陳 醒，岳瑞永，姜楷娜，趙 哲

(大連測(cè)控技術(shù)研究所，遼寧 大連 116013)

0 引 言

海洋環(huán)境電場(chǎng)作為艦船測(cè)試的主要背景場(chǎng)有著重要的研究?jī)r(jià)值。海洋中存在多種電場(chǎng)效應(yīng)，根據(jù)場(chǎng)源的形式可分為天然電場(chǎng)和人為因素形成的電場(chǎng)。天然電場(chǎng)主要包括海洋大地電場(chǎng)、海水在地場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)兩部分；人為因素形成的電場(chǎng)主要來源于沿海工業(yè)設(shè)施產(chǎn)生的工頻干擾。為了充分掌握海洋環(huán)境電場(chǎng)特性，支撐艦船電場(chǎng)信號(hào)檢測(cè)，本文基于歷史觀測(cè)的海洋環(huán)境電場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)海洋環(huán)境電場(chǎng)時(shí)頻典型特性及空間相關(guān)性進(jìn)行分析，確定了典型頻段環(huán)境電場(chǎng)主要特征，可為艦船信號(hào)提取提供依據(jù)[1–4]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)海洋環(huán)境電場(chǎng)做了相關(guān)研究。蔡岳豐等[5]根據(jù)點(diǎn)電極、電偶極子等不同種類模型對(duì)海洋環(huán)境電場(chǎng)分類進(jìn)行論述。崔培[6]利用三分量水下電場(chǎng)測(cè)量裝置對(duì)大連附近海域進(jìn)行觀測(cè)，得到了海洋環(huán)境電場(chǎng)幅值、峰值的主要分布特征。Hermand[7]對(duì)海洋中產(chǎn)生電場(chǎng)的各種場(chǎng)源從頻率和振幅特征進(jìn)行了定性分析。Lil-ley[8]研究了澳大利亞南部海域的海浪電場(chǎng)功率譜情況。瑞典國(guó)防研究局人員利用三分量水下電場(chǎng)傳感器對(duì)瑞典西海岸海域的海洋環(huán)境水下電場(chǎng)進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)10個(gè)月的觀測(cè)，測(cè)量覆蓋了數(shù)MHz～20 Hz頻率范圍，觀測(cè)到了地磁脈動(dòng)和雷電產(chǎn)生的舒曼諧振現(xiàn)象[9]。從上述研究成果來看，目前國(guó)內(nèi)外環(huán)境電場(chǎng)研究主要限于時(shí)頻域的分析，對(duì)不同空間位置的電場(chǎng)相關(guān)性研究相對(duì)較少。本文將從時(shí)頻域、極化方向、空間相關(guān)性多角度研究海洋環(huán)境電場(chǎng)，初步得到淺海海域環(huán)境電場(chǎng)空間相關(guān)性的基本特征。

1 海洋環(huán)境電場(chǎng)數(shù)據(jù)預(yù)處理

利用水下電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)北黃海海域進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)。該系統(tǒng)由2個(gè)水下測(cè)量節(jié)點(diǎn)組成，通過采用分布式采集和有纜式傳輸方式，可同步獲取海底多節(jié)點(diǎn)的水下電場(chǎng)矢量測(cè)量數(shù)據(jù)，并可獲取測(cè)量體方位、姿態(tài)等信息參數(shù)。環(huán)境電場(chǎng)數(shù)據(jù)取自2019年7月30日下午4點(diǎn)，測(cè)量環(huán)境為海況2級(jí)，海面5～6級(jí)風(fēng)，電導(dǎo)率為4.55 S/m，水溫為23.3 ℃，試驗(yàn)海域水深10 m，兩測(cè)量體間距為20 m，選取測(cè)量數(shù)據(jù)中典型時(shí)間段的樣本進(jìn)行分析。

為了便于不同測(cè)量節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一分析，通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換將傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到北東坐標(biāo)系，方向?yàn)榈乩肀狈较?，方向?yàn)榈乩頄|方向。另外考慮到海洋環(huán)境電場(chǎng)多源特征，基于相關(guān)理論分析結(jié)果，根據(jù)場(chǎng)源不同大致可分為海流信號(hào)、海面波浪信號(hào)、地磁擾動(dòng)、雷電干擾等，將電場(chǎng)信號(hào)劃分為DC～0.1 Hz，0.1 Hz～1 Hz，1 Hz～5 Hz，5 Hz～10 Hz這 4 個(gè)頻帶,對(duì)這 4 個(gè)頻段采用不同頻率分辨率進(jìn)行精細(xì)化頻譜分析。

