本發(fā)明涉及金屬探測(cè)領(lǐng)域，特別涉及一種基于頻域的金屬物體探測(cè)裝置及方法。

背景技術(shù)：

隨著社會(huì)的發(fā)展，金屬探測(cè)技術(shù)在現(xiàn)代社會(huì)生活中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在軍事、安全領(lǐng)域、考古、工程應(yīng)用、工業(yè)等領(lǐng)域都可見(jiàn)到金屬探測(cè)器的身影。如常用的電磁感應(yīng)式金屬探測(cè)器，其基本原理就是利用通電的線圈產(chǎn)生一個(gè)探測(cè)磁場(chǎng)，當(dāng)有金屬進(jìn)入探測(cè)磁場(chǎng)范圍時(shí)，就會(huì)引起磁場(chǎng)的變化，由此判斷是否有金屬目標(biāo)。同時(shí)也存在多種其他類型的探測(cè)器，如x射線檢測(cè)型、微波檢測(cè)型、激光檢測(cè)型等。但總體來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有的金屬探測(cè)技術(shù)中，無(wú)論是采用何種探測(cè)原理、何種探測(cè)技術(shù)，其目前均不具備區(qū)分不同材質(zhì)金屬目標(biāo)的能力。此外，現(xiàn)有的金屬探測(cè)技術(shù)大多只能用于陸地空氣環(huán)境中的探測(cè)工作，而對(duì)水下工作環(huán)境并不適用。

目前，主要的金屬探測(cè)技術(shù)方法如：基于電渦流的探測(cè)技術(shù)、基于激光偏振特性的探測(cè)技術(shù)、基于電磁法探測(cè)技術(shù)、基于hsv色空間的探測(cè)技術(shù)、基于導(dǎo)熱性能的探測(cè)技術(shù)以及物理識(shí)別方法等。雖然存在一些水下金屬探測(cè)技術(shù)，但是這些技術(shù)并不是普遍適應(yīng)的，甚至還有諸多的限制因素導(dǎo)致其不能使用或探測(cè)效果不理想。如基于電渦流傳感器的金屬材質(zhì)探測(cè)技術(shù)，其利用探測(cè)線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)，通過(guò)被測(cè)金屬導(dǎo)體處于該磁場(chǎng)中引起探測(cè)磁場(chǎng)的變化來(lái)探測(cè)出金屬物體。該技術(shù)應(yīng)用于空氣環(huán)境中效果較好，但不能識(shí)別被測(cè)金屬物體的材質(zhì)；基于金屬目標(biāo)表面激光的反射偏振特性的探測(cè)技術(shù)，通過(guò)對(duì)反射光stokes矢量的分析，線偏振光或圓偏振光經(jīng)過(guò)金屬表面反射后變?yōu)闄E圓偏振光，根據(jù)其橢圓度和方位角的不同來(lái)區(qū)分被探測(cè)金屬物體。雖然該技術(shù)能夠識(shí)別水下金屬物體材質(zhì)，但這樣的激光在水中傳播的時(shí)候不可避免的會(huì)發(fā)生一些非線性光學(xué)作用，從而極大的影響金屬探測(cè)的效果；基于hsv色空間的水下物體探測(cè)技術(shù)，它也是一種水下物體的光學(xué)識(shí)別技術(shù)，利用斯托克斯成像技術(shù)和hsv顏色空間相結(jié)合的方式，將同種顏色不同材料的物體偏振信息在hsv空間中展現(xiàn)出來(lái)。根據(jù)hsv色彩空間的色度(代表偏振度信息)、飽和度(表反射光的偏振方位角信息)、亮度的不同來(lái)對(duì)被測(cè)物體材質(zhì)進(jìn)行區(qū)分，該種技術(shù)與基于激光偏振特性探測(cè)技術(shù)一樣，都要依靠反射光的特性來(lái)開(kāi)展工作，難免會(huì)有同樣的限制條件；而基于導(dǎo)熱性能的水下金屬探測(cè)技術(shù)，該技術(shù)是一種接觸式探測(cè)技術(shù)，它依靠不同材料具有不同的導(dǎo)熱性能的特性，通過(guò)測(cè)量材料的導(dǎo)熱性即可達(dá)到識(shí)別材料的目的。但缺點(diǎn)是，需要接觸被測(cè)物體才能檢測(cè)出其導(dǎo)熱性能，對(duì)于水下檢測(cè)，該類探測(cè)傳感器的探頭暴露在介質(zhì)環(huán)境中，探測(cè)時(shí)難免會(huì)帶入介質(zhì)環(huán)境對(duì)導(dǎo)熱性產(chǎn)生的影響；而物理識(shí)別方法如感官鑒別，火花鑒別，看譜分析等都不宜在水中展開(kāi)工作。

綜上，現(xiàn)有的各種金屬探測(cè)技術(shù)要么不能探測(cè)金屬的具體種類，要么在針對(duì)水下環(huán)境探測(cè)時(shí)，易受到諸如探測(cè)環(huán)境、探測(cè)裝置自身功能的限制而不能達(dá)到理想的探測(cè)效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的上述不足，提供一種應(yīng)用在導(dǎo)電液體(如水)中探測(cè)金屬物體的金屬物體探測(cè)裝置；

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案：

一種金屬物體探測(cè)裝置，包括，

發(fā)射裝置，包括至少兩個(gè)發(fā)射電極，其中一個(gè)發(fā)射電極接地；所述發(fā)射裝置用于在控制裝置的控制下向目標(biāo)探測(cè)區(qū)域發(fā)射具有指定頻率的第一信號(hào)，從而在目標(biāo)探測(cè)區(qū)域建立探測(cè)電場(chǎng)；

