化緩慢，趨于穩(wěn)定，1ρ趨于0.096，2ρ趨于–1.028。這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與對(duì)照組相似，也就是說(shuō)，隨著探測(cè)距離的增加，探測(cè)裝置所采集信號(hào)體現(xiàn)出的直流激電效應(yīng)將大幅減弱直至趨近于背景（對(duì)照）組探測(cè)結(jié)果。

圖8 實(shí)驗(yàn)環(huán)境為銅立方體時(shí)采集信號(hào)的特征值折線圖Fig.8 Line chart of eigenvalues of collected signals when experimental environment is a copper cube

進(jìn)一步對(duì)銅立方體的采集信號(hào)特征值結(jié)果進(jìn)行分析，當(dāng)電極裝置正對(duì)被測(cè)物體（距離為0）時(shí)，其特征值ρ1、ρ2相比對(duì)照組發(fā)生了大幅度改變，ρ1:0.078→0.164，ρ2:-1.028→-1.356（→左值為對(duì)照組數(shù)據(jù)，右值為實(shí)驗(yàn)組數(shù)據(jù)），避免結(jié)果的單一性，我們?cè)?這個(gè)距離下繼續(xù)對(duì)銅圓柱、鋁圓柱、鋁立方體、塑料圓柱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果如表1所示。

表1 不同物體的特征值實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)Table 1 Experimental results of eigenvalues of different objects

對(duì)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，所有實(shí)驗(yàn)組物體信號(hào)特征值1ρ、2ρ絕對(duì)值均大于對(duì)照組，且：鋁立方體放電過(guò)程直流激電效應(yīng)最強(qiáng)，銅立方體上電過(guò)程的直流激電效應(yīng)最強(qiáng)；塑料圓柱在上電、放電過(guò)程的激電效應(yīng)都為最弱。

3.3 基于變頻激電法的電場(chǎng)探測(cè)實(shí)驗(yàn)

激勵(lì)信號(hào)的類型為雙極性方波信號(hào)，幅值為10 V，頻率fL=1 Hz，fH=1 000 Hz。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，水體介質(zhì)環(huán)境溫度為18℃，電導(dǎo)率為694 μs/cm。在水體介質(zhì)內(nèi)部無(wú)任何實(shí)驗(yàn)物體的情況下，按照“采集開(kāi)始–上電fL–斷電fL–上電fH–斷電fH–采集結(jié)束”的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。首先，輸出1 Hz方波信號(hào)到發(fā)射電極，采集結(jié)束后，再輸出1 000 Hz方波信號(hào)到發(fā)射電極，再次采集。時(shí)域波形如圖9所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)環(huán)境無(wú)物體時(shí)采集信號(hào)時(shí)域波形Fig.9 Time domain waveform of collected signals without objects in the experimental environment

定義6個(gè)指標(biāo)對(duì)本實(shí)驗(yàn)的后續(xù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：1 Hz激勵(lì)信號(hào)在上升過(guò)程中的最大值；1 Hz激勵(lì)信號(hào)在下降過(guò)程中的最小值；1 Hz激勵(lì)信號(hào)在上升過(guò)程的穩(wěn)定值；1 Hz激勵(lì)信號(hào)在下降過(guò)程的穩(wěn)定值；1 kHz激勵(lì)信號(hào)在上升過(guò)程中的最大值；1 kHz激勵(lì)信號(hào)在下降過(guò)程中的最小值。定義視幅頻率FS：

式中：FS1應(yīng)用于研究上升（充電）過(guò)程，對(duì)應(yīng)的是激勵(lì)信號(hào)的正極性區(qū)；FS2應(yīng)用于研究下降（放電）過(guò)程，對(duì)應(yīng)的是激勵(lì)信號(hào)的負(fù)極性區(qū)?？捎?jì)算得到背景實(shí)驗(yàn)的FS1= –5.43，F(xiàn)S2= –5.51。

與直流激電法類似，電極裝置的初始位置為0，向右依次10 cm遞增至50 cm。對(duì)相同的銅立方體進(jìn)行變頻激電實(shí)驗(yàn)。首先對(duì)銅立方體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到電極裝置在不同位置處的SF信號(hào)特征值（圖10）。

圖10 實(shí)驗(yàn)環(huán)境為銅立方體時(shí)采集信號(hào)的特征值折線圖Fig.10 Line chart of eigenvalues of collected signals when experimental environment is a copper cube

同樣的計(jì)算方式，在上升過(guò)程和下降過(guò)程中的到的數(shù)值不盡相同，有著較為明顯的區(qū)分。在距離電極0處的實(shí)驗(yàn)，視幅頻率1為–3.14，而視幅頻率2為–2.62，僅為視幅頻率1的83.4%。視幅頻率1在銅立方體距離電極50 cm處取到極小值，為–7.99，視幅頻率2在銅立方體距離電極40 cm處取到極小值，為–7.02，兩者不僅極小值有著明顯的不同，而且取到極小值的位置也不一樣，這一點(diǎn)值得探究。接下來(lái)對(duì)銅圓柱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（圖11）。

圖11 實(shí)驗(yàn)環(huán)境為銅圓柱體時(shí)采集信號(hào)的特征值折線圖Fig.11 Line chart of eigenvalues of collected signals when experimental environment is a copper cylinder

