冷 潔，蘇建業(yè)，程輝輝，崔 培，焦達(dá)文，姜楷娜

(1.海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，山東 青島 266041；2.水下測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116013)

0 引 言

艦船水下電磁場(chǎng)指的是艦船處于水域當(dāng)中時(shí)，其周圍水域內(nèi)分布的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的總稱，是艦船水下物理場(chǎng)的重要組成部分。由于海洋環(huán)境場(chǎng)中已經(jīng)存在了海洋電磁場(chǎng)，因此，我們直接觀測(cè)到的水下電磁場(chǎng)是這些背景場(chǎng)與艦船水下電磁場(chǎng)的合成場(chǎng)，而艦船水下電磁場(chǎng)則是這種合成場(chǎng)與背景場(chǎng)之差[1]。

艦船水下電磁場(chǎng)測(cè)試技術(shù)是獲取艦船水下電磁場(chǎng)特性的最直接方法。目前測(cè)試的不確定度分析，考慮了眾多引入誤差的因素，主要包括環(huán)境參數(shù)（水深、海水電導(dǎo)率等）、位置信息參數(shù)以及測(cè)試系統(tǒng)噪聲等。海洋環(huán)境天然電磁場(chǎng)場(chǎng)源形式主要為海水運(yùn)動(dòng)感應(yīng)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，由于海水運(yùn)動(dòng)感應(yīng)磁場(chǎng)幅值和頻率與海浪波幅與周期相關(guān)[2-5]，其頻帶較窄，一般具有明顯的線譜特征[6]。隨著環(huán)境電磁場(chǎng)研究的深入，發(fā)現(xiàn)環(huán)境電磁場(chǎng)的影響也是測(cè)試過程中不可忽略的誤差因子之一，但在目前的測(cè)試方法中并未考慮環(huán)境電磁場(chǎng)誤差的量化，只是作為背景噪聲進(jìn)行分析，因此需要將環(huán)境電磁場(chǎng)帶來的誤差進(jìn)行量化，以提高艦船水下電磁場(chǎng)的測(cè)試精度。

本文基于環(huán)境水下電磁場(chǎng)觀測(cè)分析結(jié)果，提出了環(huán)境電磁場(chǎng)誤差量化的分析方法，并利用實(shí)際測(cè)試結(jié)果對(duì)該方法進(jìn)行初步驗(yàn)證。

1 環(huán)境電磁場(chǎng)特性分析

1.1 幅頻變化規(guī)律

本文將24 h連續(xù)觀測(cè)的數(shù)據(jù)作為研究樣本，以1 h為間隔，共選取25個(gè)典型樣本進(jìn)行幅頻分析。具體結(jié)果如圖1～圖2所示。

圖2 測(cè)試頻段內(nèi)環(huán)境觀測(cè)結(jié)果幅頻對(duì)比（0.1～3 kHz）Fig.2 Comparison of environmental observations in test frequency band

可以看出，環(huán)境電磁場(chǎng)幅值變化主要集中在低頻段（10 Hz以下，尤其是1 Hz以下）、50 Hz工頻及其倍頻，10 Hz以上頻段噪聲的變化可以忽略。

1.2 時(shí)域變化規(guī)律

針對(duì)艦船水下電磁場(chǎng)測(cè)試的特點(diǎn)，對(duì)于變化明顯的DC～10 Hz頻段內(nèi)的環(huán)境電磁場(chǎng)需要重點(diǎn)關(guān)注，特別是該頻段內(nèi)不同頻點(diǎn)的環(huán)境電磁場(chǎng)時(shí)域變化規(guī)律。

同樣利用本次24 h觀測(cè)數(shù)據(jù)，針對(duì)關(guān)心的頻點(diǎn)進(jìn)行時(shí)域特性分析，具體分析結(jié)果如圖3所示。

圖中給出的是部分典型頻點(diǎn)幅值隨時(shí)間的變化曲線，分析頻點(diǎn)包括0.1 Hz，0.2 Hz，0.5 Hz，1 Hz和10 Hz，其電勢(shì)幅度變化范圍分別為 300 μV，200 μV，100 μV，40 μV和1.5 μV。可以看出，每個(gè)頻點(diǎn)的時(shí)域波形和幅值變化均存在差異，因此針對(duì)艦船水下電磁場(chǎng)測(cè)試需要關(guān)注的頻點(diǎn)，都需要對(duì)對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)的環(huán)境電磁場(chǎng)幅值進(jìn)行量化分析。