接收裝置，包括接收電極，所述接收裝置用于自所述探測(cè)電場(chǎng)中采集電場(chǎng)信號(hào)，并將該電場(chǎng)信號(hào)處理為第二信號(hào)后傳送至控制裝置，所述控制裝置將接收到的第二信號(hào)處理為可以表征不同金屬材質(zhì)的第三信號(hào)。

進(jìn)一步的，所述發(fā)射裝置還包括與所述發(fā)射電極連接的信號(hào)發(fā)生裝置；所述信號(hào)發(fā)生裝置用于根據(jù)控制裝置的指令產(chǎn)生指定頻率的信號(hào)。

進(jìn)一步的，所述接收裝置包括第一接收電極和第二接收電極，還包括同時(shí)跟所述第一接收電極和第二接收電極連接的數(shù)據(jù)采樣器；

所述數(shù)據(jù)采樣器用于將兩個(gè)接收電極分別采集到電場(chǎng)信號(hào)處理為第二信號(hào)。

優(yōu)選的，所述發(fā)射電極為兩個(gè)，兩個(gè)發(fā)射電極之間距離為10～90mm；

所述接收電極為兩個(gè)，兩個(gè)接收電極之間的距離為5～80mm。

優(yōu)選的，所述發(fā)射電極和接收電極之間至少距離5mm。

本發(fā)明同時(shí)提供一種可以在導(dǎo)電液體中探測(cè)金屬材質(zhì)的金屬物體探測(cè)方法，

具體的，一種金屬物體探測(cè)方法，包括如下步驟：

步驟1：按照指定頻率向目標(biāo)探測(cè)區(qū)域發(fā)射第一信號(hào)建立探測(cè)電場(chǎng)；

步驟2：按照指定路線移動(dòng)發(fā)射電極和接收電極，自探測(cè)電場(chǎng)采集電場(chǎng)信號(hào)；

步驟3：根據(jù)采集到的電場(chǎng)信號(hào)獲取不同時(shí)刻的信號(hào)幅度值，并形成幅度-時(shí)間曲線；

步驟4：根據(jù)幅度-時(shí)間曲線進(jìn)行判斷，調(diào)整或維持所述指定頻率，以獲取待探測(cè)金屬的轉(zhuǎn)折頻率，進(jìn)而根據(jù)所述轉(zhuǎn)折頻率判斷金屬材質(zhì)。

本方法可以探測(cè)不同金屬材質(zhì)的原理是：不同類型的導(dǎo)電液體(如水)內(nèi)的金屬物體在在交流電激勵(lì)下會(huì)形成復(fù)雜阻抗特性變化，進(jìn)而在擾動(dòng)電場(chǎng)產(chǎn)生電勢(shì)差不同，具體的，在探測(cè)電場(chǎng)中，被測(cè)金屬物體會(huì)由于自身阻抗特性而引起電場(chǎng)擾動(dòng)，而不同的水下金屬材質(zhì)會(huì)又因?yàn)槠鋸?fù)雜阻抗特性的不同，引起不同的電場(chǎng)擾動(dòng)，從而產(chǎn)生特定的轉(zhuǎn)折頻率，通過(guò)探測(cè)探測(cè)電場(chǎng)中電勢(shì)差變化的趨勢(shì)，確定被探測(cè)金屬的轉(zhuǎn)折頻率值，進(jìn)而可以比對(duì)獲取金屬材質(zhì)；在此原理下，即使被測(cè)金屬物體體積很小，只要其材質(zhì)不同，那么探測(cè)到的轉(zhuǎn)折頻率值也就不同，從而根據(jù)這轉(zhuǎn)折頻率值的不同來(lái)區(qū)分被測(cè)金屬物體的材質(zhì)，同時(shí)，根據(jù)大量的金屬物體測(cè)試結(jié)果表明，體積近似、材質(zhì)不同的金屬物體轉(zhuǎn)折頻率差距非常明顯，采用本方法判斷金屬物體材質(zhì)準(zhǔn)確率較高。

進(jìn)一步的，自探測(cè)電場(chǎng)采集電場(chǎng)信號(hào)的步驟中，

使用至少兩個(gè)接收電極分別采集所述探測(cè)電場(chǎng)的電場(chǎng)信號(hào)，并獲取兩個(gè)電場(chǎng)信號(hào)的差分信號(hào)。

進(jìn)一步的，根據(jù)采集到的電場(chǎng)信號(hào)獲取不同時(shí)刻的信號(hào)幅度值中，對(duì)所述差分信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，以獲取所述信號(hào)幅度值。

進(jìn)一步的，根據(jù)幅度-時(shí)間曲線進(jìn)行判斷，調(diào)整或維持所述指定頻率，以獲取待探測(cè)金屬的轉(zhuǎn)折頻率的步驟中，

對(duì)幅度-時(shí)間曲線進(jìn)行判斷，如果，幅度-時(shí)間曲線中幅度值包含凸出曲線，則增加所述指定頻率一定數(shù)值，并重新進(jìn)行步驟1～步驟3。

進(jìn)一步的，根據(jù)幅度-時(shí)間曲線進(jìn)行判斷，調(diào)整或維持所述指定頻率，以獲取待探測(cè)金屬的轉(zhuǎn)折頻率的步驟中，如果，幅度-時(shí)間曲線中幅度值包含凹陷曲線，則降低所述指定頻率一定數(shù)值，并重新進(jìn)行步驟1～步驟3。

