激發極化法在水下主動電場探測中的應用

鐘智杰，彭杰鋼，*，徐 林，王永鍵

（1.電子科技大學 自動化工程學院，四川 成都 610000；2.武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430202）

0 引言

20世紀50年代[1]，生物學研究者在亞馬遜流域的河流中發現了一種魚類，擁有人類未能擁有的“第六感”——電感知能力，這些魚類在水下[2-3]進行探測、覓食等生物過程中，會通過自身特有的放電器官在水下產生微弱低頻的電場信號，振幅約為1 V，頻率不超過1 000 Hz。當電場在水中傳播時，如果途中有物體存在，電場的空間分布會發生畸變。這些魚類通過電場感知器官獲取畸變電場的信息，并利用這些信息來指導自身的各項生命活動。由于這種魚類發射的電場較弱，科學家將其稱為“弱電魚”，稱這種電定位機制為“主動電場探測機制”[4-5]。但在典型的海水環境中，存在大量的正負離子，對于電信號的傳導具備天然優勢，但是大部分能量會以傳導電流的形式在海水中耗散，所以，基于電磁波理論的傳統電磁學探測、通信方式在水下效果甚微[6]。除此之外，以超聲波為主導的聲學探測方式（例如聲吶）目前雖然已被廣泛應用且技術成熟[7]，在復雜的水下環境中也會受到形狀特性不一致的大量礁石的影響。另一方面，以光學為主導的視覺、紅外等探測方法也會受到水下昏暗環境的影響[8]。然而，弱電魚憑借其天然的主動電場探測機制，能夠在完全黑暗、無光、環境復雜和渾濁的水域中存活，并全方位地感知周圍環境，獲取關于周圍物體位置、大小、形狀和組成等全面的環境信息。因此，對主動電場探測機制的研究具有前景，通過深入研究弱電魚的電場感知器官結構和信號處理機制，可以設計出高度敏感、精準的電場傳感器，用于智能機器人、自治式水下機器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）等應用中。

我們在對主動電場探測機制的研究過程中發現，水下電場信號的幅頻特性、相頻特性與水下物體的RLC等效電路模型相關程度非常高。應用激發極化效應解釋了金屬物體在主動電場探測機制中存在轉折頻率這一現象，并且使用了Cole-Cole等效模型作為對金屬物體進行主動電場探測時的RLC等效電路模型[9]。

在此項研究成果的基礎上，我們將關注重心放到了激發極化效應在勘探地球物理中的成熟應用中，即直流激電法與變頻激電法[10]。我們通過研究分析直流激電法的原理，嘗試對主動電場探測機制方法進行優化，對多種物體進行了水下實驗對比。此外，我們還對變頻激電法進行了理論分析，基于變頻激電法，使用1 Hz和1 kHz這2種不同的雙極性方波激勵信號進行變頻激勵實驗，對多種物體進行了水下實驗對比，分析總結探測結果。

1 方法原理

1.1 激發極化效應

地質學的電法勘探研究工作中，巖石的激發極化效應（Induced Polarization，IP）在早期就已經被提出和發現，在電法勘探中，通常會通過在地表施加電流，利用地下介質的電阻率差異來獲取相關數據。當電流通過地下介質時，如果存在極化效應，地下介質中的電荷分布會發生變化，并在電流關閉后繼續存在一段時間。這樣，通過測量地表上的電場變化，可以獲得與地下介質中的極化效應相關的信息。

1.2 激發極化法

激發極化效應也可以稱為激電效應，描述的是在一個類似于向大地充放電的過程中，因供電或斷電而產生電場、形成電位差的現象[11-15]。這個電位差可以由圖1所示的裝置觀測到。其中，A、B為供電的電極，M、N為檢測所用的電極。經由A、B發射出直流電流I后，如果介質為均勻非極化的，那么觀測到的電位將與1V一樣，不會隨著時間的改變而變化。反之，如果通電的電極之前存在著可以被極化的介質，那么介質將會發生電化學反應，從而可以在M、N之間觀察到電位差以及其隨時間的變化，如同2V。實驗中觀測到的V，實際上是1V與2V之和，是關于時間的函數。電位差ΔV隨著不同介質的激電效應的性質不同發生變化，這一點可以很好的擴展到水下探測實驗中，水下的環境復雜多變，電位差的存在可以由此分析出不同的性質。

