[發明專利]一種基于阻抗分析的水下固定“頻率目標”定位的實驗裝置及方法有效
| 申請號： | 201710067141.9 | 申請日： | 2017-02-06 |
| 公開（公告）號： | CN106646444B | 公開（公告）日： | 2023-03-21 |
| 發明（設計）人： | 張軍;汪天博;湯紅梅;李憲華;張澤宇;黎俊楠;趙義;張繼明 | 申請（專利權）人： | 安徽理工大學 |
| 主分類號： | G01S11/14 | 分類號： | G01S11/14;G01H11/08 |
| 代理公司： | 暫無信息 | 代理人： | 暫無信息 |
| 地址： | 232001 安徽*** | 國省代碼： | 安徽;34 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關鍵詞： | 一種 基于 阻抗 分析 水下 固定 頻率 目標 定位 實驗 裝置 方法 | ||
1.一種基于阻抗分析的水下固定“頻率目標”定位的實驗裝置，該實驗裝置由超聲信號接收組件（301）、阻抗分析網絡訓練組件（302）組成及超聲信標（8）組成；超聲信號接收組件（301）由阻抗信號接收器（1）、導線1（4）、導線2（5）組成；其中阻抗信號接收器（1）由球形PZT組件（303）、導線套管組件（304）及浮球組件（305）組成；所述的球形PZT組件（303）由球形PZT底座（10）、球形PZT壓電陶瓷（9）、O型密封圈1（11）、O型密封圈2（14）、導線固定塞（12）、端蓋（13）組成；導線套管組件（304）由導線1（4）、導線2（5）、導線定位塞1（16）、導線定位塞2（17）、高強度塑料管（15）組成；浮球組件（305）由硬質塑料下蓋（18）、泡沫浮球（19）、硬質塑料上蓋（20）、螺母1（21）、螺栓1（22）、螺母2（23）、螺栓2（24）組成；阻抗分析網絡訓練組件（302）由塑料管固定裝置（3）、導線1（4）、導線2（5）、阻抗分析儀（6）、計算機及神經網絡分析系統（7）組成；
PZT壓電陶瓷燒結在球形PZT底座（10）的內壁上，形成球形PZT壓電陶瓷（9），底,導線1（4）的一端焊接在球形PZT壓電陶瓷（9）上，導線1（4）通過導線定位塞2（17）固定在高強度塑料管（15）上，導線1（4）的另一端與阻抗分析儀（6）的正極相連接；導線2（5）的一端焊接在球形PZT底座（10）的內部突出邊緣上，導線2（5）通過導線定位塞1（16）固定在高強度塑料管（15）上，導線2（5）的另一端與阻抗分析儀（6）的負極相連接；導線1（4）、導線2（5）通過導線固定塞（12）固定在端蓋（13）的中心孔上；
所述的一種基于阻抗分析的水下固定“頻率目標”定位的實驗裝置，其特征在于：O型密封圈1（11）安裝在球形PZT底座（10）內部溝槽內；端蓋（13）的凸臺上開有六角孔，端蓋（13）通過螺紋連接方式與球形PZT底座（10）連接，通過壓緊O型密封圈1（11），實現端蓋（13）與球形PZT底座（10）的密封；在端蓋（13）凸臺處的凹槽內裝有O型密封圈2（14）；高強度塑料管（15）通過螺紋與端蓋（13）處凸臺上的螺紋連接，高強度塑料管（15）與端蓋（13）通過O型密封圈2（14）實現密封；硬質塑料下蓋（18）與硬質塑料上蓋（20）間裝有泡沫浮球（19），硬質塑料上蓋（20）和硬質塑料下蓋（18）用螺紋連接；硬質塑料下蓋（18）下部加工有螺紋，硬質塑料下蓋（18）通過螺紋與高強度塑料管（15）進行連接；高強度塑料管（15）與硬質塑料上蓋（20）接口處用密封膠進行密封。
2.根據權利要求1所述的一種基于阻抗分析的水下固定頻率目標定位的實驗裝置，其特征在于：阻抗分析儀（6）通過RJ45接口與計算機相接；硬質塑料上蓋（20）頂上有繩環，鋼絲繩固定在繩環上；通過收放鋼絲繩來收回超聲信號接收組件（301）或將超聲信號接收組件（301）放入水中；阻抗信號接收器（1）通過浮球組件（305）的浮力飄浮在水面之上，浮球組件（305）提供的浮力為超聲信號接收組件（301）重量的3～4倍。
3.根據權利要求1所述的一種基于阻抗分析的水下固定“頻率目標”定位的實驗裝置，其特征在于：球形PZT壓電陶瓷（9）為球形的壓電陶瓷，燒結在球形PZT底座（10）的內壁上，能接收來自各個方向的信號，接收信號穩定，適用于探測來自海底各個方位的頻率信號。
4.一種基于權利要求1、權利要求2、權利要求3任一項所述的一種基于阻抗分析的水下固定“頻率目標”定位的實驗裝置的方法，其特征在于包括以下步驟：