進(jìn)一步的，根據(jù)幅度-時(shí)間曲線進(jìn)行判斷，調(diào)整或維持所述指定頻率，以獲取待探測(cè)金屬的轉(zhuǎn)折頻率的步驟中，如果，幅度-時(shí)間曲線為直線，則此時(shí)所述指定頻率為待探測(cè)金屬的轉(zhuǎn)折頻率。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提供的金屬檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法基于主動(dòng)電場(chǎng)探測(cè)技術(shù)，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易小型化，克服了其他檢測(cè)方法硬件和能量開(kāi)銷過(guò)大的問(wèn)題；工作時(shí)，裝置中僅發(fā)射電極及接收電極需進(jìn)入待探測(cè)液體中，而發(fā)射電極及接收電極可以方便的集成或設(shè)置在任意滿足要求的航行器或運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上面；使用方便，適用于在具有導(dǎo)電特性的液體(如水)環(huán)境中，對(duì)于液體環(huán)境中已知體積的金屬物體的材質(zhì)檢測(cè)具有良好的效果。

附圖說(shuō)明：

圖1本發(fā)明提供的檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)原理圖。

圖2本發(fā)明實(shí)施例中提供的檢測(cè)裝置在進(jìn)行探測(cè)時(shí)的工作流程圖。

圖3本發(fā)明實(shí)施例中探測(cè)電極(發(fā)射電極和接收電極)與信號(hào)發(fā)射器及采樣器之間的連接圖。

圖4離散信號(hào)的短時(shí)傅里葉變換(stft)變換圖。

圖5a沒(méi)有被測(cè)金屬時(shí)，探測(cè)電極(發(fā)射電極和接收電極)在水下建立的電場(chǎng)模擬圖。

圖5b有被測(cè)金屬時(shí)，探測(cè)電極(發(fā)射電極和接收電極)在水下建立的電場(chǎng)模擬圖。

圖6a、圖6b被測(cè)金屬物體分別為鋁和銅處于探測(cè)電場(chǎng)中時(shí)導(dǎo)致的探測(cè)電場(chǎng)變化圖。

圖7有效探測(cè)范圍與不同探測(cè)路徑示意圖。

圖8a為探測(cè)頻率為10hz時(shí)鐵圓柱的聯(lián)合時(shí)頻分布圖譜示例。

圖8b為探測(cè)頻率為12hz時(shí)時(shí)鐵圓柱的聯(lián)合時(shí)頻分布圖譜示例。

圖9是探測(cè)裝置實(shí)施例探測(cè)示例圖。

圖10探測(cè)信號(hào)產(chǎn)生的流程圖。

圖11實(shí)例中信號(hào)產(chǎn)生的程序圖。

圖12信號(hào)記錄收集裝置接收回來(lái)的無(wú)金屬時(shí)的探測(cè)波形。

圖13具體探測(cè)示例中信號(hào)幅值變化曲線示例圖。

圖14數(shù)據(jù)記錄收集裝置保存下來(lái)的數(shù)據(jù)圖示例。

圖15被測(cè)物體為金屬鐵圓柱時(shí)，探測(cè)介質(zhì)的電導(dǎo)率跟頻率轉(zhuǎn)折點(diǎn)的關(guān)系圖示例。

圖16被測(cè)物體鋁圓柱體采用低于轉(zhuǎn)折頻率、采用轉(zhuǎn)折頻率、高于轉(zhuǎn)折頻率時(shí)探測(cè)得到的聯(lián)合時(shí)頻譜對(duì)比示意圖。

圖17被測(cè)物體鐵圓柱體采用低于轉(zhuǎn)折頻率、采用轉(zhuǎn)折頻率、高于轉(zhuǎn)折頻率時(shí)探測(cè)得到的聯(lián)合時(shí)頻譜對(duì)比示意圖。

圖18被測(cè)物體銅圓柱體采用低于轉(zhuǎn)折頻率、采用轉(zhuǎn)折頻率、高于轉(zhuǎn)折頻率時(shí)探測(cè)得到的聯(lián)合時(shí)頻譜對(duì)比示意圖。

圖中標(biāo)記：1-發(fā)射裝置，10-多功能采集卡，11-發(fā)射電極，12-信號(hào)發(fā)生器，21-數(shù)據(jù)采樣器，22-接收電極，20-被探測(cè)導(dǎo)電液體20，3-控制裝置，4-運(yùn)動(dòng)模塊，5-固定支架，6-被測(cè)金屬，7-信號(hào)傳輸線，100-采樣窗口，200-有效探測(cè)范圍，400-凸出曲線，500-凹進(jìn)曲線，600-直線，s1、s2、s3-探測(cè)路線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實(shí)施例，凡基于本發(fā)明內(nèi)容所實(shí)現(xiàn)的技術(shù)均屬于本發(fā)明的范圍。

實(shí)施例1：如圖1所示，本實(shí)施例提供一種金屬物體探測(cè)裝置，包括，控制裝置3、發(fā)射裝置1及接收裝置，其中，發(fā)射裝置1包括兩個(gè)發(fā)射電極11，其中一個(gè)發(fā)射電極11接地；所述發(fā)射裝置1用于在控制裝置3的控制下向目標(biāo)探測(cè)區(qū)域發(fā)射具有指定頻率的第一信號(hào)，從而在目標(biāo)探測(cè)區(qū)域建立探測(cè)電場(chǎng)；接收裝置包括接收電極22，所述接收裝置用于自所述探測(cè)電場(chǎng)中采集電場(chǎng)信號(hào)，并將該電場(chǎng)信號(hào)處理為第二信號(hào)后傳送至控制裝置3，所述控制裝置3將接收到的第二信號(hào)處理為可以表征不同金屬材質(zhì)的第三信號(hào)。

本實(shí)施例中，發(fā)射裝置1還包括與所述發(fā)射電極11連接的信號(hào)發(fā)生裝置；所述信號(hào)發(fā)生裝置用于根據(jù)控制裝置3的指令產(chǎn)生指定頻率的信號(hào)；所述接收裝置包括第一接收電極22和第二接收電極22，還包括同時(shí)跟所述第一接收電極22和第二接收電極22連接的數(shù)據(jù)采樣器；所述數(shù)據(jù)采樣器用于將兩個(gè)接收電極22分別采集到電場(chǎng)信號(hào)處理為第二信號(hào)。具體的，本實(shí)施例采用ni公司的多功能采集卡10來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生裝置和數(shù)據(jù)采樣器。