圖1 激發極化現象示意圖Fig.1 Schematic diagram of induced pol arization phenomenon

在電法勘探中，常用的參數為視極化率sη：

式中：(tioff)為表示斷電后的某個時刻ti；ΔV2(tioff)為ti時刻測得的二次電位差；ΔV(T-Δt)為快斷電之前測得的總場電位差，此時測得的ΔV(T-Δt)接近于飽和電位差ΔVs；ηs為無量綱的相對物理量；T為充電的時間；Δt為表示短暫的一個時間段（比如，0.1 s、0.03 s）；(T-Δt)為考慮到物理誤差的斷電時刻。

在野外地質勘探時，直流法往往耗時耗力，要求較高。而且在供電電極給介質充電時，2V總是與1V疊加在一起，我們觀測到的V不能將2V和1V分別提取出來。為此，可以選擇用2種頻率不同的電流來激發，如圖2所示。當頻率足夠高時，使得供電時間足夠短，可以近似的認為介質沒有發生明顯的激發極化效應，我們可以認為

圖2 寬脈寬和窄脈寬脈沖電流激發并測量充電曲線Fig.2 Wide-width and narrow-width pulsed-currents are excited and charging curve is measured

當供電的頻率足夠低時，可以認為每一個周期，激發極化效應都發生的較為充分，這時候測得的ΔV接近飽和，即

因此，我們所關注的

式中，VfL，VfH分別為低頻、高頻供電時測得的ΔV。

如果以激勵信號的頻率為橫坐標，以測量信號的電壓幅值為縱坐標，可以繪制出圖3所示的圖像關系。

圖3 測得總場電位差與方波激勵源頻率的關系Fig.3 Relationship between total field potential difference and frequency of square wave excitation source

圖3中：fL為足夠低的方波激勵源頻率，在這個頻率激勵下，介質激發極化效應充分；ΔV為一次與二次電位的疊加，接近飽和；fH為足夠高的方波激勵源頻率，介質的激發極化效應不充分，所測得的VΔ接近一次電位。

2 實驗環境

2.1 實驗硬件平臺

實驗場景中還原水下環境使用的是90 cm×57 cm×40 cm的蓄水池，材質為有機玻璃，水池中盛放一定量的純凈水，向純凈水中加入一定量的食鹽改變其電導率與海水相近，并撒入適量細泥沙，用以模擬海水環境。在蓄水池周圍，架設一臺三軸聯動機械運動模塊，機械手通過絲桿連接電極云臺裝置，電極云臺裝置用于固定安放收發電極，收發電極選用化學性質穩定的石墨材料做成棒條狀，直徑為10 mm，尾側焊接導線。如圖4所示，其余設備還包括：用于接收信號的NI-USB6366數據采集卡，用于發射信號的可編程程控電源，以及計算機數據處理與分析模塊。系統整體架構如圖5所示。

圖4 實驗環境與電極云臺裝置Fig.4 Experimental environment and electrode cloud platform

圖5 實驗硬件平臺整體框圖Fig.5 Overall block diagram of experimental hardware platform

2.2 實驗軟件配置

本實驗場景使用普源精電科技公司的DP832可編程電源作為信號源，其目的不僅僅在于該儀器本身可以穩定、有效地輸出激電法所需要的電信號。更重要的是，激電法在采集電信號的過程中，要求在信號采集模塊開始采集信號后一段時間開始供電，信號采集結束前一段時間結束供電。配合DP832的可編程的功能，不僅能夠使得輸出的電信號更加的精準有效，而且可以與采集電場信號模塊協同配合，通過LabVIEW的集成開發環境協調運作，實現定時的“采集開始–上電–斷電–采集結束”等一系列操作。

