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

背景技術(shù)：

隨著社會的發(fā)展，金屬探測技術(shù)在現(xiàn)代社會生活中的應(yīng)用越來越廣泛。在軍事、安全領(lǐng)域、考古、工程應(yīng)用、工業(yè)等領(lǐng)域都可見到金屬探測器的身影。如常用的電磁感應(yīng)式金屬探測器，其基本原理就是利用通電的線圈產(chǎn)生一個探測磁場，當(dāng)有金屬進(jìn)入探測磁場范圍時，就會引起磁場的變化，由此判斷是否有金屬目標(biāo)。同時也存在多種其他類型的探測器，如x射線檢測型、微波檢測型、激光檢測型等。但總體來說，現(xiàn)有的金屬探測技術(shù)中，無論是采用何種探測原理、何種探測技術(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)有的金屬探測技術(shù)大多只能用于陸地空氣環(huán)境中的探測工作，而對水下工作環(huán)境并不適用。

目前，主要的金屬探測技術(shù)方法如：基于電渦流的探測技術(shù)、基于激光偏振特性的探測技術(shù)、基于電磁法探測技術(shù)、基于hsv色空間的探測技術(shù)、基于導(dǎo)熱性能的探測技術(shù)以及物理識別方法等。雖然存在一些水下金屬探測技術(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效果不理想。如基于電渦流傳感器的金屬材質(zhì)探測技術(shù)，其利用探測線圈產(chǎn)生的交變磁場，通過被測金屬導(dǎo)體處于該磁場中引起探測磁場的變化來探測出金屬物體。該技術(shù)應(yīng)用于空氣環(huán)境中效果較好，但不能識別被測金屬物體的材質(zhì)；基于金屬目標(biāo)表面激光的反射偏振特性的探測技術(shù)，通過對反射光stokes矢量的分析，線偏振光或圓偏振光經(jīng)過金屬表面反射后變?yōu)闄E圓偏振光，根據(jù)其橢圓度和方位角的不同來區(qū)分被探測金屬物體。雖然該技術(shù)能夠識別水下金屬物體材質(zhì)，但這樣的激光在水中傳播的時候不可避免的會發(fā)生一些非線性光學(xué)作用，從而極大的影響金屬探測的效果；基于hsv色空間的水下物體探測技術(shù)，它也是一種水下物體的光學(xué)識別技術(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。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)、亮度的不同來對被測物體材質(zhì)進(jìn)行區(qū)分，該種技術(shù)與基于激光偏振特性探測技術(shù)一樣，都要依靠反射光的特性來開展工作，難免會有同樣的限制條件；而基于導(dǎo)熱性能的水下金屬探測技術(shù)，該技術(shù)是一種接觸式探測技術(shù)，它依靠不同材料具有不同的導(dǎo)熱性能的特性，通過測量材料的導(dǎo)熱性即可達(dá)到識別材料的目的。但缺點是，需要接觸被測物體才能檢測出其導(dǎo)熱性能，對于水下檢測，該類探測傳感器的探頭暴露在介質(zhì)環(huán)境中，探測時難免會帶入介質(zhì)環(huán)境對導(dǎo)熱性產(chǎn)生的影響；而物理識別方法如感官鑒別，火花鑒別，看譜分析等都不宜在水中展開工作。

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

技術(shù)實現(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)中探測金屬物體的金屬物體探測裝置；

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

一種金屬物體探測裝置，包括，

發(fā)射裝置，包括至少兩個發(fā)射電極，其中一個發(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)探測區(qū)域發(fā)射具有指定頻率的第一信號，從而在目標(biāo)探測區(qū)域建立探測電場；

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

進(jìn)一步的，所述發(fā)射裝置還包括與所述發(fā)射電極連接的信號發(fā)生裝置；所述信號發(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。

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)采樣器用于將兩個接收電極分別采集到電場信號處理為第二信號。

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

所述接收電極為兩個，兩個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)明同時提供一種可以在導(dǎo)電液體中探測金屬材質(zhì)的金屬物體探測方法，

