曹軍宏 劉 莎 蘇建業(yè) 劉 飛

（1.中國(guó)人民解放軍92942部隊(duì) 北京 100161）（2.大連測(cè)控技術(shù)研究所 大連 116013）

1 引言［1～8］

隨著海洋開(kāi)發(fā)、漁業(yè)資源保護(hù)、軍事應(yīng)用等領(lǐng)域研究的需求，水下低頻電場(chǎng)方面?zhèn)涫荜P(guān)注，國(guó)際上涌現(xiàn)了各式各樣的海洋水下低頻電場(chǎng)測(cè)量裝置和設(shè)備。近幾年，國(guó)內(nèi)水下電場(chǎng)測(cè)量傳感器、裝置和設(shè)備研究也發(fā)展快速，在研究過(guò)程中最重要的一環(huán)是對(duì)新研的傳感器、裝置甚至設(shè)備系統(tǒng)的性能進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，并且一般在完成實(shí)驗(yàn)室測(cè)量/校準(zhǔn)后，下一個(gè)階段則是需要在理想的濱海海域進(jìn)行一系列的海上性能測(cè)量驗(yàn)證。因此，準(zhǔn)確掌握驗(yàn)證海域的環(huán)境特性，可因地制宜的設(shè)計(jì)性能驗(yàn)證方案，大幅提升傳感器、裝置及設(shè)備的驗(yàn)證效率。

項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了一套5節(jié)點(diǎn)電場(chǎng)水下環(huán)境觀測(cè)裝置，采用了線列陣結(jié)構(gòu)，選擇在大連某特定海域，開(kāi)展了歷時(shí)1年期的水下電場(chǎng)環(huán)境觀測(cè)，獲取了該海域一批很有價(jià)值的水下電場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，得到了一些有重要意義的結(jié)論，同時(shí)對(duì)掌握特定海域水下低頻電場(chǎng)背景變化規(guī)律研究具有一定的指導(dǎo)意義。

2 觀測(cè)試驗(yàn)具體情況

本次環(huán)境觀測(cè)試驗(yàn)是在明確的需求下開(kāi)展的，關(guān)注頻率為DC-0.5Hz，研究海洋環(huán)境電場(chǎng)所用到的測(cè)試系統(tǒng)為長(zhǎng)基線水下電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)。它由4只銀/氯化銀電極構(gòu)成，分別為補(bǔ)償電極、參比電極和兩個(gè)測(cè)量電極組成，系統(tǒng)測(cè)量頻率范圍為DC-10Hz，電極最大間距可達(dá)40m，用于獲取水下電場(chǎng)數(shù)據(jù)。長(zhǎng)基線系統(tǒng)通過(guò)增大電極間距獲得空間增益，進(jìn)而提高對(duì)微弱信號(hào)的感知能力，其測(cè)量信號(hào)可反映環(huán)境電磁場(chǎng)大尺度變化情況。長(zhǎng)基線電場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量示意圖1和布放位置如圖2所示。

圖1 長(zhǎng)基線電場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量示意圖

圖2 長(zhǎng)基線電場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)布放區(qū)域示意圖

本次布放位置距離碼頭675m，整體呈南北向布放，經(jīng)海上位置標(biāo)定，測(cè)量電極1距離參比電極18.3m，測(cè)量電極2距離參比電極42.4m，補(bǔ)償電極距離測(cè)量電極2的距離為39.6m。具體布放如圖2所示，圖中白球?yàn)楹４不欣|式三分量水下電、磁場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)。

觀測(cè)的時(shí)間為2010年6月至2011年6月共計(jì)13個(gè)月，觀測(cè)方式包括24h連續(xù)觀測(cè)、特定時(shí)間點(diǎn)年度觀測(cè)及特定海況觀測(cè)等，測(cè)試系統(tǒng)采樣頻率100Hz。

3 統(tǒng)計(jì)分析方法

以往的分析方法主要是針對(duì)短基線電場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域波形結(jié)構(gòu)、頻譜分布以及相關(guān)特性的提取，從分析結(jié)果中無(wú)法準(zhǔn)確掌握大尺度、長(zhǎng)周期的海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)統(tǒng)計(jì)特性，在海洋開(kāi)發(fā)和軍事應(yīng)用領(lǐng)域可利用程度不高，對(duì)新研系統(tǒng)的整體性能評(píng)價(jià)也難以提供充足的數(shù)據(jù)支撐。