同時(shí)，本發(fā)明中，控制裝置3可以是一切具有信號(hào)、數(shù)據(jù)處理能力的控制器、處理器、單片機(jī)或者pc機(jī)，控制裝置3可以通過(guò)有線或者無(wú)線方式與與信號(hào)發(fā)生裝置和數(shù)據(jù)采樣器連接；而在本實(shí)施例中，控制裝置3為pc機(jī)，同時(shí)，pc機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)總線與多功能采集卡10連接，而如圖3所示，多功能采集卡10中信號(hào)發(fā)生器模塊以及采樣器模塊分別通過(guò)相應(yīng)端口與兩個(gè)發(fā)射電極11、兩個(gè)接收電極22連接，具體如圖3所示；工作時(shí)，pc機(jī)向多能采集卡中信號(hào)發(fā)生器模塊發(fā)出帶參數(shù)(信號(hào)類型，信號(hào)幅值，信號(hào)頻率等)的信號(hào)指令，信號(hào)發(fā)生器模塊根據(jù)指令產(chǎn)生探測(cè)信號(hào)，圖11給出了本實(shí)施例中信號(hào)發(fā)生器模塊的具體結(jié)構(gòu)框圖，探測(cè)信號(hào)通過(guò)發(fā)射電極11向目標(biāo)探測(cè)區(qū)域發(fā)出，該探測(cè)信號(hào)可以是任意常見(jiàn)的周期信號(hào)，如方波信號(hào)、三角波信號(hào)、鋸齒波信號(hào)、脈沖信號(hào)、正弦波信號(hào)，本實(shí)施例中采用正弦波信號(hào)，這是由于，如果探測(cè)信號(hào)采用非周期信號(hào)，則其在探測(cè)完后采用傅里葉變換展開(kāi)后得到的是一系列頻率不同的周期信號(hào)的疊加，從而造成信號(hào)頻率不固定；而本發(fā)明提供的探測(cè)裝置或方法在工作時(shí)要求探測(cè)信號(hào)具有固定的探測(cè)信號(hào)頻率，因此本發(fā)明中探測(cè)信號(hào)均需要采用周期信號(hào)，圖12給出了在待探測(cè)區(qū)域沒(méi)有金屬時(shí)，本實(shí)施例提供的裝置進(jìn)行探測(cè)后，信號(hào)記錄收集裝置記錄的信號(hào)波形示例。

本實(shí)施例中，兩個(gè)發(fā)射電極11、兩個(gè)接收電極22采用同樣的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)，如其可以是高導(dǎo)電率的金屬電極或石墨電極；本實(shí)施例中，采用金屬鈦絲作為探測(cè)電極(包括發(fā)射電極11和接收電極22)。采用相同結(jié)構(gòu)、材質(zhì)的探測(cè)電極可以保證輸入到發(fā)射電極11中的探測(cè)信號(hào)，只有電荷或電壓的變化而沒(méi)有其他的因素來(lái)影響發(fā)射極的兩個(gè)電極建立的有規(guī)律變化的探測(cè)電場(chǎng)。

圖2給出了本裝置運(yùn)行的流程圖，具體的，發(fā)射信號(hào)時(shí)，信號(hào)發(fā)生器模塊采用的是單端輸出模式，如圖3中所示，兩個(gè)發(fā)射電極11中，a電極傳輸探測(cè)信號(hào)，b電極用于水下探測(cè)環(huán)境跟探測(cè)系統(tǒng)共地，實(shí)現(xiàn)以公共地為參考點(diǎn)；兩個(gè)接收電極22采用差分輸入方式采集信號(hào)，即兩個(gè)接收電極22將探測(cè)到的水下電場(chǎng)信息經(jīng)由兩路信號(hào)線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采樣器，數(shù)據(jù)采樣器進(jìn)行采樣的差分信號(hào)是c電極相對(duì)于共地參考點(diǎn)的電勢(shì)與d電極相對(duì)于共地參考點(diǎn)的電勢(shì)之間的差值信號(hào)f(t)，采用差分信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)是：接收極的兩根信號(hào)線之間耦合程度很好，當(dāng)探測(cè)環(huán)境中存在干擾信號(hào)時(shí)，幾乎會(huì)同時(shí)被耦合到兩條線上，而接收端(這里就是指輸入到采樣器進(jìn)行采樣)關(guān)心的只是兩信號(hào)的差值，所以外界的干擾信號(hào)可以抵消。

