楊汶潔，彭杰鋼，*，徐 林，王家琦

（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

海洋蘊(yùn)藏著十分豐富的可利用資源，而水下探測(cè)技術(shù)是海中資源找尋和開發(fā)過程中的關(guān)鍵一環(huán)?，F(xiàn)如今人們對(duì)海底探測(cè)儀器在面對(duì)黑暗無光的復(fù)雜環(huán)境時(shí)的近距離物體探測(cè)精度和裝置快速反應(yīng)需求越來越高。同時(shí)，人們更希望能便捷地將探測(cè)裝置布置于水下遙控探測(cè)器上，使得探測(cè)器應(yīng)用場(chǎng)景更加靈活。因此，一種基于主動(dòng)電場(chǎng)定位原理的探測(cè)方法開始更廣泛地進(jìn)入研究人員的視野中[1-2]。

主動(dòng)電場(chǎng)探測(cè)的思想源自仿生學(xué)研究。自20世紀(jì)50年代，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，這種魚類通過自身放電組織（Electric Organ Discharges，EODS）發(fā)射幅值1 V左右、頻率不超過1 000 Hz的低頻微弱電場(chǎng)。當(dāng)電場(chǎng)在水中傳播時(shí)，若傳播途中有物體存在，電場(chǎng)在水中的空間分布會(huì)發(fā)生畸變，此類魚則通過電場(chǎng)感知器官獲得畸變電場(chǎng)的信息，指導(dǎo)自身進(jìn)行各項(xiàng)生命活動(dòng)?？茖W(xué)家因此稱其為弱電魚[3]。

研究者的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)弱電魚的電場(chǎng)感知器官能夠精確識(shí)別出1%的電場(chǎng)幅度變化。依靠電場(chǎng)發(fā)射器官和感知器官，弱電魚可以進(jìn)行逃避獵殺、捕食、導(dǎo)航定位等活動(dòng)[4-5]。研究者將這種探測(cè)方式命名為水下主動(dòng)電場(chǎng)定位。依靠這種生物機(jī)理，弱電魚能夠在完全黑暗無光、環(huán)境復(fù)雜渾濁的水中生存[6-7]，并能全方位地感知周圍環(huán)境，獲得如周圍物體的位置、大小、形狀和組成等全面的環(huán)境信息[8-9]。

基于此，以仿生工程學(xué)界對(duì)主動(dòng)電場(chǎng)相關(guān)研究為鋪墊，通過布置發(fā)射電極模擬弱電魚電場(chǎng)產(chǎn)生器官，以陣列設(shè)計(jì)模擬弱電魚電場(chǎng)感受器官構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以探測(cè)陣列上各點(diǎn)的電場(chǎng)能量強(qiáng)度變化為出發(fā)點(diǎn)，探究成像方法，既為人為構(gòu)建弱電魚電場(chǎng)定位器官提供了新的嘗試，擴(kuò)寬了主動(dòng)電場(chǎng)水下探測(cè)應(yīng)用方案，也豐富了水下探測(cè)方法種類，為水下探測(cè)及成像提供了全新的思路。

1 主動(dòng)電場(chǎng)基本探測(cè)模型

主動(dòng)電場(chǎng)探測(cè)方法依舊處于研究起步階段，其完全對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型還在探索當(dāng)中。由于電場(chǎng)探測(cè)過程本身的非線性和復(fù)雜性，其模型還處于相關(guān)研究人員探索中。國內(nèi)外研究中，一般通過電偶極子模型說明主動(dòng)電場(chǎng)探測(cè)基本原理。對(duì)于理想帶電粒子Q，空間中任意位置的電場(chǎng)強(qiáng)度可表示為

式中：ε為電導(dǎo)率，受頻率影響；表示距離為r的位置與帶電粒子Q之間的矢量距離。

若空間中存在2個(gè)等量異號(hào)的理想帶電粒子Q+和Q-，它們的距離為d，構(gòu)成1對(duì)電偶極子。那么在這2個(gè)帶電粒子之間的某一位置的電場(chǎng)強(qiáng)度可表示為

式中：Q為2個(gè)帶電粒子Q+和Q-的電荷量；分別為該點(diǎn)與Q+和Q-之間的矢量距離。

在現(xiàn)實(shí)情況下，不同物體由于其形狀大小、電阻率與電導(dǎo)率等不同會(huì)對(duì)電場(chǎng)產(chǎn)生不同影響。若在電場(chǎng)中放入一個(gè)球形物體，那么可得

