激发极化法在水下主动电场探测中的应用

钟智杰，彭杰钢，*，徐 林，王永键

（1.电子科技大学 自动化工程学院，四川 成都 610000；2.武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430202）

0 引言

20世纪50年代[1]，生物学研究者在亚马逊流域的河流中发现了一种鱼类，拥有人类未能拥有的“第六感”——电感知能力，这些鱼类在水下[2-3]进行探测、觅食等生物过程中，会通过自身特有的放电器官在水下产生微弱低频的电场信号，振幅约为1 V，频率不超过1 000 Hz。当电场在水中传播时，如果途中有物体存在，电场的空间分布会发生畸变。这些鱼类通过电场感知器官获取畸变电场的信息，并利用这些信息来指导自身的各项生命活动。由于这种鱼类发射的电场较弱，科学家将其称为“弱电鱼”，称这种电定位机制为“主动电场探测机制”[4-5]。但在典型的海水环境中，存在大量的正负离子，对于电信号的传导具备天然优势，但是大部分能量会以传导电流的形式在海水中耗散，所以，基于电磁波理论的传统电磁学探测、通信方式在水下效果甚微[6]。除此之外，以超声波为主导的声学探测方式（例如声呐）目前虽然已被广泛应用且技术成熟[7]，在复杂的水下环境中也会受到形状特性不一致的大量礁石的影响。另一方面，以光学为主导的视觉、红外等探测方法也会受到水下昏暗环境的影响[8]。然而，弱电鱼凭借其天然的主动电场探测机制，能够在完全黑暗、无光、环境复杂和浑浊的水域中存活，并全方位地感知周围环境，获取关于周围物体位置、大小、形状和组成等全面的环境信息。因此，对主动电场探测机制的研究具有前景，通过深入研究弱电鱼的电场感知器官结构和信号处理机制，可以设计出高度敏感、精准的电场传感器，用于智能机器人、自治式水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）等应用中。

我们在对主动电场探测机制的研究过程中发现，水下电场信号的幅频特性、相频特性与水下物体的RLC等效电路模型相关程度非常高。应用激发极化效应解释了金属物体在主动电场探测机制中存在转折频率这一现象，并且使用了Cole-Cole等效模型作为对金属物体进行主动电场探测时的RLC等效电路模型[9]。

在此项研究成果的基础上，我们将关注重心放到了激发极化效应在勘探地球物理中的成熟应用中，即直流激电法与变频激电法[10]。我们通过研究分析直流激电法的原理，尝试对主动电场探测机制方法进行优化，对多种物体进行了水下实验对比。此外，我们还对变频激电法进行了理论分析，基于变频激电法，使用1 Hz和1 kHz这2种不同的双极性方波激励信号进行变频激励实验，对多种物体进行了水下实验对比，分析总结探测结果。

1 方法原理

1.1 激发极化效应

地质学的电法勘探研究工作中，岩石的激发极化效应（Induced Polarization，IP）在早期就已经被提出和发现，在电法勘探中，通常会通过在地表施加电流，利用地下介质的电阻率差异来获取相关数据。当电流通过地下介质时，如果存在极化效应，地下介质中的电荷分布会发生变化，并在电流关闭后继续存在一段时间。这样，通过测量地表上的电场变化，可以获得与地下介质中的极化效应相关的信息。

1.2 激发极化法

激发极化效应也可以称为激电效应，描述的是在一个类似于向大地充放电的过程中，因供电或断电而产生电场、形成电位差的现象[11-15]。这个电位差可以由图1所示的装置观测到。其中，A、B为供电的电极，M、N为检测所用的电极。经由A、B发射出直流电流I后，如果介质为均匀非极化的，那么观测到的电位将与1V一样，不会随着时间的改变而变化。反之，如果通电的电极之前存在着可以被极化的介质，那么介质将会发生电化学反应，从而可以在M、N之间观察到电位差以及其随时间的变化，如同2V。实验中观测到的V，实际上是1V与2V之和，是关于时间的函数。电位差ΔV随着不同介质的激电效应的性质不同发生变化，这一点可以很好的扩展到水下探测实验中，水下的环境复杂多变，电位差的存在可以由此分析出不同的性质。

图1 激发极化现象示意图Fig.1 Schematic diagram of induced pol arization phenomenon

在电法勘探中，常用的参数为视极化率sη：

式中：(tioff)为表示断电后的某个时刻ti；ΔV2(tioff)为ti时刻测得的二次电位差；ΔV(T-Δt)为快断电之前测得的总场电位差，此时测得的ΔV(T-Δt)接近于饱和电位差ΔVs；ηs为无量纲的相对物理量；T为充电的时间；Δt为表示短暂的一个时间段（比如，0.1 s、0.03 s）；(T-Δt)为考虑到物理误差的断电时刻。

