阵列式主动电场水下终端导航定位方法理论与关键技术研究

浑浊水体中终端导航定位是当前水下航行器的关键问题之一，主动电场定位导航定位是新型的水下终端导航定位方法，它具有硬件简单、不受水体浑浊度影响等优点。本课题计划运用现代电磁学分析和实验方法对构建阵列式主动电场定位系统的关键理论技术问题进行研究，从而为新型主动电场定位系统提供理论基础和技术准备，具有重要的科学研究和应用价值。研究路线如下：应用现代电磁学分析方法对阵列式主动电场定位系统的物理机理进行研究，从理论上解释阵列式主动电场定位系统的物理机制，揭示出外界物体位置分布影响电场分布的理论规律；应用现代传感器技术对阵列式主动电场定位系统的关键技术进行攻关，提出系统的电场发射和接受装置技术方案；采用现代传感器实验手段建立阵列式主动电场定位实验系统，通过样机实验建立外界物体位置分布与主动电场定位系统电场变化之间的实验规律；最终提出基于现代电磁分析和实验方法的阵列式主动电场定位系统设计准则和方法。在本基金的支持下，我们课题组按照原研究计划，自行设计搭建了水下主动电场定位实验系统，对水下主动电场定位系统的特性进行了系统的实验研究，明确了水下主动电场定位系统实验特性。在理论分析和数值模拟的方面，我们对水下主动电场定位系统的物理机制和数值模拟模型进行了系统研究，提出了基于有限元方法的数值模拟模型，并用此模型对水下主动电场定位系统进行了数值模拟，在此基础上提出了传感器的设计准则并通过实验证明了该模型的正确性。在定位算法的问题上，我们改进了以往的定位算法，提出了基于FFT特征提取的主动电场定位算法，并通过实验系统验证了该算法的可行性和普适性。同时，在按照原计划研究的过程中，我们发现了水下主动电场的频率响应特异特征，就此我们创新性地对主动电场定位系统的频率响应特性进行了系统研究，该研究对研究液体-固体耦合系统电磁响应模型具有重要的基础科学价值，同时该研究对解释弱电鱼的主动电场感应系统的物理机理具有重要的参考价值，该研究仍有诸多问题需要进一步深入。同时本课题组在原有研究计划完成的基础上，对水下主动电场探测原理的应用进行了扩展，对将主动电场原理用于石油化工中的液体输送管道的缺陷探测进行了研究，该研究表明主动电场原理完全可以应用于工业管道的缺陷内检测方面。本研究为主动电场的实际应用打开了新的应用研究方向，具有明确的应用前景。