具體的，一種金屬物體探測方法，包括如下步驟：

步驟1：按照指定頻率向目標(biāo)探測區(qū)域發(fā)射第一信號建立探測電場；

步驟2：按照指定路線移動發(fā)射電極和接收電極，自探測電場采集電場信號；

步驟3：根據(jù)采集到的電場信號獲取不同時刻的信號幅度值，并形成幅度-時間曲線；

步驟4：根據(jù)幅度-時間曲線進(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下會形成復(fù)雜阻抗特性變化，進(jìn)而在擾動電場產(chǎn)生電勢差不同，具體的，在探測電場中，被測金屬物體會由于自身阻抗特性而引起電場擾動，而不同的水下金屬材質(zhì)會又因為其復(fù)雜阻抗特性的不同，引起不同的電場擾動，從而產(chǎn)生特定的轉(zhuǎn)折頻率，通過探測探測電場中電勢差變化的趨勢，確定被探測金屬的轉(zhuǎn)折頻率值，進(jìn)而可以比對獲取金屬材質(zhì)；在此原理下，即使被測金屬物體體積很小，只要其材質(zhì)不同，那么探測到的轉(zhuǎn)折頻率值也就不同，從而根據(jù)這轉(zhuǎn)折頻率值的不同來區(qū)分被測金屬物體的材質(zhì)，同時，根據(jù)大量的金屬物體測試結(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，自探測電場采集電場信號的步驟中，

使用至少兩個接收電極分別采集所述探測電場的電場信號，并獲取兩個電場信號的差分信號。

進(jìn)一步的，根據(jù)采集到的電場信號獲取不同時刻的信號幅度值中，對所述差分信號進(jìn)行傅里葉變換，以獲取所述信號幅度值。

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

對幅度-時間曲線進(jìn)行判斷，如果，幅度-時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，以獲取待探測金屬的轉(zhuǎn)折頻率的步驟中，如果，幅度-時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，以獲取待探測金屬的轉(zhuǎn)折頻率的步驟中，如果，幅度-時間曲線為直線，則此時所述指定頻率為待探測金屬的轉(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)明提供的金屬檢測裝置及檢測方法基于主動電場探測技術(shù)，硬件結(jié)構(gòu)簡單，易小型化，克服了其他檢測方法硬件和能量開銷過大的問題；工作時，裝置中僅發(fā)射電極及接收電極需進(jìn)入待探測液體中，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，對于液體環(huán)境中已知體積的金屬物體的材質(zhì)檢測具有良好的效果。

附圖說明：

圖1本發(fā)明提供的檢測裝置的結(jié)構(gòu)原理圖。

圖2本發(fā)明實施例中提供的檢測裝置在進(jìn)行探測時的工作流程圖。

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

圖4離散信號的短時傅里葉變換(stft)變換圖。

圖5a沒有被測金屬時，探測電極(發(fā)射電極和接收電極)在水下建立的電場模擬圖。

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

圖6a、圖6b被測金屬物體分別為鋁和銅處于探測電場中時導(dǎo)致的探測電場變化圖。

圖7有效探測范圍與不同探測路徑示意圖。

圖8a為探測頻率為10hz時鐵圓柱的聯(lián)合時頻分布圖譜示例。

圖8b為探測頻率為12hz時時鐵圓柱的聯(lián)合時頻分布圖譜示例。

圖9是探測裝置實施例探測示例圖。

圖10探測信號產(chǎn)生的流程圖。

圖11實例中信號產(chǎn)生的程序圖。

圖12信號記錄收集裝置接收回來的無金屬時的探測波形。

圖13具體探測示例中信號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的數(shù)據(jù)圖示例。

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

圖16被測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)折頻率時探測得到的聯(lián)合時頻譜對比示意圖。

圖17被測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)折頻率時探測得到的聯(lián)合時頻譜對比示意圖。

圖18被測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)折頻率時探測得到的聯(lián)合時頻譜對比示意圖。

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-信號發(fā)生器，21-數(shù)據(jù)采樣器，22-接收電極，20-被探測導(dǎo)電液體20，3-控制裝置，4-運(yùn)動模塊，5-固定支架，6-被測金屬，7-信號傳輸線，100-采樣窗口，200-有效探測范圍，400-凸出曲線，500-凹進(jìn)曲線，600-直線，s1、s2、s3-探測路線。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(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施例，凡基于本發(fā)明內(nèi)容所實現(xiàn)的技術(shù)均屬于本發(fā)明的范圍。