2 環(huán)境電場(chǎng)信號(hào)的時(shí)頻特性、矢量極化方向特征分析

經(jīng)過預(yù)處理得到的環(huán)境信號(hào)單獨(dú)從時(shí)域或頻域觀察信號(hào)不能充分體現(xiàn)環(huán)境電場(chǎng)信號(hào)特征，只有從時(shí)間和頻率以及極化方向的角度同時(shí)表征信號(hào)，才能更全面、更細(xì)致地反映信號(hào)的特性，因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域、極化特性分析。

2.1 信號(hào)的時(shí)域特征分析

環(huán)境電場(chǎng)幅值是測(cè)量得到的最基本物理量，其變化規(guī)律反映了海洋環(huán)境電場(chǎng)最普遍的特征。圖1為海洋環(huán)境電場(chǎng)不同測(cè)量體不同頻段不同分量的典型樣本數(shù)據(jù)時(shí)域分析圖。

圖1 不同測(cè)量體、不同頻段、不同分量樣本數(shù)據(jù)時(shí)域分析曲線Fig. 1 Time domain analysis curves of sample data of different measuring bodies, different frequency bands,and different components

由圖可知，雖然時(shí)域低頻電場(chǎng)信號(hào)隨機(jī)性都很強(qiáng)，但是其幅值振動(dòng)的情況是較為穩(wěn)定，其中DC～0.1 Hz，0.1 ～1 Hz頻段中2個(gè)測(cè)量體的環(huán)境電場(chǎng)信號(hào)有一定相位差，但振幅趨勢(shì)一致，DC–0.1 Hz相關(guān)性較差，0.1 ～1 Hz相關(guān)性較好，1 ～5 Hz兩環(huán)境電場(chǎng)區(qū)別較大，5 ～10 Hz兩環(huán)境電場(chǎng)數(shù)據(jù)重合度較高，相關(guān)性較好。為了研究以上現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，需要進(jìn)行環(huán)境電場(chǎng)信號(hào)的頻域特征分析。

2.2 信號(hào)的頻域特征分析

與環(huán)境時(shí)域特征分析相對(duì)應(yīng)，信號(hào)的頻域特征需要通過計(jì)算信號(hào)功率譜進(jìn)行分析與研究。由于不同測(cè)量體電場(chǎng)分量、電場(chǎng)分量的頻譜特征基本一致，僅對(duì)比不同頻段下環(huán)境電場(chǎng)分量的頻譜圖，得出環(huán)境電場(chǎng)頻域特征。選取測(cè)量數(shù)據(jù)中長(zhǎng)400 s的樣本進(jìn)行頻域分析，頻域分辨率接近0.001 Hz，分析曲線如圖2所示。

圖2 不同頻段樣本數(shù)據(jù)頻域分析曲線Fig. 2 Frequency domain analysis curves of sample data of different measuring bodies, different frequency bands, and different components

從圖 2 可知，DC～0.1 Hz、0.1 ～1 Hz、1 ～5 Hz這3個(gè)頻段均存在明顯的譜峰特征，其中DC～0.1 Hz,0.1 –1 Hz頻段的電場(chǎng)峰值頻率分別為0.003 Hz，0.15 Hz左右。經(jīng)分析是海洋涌浪和表面波浪運(yùn)動(dòng)感應(yīng)產(chǎn)生的電場(chǎng)[10]。在1 ～5 Hz的環(huán)境電場(chǎng)頻率峰值出現(xiàn)在1.5 Hz左右，經(jīng)分析是地磁擾動(dòng)引起的電場(chǎng)變化以及一些環(huán)境隨機(jī)信號(hào)[11]。5～10 Hz的環(huán)境電場(chǎng)頻率峰值出現(xiàn)在左右，符合舒曼諧振特征。舒曼諧振基頻以7.5 Hz為中心，在地球表層與電離層之間形成諧振腔，對(duì)雷電某些特定頻點(diǎn)的電磁波能量具有放大作用[9]。從圖2結(jié)合圖1綜合分析，在DC～0.1 Hz，0.1 ～1 Hz這2個(gè)頻段易受海洋波浪和涌浪影響，兩環(huán)境電場(chǎng)信號(hào)有一定相位差。0.1 ～1 Hz相關(guān)性較好；1 ～5 Hz兩環(huán)境電場(chǎng)相關(guān)性較差，主要是因?yàn)樵擃l段地磁擾動(dòng)、環(huán)境信號(hào)帶來的隨機(jī)性。5 ～10 Hz環(huán)境電場(chǎng)相關(guān)性較好，經(jīng)分析是因?yàn)椤笆媛C振”成分為該頻段主要能量，該信號(hào)具有一定的空間均勻性。