測(cè)試系統(tǒng)觀測(cè)的數(shù)據(jù)主要來(lái)源于天然電磁場(chǎng)源。天然電磁場(chǎng)包括大地電磁場(chǎng)、海流和海洋波浪產(chǎn)生的電磁場(chǎng)、物理化學(xué)成因的電磁場(chǎng)以及生物電效應(yīng)等幾類(lèi)電磁場(chǎng)［9］，其中海洋大地電磁場(chǎng)和海浪感應(yīng)電磁場(chǎng)為其主要場(chǎng)源。海洋大地電磁場(chǎng)具有明顯的空間和時(shí)間分布規(guī)律性，由于海水媒質(zhì)具有高電導(dǎo)性，對(duì)高頻電磁波具有強(qiáng)烈的吸收作用，因此海洋大地電磁場(chǎng)能量主要集中在0.001Hz～10Hz頻段［10～11］；海面波浪感應(yīng)產(chǎn)生電磁場(chǎng)的周期與波浪的周期一致，其頻率范圍主要集中在0.08Hz～0.5Hz，涌浪產(chǎn)生的電磁場(chǎng)幅度較大，頻率約為0.1Hz［12～13］。

項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了一套5節(jié)點(diǎn)電場(chǎng)水下環(huán)境觀測(cè)裝置，采用了線列陣結(jié)構(gòu)，選擇在大連某特定海域，開(kāi)展了歷時(shí)1年期的水下電場(chǎng)環(huán)境觀測(cè)，獲取了該海域一批很有價(jià)值的水下電場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，得到了一些有重要意義的結(jié)論，同時(shí)對(duì)掌握特定海域水下低頻電場(chǎng)背景變化規(guī)律研究具有一定的指導(dǎo)意義。

本次分析則是根據(jù)設(shè)備驗(yàn)證需求進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，本次的驗(yàn)證設(shè)備是用于目標(biāo)的水下穩(wěn)態(tài)電場(chǎng)測(cè)量，根據(jù)設(shè)備測(cè)量特點(diǎn)，現(xiàn)設(shè)計(jì)環(huán)境時(shí)變幅度統(tǒng)計(jì)分析具體步驟如下。

1）數(shù)據(jù)源

本論文分析的數(shù)據(jù)主要來(lái)源于測(cè)量電極1，電勢(shì)U為

2）低通濾波

目標(biāo)水下穩(wěn)態(tài)電場(chǎng)測(cè)量的頻段為DC-0.1Hz，最大可擴(kuò)展到0.5Hz，因此環(huán)境觀測(cè)數(shù)據(jù)采用了DC-10Hz頻段，采樣率設(shè)置為100Hz。原始數(shù)據(jù)先降采樣為20Hz，再進(jìn)行低通濾波，濾波器采用But?terworth濾波器，階數(shù)設(shè)置為4，頻段設(shè)置為DC-0.5Hz，濾波器具體如圖3所示。

圖3 0.5Hz的低通Butterworth濾波器示意圖

3）時(shí)域波動(dòng)幅度統(tǒng)計(jì)

根據(jù)驗(yàn)證需求，對(duì)環(huán)境觀測(cè)數(shù)據(jù)采用滑動(dòng)窗累計(jì)時(shí)域波動(dòng)幅度，滑動(dòng)窗采用100s，滑動(dòng)間隔設(shè)置為5s，覆蓋率95%，時(shí)域波動(dòng)幅度Umax獲得的具體步驟為

（1）滑動(dòng)窗數(shù)據(jù)為datai，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為20Hz×100s，該窗內(nèi)數(shù)據(jù)的時(shí)域幅度波動(dòng)最大值Umaxi為：

（2）采用循環(huán)模式，對(duì)每一個(gè)觀測(cè)時(shí)間段環(huán)境觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)域幅度波動(dòng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)：

（3）每個(gè)時(shí)間段觀測(cè)數(shù)據(jù)的幅度波動(dòng)Ua：

（4）每個(gè)時(shí)間段觀測(cè)數(shù)據(jù)的幅度波動(dòng)平均值Ub：

4 分析結(jié)果

利用上述統(tǒng)計(jì)分析方法，針對(duì)獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了相關(guān)分析。

1）環(huán)境電場(chǎng)（DC-0.5Hz）幅度日變化趨勢(shì)

針對(duì)2010年10月25日9：00-21：00的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，分析結(jié)果包括每個(gè)時(shí)間段觀測(cè)數(shù)據(jù)的幅度波動(dòng)Ua，每個(gè)時(shí)間段觀測(cè)數(shù)據(jù)的幅度波動(dòng)平均值Ub。