具體使用時(shí)，發(fā)射電極11和接收電極22應(yīng)按照預(yù)設(shè)距離和方式進(jìn)行固定，如在本實(shí)施例中，探測(cè)電極固定時(shí)，兩個(gè)發(fā)射電極11之間距離為10～90mm；兩個(gè)接收電極22之間的距離為5～80mm。所述發(fā)射電極11和接收電極22之間距離30mm；具體應(yīng)用時(shí)，探測(cè)電極之間的距離會(huì)根據(jù)具體被探測(cè)金屬的體積大小等因素進(jìn)行調(diào)整，具體的，由于被測(cè)物體只要處于該探測(cè)電場(chǎng)中時(shí)就可以進(jìn)行探測(cè)工作，但實(shí)際探測(cè)時(shí)，如果能夠讓被探測(cè)物體在探測(cè)電場(chǎng)的內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)(即探測(cè)時(shí)讓被測(cè)物體穿過(guò)兩個(gè)發(fā)射極之間的那片電場(chǎng)區(qū)域，接著穿過(guò)兩個(gè)接收電極之間)進(jìn)行探測(cè)，其探測(cè)效果更佳，因?yàn)樵谡麄€(gè)探測(cè)電場(chǎng)中此區(qū)域中電場(chǎng)強(qiáng)度較大，其電場(chǎng)線的密度相對(duì)較高，更有利于接收電極對(duì)水下畸變電場(chǎng)信息的采集，因此無(wú)論是兩個(gè)發(fā)射電極之間的距離，還是兩個(gè)接收電極之間的距離并不是恒定值，具體應(yīng)用中，兩個(gè)電極之間的距離只需保證最好讓被測(cè)物體經(jīng)過(guò)探測(cè)電極之間的那片電場(chǎng)即可獲得最佳的探測(cè)效果。而發(fā)射電極與接收電極之間的距離理論上是越近越好，因?yàn)樵浇咏l(fā)射電極，探測(cè)時(shí)接收電極采集的數(shù)據(jù)越接近于采用發(fā)射電極之間的區(qū)域探測(cè)的到的電場(chǎng)信息，但實(shí)際的電極布置時(shí)跟發(fā)射電極太過(guò)靠近反而影響接探測(cè)介質(zhì)中畸變電場(chǎng)信息的采集，因而設(shè)置讓發(fā)射電極跟接收電極之間留有一點(diǎn)的距離(在實(shí)例中的該距離設(shè)置為30mm時(shí)探測(cè)效果較好)。

在此基礎(chǔ)上，發(fā)射電極11和接收電極22可以設(shè)置在預(yù)設(shè)的固定支架5上，也可以按照上述固定距離的要求，設(shè)置在其他運(yùn)動(dòng)裝置或者航行器(運(yùn)動(dòng)模塊4)上；控制裝置3會(huì)通過(guò)預(yù)設(shè)的指令控制運(yùn)動(dòng)裝置或者航行器按照預(yù)定路線運(yùn)行，該路線如可以是圖7中的s1、s2、s3；其中，被探測(cè)金屬6周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)為有效探測(cè)區(qū)域200，如圖7所示，當(dāng)發(fā)射電極11、接收電極22的運(yùn)行路線經(jīng)過(guò)有效探測(cè)區(qū)域200時(shí)，如路線s2、s3，則可以探測(cè)到被探測(cè)金屬，而當(dāng)運(yùn)行路線沒(méi)有能經(jīng)過(guò)探測(cè)區(qū)域200時(shí)，如路線s1，則其不能探測(cè)到被探測(cè)金屬；當(dāng)本裝置各個(gè)電極的相對(duì)位置被固定，并發(fā)射指定頻率的探測(cè)信號(hào)后，當(dāng)探測(cè)電場(chǎng)區(qū)域中沒(méi)有目標(biāo)體時(shí)，發(fā)射電極11跟接收電極22之間的建立的電場(chǎng)分布是平行分布(如圖5a所示)。當(dāng)電場(chǎng)中有目標(biāo)體(被探測(cè)金屬)存在時(shí)，則發(fā)射電極11跟接收電極22之間的建立的電場(chǎng)分布受到影響，具體如圖5b所示；應(yīng)注意的是，接收電極22與被探測(cè)金屬的距離將影響接收電極22上檢測(cè)到的信號(hào)幅度，而被探測(cè)金屬的大小也將影響到這個(gè)電場(chǎng)的分布情況，具體的，被測(cè)目標(biāo)物體將在其周?chē)鷧^(qū)域形成的幅值發(fā)生變化區(qū)域較大，而體積小的該區(qū)域小。

當(dāng)經(jīng)過(guò)有效探測(cè)區(qū)域200時(shí)，數(shù)據(jù)采樣器將采集到的差分信號(hào)進(jìn)行離散采樣形成第二信號(hào)，并將該第二信號(hào)傳輸至控制裝置3，控制裝置3將該離散數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換以獲取運(yùn)行路線上各個(gè)位置的信號(hào)幅度值，形成幅度-時(shí)間曲線，并根據(jù)該信號(hào)幅度值的變化判斷當(dāng)前信號(hào)頻率是否被探測(cè)金屬物體的轉(zhuǎn)折頻率；如果幅度-時(shí)間曲線如圖8a所示存在凸出曲線，則說(shuō)明當(dāng)前頻率低于被探測(cè)金屬的轉(zhuǎn)折頻率，如果幅度-時(shí)間曲線如圖8b所示，存在凹陷曲線，則說(shuō)明當(dāng)前探測(cè)信號(hào)頻率高于被探測(cè)金屬的轉(zhuǎn)折頻率，根據(jù)幅度-時(shí)間曲線調(diào)整探測(cè)信號(hào)頻率，重新按照原有路線進(jìn)行探測(cè)，直至幅度-時(shí)間曲線為一直線，則當(dāng)前探測(cè)頻率為被探測(cè)金屬的轉(zhuǎn)折頻率，根據(jù)被探測(cè)金屬的體積大小、形狀查詢預(yù)設(shè)表格，得出被探測(cè)金屬的材質(zhì)。

具體的，被探測(cè)導(dǎo)電液體20的導(dǎo)電率和被探測(cè)金屬的大小、形狀以及被探測(cè)金屬的材質(zhì)都會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)折頻率有響應(yīng)影響，但是，在被探測(cè)液體導(dǎo)電率恒定，被探測(cè)金屬大小、形狀固定的前提下，不同材質(zhì)的被探測(cè)金屬的轉(zhuǎn)折頻率差異明顯，因此采用本方法進(jìn)行材質(zhì)探測(cè)的準(zhǔn)確率較高。