式中：為該球形物體處因該物體存在而產(chǎn)生的電勢(shì)擾動(dòng)；ρ1為水環(huán)境電阻率；ρ2為球形物體的電阻率；a為球形物體半徑；為電偶極子形成的電場(chǎng)強(qiáng)度；ε1為水環(huán)境的介電常數(shù)；ε2為球形物體介電常數(shù)；f為發(fā)射信號(hào)的頻率；有角頻率ω＝2πf；為該球體球心到電偶極子的矢量距離。當(dāng)環(huán)境中不存在物體時(shí)，即ρ1＝ρ2，ε1＝ε2。此時(shí)可得

式（4）說明，沒有物體存在于電偶極子構(gòu)建的電場(chǎng)中時(shí)，電場(chǎng)本身沒有被影響，也就反應(yīng)了沒有探測(cè)到物體存在。同樣，若發(fā)射電極發(fā)射信號(hào)為直流時(shí)，此時(shí)f＝0，因此ω＝0，可得

若電場(chǎng)中存在1個(gè)電阻率為0的超導(dǎo)體時(shí)，此時(shí)ρ2＝0，代入式（3）可得

而若電場(chǎng)中存在1個(gè)電阻率為無窮大的絕緣體，那么相對(duì)于環(huán)境電阻率來說ρ2?ρ1，并且絕緣體的電導(dǎo)率也遠(yuǎn)小于環(huán)境電導(dǎo)率，即ε2?ε1，則可得

由式（4）–（7）可見，電場(chǎng)信息的改變與自身環(huán)境的電阻率、電導(dǎo)率、發(fā)射信號(hào)的頻率等有關(guān)，更與目標(biāo)物體的形狀、距離以及電導(dǎo)率等物理因素相關(guān)?；诖丝芍舭l(fā)射一個(gè)已知的電場(chǎng)信號(hào)，對(duì)不同物體，由于其形狀、電導(dǎo)率等與環(huán)境不同，則電場(chǎng)會(huì)在該處發(fā)生由物體引起的變化，而電場(chǎng)變化必然引起接收信號(hào)的改變，從而能夠通過研究接收信號(hào)變化實(shí)現(xiàn)對(duì)該物體的探測(cè)。

該模型說明物體存在與否、幾何特征、電導(dǎo)率差異及位于探測(cè)電場(chǎng)中位置不同均會(huì)影響探測(cè)結(jié)果。但該模型只是主動(dòng)電場(chǎng)探測(cè)方法在工程應(yīng)用上的一個(gè)近似模型，實(shí)際探測(cè)時(shí)由于物體材質(zhì)、形狀等不同導(dǎo)致周圍電場(chǎng)的非線性變化，其模型建立的困難很大，到現(xiàn)在還沒有準(zhǔn)確的模型能完全符合參數(shù)與結(jié)果的一一對(duì)應(yīng)。后文的實(shí)驗(yàn)是從工程應(yīng)用角度出發(fā)，為了驗(yàn)證其探測(cè)有效性及設(shè)計(jì)一種可用的成像方法，在控制了影響如物體材料、距離和發(fā)射信號(hào)等變量之后所進(jìn)行的探究實(shí)驗(yàn)。對(duì)完全未知情況的探測(cè)，還需要更進(jìn)一步研究[10-11]。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與環(huán)境

2.1 陣列布置

仿照弱電魚電場(chǎng)發(fā)射器官與電場(chǎng)接收器官，布置發(fā)射電極與接收電極，構(gòu)建的探測(cè)系統(tǒng)模型如圖1所示。發(fā)射電極產(chǎn)生一個(gè)已知方向和大小的電場(chǎng)，并與接收電極一起影響電場(chǎng)。電場(chǎng)穩(wěn)定后，通過比較接收電極探測(cè)到物體前后的電勢(shì)差計(jì)算出電場(chǎng)的改變程度。

圖1 模擬弱電魚探測(cè)模型Fig.1 Simulated weak electric fish model

由主動(dòng)電場(chǎng)探測(cè)模型可知，物體存在將使得電場(chǎng)產(chǎn)生十分明顯的變化，其中包括幅值變化。處于平穩(wěn)水環(huán)境中的電場(chǎng)將是穩(wěn)定可測(cè)的，而將物體置于電場(chǎng)環(huán)境中時(shí)，接收信號(hào)的幅值會(huì)大幅改變，通過這樣的變化，可以通過幅值測(cè)量實(shí)現(xiàn)物體探測(cè)。

在綜合考慮探測(cè)有效性和裝置的可實(shí)現(xiàn)性上，本文選擇16個(gè)電極構(gòu)成面形接收電極陣列。整個(gè)陣列中，發(fā)射電極為1對(duì)電偶極子，對(duì)稱分布于接收電極陣列兩側(cè)。接收電極陣列中，16個(gè)接收電極按照4×4排列等距分布在一個(gè)正方形區(qū)域內(nèi)。每個(gè)電極寬度為6 mm鉑片電極。將這些接收電極置于一塊搭載板上固定，接收電極兩兩之間距離均為48 mm，發(fā)射電極與接收電極陣列板的距離固定，得到陣列的二維平面圖，如圖2所示。