USB6366數據采集卡的采樣方式使用差分模式，和單端采集相比可以減少環境中的電磁干擾，抑制共模噪聲。

3 實驗內容

3.1 實驗設計

在電法勘探中，當電流通過地下介質時，地下介質中的電荷會受到電場的作用而移動，從而引起電勢差的產生。視極化率是描述這種電場–電荷相互作用的指標，表示了地下介質對電場的響應程度，可以用于解釋地下介質的電性特征，如導電性、極化特性和儲層性質等。因此，我們設計了基于直流激電法的電場探測實驗，并關注這幾個實驗數據類型：①上電（通入電場）過程在接收電極測得的最高電壓值；②斷電（電場撤除、電流關閉）前在接收電極測得的穩定的電壓值；③斷電后在接收電極測得的最低電壓值。無論是上電過程還是斷電過程，其頂峰電壓值相對穩定電壓值越高，則越能體現水下被測物體對電流場的響應程度。通常，這個響應程度受到探測裝置與被測物體之間距離的影響，距離越遠，則響應程度越弱。還受被測物體形狀、材質的影響，導電性強的物體響應程度往往大于導電性弱的物體，表面不規則的物體響應程度往往大于表面光滑的物體。

式（3）、式（4）為變頻激電法提供了理論依據，我們設計基于變頻激電法的電場探測實驗，通過激電電極將2個不同頻率的交流電流信號注入到水下，通過分析接收電極2個頻率下的電位差相對變化值，再次對水下被測介質物的相關信息進行獲取。

3.2 基于直流激電法的電場探測實驗

直流激電法的探測實驗在設計上是通過寬脈寬脈沖激勵供電的方式，能夠將實驗物體的激發極化效應在時間域上最大程度的體現出來。

在實驗室內，水體介質環境溫度為15℃，電導率為645 μs/cm。在水體介質內部無任何實驗物體的情況下，按照“采集開始–上電–斷電–采集結束”的實驗步驟進行實驗，激勵信號的幅值為20 V，輸出到發射電極，通電持續6 min表示充電過程，時間達到6 min后激勵源斷電，接收電極采集到的數據如圖6所示。

圖6 實驗環境無物體時采集信號時域特性Fig.6 Time domain characteristics of collected signals without objects in experimental environment

在激勵信號發射的瞬間，電場采集信號的電壓幅值有一個急速上升，最高可達1.726 V，而后緩慢下降，經過3～5 s后趨于一個穩定值0.2 V，但是幅值依舊有緩慢下降的趨勢。充電達6 min時，電場采集信號的電壓幅值穩定在0.135±0.005 V，此后斷電（放電）過程中，其電壓從穩定值0.135 V迅速衰減，直至–0.152 5 V，而后緩慢上升，直至恢復到0的水平。

可以發現在全水體介質覆蓋的環境下，激發極化效應與傳統地球物理學電法勘探中存在著一定的區別，放電時的時域幅值曲線沒有表現為單調的衰減，直至為0，而是表現為從正到負，再緩慢衰減到零值。區別于視極化率，定義3個指標對本實驗的后續實驗數據進行分析，分別為：上電過程采集信號的最高幅值Uon，放電過程前的穩定幅值Usta，放電過程采集信號的最低幅值Uoff，以及它們之間的相對關系，可計算得到對照組的ρ1=0.078，ρ2＝-1.129。

實驗物體選用了銅立方體（40 mm×40 mm×40 mm），銅圓柱（Φ40 mm×40 mm），鋁立方體（40 mm×40 mm×40 mm），鋁圓柱（Φ40 mm×40 mm），塑料圓柱（Φ40 mm×40 mm）。

以銅立方體為例，放置在蓄水池內，水體環境將其完全浸沒，控制三軸聯動機械運動模塊將收發電極模塊移動至銅立方體正上方，電極棒下段二分之一浸沒在水體內，且不與銅立方體直接接觸。如圖7所示，電極裝置的初始位置為0，向右依次10 cm遞增至50 cm。并且，為了避免累積的激發效應，對每個距離進行實驗間隔時間不少于2 min。在這個間隔時間里，被測物體可以完成充分放電。