圖3 典型頻點(diǎn)幅值的時(shí)域變化曲線Fig.3 Time-domain variation curve of a typical frequency amplitude

2 環(huán)境干擾誤差量化方法

目前測(cè)試過程中的環(huán)境電磁場(chǎng)分析，只是注重艦船測(cè)試前后的環(huán)境電磁場(chǎng)采集以及測(cè)試期間艦船未通過測(cè)試陣列前和通過測(cè)試陣列后的電磁場(chǎng)分析，分析主要關(guān)注環(huán)境電磁場(chǎng)是否存在突變異常方面，尚未將環(huán)境電磁場(chǎng)作為一個(gè)誤差源引入到測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度評(píng)價(jià)體系當(dāng)中。為解決這一問題，通過改進(jìn)測(cè)試系統(tǒng)和完善分析方法來完成環(huán)境干擾誤差的量化計(jì)算。

2.1 測(cè)試系統(tǒng)改進(jìn)

目前艦船水下電磁場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)主要采用沉底布放方式，艦船從陣列上方通過，測(cè)試船實(shí)時(shí)獲取被測(cè)艦船的水下電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境電磁場(chǎng)干擾誤差的量化分析，認(rèn)為在盡量不更改系統(tǒng)的前提下，增加環(huán)境監(jiān)測(cè)單元。環(huán)境監(jiān)測(cè)單元與測(cè)試系統(tǒng)的獨(dú)立單元完全一致，從而能夠直接接入測(cè)試系統(tǒng)中，并實(shí)現(xiàn)同步采集。測(cè)試時(shí)，環(huán)境監(jiān)測(cè)單元位于不受被測(cè)艦船和測(cè)試船影響的區(qū)域外，具體距離參數(shù)因子由當(dāng)時(shí)被測(cè)艦船和測(cè)試船自身水下電磁場(chǎng)量級(jí)估計(jì)確定。

2.2 分析方法完善

經(jīng)過測(cè)試，獲得了艦船水下電磁場(chǎng)測(cè)試結(jié)果和同步獲取的環(huán)境監(jiān)測(cè)單元信號(hào)，需要進(jìn)行信號(hào)處理，從而對(duì)干擾誤差進(jìn)行量化計(jì)算。經(jīng)過研究，提出如下處理算法。

假設(shè)艦船的水下電磁場(chǎng)信號(hào)序列為S5,i={Exi,Eyi,Ezi,A,ti}，其中Exi,Eyi,Ezi為ti時(shí)刻的艦船水下電磁場(chǎng)信號(hào)，A為測(cè)量體方位姿態(tài)信息，ti為時(shí)間序列。環(huán)境水下電磁場(chǎng)信號(hào)序列為N5,i={nExi,nEyi,nEzi,nA,ti}，其中nExi,nEyi,nEzi為ti時(shí)刻的環(huán)境水下電磁場(chǎng)信號(hào)，nA為環(huán)境監(jiān)測(cè)測(cè)量體方位姿態(tài)信息，ti為時(shí)間序列。

結(jié)合艦船測(cè)試的航行軌跡，需要將艦船水下電磁場(chǎng)信號(hào)以及環(huán)境監(jiān)測(cè)的電磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行坐標(biāo)變換[7]。

艦船坐標(biāo)系定義如下：坐標(biāo)系xOy平面與空氣-海水交界面重合，z軸垂直向下,原點(diǎn)與艦船幾何中心重合，x軸沿艦船首尾中心線方向，從船尾指向船首為正，y軸從艦船左舷指向右舷為正。設(shè)電場(chǎng)傳感器x軸與地理北方向夾角為α，艦船坐標(biāo)系x軸與地理北方向夾角為θ。

通過下式可將電場(chǎng)傳感器測(cè)量坐標(biāo)系電場(chǎng)強(qiáng)度(Exi,Eyi,Ezi)轉(zhuǎn)換到艦船坐標(biāo)系下電場(chǎng)強(qiáng)度(Exi,Eyi,Ezi)：