①將超聲信標（8）的發射頻率調到和目標信號一致的頻率；超聲信標（8）發出的超聲波經過水介質（2）傳送到球形PZT壓電陶瓷（9），完成模擬水下固定頻率目標所發出的超聲波；
②啟動阻抗分析儀（6），對球形PZT壓電陶瓷（9）進行在目標信號頻率 kHz的頻率范圍進行掃頻分析；由于球形PZT壓電陶瓷（9）采用的是球形形狀，可以均勻有效的接收到由超聲信標（8）通過水介質（2）傳送過來的目標信號；同時，利用阻抗分析儀掃頻頻率與被測目標信號頻率f相同時，壓電阻抗值與目標頻率出現類似于“同頻共振”的現象，從而可以檢測到超聲信標（8）發出的目標頻率信號；
③超聲信標（8）的定位
將超聲信標（8）發射的信號設為與所需探測信號一致的頻率，將阻抗信號接收器（1）至于水介質（2）中，阻抗信號接收器（1）通過泡沫浮球（19）的作用，漂浮在水上，將超聲信標（8）置于相關水域，超聲信標（8）遇水后自動打開，并發出頻率為f kHz的超聲信號；啟動阻抗分析儀（6），讓阻抗分析儀（6）在f0.1 kHz頻率范圍內對球形PZT壓電陶瓷（9）進行掃頻；當球形PZT壓電陶瓷（9）接收到超聲信標（8）發出的信號時，阻抗分析儀（6）的阻抗值在頻率f處會出現“同頻共振”的現象，實現超聲信標（8）的識別；其實驗步驟如下：
1）確定超聲信標（8）與阻抗信號接收器（1）間的距離
A、實驗時，保持超聲信標（8）位置固定不變，阻抗信號接收器（1）來控制與超聲信標之間的位置改變，分別做六組實驗，分別是超聲信標（8）沒有發射信號時，阻抗分析儀（6）在kHz掃頻時所得的對比數據、球形PZT壓電陶瓷（9）距離超聲信標（8）距離L為50m、500m、1000m、2000m、3000m時，阻抗分析儀（6）在kHz掃頻時所得的5組實驗數據；阻抗數據中每次掃頻采集1600個點的阻抗值；加上對比組數據，會得到6組頻率-阻抗數據；采集的實驗數據會經過傳輸接口傳給計算機，完成阻抗分析神經網絡的創建；
B、對測試到的數據進行縮放處理，使輸入數據的值都落在0~1之間；
C 、在對超聲信標（8）探測定位中，輸出量0或1的編碼就可以顯示超聲信標（8）位置的接近位置，設置不同的距離輸出不同的位置編碼，不同的位置用k表示，且k=1~~6，且k分別對應的是對比數據、50m、500m、1000m、2000m、3000m； 則不同位置的編碼用6階單位矩陣表示；
D、阻抗分析神經網絡訓練
創建網絡的輸入層節點數為1600個點；網絡隱含層選擇雙曲型正切函數，輸出層傳遞函數采用雙曲型對數函數，網絡測試次數的上限定為1000次，網絡的收斂率為0.01，網絡的測試誤差定為0.001；網絡的隱層節點數按照公式N=確定，N為隱層節點數，I為輸入節點數，O為輸出節點數；a為可調整參數，取0~10之間的整數；算出為16，網絡的輸出層節點為6；最終的目標輸出向量與6階單位陣一致時，網絡可以達到要求；
E、阻抗分析神經網絡驗證
創建用于探測定位超聲信標（8）的阻抗分析神經網絡后，以球形PZT壓電陶瓷（10）與超聲信標（8）距離為2900m為例，將測得的數據信息導入到網絡中，對待檢驗的樣本進行測試，測試結果輸出為行向量：b1=(bL1,bL2,bL3,bL4,bL5,bL6),由于bL1,bL2,bL3,bL4,bL5接近于0，bL6接近于1，說明超聲信標在距離3000m處附近，完成阻抗分析神經網絡驗證；
2)超聲信標（8）的定位方法
由創建好的阻抗分析神經網絡，根據行向量b1=(bL1,bL2,bL3,bL4,bL5,bL6)的輸出結果，確定超聲信標（8）與球形PZT壓電陶瓷（10）的距離；設球形壓電陶瓷（10）均在同一水平面，所以坐標z0不變；
A、設在水平面上一固定點處為坐標原點，則設球形PZT壓電陶瓷（10）的空間坐標向量為(x1,y1,z0),設超聲信標（8）的空間坐標向量為C=（x,y,z），通過阻抗分析神經網絡，可確定兩者之間的距離為：L1=；
B、通過改變球形PZT壓電陶瓷（10）的空間位置，實現改變二者之間的距離L；當球形壓電陶瓷（10）的坐標為（x2,y2,z0）,通過阻抗分析神經網絡，確定兩者之間的距離為：L2=；
C、當球形壓電陶瓷（10）的坐標為（x3,y3,z0）,通過阻抗分析神經網絡，確定兩者之間的距離為：L3=；
D、超聲信標（8）的坐標的確定
分別以阻抗信號接收器（1）的三個測量點的位置(x1,y1,z0)、（x2,y2,z0）、（x3,y3,z0）為球心,分別以L1、L2、L3為半徑，畫三個球，三球的水下交點坐標，即超聲信標（8）的位置坐標（x，y，z），如下式所示：
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