在野外地质勘探时，直流法往往耗时耗力，要求较高。而且在供电电极给介质充电时，2V总是与1V叠加在一起，我们观测到的V不能将2V和1V分别提取出来。为此，可以选择用2种频率不同的电流来激发，如图2所示。当频率足够高时，使得供电时间足够短，可以近似的认为介质没有发生明显的激发极化效应，我们可以认为

图2 宽脉宽和窄脉宽脉冲电流激发并测量充电曲线Fig.2 Wide-width and narrow-width pulsed-currents are excited and charging curve is measured

当供电的频率足够低时，可以认为每一个周期，激发极化效应都发生的较为充分，这时候测得的ΔV接近饱和，即

因此，我们所关注的

式中，VfL，VfH分别为低频、高频供电时测得的ΔV。

如果以激励信号的频率为横坐标，以测量信号的电压幅值为纵坐标，可以绘制出图3所示的图像关系。

图3 测得总场电位差与方波激励源频率的关系Fig.3 Relationship between total field potential difference and frequency of square wave excitation source

图3中：fL为足够低的方波激励源频率，在这个频率激励下，介质激发极化效应充分；ΔV为一次与二次电位的叠加，接近饱和；fH为足够高的方波激励源频率，介质的激发极化效应不充分，所测得的VΔ接近一次电位。

2 实验环境

2.1 实验硬件平台

实验场景中还原水下环境使用的是90 cm×57 cm×40 cm的蓄水池，材质为有机玻璃，水池中盛放一定量的纯净水，向纯净水中加入一定量的食盐改变其电导率与海水相近，并撒入适量细泥沙，用以模拟海水环境。在蓄水池周围，架设一台三轴联动机械运动模块，机械手通过丝杆连接电极云台装置，电极云台装置用于固定安放收发电极，收发电极选用化学性质稳定的石墨材料做成棒条状，直径为10 mm，尾侧焊接导线。如图4所示，其余设备还包括：用于接收信号的NI-USB6366数据采集卡，用于发射信号的可编程程控电源，以及计算机数据处理与分析模块。系统整体架构如图5所示。

图4 实验环境与电极云台装置Fig.4 Experimental environment and electrode cloud platform

图5 实验硬件平台整体框图Fig.5 Overall block diagram of experimental hardware platform

2.2 实验软件配置

本实验场景使用普源精电科技公司的DP832可编程电源作为信号源，其目的不仅仅在于该仪器本身可以稳定、有效地输出激电法所需要的电信号。更重要的是，激电法在采集电信号的过程中，要求在信号采集模块开始采集信号后一段时间开始供电，信号采集结束前一段时间结束供电。配合DP832的可编程的功能，不仅能够使得输出的电信号更加的精准有效，而且可以与采集电场信号模块协同配合，通过LabVIEW的集成开发环境协调运作，实现定时的“采集开始–上电–断电–采集结束”等一系列操作。

USB6366数据采集卡的采样方式使用差分模式，和单端采集相比可以减少环境中的电磁干扰，抑制共模噪声。

3 实验内容

3.1 实验设计

在电法勘探中，当电流通过地下介质时，地下介质中的电荷会受到电场的作用而移动，从而引起电势差的产生。视极化率是描述这种电场–电荷相互作用的指标，表示了地下介质对电场的响应程度，可以用于解释地下介质的电性特征，如导电性、极化特性和储层性质等。因此，我们设计了基于直流激电法的电场探测实验，并关注这几个实验数据类型：①上电（通入电场）过程在接收电极测得的最高电压值；②断电（电场撤除、电流关闭）前在接收电极测得的稳定的电压值；③断电后在接收电极测得的最低电压值。无论是上电过程还是断电过程，其顶峰电压值相对稳定电压值越高，则越能体现水下被测物体对电流场的响应程度。通常，这个响应程度受到探测装置与被测物体之间距离的影响，距离越远，则响应程度越弱。还受被测物体形状、材质的影响，导电性强的物体响应程度往往大于导电性弱的物体，表面不规则的物体响应程度往往大于表面光滑的物体。

式（3）、式（4）为变频激电法提供了理论依据，我们设计基于变频激电法的电场探测实验，通过激电电极将2个不同频率的交流电流信号注入到水下，通过分析接收电极2个频率下的电位差相对变化值，再次对水下被测介质物的相关信息进行获取。

3.2 基于直流激电法的电场探测实验

直流激电法的探测实验在设计上是通过宽脉宽脉冲激励供电的方式，能够将实验物体的激发极化效应在时间域上最大程度的体现出来。

在实验室内，水体介质环境温度为15℃，电导率为645 μs/cm。在水体介质内部无任何实验物体的情况下，按照“采集开始–上电–断电–采集结束”的实验步骤进行实验，激励信号的幅值为20 V，输出到发射电极，通电持续6 min表示充电过程，时间达到6 min后激励源断电，接收电极采集到的数据如图6所示。