同時(shí)，按照相同的方式將環(huán)境觀測(cè)的水下電磁場(chǎng)信號(hào)(nExi,nEyi,nEzi)也進(jìn)行變換，變換后為(Exi,Eyi,Ezi)。

考慮到環(huán)境空間相關(guān)性以及傳感器之間的一致性，對(duì)觀測(cè)點(diǎn)的環(huán)境測(cè)試進(jìn)行匹配系數(shù)kfi的求解計(jì)算。

圖4是經(jīng)過坐標(biāo)變換利用測(cè)試系統(tǒng)獲取的環(huán)境測(cè)試數(shù)據(jù)（0.01～1Hz），采樣頻率10Hz。

可以看到環(huán)境觀測(cè)點(diǎn)與測(cè)試陣列上獲取的環(huán)境場(chǎng)存在一定差異。為消除差異，提出環(huán)境匹配參數(shù)kfi的提取方法。另外，分析結(jié)果表明低頻段的信號(hào)還存在著一定的直流偏置擾動(dòng)，因此首先要去掉信號(hào)中的直流偏置擾動(dòng)。本文采用去趨勢(shì)項(xiàng)處理方法，得到結(jié)果如圖5所示。

圖4 測(cè)試陣列與環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)的環(huán)境測(cè)試對(duì)比Fig.4 Comparison of environmental tests between test arrays and environmental monitoring points

圖5 去趨勢(shì)項(xiàng)后的信號(hào)結(jié)果Fig.5 Signal results after trend entry

對(duì)于上面處理后的結(jié)果進(jìn)行最大峰峰值求解，具體算法為：

匹配系數(shù)kfi的計(jì)算公式為：

環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)匹配為：

根據(jù)式（6），對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配處理，處理結(jié)果與測(cè)試陣列的結(jié)果對(duì)比如圖6所示。

可以看出，匹配后的環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)與測(cè)試陣列的環(huán)境數(shù)據(jù)一致性較好，滿足誤差量化分析要求。

圖6 匹配后環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)結(jié)果與測(cè)試陣列環(huán)境對(duì)比Fig.6 Comparison of environmental monitoring point results and test array environment after matching

3 實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證

圖7是利用本測(cè)試系統(tǒng)獲取到的一條漁政船的直流和2.1 Hz軸頻的時(shí)域波形。

圖7 漁政船測(cè)試結(jié)果Fig.7 Test results of fishing vessels

對(duì)于海上測(cè)試，最終給出的結(jié)果為時(shí)域波形的最大值。利用本文提出的環(huán)境監(jiān)測(cè)分析方法，得到了在直流分量和2.1 Hz測(cè)試分量最大值時(shí)的環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果為 21.4 μV/m（0.1 Hz）和 0.3 μV/m（2.1 Hz），經(jīng)過計(jì)算由環(huán)境水下電磁場(chǎng)引入的漁政船電磁場(chǎng)測(cè)試誤差結(jié)果分別為7.1%（0.1 Hz）和13.6%（2.1 Hz）。

4 結(jié) 語

本文針對(duì)艦船水下電磁場(chǎng)測(cè)試中環(huán)境引起的誤差問題進(jìn)行深入分析，通過增加環(huán)境監(jiān)測(cè)單元和環(huán)境電磁場(chǎng)空間匹配計(jì)算方法，提出了艦船水下電磁場(chǎng)測(cè)試中環(huán)境電磁場(chǎng)引起的誤差量化計(jì)算方法，并在實(shí)際測(cè)試中得到應(yīng)用。

從計(jì)算結(jié)果來看，環(huán)境電磁場(chǎng)對(duì)于艦船水下電磁場(chǎng)帶來的誤差不可忽略，相對(duì)于艦船水下電磁場(chǎng)的真實(shí)值，環(huán)境電磁場(chǎng)僅作為誤差來表述對(duì)于未來的檢測(cè)不滿足要求，因此下一步的研究工作應(yīng)開展環(huán)境電磁場(chǎng)如何抑制和規(guī)避方法，從而提高艦船水下電磁場(chǎng)測(cè)試的精度。