具體的，為了研究探測(cè)介質(zhì)具有不同導(dǎo)電率時(shí)對(duì)被測(cè)金屬轉(zhuǎn)折頻率的影響，我們以不同導(dǎo)電率的水為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)導(dǎo)電率對(duì)轉(zhuǎn)折頻率的影響進(jìn)行了測(cè)試，以鐵材質(zhì)的圓柱體(尺寸為：20mm*40mm)為例進(jìn)行說(shuō)明：在平時(shí)探測(cè)試驗(yàn)用的淡水(自來(lái)水)電導(dǎo)率約為400us/cm，我們通過(guò)加碘鹽的方式隨機(jī)配置了五組逐漸增大的水的電導(dǎo)率，經(jīng)電導(dǎo)率儀測(cè)得對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)率分別約為400us/cm、5400us/cm、11000us/cm、26000us/cm、40800us/cm。這里主要說(shuō)明電導(dǎo)率發(fā)生變化的時(shí)候探測(cè)得到結(jié)果變化(主要關(guān)注轉(zhuǎn)折頻率點(diǎn)的變化)。通過(guò)其他實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件一樣的情況下(都跟電導(dǎo)率為400us/cm時(shí)的環(huán)境一致)，控制水的電導(dǎo)率的變化，在介質(zhì)環(huán)境具有不同的電導(dǎo)率的情況下我們得到如表1得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。可以看出不同的電導(dǎo)率環(huán)境中對(duì)20mmx40mm鐵圓柱體的主動(dòng)電場(chǎng)探測(cè)實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)的頻率轉(zhuǎn)折點(diǎn)不同，并且表現(xiàn)出隨水的電導(dǎo)率的增大對(duì)應(yīng)的頻率轉(zhuǎn)折點(diǎn)也隨之增大，具體如圖15所示。因此，在做水下金屬導(dǎo)體的材質(zhì)判別時(shí)，需要注意當(dāng)時(shí)被測(cè)物體所處的介質(zhì)的導(dǎo)電率(平常的淡水環(huán)境電導(dǎo)率約為400us/cm，因此本專利中的實(shí)例說(shuō)明基本以此環(huán)境下的測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行說(shuō)明，其他電導(dǎo)率不同的介質(zhì)環(huán)境下的測(cè)試原理也都一致)。應(yīng)注意的是，我們以主動(dòng)電場(chǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中水的電導(dǎo)率改變，對(duì)導(dǎo)體的主動(dòng)電場(chǎng)探測(cè)實(shí)驗(yàn)接收電極22接收到的電場(chǎng)信息分布變化趨勢(shì)會(huì)有影響，具體的，對(duì)導(dǎo)體主動(dòng)電場(chǎng)探測(cè)對(duì)應(yīng)的頻率轉(zhuǎn)折點(diǎn)會(huì)隨著實(shí)驗(yàn)環(huán)境中水的電導(dǎo)率增大而增大，但不論實(shí)驗(yàn)環(huán)境中水的電導(dǎo)率的大小如何改變，對(duì)導(dǎo)體的主動(dòng)電場(chǎng)探測(cè)過(guò)程中均會(huì)出現(xiàn)“凹凸”現(xiàn)象及對(duì)應(yīng)的頻率轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

表1

圖10給出了本實(shí)施例中，多功能采集卡10的啟動(dòng)流程，具體的，控制裝置3首先選擇多功能采集卡10(又稱數(shù)據(jù)采集卡)的模型輸出通道，進(jìn)而選擇所需要的探測(cè)信號(hào)類型(如正弦波)，根據(jù)需要調(diào)用庫(kù)函數(shù)產(chǎn)生所需波形的控制信號(hào)，控制信號(hào)發(fā)生器12的波形模塊輸出所需信號(hào)；具體的，控制裝置3對(duì)信號(hào)發(fā)生器12發(fā)出的指令中包括疊加/單一信號(hào)、偏移量、信號(hào)類型、指定頻率、幅值、方波占空比、頻率倍數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)。而圖9則給出了探測(cè)裝置進(jìn)行探測(cè)時(shí)方位的示例圖，由圖9中可見(jiàn)，本裝置在使用時(shí)，可以是，僅僅將探測(cè)電極(包括發(fā)射電極11和接收電極22)通過(guò)特定的固定支架5按照預(yù)設(shè)距離進(jìn)行固定后放入水中進(jìn)行探測(cè)，而探測(cè)電極與多功能采集卡10之間通過(guò)信號(hào)傳輸線7連接。

實(shí)施例2：本實(shí)施例提供一種可以在導(dǎo)電液體中探測(cè)金屬材質(zhì)的金屬物體探測(cè)方法，具體的，包括如下步驟：

步驟1：按照指定頻率向目標(biāo)探測(cè)區(qū)域發(fā)射第一信號(hào)建立探測(cè)電場(chǎng)；該指定頻率可以是任意指定的頻率，理論上只要包含了常見(jiàn)待探測(cè)金屬的轉(zhuǎn)折頻率范圍即可，因此，本實(shí)施例中，指定頻率為0hz～2000hz；這是由于對(duì)常見(jiàn)的小型金屬物體(如尺寸為20mm*40mm左右的金屬物體)做探測(cè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，所有金屬物體轉(zhuǎn)折頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于2000hz這一頻率值，所以我們選擇了0hz—2000hz這一段的頻率。實(shí)際上，如表2所示，對(duì)應(yīng)體積在12cm³左右的鐵質(zhì)材料圓柱體來(lái)說(shuō)，其轉(zhuǎn)折頻率在5hz左右，這樣，其實(shí)0hz～10hz范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)折頻率就可以探測(cè)出體積在12cm³左右的鐵質(zhì)材料圓柱體。