图6 实验环境无物体时采集信号时域特性Fig.6 Time domain characteristics of collected signals without objects in experimental environment

在激励信号发射的瞬间，电场采集信号的电压幅值有一个急速上升，最高可达1.726 V，而后缓慢下降，经过3～5 s后趋于一个稳定值0.2 V，但是幅值依旧有缓慢下降的趋势。充电达6 min时，电场采集信号的电压幅值稳定在0.135±0.005 V，此后断电（放电）过程中，其电压从稳定值0.135 V迅速衰减，直至–0.152 5 V，而后缓慢上升，直至恢复到0的水平。

可以发现在全水体介质覆盖的环境下，激发极化效应与传统地球物理学电法勘探中存在着一定的区别，放电时的时域幅值曲线没有表现为单调的衰减，直至为0，而是表现为从正到负，再缓慢衰减到零值。区别于视极化率，定义3个指标对本实验的后续实验数据进行分析，分别为：上电过程采集信号的最高幅值Uon，放电过程前的稳定幅值Usta，放电过程采集信号的最低幅值Uoff，以及它们之间的相对关系，可计算得到对照组的ρ1=0.078，ρ2＝-1.129。

实验物体选用了铜立方体（40 mm×40 mm×40 mm），铜圆柱（Φ40 mm×40 mm），铝立方体（40 mm×40 mm×40 mm），铝圆柱（Φ40 mm×40 mm），塑料圆柱（Φ40 mm×40 mm）。

以铜立方体为例，放置在蓄水池内，水体环境将其完全浸没，控制三轴联动机械运动模块将收发电极模块移动至铜立方体正上方，电极棒下段二分之一浸没在水体内，且不与铜立方体直接接触。如图7所示，电极装置的初始位置为0，向右依次10 cm递增至50 cm。并且，为了避免累积的激发效应，对每个距离进行实验间隔时间不少于2 min。在这个间隔时间里，被测物体可以完成充分放电。

图7 电极装置运动示意图Fig.7 Motion diagram of electrode device

铜立方体实验得到的信号特征值1ρ、2ρ如图8所示，电极装置从0移动到10 cm时，曲线发生大幅度变化，到50 cm时变化缓慢，趋于稳定，1ρ趋于0.096，2ρ趋于–1.028。这个实验结果与对照组相似，也就是说，随着探测距离的增加，探测装置所采集信号体现出的直流激电效应将大幅减弱直至趋近于背景（对照）组探测结果。

图8 实验环境为铜立方体时采集信号的特征值折线图Fig.8 Line chart of eigenvalues of collected signals when experimental environment is a copper cube

进一步对铜立方体的采集信号特征值结果进行分析，当电极装置正对被测物体（距离为0）时，其特征值ρ1、ρ2相比对照组发生了大幅度改变，ρ1:0.078→0.164，ρ2:-1.028→-1.356（→左值为对照组数据，右值为实验组数据），避免结果的单一性，我们在0这个距离下继续对铜圆柱、铝圆柱、铝立方体、塑料圆柱进行实验，其结果如表1所示。

表1 不同物体的特征值实验结果数据Table 1 Experimental results of eigenvalues of different objects

对表1数据进行分析，所有实验组物体信号特征值1ρ、2ρ绝对值均大于对照组，且：铝立方体放电过程直流激电效应最强，铜立方体上电过程的直流激电效应最强；塑料圆柱在上电、放电过程的激电效应都为最弱。

3.3 基于变频激电法的电场探测实验

激励信号的类型为双极性方波信号，幅值为10 V，频率fL=1 Hz，fH=1 000 Hz。在实验室内，水体介质环境温度为18℃，电导率为694 μs/cm。在水体介质内部无任何实验物体的情况下，按照“采集开始–上电fL–断电fL–上电fH–断电fH–采集结束”的实验步骤进行实验。首先，输出1 Hz方波信号到发射电极，采集结束后，再输出1 000 Hz方波信号到发射电极，再次采集。时域波形如图9所示。

图9 实验环境无物体时采集信号时域波形Fig.9 Time domain waveform of collected signals without objects in the experimental environment

定义6个指标对本实验的后续实验数据进行分析：1 Hz激励信号在上升过程中的最大值；1 Hz激励信号在下降过程中的最小值；1 Hz激励信号在上升过程的稳定值；1 Hz激励信号在下降过程的稳定值；1 kHz激励信号在上升过程中的最大值；1 kHz激励信号在下降过程中的最小值。定义视幅频率FS：

式中：FS1应用于研究上升（充电）过程，对应的是激励信号的正极性区；FS2应用于研究下降（放电）过程，对应的是激励信号的负极性区。可计算得到背景实验的FS1= –5.43，FS2= –5.51。