2.3 信號(hào)的極化方向特征分析

環(huán)境電場(chǎng)信號(hào)具有一定的方向性，本文對(duì)不同頻段信號(hào)水平分量的極化特性進(jìn)行研究，如圖3所示。

從圖3可知，DC～0.1 Hz測(cè)量體2的環(huán)境電場(chǎng)極化方向發(fā)散，與測(cè)量體1電場(chǎng)極化方向有一定偏差，相關(guān)性較差；0.1～1 Hz，5 ～10 Hz頻段，兩電場(chǎng)信號(hào)存在明顯的極化方向且極化方向一致，相關(guān)性較好；1 ～5 Hz頻段內(nèi)，兩電場(chǎng)信號(hào)極化方向相反，且測(cè)量體2的環(huán)境電場(chǎng)極化方向發(fā)散，相關(guān)性較差。

3 環(huán)境電場(chǎng)信號(hào)歸一化相關(guān)性分析

為了準(zhǔn)確給出4個(gè)頻段的空間相關(guān)性，研究電場(chǎng)各測(cè)量體各頻段各分量之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，對(duì)環(huán)境電場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行歸一化相關(guān)性分析是十分重要的，以下給出相關(guān)性定義。

定義信號(hào)x(t)和y(t)的互相關(guān)函數(shù)為：

通過對(duì)環(huán)境電場(chǎng)互相關(guān)分析可以得到圖4曲線，橫坐標(biāo)代表的是偏移時(shí)間，縱坐標(biāo)代表2個(gè)測(cè)量體的歸一化互相關(guān)度值。當(dāng)互相關(guān)度峰值對(duì)應(yīng)的偏移時(shí)間越接近零，表示兩環(huán)境電場(chǎng)信號(hào)相關(guān)性越好。

圖3 不同測(cè)量體、不同頻段、不同分量樣本數(shù)據(jù)極化圖Fig. 3 Polarization diagram of sample data of different measuring bodies, different frequency bands, and different components

4 環(huán)境電場(chǎng)信號(hào)的相位補(bǔ)償

相位補(bǔ)償是讓信號(hào)不再超前或延時(shí)，實(shí)現(xiàn)在電場(chǎng)同步下的細(xì)微調(diào)節(jié)。從環(huán)境電場(chǎng)相關(guān)性分析可知，兩環(huán)境電場(chǎng)信號(hào)相位有所偏差，通過選取環(huán)境電場(chǎng)相關(guān)度峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的偏移時(shí)間對(duì)環(huán)境電場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行相位補(bǔ)償，分析結(jié)果如圖5所示。

圖4 不同分量環(huán)境電場(chǎng)歸一化相關(guān)性曲線Fig. 4 Normalized correlation curves of environmental electric fields with different components

從圖5對(duì)比兩測(cè)量體、不同分量補(bǔ)償前后的環(huán)境電場(chǎng)信號(hào)可以發(fā)現(xiàn)：

圖5 三個(gè)頻段的相位補(bǔ)償Fig. 5 Phase compensation for three frequency bands

5 結(jié) 語

本文通過對(duì)中國(guó)北黃海某淺水海域不同測(cè)量體測(cè)得的環(huán)境電場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換和分頻濾波對(duì)進(jìn)行預(yù)處理，分析其各頻段的時(shí)頻域、極化方向的信號(hào)特征。對(duì)不同測(cè)量體、不同頻段、不同分量的信號(hào)特征進(jìn)行描述，對(duì)產(chǎn)生的峰值信號(hào)分析其原因。對(duì)海洋環(huán)境電場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行空間相關(guān)性分析，結(jié)果表明，頻段的環(huán)境電場(chǎng)相關(guān)性較好，頻段環(huán)境電場(chǎng)相關(guān)性較差，驗(yàn)證了環(huán)境電場(chǎng)相關(guān)性易受海浪、“舒曼諧振”影響。對(duì)環(huán)境電場(chǎng)信號(hào)按照環(huán)境電場(chǎng)相關(guān)性偏移時(shí)間進(jìn)行相位補(bǔ)償，可以發(fā)現(xiàn)其相關(guān)性得到提高，為后期基于陣列處理的環(huán)境電場(chǎng)抑制提供依據(jù)。