步驟2：按照指定路線移動(dòng)發(fā)射電極11和接收電極22，自探測(cè)電場(chǎng)采集電場(chǎng)信號(hào)；具體的，使用至少兩個(gè)接收電極22分別采集所述探測(cè)電場(chǎng)的電場(chǎng)信號(hào)，并獲取兩個(gè)電場(chǎng)信號(hào)的差分信號(hào)。數(shù)據(jù)采樣器對(duì)差分信號(hào)f(t)進(jìn)行采樣處理得到采樣信號(hào)fm(n)，其中，m為第m次采樣，n為采樣時(shí)間段內(nèi)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間t的離散值；

步驟3：根據(jù)采集到的電場(chǎng)信號(hào)獲取不同時(shí)刻的信號(hào)幅度值，并形成幅度-時(shí)間曲線；具體的，對(duì)所述差分信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，以獲取所述信號(hào)幅度值。

具體的，設(shè)置采樣窗口100，對(duì)采樣窗口100內(nèi)的探測(cè)信號(hào)fm(n)進(jìn)行傅里葉變換，其傅里葉變換函數(shù)為：

計(jì)算傅里葉變換后的幅度值fm(k)，結(jié)合采樣的時(shí)間n及采樣時(shí)所用的檢測(cè)信號(hào)頻率f，并繪制出如圖8a、圖8b、圖16、圖17、圖18所示的時(shí)頻聯(lián)合分布譜圖。具體采用聯(lián)合時(shí)頻分析方法，該方法通過(guò)呈現(xiàn)信號(hào)在不同時(shí)間和特定頻率時(shí)的能量密度的方式，描述信號(hào)頻率隨時(shí)間變化的情況。聯(lián)合時(shí)頻分析方法中主要用到的短時(shí)傅里葉變換(stft)的主要思想是將信號(hào)加窗函數(shù)將加窗函數(shù)后的信號(hào)再進(jìn)行傅里葉變換，加窗函數(shù)后使得其變?yōu)楹苄r(shí)間上的局部譜，窗函數(shù)可以根據(jù)時(shí)間的變化在整個(gè)時(shí)間軸上平移，利用窗函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)得到任意位置附近的時(shí)間段頻譜實(shí)現(xiàn)時(shí)間局部化，具體如附圖4所示為離散信號(hào)的短時(shí)傅里葉變換(stft)變換圖。

根據(jù)短時(shí)傅里葉變換(stft)我們可以通過(guò)滑動(dòng)窗口到合適的時(shí)間點(diǎn)并且計(jì)算新的頻譜來(lái)建立一個(gè)完整的三維聯(lián)合時(shí)頻譜圖。在三維聯(lián)合時(shí)頻譜圖中，x軸表示的是激勵(lì)信號(hào)的頻率其單位赫茲(hz)、y軸表示的是定位裝置單個(gè)探測(cè)過(guò)程運(yùn)行的時(shí)間其單位為秒(s)、z軸表示的是傅里葉變換后振幅峰值(fftamplitudepeak簡(jiǎn)稱fap)大小以顏色色彩顯示，其單位為伏特(v)。傅里葉變換后振幅峰值大小(fap)與加窗函數(shù)后的信號(hào)在時(shí)域上的點(diǎn)的數(shù)量有關(guān)?？梢杂靡韵碌墓接?jì)算傅里葉變換后振幅峰值大小(fap)：

real[fft(a)]和imag[fft(a)]分別表示傅里葉變換后的信號(hào)數(shù)據(jù)的實(shí)部和虛部，n表示輸入信號(hào)的大小。

而對(duì)于待探測(cè)物體來(lái)說(shuō)，通常其周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)是有效探測(cè)范圍200，如圖7所示，被探測(cè)金屬6附近的一定范圍內(nèi)，如該范圍可能是30cm*30cm*30cm的立體范圍，也可能是其他的常見(jiàn)范圍，該有效探測(cè)范圍200的具體尺寸并不重要，這是由于，當(dāng)探測(cè)電極(包括發(fā)射電極11、接收電極22)移動(dòng)的路線如路線s1一般不在有效探測(cè)范圍200內(nèi)時(shí)，探測(cè)電場(chǎng)不會(huì)發(fā)生被干擾現(xiàn)象，這時(shí)探測(cè)信號(hào)不會(huì)發(fā)生任何變化，而只有探測(cè)電極移動(dòng)路線如路線s2及路線s3般通過(guò)有效探測(cè)范圍200時(shí)，探測(cè)信號(hào)才會(huì)由于被探測(cè)金屬對(duì)探測(cè)電場(chǎng)產(chǎn)生干擾，進(jìn)而對(duì)探測(cè)信號(hào)的幅度值造成影響；具體的，分別以同樣大小的圓柱形鋁金屬和圓柱形銅金屬為例，我們?cè)?00hz頻率的探測(cè)信號(hào)下，均勻采集了被探測(cè)金屬周?chē)?0cm*30cm范圍內(nèi)的400點(diǎn)離散數(shù)據(jù)，具體如圖6a、圖6b所示，圖中的z軸表示為該采集點(diǎn)處信號(hào)經(jīng)過(guò)傅里葉變換后的幅度值，單位為v；x、y軸表示的該方向的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。圖中幅值最高點(diǎn)或是最低點(diǎn)就是物體的中心位置(當(dāng)探測(cè)頻率大于物體的轉(zhuǎn)折頻率時(shí)最低點(diǎn)為物體的中心點(diǎn)，反之，則最高點(diǎn)為物體的中心點(diǎn))。其中圖6a是圓柱形鋁金屬的探測(cè)信號(hào)幅值，圖6b為圓柱形銅金屬探測(cè)信號(hào)幅度值，可以發(fā)現(xiàn)，在探測(cè)信號(hào)頻率不是被測(cè)金屬6轉(zhuǎn)折頻率的前提下，探測(cè)電極經(jīng)過(guò)有效探測(cè)區(qū)域200時(shí)，不論路線是否經(jīng)過(guò)被測(cè)金屬6所在中心位置，其幅值一定會(huì)發(fā)生向上或者向下的變化，單次固定路線的檢測(cè)結(jié)果可以如圖13所示，而信號(hào)記錄收集裝置保存數(shù)據(jù)如圖14所示。而實(shí)際探測(cè)時(shí)，幅值是向上還是向下彎曲，與探測(cè)信號(hào)的頻率大于被探測(cè)金屬的轉(zhuǎn)折頻率還是小于轉(zhuǎn)折頻率直接相關(guān)，由此，本方法還有步驟4，具體的。