与直流激电法类似，电极装置的初始位置为0，向右依次10 cm递增至50 cm。对相同的铜立方体进行变频激电实验。首先对铜立方体进行实验，得到电极装置在不同位置处的SF信号特征值（图10）。

图10 实验环境为铜立方体时采集信号的特征值折线图Fig.10 Line chart of eigenvalues of collected signals when experimental environment is a copper cube

同样的计算方式，在上升过程和下降过程中的到的数值不尽相同，有着较为明显的区分。在距离电极0处的实验，视幅频率1为–3.14，而视幅频率2为–2.62，仅为视幅频率1的83.4%。视幅频率1在铜立方体距离电极50 cm处取到极小值，为–7.99，视幅频率2在铜立方体距离电极40 cm处取到极小值，为–7.02，两者不仅极小值有着明显的不同，而且取到极小值的位置也不一样，这一点值得探究。接下来对铜圆柱进行实验（图11）。

图11 实验环境为铜圆柱体时采集信号的特征值折线图Fig.11 Line chart of eigenvalues of collected signals when experimental environment is a copper cylinder

同样属于金属铜，立方体与圆柱体的视幅频率特性存在差异，为了验证这种差异是否是由物体形状所引起的，我们对铝圆柱体进行了实验（图12）。

图12 实验环境为铝圆柱体时采集信号的特征值折线图Fig.12 Line chart of eigenvalues of collected signals when experimental environment is an aluminum cylinder

对比铜圆柱体与铝圆柱体的视幅频率特征值折线图，其上升过程的变化都存在“递减”到“递增”再到“递减”的趋势；下降过程则更为相似。

进一步，对铝立方体进行实验（图13）。

图13 实验环境为铝立方体时采集信号的特征值折线图Fig.13 Line chart of eigenvalues of collected signals when experimental environment is an aluminum cube

铝立方体的上升过程特征值折线图与铜立方体非常相似，但是在下降过程并未发现二者的关联性，所以实验并不能说明视幅频率特性曲线与物体形状存在强相关性。

最后，对塑料圆柱体进行实验（图14）。

图14 实验环境为塑料立方体时采集信号的特征值折线图Fig.14 Line chart of eigenvalues of collected signals when experimental environment is a plastic cube

相比上述4种金属体，塑料圆柱体的特征值折线图存在很大的差异，大部分金属被测物体的视幅频率在整体上看都是一个递减的趋势，而塑料被测物则是出现了波折与上升。

变频激电法需要更为复杂的测量设备和数据处理方法，在本次实验中，能够得到的有效结论为：所有金属被测物的FS1、FS2的绝对值都小于对照组（无被测物体），而塑料绝缘物体的所有FS1、FS2，都大于对照组，而其余变化规律与直流激电法的结果并不一致。可能的原因是，本实验激励源引入了2种不同频率的交流信号，地下电性介质极化效应[9]受到激励源频率的影响，电性介质中发生非线性极化行为，这个效应可以使用Cole-Cole模型进行描述，本文不作深入探讨。

4 结束语

本文首先介绍了弱电鱼的主动电场探测定位机制，并分析对比了其在水下环境相比电磁学、声学、光学探测的优越性。为了优化主动电场探测方法，我们将研究视角聚焦于勘探地球物理学中激发极化法的应用：在外电场的作用下，围岩溶液包裹中的金属矿物表层会发生离子聚集，这些聚集的离子构成了二次电场，由二次电场在金属矿两端形成了二次电位。称这个过程为激电过程。我们认为，在同样的激发条件下，水下被测物也一样存在这种激电过程，所以，我们搭建了实验平台环境，使用小型蓄水池模拟海水域环境，在这个实验平台中分别进行直流激电法与变频激电法电场探测实验。直流激电法原理简单，还原度高，所有实验组与空白背景环境存在明显差异，且所有金属物体的激电效应都强于非金属塑料，符合理论分析。

从实验结果来看，变频激电法实验相比于直流激电法没有那么明显的组间关联性与规律。在变频激电法实验中，激励源由直流信号变为2种不同频率的双极性方波信号，随着电极装置位置的变化，不同实验金属物体的视幅频率–距离特征不尽相同，但整体呈现下降的趋势，而塑料被测物则是出现了波折与上升。

总之，这是我们在主动电场探测方法机制上的一次优化尝试，并且得出了一定的结果验证理论推导，还需要对其进一步完善。本实验中对变频激电法实验的频率参数选取采取了经验判断，并未验证其是否为最佳合适的参数，后续我们将会重点关注变频激电法中实验参数的选择，尽可能使实验结果数据趋于理论值，并结合理论模型完善对实验结果的概括解释。