實施例1：如圖1所示，本實施例提供一種金屬物體探測裝置，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包括兩個發(fā)射電極11，其中一個發(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)探測區(qū)域發(fā)射具有指定頻率的第一信號，從而在目標(biāo)探測區(qū)域建立探測電場；接收裝置包括接收電極22，所述接收裝置用于自所述探測電場中采集電場信號，并將該電場信號處理為第二信號后傳送至控制裝置3，所述控制裝置3將接收到的第二信號處理為可以表征不同金屬材質(zhì)的第三信號。

本實施例中，發(fā)射裝置1還包括與所述發(fā)射電極11連接的信號發(fā)生裝置；所述信號發(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；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)采樣器用于將兩個接收電極22分別采集到電場信號處理為第二信號。具體的，本實施例采用ni公司的多功能采集卡10來實現(xiàn)信號發(fā)生裝置和數(shù)據(jù)采樣器。

同時，本發(fā)明中，控制裝置3可以是一切具有信號、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可以通過有線或者無線方式與與信號發(fā)生裝置和數(shù)據(jù)采樣器連接；而在本實施例中，控制裝置3為pc機(jī)，同時，pc機(jī)通過數(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中信號發(fā)生器模塊以及采樣器模塊分別通過相應(yīng)端口與兩個發(fā)射電極11、兩個接收電極22連接，具體如圖3所示；工作時，pc機(jī)向多能采集卡中信號發(fā)生器模塊發(fā)出帶參數(shù)(信號類型，信號幅值，信號頻率等)的信號指令，信號發(fā)生器模塊根據(jù)指令產(chǎn)生探測信號，圖11給出了本實施例中信號發(fā)生器模塊的具體結(jié)構(gòu)框圖，探測信號通過發(fā)射電極11向目標(biāo)探測區(qū)域發(fā)出，該探測信號可以是任意常見的周期信號，如方波信號、三角波信號、鋸齒波信號、脈沖信號、正弦波信號，本實施例中采用正弦波信號，這是由于，如果探測信號采用非周期信號，則其在探測完后采用傅里葉變換展開后得到的是一系列頻率不同的周期信號的疊加，從而造成信號頻率不固定；而本發(fā)明提供的探測裝置或方法在工作時要求探測信號具有固定的探測信號頻率，因此本發(fā)明中探測信號均需要采用周期信號，圖12給出了在待探測區(qū)域沒有金屬時，本實施例提供的裝置進(jìn)行探測后，信號記錄收集裝置記錄的信號波形示例。

本實施例中，兩個發(fā)射電極11、兩個接收電極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；本實施例中，采用金屬鈦絲作為探測電極(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)的探測電極可以保證輸入到發(fā)射電極11中的探測信號，只有電荷或電壓的變化而沒有其他的因素來影響發(fā)射極的兩個電極建立的有規(guī)律變化的探測電場。

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

具體使用時，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，如在本實施例中，探測電極固定時，兩個發(fā)射電極11之間距離為10～90mm；兩個接收電極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，探測電極之間的距離會根據(jù)具體被探測金屬的體積大小等因素進(jìn)行調(diào)整，具體的，由于被測物體只要處于該探測電場中時就可以進(jìn)行探測工作，但實際探測時，如果能夠讓被探測物體在探測電場的內(nèi)電場內(nèi)(即探測時讓被測物體穿過兩個發(fā)射極之間的那片電場區(qū)域，接著穿過兩個接收電極之間)進(jìn)行探測，其探測效果更佳，因為在整個探測電場中此區(qū)域中電場強(qiáng)度較大，其電場線的密度相對較高，更有利于接收電極對水下畸變電場信息的采集，因此無論是兩個發(fā)射電極之間的距離，還是兩個接收電極之間的距離并不是恒定值，具體應(yīng)用中，兩個電極之間的距離只需保證最好讓被測物體經(jīng)過探測電極之間的那片電場即可獲得最佳的探測效果。而發(fā)射電極與接收電極之間的距離理論上是越近越好，因為越接近發(fā)射電極，探測時接收電極采集的數(shù)據(jù)越接近于采用發(fā)射電極之間的區(qū)域探測的到的電場信息，但實際的電極布置時跟發(fā)射電極太過靠近反而影響接探測介質(zhì)中畸變電場信息的采集，因而設(shè)置讓發(fā)射電極跟接收電極之間留有一點的距離(在實例中的該距離設(shè)置為30mm時探測效果較好)。