同樣屬于金屬銅，立方體與圓柱體的視幅頻率特性存在差異，為了驗(yàn)證這種差異是否是由物體形狀所引起的，我們對(duì)鋁圓柱體進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)（圖12）。

圖12 實(shí)驗(yàn)環(huán)境為鋁圓柱體時(shí)采集信號(hào)的特征值折線圖Fig.12 Line chart of eigenvalues of collected signals when experimental environment is an aluminum cylinder

對(duì)比銅圓柱體與鋁圓柱體的視幅頻率特征值折線圖，其上升過(guò)程的變化都存在“遞減”到“遞增”再到“遞減”的趨勢(shì)；下降過(guò)程則更為相似。

進(jìn)一步，對(duì)鋁立方體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（圖13）。

圖13 實(shí)驗(yàn)環(huán)境為鋁立方體時(shí)采集信號(hào)的特征值折線圖Fig.13 Line chart of eigenvalues of collected signals when experimental environment is an aluminum cube

鋁立方體的上升過(guò)程特征值折線圖與銅立方體非常相似，但是在下降過(guò)程并未發(fā)現(xiàn)二者的關(guān)聯(lián)性，所以實(shí)驗(yàn)并不能說(shuō)明視幅頻率特性曲線與物體形狀存在強(qiáng)相關(guān)性。

最后，對(duì)塑料圓柱體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（圖14）。

圖14 實(shí)驗(yàn)環(huán)境為塑料立方體時(shí)采集信號(hào)的特征值折線圖Fig.14 Line chart of eigenvalues of collected signals when experimental environment is a plastic cube

相比上述4種金屬體，塑料圓柱體的特征值折線圖存在很大的差異，大部分金屬被測(cè)物體的視幅頻率在整體上看都是一個(gè)遞減的趨勢(shì)，而塑料被測(cè)物則是出現(xiàn)了波折與上升。

變頻激電法需要更為復(fù)雜的測(cè)量設(shè)備和數(shù)據(jù)處理方法，在本次實(shí)驗(yàn)中，能夠得到的有效結(jié)論為：所有金屬被測(cè)物的FS1、FS2的絕對(duì)值都小于對(duì)照組（無(wú)被測(cè)物體），而塑料絕緣物體的所有FS1、FS2，都大于對(duì)照組，而其余變化規(guī)律與直流激電法的結(jié)果并不一致。可能的原因是，本實(shí)驗(yàn)激勵(lì)源引入了2種不同頻率的交流信號(hào)，地下電性介質(zhì)極化效應(yīng)[9]受到激勵(lì)源頻率的影響，電性介質(zhì)中發(fā)生非線性極化行為，這個(gè)效應(yīng)可以使用Cole-Cole模型進(jìn)行描述，本文不作深入探討。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先介紹了弱電魚的主動(dòng)電場(chǎng)探測(cè)定位機(jī)制，并分析對(duì)比了其在水下環(huán)境相比電磁學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)探測(cè)的優(yōu)越性。為了優(yōu)化主動(dòng)電場(chǎng)探測(cè)方法，我們將研究視角聚焦于勘探地球物理學(xué)中激發(fā)極化法的應(yīng)用：在外電場(chǎng)的作用下，圍巖溶液包裹中的金屬礦物表層會(huì)發(fā)生離子聚集，這些聚集的離子構(gòu)成了二次電場(chǎng)，由二次電場(chǎng)在金屬礦兩端形成了二次電位。稱這個(gè)過(guò)程為激電過(guò)程。我們認(rèn)為，在同樣的激發(fā)條件下，水下被測(cè)物也一樣存在這種激電過(guò)程，所以，我們搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)環(huán)境，使用小型蓄水池模擬海水域環(huán)境，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中分別進(jìn)行直流激電法與變頻激電法電場(chǎng)探測(cè)實(shí)驗(yàn)。直流激電法原理簡(jiǎn)單，還原度高，所有實(shí)驗(yàn)組與空白背景環(huán)境存在明顯差異，且所有金屬物體的激電效應(yīng)都強(qiáng)于非金屬塑料，符合理論分析。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，變頻激電法實(shí)驗(yàn)相比于直流激電法沒(méi)有那么明顯的組間關(guān)聯(lián)性與規(guī)律。在變頻激電法實(shí)驗(yàn)中，激勵(lì)源由直流信號(hào)變?yōu)?種不同頻率的雙極性方波信號(hào)，隨著電極裝置位置的變化，不同實(shí)驗(yàn)金屬物體的視幅頻率–距離特征不盡相同，但整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，而塑料被測(cè)物則是出現(xiàn)了波折與上升。

總之，這是我們?cè)谥鲃?dòng)電場(chǎng)探測(cè)方法機(jī)制上的一次優(yōu)化嘗試，并且得出了一定的結(jié)果驗(yàn)證理論推導(dǎo)，還需要對(duì)其進(jìn)一步完善。本實(shí)驗(yàn)中對(duì)變頻激電法實(shí)驗(yàn)的頻率參數(shù)選取采取了經(jīng)驗(yàn)判斷，并未驗(yàn)證其是否為最佳合適的參數(shù)，后續(xù)我們將會(huì)重點(diǎn)關(guān)注變頻激電法中實(shí)驗(yàn)參數(shù)的選擇，盡可能使實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)趨于理論值，并結(jié)合理論模型完善對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的概括解釋。