圖7 電極裝置運動示意圖Fig.7 Motion diagram of electrode device

銅立方體實驗得到的信號特征值1ρ、2ρ如圖8所示，電極裝置從0移動到10 cm時，曲線發生大幅度變化，到50 cm時變化緩慢，趨于穩定，1ρ趨于0.096，2ρ趨于–1.028。這個實驗結果與對照組相似，也就是說，隨著探測距離的增加，探測裝置所采集信號體現出的直流激電效應將大幅減弱直至趨近于背景（對照）組探測結果。

圖8 實驗環境為銅立方體時采集信號的特征值折線圖Fig.8 Line chart of eigenvalues of collected signals when experimental environment is a copper cube

進一步對銅立方體的采集信號特征值結果進行分析，當電極裝置正對被測物體（距離為0）時，其特征值ρ1、ρ2相比對照組發生了大幅度改變，ρ1:0.078→0.164，ρ2:-1.028→-1.356（→左值為對照組數據，右值為實驗組數據），避免結果的單一性，我們在0這個距離下繼續對銅圓柱、鋁圓柱、鋁立方體、塑料圓柱進行實驗，其結果如表1所示。

表1 不同物體的特征值實驗結果數據Table 1 Experimental results of eigenvalues of different objects

對表1數據進行分析，所有實驗組物體信號特征值1ρ、2ρ絕對值均大于對照組，且：鋁立方體放電過程直流激電效應最強，銅立方體上電過程的直流激電效應最強；塑料圓柱在上電、放電過程的激電效應都為最弱。

3.3 基于變頻激電法的電場探測實驗

激勵信號的類型為雙極性方波信號，幅值為10 V，頻率fL=1 Hz，fH=1 000 Hz。在實驗室內，水體介質環境溫度為18℃，電導率為694 μs/cm。在水體介質內部無任何實驗物體的情況下，按照“采集開始–上電fL–斷電fL–上電fH–斷電fH–采集結束”的實驗步驟進行實驗。首先，輸出1 Hz方波信號到發射電極，采集結束后，再輸出1 000 Hz方波信號到發射電極，再次采集。時域波形如圖9所示。

圖9 實驗環境無物體時采集信號時域波形Fig.9 Time domain waveform of collected signals without objects in the experimental environment

定義6個指標對本實驗的后續實驗數據進行分析：1 Hz激勵信號在上升過程中的最大值；1 Hz激勵信號在下降過程中的最小值；1 Hz激勵信號在上升過程的穩定值；1 Hz激勵信號在下降過程的穩定值；1 kHz激勵信號在上升過程中的最大值；1 kHz激勵信號在下降過程中的最小值。定義視幅頻率FS：

式中：FS1應用于研究上升（充電）過程，對應的是激勵信號的正極性區；FS2應用于研究下降（放電）過程，對應的是激勵信號的負極性區。可計算得到背景實驗的FS1= –5.43，FS2= –5.51。

與直流激電法類似，電極裝置的初始位置為0，向右依次10 cm遞增至50 cm。對相同的銅立方體進行變頻激電實驗。首先對銅立方體進行實驗，得到電極裝置在不同位置處的SF信號特征值（圖10）。

圖10 實驗環境為銅立方體時采集信號的特征值折線圖Fig.10 Line chart of eigenvalues of collected signals when experimental environment is a copper cube

同樣的計算方式，在上升過程和下降過程中的到的數值不盡相同，有著較為明顯的區分。在距離電極0處的實驗，視幅頻率1為–3.14，而視幅頻率2為–2.62，僅為視幅頻率1的83.4%。視幅頻率1在銅立方體距離電極50 cm處取到極小值，為–7.99，視幅頻率2在銅立方體距離電極40 cm處取到極小值，為–7.02，兩者不僅極小值有著明顯的不同，而且取到極小值的位置也不一樣，這一點值得探究。接下來對銅圓柱進行實驗（圖11）。