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)動裝置或者航行器(運(yùn)動模塊4)上；控制裝置3會通過預(yù)設(shè)的指令控制運(yùn)動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，被探測金屬6周圍一定范圍內(nèi)為有效探測區(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)過有效探測區(qū)域200時，如路線s2、s3，則可以探測到被探測金屬，而當(dāng)運(yùn)行路線沒有能經(jīng)過探測區(qū)域200時，如路線s1，則其不能探測到被探測金屬；當(dāng)本裝置各個電極的相對位置被固定，并發(fā)射指定頻率的探測信號后，當(dāng)探測電場區(qū)域中沒有目標(biāo)體時，發(fā)射電極11跟接收電極22之間的建立的電場分布是平行分布(如圖5a所示)。當(dāng)電場中有目標(biāo)體(被探測金屬)存在時，則發(fā)射電極11跟接收電極22之間的建立的電場分布受到影響，具體如圖5b所示；應(yīng)注意的是，接收電極22與被探測金屬的距離將影響接收電極22上檢測到的信號幅度，而被探測金屬的大小也將影響到這個電場的分布情況，具體的，被測目標(biāo)物體將在其周圍區(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)過有效探測區(qū)域200時，數(shù)據(jù)采樣器將采集到的差分信號進(jìn)行離散采樣形成第二信號，并將該第二信號傳輸至控制裝置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)行路線上各個位置的信號幅度值，形成幅度-時間曲線，并根據(jù)該信號幅度值的變化判斷當(dāng)前信號頻率是否被探測金屬物體的轉(zhuǎn)折頻率；如果幅度-時間曲線如圖8a所示存在凸出曲線，則說明當(dāng)前頻率低于被探測金屬的轉(zhuǎn)折頻率，如果幅度-時間曲線如圖8b所示，存在凹陷曲線，則說明當(dāng)前探測信號頻率高于被探測金屬的轉(zhuǎn)折頻率，根據(jù)幅度-時間曲線調(diào)整探測信號頻率，重新按照原有路線進(jìn)行探測，直至幅度-時間曲線為一直線，則當(dāng)前探測頻率為被探測金屬的轉(zhuǎn)折頻率，根據(jù)被探測金屬的體積大小、形狀查詢預(yù)設(shè)表格，得出被探測金屬的材質(zhì)。

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

具體的，為了研究探測介質(zhì)具有不同導(dǎo)電率時對被測金屬轉(zhuǎn)折頻率的影響，我們以不同導(dǎo)電率的水為實驗對象，對導(dǎo)電率對轉(zhuǎn)折頻率的影響進(jìn)行了測試，以鐵材質(zhì)的圓柱體(尺寸為：20mm*40mm)為例進(jìn)行說明：在平時探測試驗用的淡水(自來水)電導(dǎo)率約為400us/cm，我們通過加碘鹽的方式隨機(jī)配置了五組逐漸增大的水的電導(dǎo)率，經(jīng)電導(dǎo)率儀測得對應(yīng)的電導(dǎo)率分別約為400us/cm、5400us/cm、11000us/cm、26000us/cm、40800us/cm。這里主要說明電導(dǎo)率發(fā)生變化的時候探測得到結(jié)果變化(主要關(guān)注轉(zhuǎn)折頻率點的變化)。通過其他實驗環(huán)境條件一樣的情況下(都跟電導(dǎo)率為400us/cm時的環(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得實驗結(jié)果。可以看出不同的電導(dǎo)率環(huán)境中對20mmx40mm鐵圓柱體的主動電場探測實驗對應(yīng)的頻率轉(zhuǎn)折點不同，并且表現(xiàn)出隨水的電導(dǎo)率的增大對應(yīng)的頻率轉(zhuǎn)折點也隨之增大，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，需要注意當(dāng)時被測物體所處的介質(zhì)的導(dǎo)電率(平常的淡水環(huán)境電導(dǎo)率約為400us/cm，因此本專利中的實例說明基本以此環(huán)境下的測試數(shù)據(jù)來進(jìn)行說明，其他電導(dǎo)率不同的介質(zhì)環(huán)境下的測試原理也都一致)。應(yīng)注意的是，我們以主動電場實驗環(huán)境中水的電導(dǎo)率改變，對導(dǎo)體的主動電場探測實驗接收電極22接收到的電場信息分布變化趨勢會有影響，具體的，對導(dǎo)體主動電場探測對應(yīng)的頻率轉(zhuǎn)折點會隨著實驗環(huán)境中水的電導(dǎo)率增大而增大，但不論實驗環(huán)境中水的電導(dǎo)率的大小如何改變，對導(dǎo)體的主動電場探測過程中均會出現(xiàn)“凹凸”現(xiàn)象及對應(yīng)的頻率轉(zhuǎn)折點。