圖2 電極陣列俯視圖Fig.2 Top view of electrode array

對(duì)于該實(shí)驗(yàn)，我們將三維空間中的物體探測(cè)簡(jiǎn)化為二維平面上，保證每次實(shí)驗(yàn)探測(cè)時(shí)被測(cè)物體在空間垂直高度上距離接收電極陣列相同，除被測(cè)物體外其余實(shí)驗(yàn)條件均不變，則電極與物體的相對(duì)位置與實(shí)際測(cè)量時(shí)的俯視圖相同，可將實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化到二維平面上表示。這樣設(shè)計(jì)既能簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)，使得裝置便于安裝制造，又能控制實(shí)驗(yàn)變量?jī)H為被測(cè)物體。

2.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)環(huán)境包括模擬水下環(huán)境和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。使用一個(gè)尺寸為90 cm×57 cm×40 cm的長方體水槽，加水之后通過加鹽和泥土等渾濁物模擬水下環(huán)境。控制模擬水環(huán)境基本參數(shù)為水溫25 ℃，電導(dǎo)率為3.78 mS/cm。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)主要完成數(shù)據(jù)產(chǎn)生、采集與分析工作。實(shí)驗(yàn)中，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)，通過數(shù)據(jù)采集卡USB-6289傳輸信號(hào)至發(fā)射電極，發(fā)射電極將信號(hào)發(fā)出構(gòu)建水下主動(dòng)電場(chǎng)環(huán)境。電腦通過程序控制數(shù)據(jù)采集設(shè)備接收電極陣列的16路原始信號(hào)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到電腦上。同時(shí)，接收電極陣列板搭載于三軸步進(jìn)電機(jī)上，通過電腦控制步進(jìn)電機(jī)從而調(diào)整陣列位置。陣列高度以及位置合適后，可放入物體進(jìn)行探測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及整體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及整體架構(gòu)Fig.3 Experimental platform and overall structure

本實(shí)驗(yàn)采用鉑片探測(cè)電極，發(fā)射電極為石墨電極。使用HDG2012B任意波形發(fā)生器發(fā)射頻率為500 Hz、峰峰值為20 V的正弦波，信號(hào)經(jīng)過USB-6289輸出到發(fā)射電極。同時(shí)USB-6289還為數(shù)據(jù)采集裝置，負(fù)責(zé)接收探測(cè)電極的信號(hào)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)過程中采樣率設(shè)定為10 000 Hz，USB-6289采集到原始數(shù)據(jù)后，使用計(jì)算機(jī)上具有信號(hào)、數(shù)據(jù)處理能力的Labview軟件程序控制管理數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理。三軸步進(jìn)電機(jī)搭載的接收電極陣列如圖4所示。

圖4 接收電極陣列實(shí)物圖Fig.4 Receiving electrode array image

3 成像方法與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中，4×4接收電極陣列采集的原始信號(hào)通過NI數(shù)據(jù)采集卡USB-6289傳輸?shù)絃abview軟件中，通過Labview中的快速傅里葉變換（FFT）控件對(duì)采集到的500 Hz正弦信號(hào)進(jìn)行處理，可將16路信號(hào)由時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域信號(hào)，并得到每路信號(hào)的有效值。

FFT是信號(hào)處理中常用的手段，對(duì)該實(shí)驗(yàn)中采集到的N點(diǎn)序列x(n)，其離散傅里葉變換（DFT）對(duì)為式（8），F(xiàn)FT為DFT的快速算法。通過FFT可得到信號(hào)的頻率與幅值信息[17]。

16路信號(hào)預(yù)處理后結(jié)果如圖5所示，可以看到陣列有效采集到了發(fā)射信號(hào)，將500 Hz頻率分量下的16路信號(hào)幅值依次輸出，形成數(shù)組作為進(jìn)行成像的數(shù)據(jù)。

圖5 16路信號(hào)頻譜圖Fig.5 Spectrum diagram of 16-channel signal

物體成像通過二維數(shù)組運(yùn)算與圖像插值算法實(shí)現(xiàn)。首先，將獲得的16路一維數(shù)組轉(zhuǎn)為4×4 二維數(shù)組，并使二維數(shù)組中數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)接收電極的相對(duì)位置相同。然后，將放入物體前后的數(shù)組進(jìn)行差分，去除環(huán)境變量，得到每路信號(hào)的變化程度。設(shè)物體放入前測(cè)得的第i路幅值數(shù)據(jù)為ai，物體放入后測(cè)得的第i路幅值數(shù)據(jù)為bi，令ci＝bi-ai則差分后，得到數(shù)組矩陣