步驟4：根據(jù)如圖8a、圖8b所示的幅度-時(shí)間曲線進(jìn)行判斷，調(diào)整或維持所述指定頻率，以獲取待探測(cè)金屬的轉(zhuǎn)折頻率，具體的，對(duì)幅度-時(shí)間曲線進(jìn)行判斷，如果，幅度-時(shí)間曲線中幅度值包含凸出曲線400，則說(shuō)明當(dāng)前探測(cè)信號(hào)的指定頻率小于被探測(cè)金屬的轉(zhuǎn)折頻率，此時(shí)，增加所述指定頻率一定數(shù)值，并重新進(jìn)行步驟1～步驟3；如果，幅度-時(shí)間曲線中幅度值包含凹陷曲線，則說(shuō)明當(dāng)前指定頻率大于轉(zhuǎn)折頻率，此時(shí)，降低所述指定頻率一定數(shù)值，并重新進(jìn)行步驟1～步驟3；如果，幅度-時(shí)間曲線變成直線，則此時(shí)所述指定頻率為待探測(cè)金屬的轉(zhuǎn)折頻率；進(jìn)而根據(jù)該轉(zhuǎn)折頻率判斷金屬材質(zhì)。當(dāng)然，在一些情況下，幅度-時(shí)間曲線為直線也可能是運(yùn)行路線沒(méi)有進(jìn)入有效探測(cè)區(qū)域，因此，實(shí)際探測(cè)時(shí)，應(yīng)至少保證該路線下，出現(xiàn)一次突出曲線400或出現(xiàn)一次凹陷曲線500，進(jìn)而才能證明當(dāng)前探測(cè)路線是經(jīng)過(guò)有效探測(cè)區(qū)域的。

本方法可以探測(cè)不同金屬材質(zhì)的原理是：不同類型的水下金屬物體的在交流激勵(lì)下其顯示復(fù)雜阻抗特性不同，進(jìn)而在擾動(dòng)電場(chǎng)產(chǎn)生電勢(shì)差不同，具體的，在探測(cè)電場(chǎng)中，被測(cè)水下金屬6物體會(huì)由于自身阻抗特性而引起電場(chǎng)擾動(dòng)，而不同的金屬材質(zhì)會(huì)又因?yàn)樽杩固匦缘牟煌?，引起不同的電?chǎng)擾動(dòng)，通過(guò)探測(cè)探測(cè)電場(chǎng)中電勢(shì)差變化的趨勢(shì)，確定被探測(cè)金屬的轉(zhuǎn)折頻率值，進(jìn)而可以比對(duì)獲取金屬材質(zhì)；在此原理下，即使被測(cè)金屬6物體體積很小，只要其材質(zhì)不同，那么探測(cè)到的轉(zhuǎn)折頻率值也就不同，從而根據(jù)這轉(zhuǎn)折頻率值的不同來(lái)區(qū)分被測(cè)金屬6物體的材質(zhì)，同時(shí)，根據(jù)大量的金屬物體測(cè)試結(jié)果表明，體積近似、材質(zhì)不同的金屬物體轉(zhuǎn)折頻率差距非常明顯，采用本方法判斷金屬物體材質(zhì)準(zhǔn)確率較高。

圖16為被測(cè)物體鋁圓柱體在一個(gè)方向上采用不同探測(cè)頻率得到的聯(lián)合時(shí)頻譜圖，圖中x軸表示頻率(hz)，y軸表示時(shí)間(s)，z軸表示fft變換后的幅度峰值，單位為伏特(v)。其對(duì)應(yīng)的探測(cè)頻率分別為50hz、150hz、170hz，當(dāng)探測(cè)頻率為小于轉(zhuǎn)折頻率150hz時(shí)頻譜圖中表現(xiàn)為“上凸”的現(xiàn)象，即出現(xiàn)凸出曲線400，此時(shí)表示為探測(cè)電極在由遠(yuǎn)離被測(cè)物體到接近物體過(guò)的過(guò)程中其幅值逐漸增大，電極處于物體正上方時(shí)，其幅值達(dá)到最大。然后在探測(cè)電極逐漸遠(yuǎn)離物體時(shí)其幅值又逐漸變小。對(duì)于小于這一轉(zhuǎn)折頻值150hz得情況，探測(cè)頻率越小，其“上凸”的顯現(xiàn)表現(xiàn)的越明顯。當(dāng)探測(cè)頻率為大于這一值時(shí)表現(xiàn)為”下凹”的現(xiàn)象，即出現(xiàn)凹陷曲線500，且探測(cè)頻率越大“下凹”顯現(xiàn)也越明顯。在多次調(diào)整探測(cè)頻率得到的聯(lián)合時(shí)頻譜圖中，在頻率為150hz時(shí)其fft幅值表現(xiàn)出現(xiàn)常值現(xiàn)象，即圖中，幅值為直線600，此時(shí)說(shuō)明該圓柱體的轉(zhuǎn)折頻率在150hz附近。而圖17、圖18則分別給出了鐵圓柱體、銅圓柱體的采用不同探測(cè)頻率得到的聯(lián)合時(shí)頻譜圖，表2則給出了常見(jiàn)的不同金屬材質(zhì)不同形狀下的轉(zhuǎn)折頻率值。

表2