表1

圖10給出了本實施例中，多功能采集卡10的啟動流程，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信號類型(如正弦波)，根據(jù)需要調(diào)用庫函數(shù)產(chǎn)生所需波形的控制信號，控制信號發(fā)生器12的波形模塊輸出所需信號；具體的，控制裝置3對信號發(fā)生器12發(fā)出的指令中包括疊加/單一信號、偏移量、信號類型、指定頻率、幅值、方波占空比、頻率倍數(shù)中的一個或多個。而圖9則給出了探測裝置進(jìn)行探測時方位的示例圖，由圖9中可見，本裝置在使用時，可以是，僅僅將探測電極(包括發(fā)射電極11和接收電極22)通過特定的固定支架5按照預(yù)設(shè)距離進(jìn)行固定后放入水中進(jìn)行探測，而探測電極與多功能采集卡10之間通過信號傳輸線7連接。

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

步驟1：按照指定頻率向目標(biāo)探測區(qū)域發(fā)射第一信號建立探測電場；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待探測金屬的轉(zhuǎn)折頻率范圍即可，因此，本實施例中，指定頻率為0hz～2000hz；這是由于對常見的小型金屬物體(如尺寸為20mm*40mm左右的金屬物體)做探測實驗時，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。實際上，如表2所示，對應(yīng)體積在12cm³左右的鐵質(zhì)材料圓柱體來說，其轉(zhuǎn)折頻率在5hz左右，這樣，其實0hz～10hz范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)折頻率就可以探測出體積在12cm³左右的鐵質(zhì)材料圓柱體。

步驟2：按照指定路線移動發(fā)射電極11和接收電極22，自探測電場采集電場信號；具體的，使用至少兩個接收電極22分別采集所述探測電場的電場信號，并獲取兩個電場信號的差分信號。數(shù)據(jù)采樣器對差分信號f(t)進(jìn)行采樣處理得到采樣信號fm(n)，其中，m為第m次采樣，n為采樣時間段內(nèi)的運(yùn)動時間t的離散值；

步驟3：根據(jù)采集到的電場信號獲取不同時刻的信號幅度值，并形成幅度-時間曲線；具體的，對所述差分信號進(jìn)行傅里葉變換，以獲取所述信號幅度值。

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

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

根據(jù)短時傅里葉變換(stft)我們可以通過滑動窗口到合適的時間點并且計算新的頻譜來建立一個完整的三維聯(lián)合時頻譜圖。在三維聯(lián)合時頻譜圖中，x軸表示的是激勵信號的頻率其單位赫茲(hz)、y軸表示的是定位裝置單個探測過程運(yùn)行的時間其單位為秒(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)后的信號在時域上的點的數(shù)量有關(guān)?？梢杂靡韵碌墓接嬎愀道锶~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數(shù)據(jù)的實部和虛部，n表示輸入信號的大小。

