基于多电极的水下主动电场探测系统研究

作     者：徐天洋 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李北明

授予年度：2021年

学科分类：12[管理学] 1201[管理学-管理科学与工程(可授管理学、工学学位)] 081104[工学-模式识别与智能系统] 08[工学] 081601[工学-大地测量学与测量工程] 0816[工学-测绘科学与技术] 0835[工学-软件工程] 0811[工学-控制科学与工程] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：水下目标定位 主动电场探测 多电极天线 MP-MUSIC算法 粒子群算法 

摘      要：水下主动电场探测技术可以应用于海底未爆炸物定位、水下管道检测、海底探测等领域,该技术已经受到各国研究者的重视,具有广阔的发展空间。水下主动电场探测技术是基于弱电鱼感知周围环境的原理,通过模仿弱电鱼在水中形成电场,然后用接收装置来获取电场的扰动信号,实现水下探测与定位。采用这种方法进行水下探测定位可以大大降低探测对于水下环境的要求,而且探测系统结构简单易于实现。本文对水下主动电场探测技术进行研究,并设计实现水下主动电场探测系统。本文根据麦克斯韦电磁场理论建立水下准静态电场物理模型,首先分析被动定位的原理,然后对Rasnow模型进行简化等效推导出水下电场主动定位模型,从理论上分析金属导体对水中主动电场产生的扰动影响。通过公式推导和分析得出目标物体位置与电场扰动之间的数学关系,从而把水下主动电场定位问题转化为求最小目标函数问题。然后利用CST仿真软件对水下主动电场定位模型进行仿真分析,仿真出水下金属导体对主动电场扰动的特性曲线,分析电场强度变化曲线和目标位置关系,得出电场曲线峰值和目标位置对应关系。并分析电偶极子源与接收天线的不同分布位置对峰值位置的影响,总结出当接收电极处于电场零电势面上时最适合实现定位探测,此种接收天线方式较为理想。将MP-MUSIC算法应用到水下主动电场定位中,通过找出全局最优解来实现定位功能。对算法进行仿真分析,探究探测系统的接收电极分布位置对水下主动电场定位精度的影响,经过对比发现立体分布式电极排布探测精度较高,提出一种将搜索空间进行网格划分的分步搜索方法,可以减少传统的逐点扫描法的计算量,提高运算速度。为了能更好的实现定位快速搜索,将粒子群算法与MP-MUSIC算法结合,提高快速搜索性能。引入自然选择PSO算法、杂交PSO算法和模拟退火PSO算法,并对三种算法的运算速度和定位精度进行比较分析。自然选择PSO有利于更快收敛,杂交PSO与模拟退火PSO有利于跳出局部极值使定位更精确,但是模拟退火算法存在不稳定的情况,因此将自然选择法和杂交法结合运用到粒子群算法中,对自然选择-杂交PSO算法的学习因子进行优化改进,提高了定位算法的运算速度和定位精度。最后设计了水下主动电场探测系统的硬件平台,并在实验室环境下进行试验测试,验证水下主动电场探测系统定位探测有效性。