圖11 實驗環境為銅圓柱體時采集信號的特征值折線圖Fig.11 Line chart of eigenvalues of collected signals when experimental environment is a copper cylinder

同樣屬于金屬銅，立方體與圓柱體的視幅頻率特性存在差異，為了驗證這種差異是否是由物體形狀所引起的，我們對鋁圓柱體進行了實驗（圖12）。

圖12 實驗環境為鋁圓柱體時采集信號的特征值折線圖Fig.12 Line chart of eigenvalues of collected signals when experimental environment is an aluminum cylinder

對比銅圓柱體與鋁圓柱體的視幅頻率特征值折線圖，其上升過程的變化都存在“遞減”到“遞增”再到“遞減”的趨勢；下降過程則更為相似。

進一步，對鋁立方體進行實驗（圖13）。

圖13 實驗環境為鋁立方體時采集信號的特征值折線圖Fig.13 Line chart of eigenvalues of collected signals when experimental environment is an aluminum cube

鋁立方體的上升過程特征值折線圖與銅立方體非常相似，但是在下降過程并未發現二者的關聯性，所以實驗并不能說明視幅頻率特性曲線與物體形狀存在強相關性。

最后，對塑料圓柱體進行實驗（圖14）。

圖14 實驗環境為塑料立方體時采集信號的特征值折線圖Fig.14 Line chart of eigenvalues of collected signals when experimental environment is a plastic cube

相比上述4種金屬體，塑料圓柱體的特征值折線圖存在很大的差異，大部分金屬被測物體的視幅頻率在整體上看都是一個遞減的趨勢，而塑料被測物則是出現了波折與上升。

變頻激電法需要更為復雜的測量設備和數據處理方法，在本次實驗中，能夠得到的有效結論為：所有金屬被測物的FS1、FS2的絕對值都小于對照組（無被測物體），而塑料絕緣物體的所有FS1、FS2，都大于對照組，而其余變化規律與直流激電法的結果并不一致。可能的原因是，本實驗激勵源引入了2種不同頻率的交流信號，地下電性介質極化效應[9]受到激勵源頻率的影響，電性介質中發生非線性極化行為，這個效應可以使用Cole-Cole模型進行描述，本文不作深入探討。

4 結束語

本文首先介紹了弱電魚的主動電場探測定位機制，并分析對比了其在水下環境相比電磁學、聲學、光學探測的優越性。為了優化主動電場探測方法，我們將研究視角聚焦于勘探地球物理學中激發極化法的應用：在外電場的作用下，圍巖溶液包裹中的金屬礦物表層會發生離子聚集，這些聚集的離子構成了二次電場，由二次電場在金屬礦兩端形成了二次電位。稱這個過程為激電過程。我們認為，在同樣的激發條件下，水下被測物也一樣存在這種激電過程，所以，我們搭建了實驗平臺環境，使用小型蓄水池模擬海水域環境，在這個實驗平臺中分別進行直流激電法與變頻激電法電場探測實驗。直流激電法原理簡單，還原度高，所有實驗組與空白背景環境存在明顯差異，且所有金屬物體的激電效應都強于非金屬塑料，符合理論分析。

從實驗結果來看，變頻激電法實驗相比于直流激電法沒有那么明顯的組間關聯性與規律。在變頻激電法實驗中，激勵源由直流信號變為2種不同頻率的雙極性方波信號，隨著電極裝置位置的變化，不同實驗金屬物體的視幅頻率–距離特征不盡相同，但整體呈現下降的趨勢，而塑料被測物則是出現了波折與上升。

總之，這是我們在主動電場探測方法機制上的一次優化嘗試，并且得出了一定的結果驗證理論推導，還需要對其進一步完善。本實驗中對變頻激電法實驗的頻率參數選取采取了經驗判斷，并未驗證其是否為最佳合適的參數，后續我們將會重點關注變頻激電法中實驗參數的選擇，盡可能使實驗結果數據趨于理論值，并結合理論模型完善對實驗結果的概括解釋。