該差分矩陣中數(shù)據(jù)位置與陣列中電極的二維平面位置對(duì)應(yīng)，對(duì)相鄰項(xiàng)之間使用y＝ax+b線性插值補(bǔ)充顏色盒子中成像數(shù)據(jù)，使用強(qiáng)度圖展示數(shù)據(jù)變化達(dá)到成像目的。

實(shí)驗(yàn)中，雖然探測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度會(huì)由于電極位置和方向不同而變化，但由于探測(cè)電極在使用是嚴(yán)格固定的，故成像時(shí)將放入物體前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行差分所得到的數(shù)據(jù)是嚴(yán)格的電場(chǎng)變化數(shù)據(jù)，即陣列幾何尺寸和電極排布會(huì)影響數(shù)據(jù)采集時(shí)得到的16路信號(hào)的幅值，但對(duì)成像結(jié)果沒有影響。最后，通過將得到的變化數(shù)組輸出到強(qiáng)度表示圖像中，并通過線性插值算法，可得到探測(cè)結(jié)果的二維圖像。

根據(jù)如上陣列布置，并依照成像算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行成像，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可得到成像結(jié)果。實(shí)驗(yàn)選擇二維幾何形狀為正方形、長方形、等腰直角三角形和L形的純銅材料物體進(jìn)行探測(cè)。物體相對(duì)電極陣列位置及二維成像結(jié)果如圖6所示。

圖6 物體相對(duì)位置及成像結(jié)果Fig.6 Relative positions and imaging results of objects

由圖6可知，通過之前的陣列布置并配合成像方法，不同二維形狀的物體，其強(qiáng)度圖明顯符合其幾何特征，由此可以說明該強(qiáng)度圖對(duì)不同幾何形狀的物體能夠進(jìn)行區(qū)分成像。其中，正方形與長方形的成像誤差處集中在棱角周圍，這是由于物體棱角處的電場(chǎng)畸變比平滑處大，產(chǎn)生的非線性波動(dòng)較難判斷。成像算法中使用線性插值是因?yàn)殡姌O距離較近，探測(cè)信號(hào)幅值變化用線性變化近似代替，故會(huì)造成誤差。等腰直角三角形與L形物體在成像效果上的差異也是由棱角處的電場(chǎng)畸變?cè)斐傻?。這些問題是由于主動(dòng)電場(chǎng)探測(cè)技術(shù)并不成熟，針對(duì)主動(dòng)電場(chǎng)探測(cè)原理的數(shù)學(xué)模型還沒有建立，非線性變化還沒有更好的探測(cè)及補(bǔ)償方法，成像結(jié)果中的誤差若要優(yōu)化消除還需要進(jìn)行更深入的研究才可能找到有效的優(yōu)化方式。但是，基于以上實(shí)驗(yàn)可以預(yù)料，通過增加接收電極的數(shù)量以及改變電極陣列排布狀態(tài)，探測(cè)及成像結(jié)果會(huì)得到進(jìn)一步優(yōu)化提升。并且，通過陣列布置的改變可將物體二維成像進(jìn)一步推進(jìn)到三維物體成像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分說明了陣列布置及成像方法聯(lián)合對(duì)于物體探測(cè)成像的有效性，并為后續(xù)工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

水下探測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速，通過弱電魚仿生研究而得到重視的主動(dòng)電場(chǎng)探測(cè)技術(shù)為水下探測(cè)提供了全新的視角。針對(duì)黑暗復(fù)雜環(huán)境中的近距離物體探測(cè)，為了同時(shí)滿足易于安裝和使用的需求，本文通過陣列布置，給出了模擬弱電魚電場(chǎng)產(chǎn)生器官和電場(chǎng)接收器官指導(dǎo)方法。同時(shí)，依靠控制變量策略，結(jié)合電場(chǎng)畸變導(dǎo)致電場(chǎng)幅值變化的特性，通過探測(cè)物體前后的數(shù)據(jù)差別以及線性插值算法得到成像方法。最后，通過以上設(shè)計(jì)，借助已有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同形狀的簡(jiǎn)單物體探測(cè)與二維成像，驗(yàn)證了陣列布置和成像方法的有效性與可行性。綜合來看，本文為弱電魚主動(dòng)電場(chǎng)的建立提供了新的嘗試，豐富了主動(dòng)電場(chǎng)水下探測(cè)應(yīng)用方案，為水下探測(cè)及成像提供了全新的方案和思路。