而對于待探測物體來說，通常其周圍一定范圍內(nèi)是有效探測范圍200，如圖7所示，被探測金屬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范圍，該有效探測范圍200的具體尺寸并不重要，這是由于，當(dāng)探測電極(包括發(fā)射電極11、接收電極22)移動的路線如路線s1一般不在有效探測范圍200內(nèi)時，探測電場不會發(fā)生被干擾現(xiàn)象，這時探測信號不會發(fā)生任何變化，而只有探測電極移動路線如路線s2及路線s3般通過有效探測范圍200時，探測信號才會由于被探測金屬對探測電場產(chǎn)生干擾，進(jìn)而對探測信號的幅度值造成影響；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，我們在100hz頻率的探測信號下，均勻采集了被探測金屬周圍30cm*30cm范圍內(nèi)的400點離散數(shù)據(jù)，具體如圖6a、圖6b所示，圖中的z軸表示為該采集點處信號經(jīng)過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)點數(shù)。圖中幅值最高點或是最低點就是物體的中心位置(當(dāng)探測頻率大于物體的轉(zhuǎn)折頻率時最低點為物體的中心點，反之，則最高點為物體的中心點)。其中圖6a是圓柱形鋁金屬的探測信號幅值，圖6b為圓柱形銅金屬探測信號幅度值，可以發(fā)現(xiàn)，在探測信號頻率不是被測金屬6轉(zhuǎn)折頻率的前提下，探測電極經(jīng)過有效探測區(qū)域200時，不論路線是否經(jīng)過被測金屬6所在中心位置，其幅值一定會發(fā)生向上或者向下的變化，單次固定路線的檢測結(jié)果可以如圖13所示，而信號記錄收集裝置保存數(shù)據(jù)如圖14所示。而實際探測時，幅值是向上還是向下彎曲，與探測信號的頻率大于被探測金屬的轉(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，以獲取待探測金屬的轉(zhuǎn)折頻率，具體的，對幅度-時間曲線進(jìn)行判斷，如果，幅度-時間曲線中幅度值包含凸出曲線400，則說明當(dāng)前探測信號的指定頻率小于被探測金屬的轉(zhuǎn)折頻率，此時，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-時間曲線中幅度值包含凹陷曲線，則說明當(dāng)前指定頻率大于轉(zhuǎn)折頻率，此時，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-時間曲線變成直線，則此時所述指定頻率為待探測金屬的轉(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-時間曲線為直線也可能是運(yùn)行路線沒有進(jìn)入有效探測區(qū)域，因此，實際探測時，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)前探測路線是經(jīng)過有效探測區(qū)域的。

本方法可以探測不同金屬材質(zhì)的原理是：不同類型的水下金屬物體的在交流激勵下其顯示復(fù)雜阻抗特性不同，進(jìn)而在擾動電場產(chǎn)生電勢差不同，具體的，在探測電場中，被測水下金屬6物體會由于自身阻抗特性而引起電場擾動，而不同的金屬材質(zhì)會又因為阻抗特性的不同，引起不同的電場擾動，通過探測探測電場中電勢差變化的趨勢，確定被探測金屬的轉(zhuǎn)折頻率值，進(jìn)而可以比對獲取金屬材質(zhì)；在此原理下，即使被測金屬6物體體積很小，只要其材質(zhì)不同，那么探測到的轉(zhuǎn)折頻率值也就不同，從而根據(jù)這轉(zhuǎn)折頻率值的不同來區(qū)分被測金屬6物體的材質(zhì)，同時，根據(jù)大量的金屬物體測試結(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為被測物體鋁圓柱體在一個方向上采用不同探測頻率得到的聯(lián)合時頻譜圖，圖中x軸表示頻率(hz)，y軸表示時間(s)，z軸表示fft變換后的幅度峰值，單位為伏特(v)。其對應(yīng)的探測頻率分別為50hz、150hz、170hz，當(dāng)探測頻率為小于轉(zhuǎn)折頻率150hz時頻譜圖中表現(xiàn)為“上凸”的現(xiàn)象，即出現(xiàn)凸出曲線400，此時表示為探測電極在由遠(yuǎn)離被測物體到接近物體過的過程中其幅值逐漸增大，電極處于物體正上方時，其幅值達(dá)到最大。然后在探測電極逐漸遠(yuǎn)離物體時其幅值又逐漸變小。對于小于這一轉(zhuǎn)折頻值150hz得情況，探測頻率越小，其“上凸”的顯現(xiàn)表現(xiàn)的越明顯。當(dāng)探測頻率為大于這一值時表現(xiàn)為”下凹”的現(xiàn)象，即出現(xiàn)凹陷曲線500，且探測頻率越大“下凹”顯現(xiàn)也越明顯。在多次調(diào)整探測頻率得到的聯(lián)合時頻譜圖中，在頻率為150hz時其fft幅值表現(xiàn)出現(xiàn)常值現(xiàn)象，即圖中，幅值為直線600，此時說明該圓柱體的轉(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頻率得到的聯(lián)合時頻譜圖，表2則給出了常見的不同金屬材質(zhì)不同形狀下的轉(zhuǎn)折頻率值。

表2