圖4給出的是1天內(nèi)連續(xù)觀測(cè)的分析結(jié)果，時(shí)域幅度波動(dòng)趨勢(shì)較為明顯。從整體結(jié)果上看，在該分析方法下時(shí)域幅度波動(dòng)大約在1.5mV-4mV之間，日變趨勢(shì)較為明顯，將圖4展示的特征規(guī)律再進(jìn)一步詳細(xì)拆分分析。

圖4 2010年10月25日觀測(cè)分析結(jié)果

圖5是每個(gè)小時(shí)的10分鐘觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)變波動(dòng)，可以清楚的看到從早上9點(diǎn)到晚上21點(diǎn)，近似成正態(tài)分布，即早晚幅度最小，15點(diǎn)時(shí)變幅度波動(dòng)最大。但上午11點(diǎn)和晚上20點(diǎn)有獨(dú)立的較大值，考慮可能與附近城市集中用電有一定關(guān)系。觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，時(shí)變波動(dòng)幅度最大值為1.5mV，最小值為0.30mV，最大值和最小值比為5∶1。

圖5 環(huán)境電場(chǎng)時(shí)變波動(dòng)趨勢(shì)

圖6是環(huán)境電場(chǎng)日變波動(dòng)趨勢(shì)分析結(jié)果，從趨勢(shì)看從早上9點(diǎn)到晚上21點(diǎn)呈下降趨勢(shì)，其中13點(diǎn)出現(xiàn)凹點(diǎn)，晚上21點(diǎn)時(shí)變平均幅值最小。其中最大值出現(xiàn)在11點(diǎn)，最大幅值為3.5mV，最小值出現(xiàn)在21點(diǎn)，最小幅值為1.7mV，最大值與最小值差為1.8mV。

圖6 環(huán)境電場(chǎng)日變波動(dòng)趨勢(shì)

2）環(huán)境電場(chǎng)（DC-0.5Hz）幅度月變化趨勢(shì)

利用年度觀測(cè)數(shù)據(jù)集（每個(gè)月任意一天10點(diǎn)的觀測(cè)結(jié)果），進(jìn)行了年度變化趨勢(shì)的統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果包括每個(gè)時(shí)間段觀測(cè)數(shù)據(jù)的幅度波動(dòng)Ua，每個(gè)時(shí)間段觀測(cè)數(shù)據(jù)的幅度波動(dòng)平均值Ub。

圖7給出了2010年1月-12月的環(huán)境電場(chǎng)月變化幅度趨勢(shì)，從整體趨勢(shì)上看，每個(gè)月的采集時(shí)間段波動(dòng)幅度差異較大，但平均幅度波動(dòng)變化較小，將圖7展示的特征規(guī)律再進(jìn)一步詳細(xì)拆分分析。

圖8給出了每個(gè)月某天10點(diǎn)的時(shí)變波動(dòng)趨勢(shì)圖，從圖中看到時(shí)變幅度波動(dòng)最大值為3.9mV，最小值為0.8mV，最大值與最小值比為5：1。從趨勢(shì)來(lái)看離散度較大，不具備一定的趨勢(shì)，經(jīng)過(guò)考慮認(rèn)為主要原因來(lái)自于兩個(gè)方面，一方面是每個(gè)測(cè)試時(shí)間段采樣長(zhǎng)度差異較大，這可以從圖7中看的出來(lái)；第二方面是每個(gè)測(cè)試時(shí)間段環(huán)境因素例如風(fēng)速、海況、海流等差異較大，導(dǎo)致測(cè)量時(shí)間段內(nèi)的波動(dòng)差異較大。因此，認(rèn)為該特征無(wú)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，離散度大，建議未來(lái)在觀測(cè)過(guò)程中應(yīng)詳細(xì)記錄環(huán)境參數(shù)，并盡可能增加觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)。

圖7 環(huán)境電場(chǎng)月變化趨勢(shì)

圖8 環(huán)境電場(chǎng)時(shí)變波動(dòng)趨勢(shì)

圖9給出了2010年1月-12月10：00點(diǎn)觀測(cè)的月變化趨勢(shì)，從月變化趨勢(shì)中可以看到，變化趨勢(shì)最大值4.1mV，變化最小值為2.7mV，一年的月變化趨勢(shì)不大，主要集中在2.7mV～4.1mV內(nèi)，年度同一時(shí)段觀測(cè)數(shù)據(jù)幅度波動(dòng)為34%。

圖9 環(huán)境電場(chǎng)月變化幅度趨勢(shì)

5 結(jié)語(yǔ)

利用2010年獲取的歷時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)，針對(duì)驗(yàn)證裝置的驗(yàn)證需求，通過(guò)本文的分析，得到了需要掌握的相關(guān)情況，總結(jié)歸納如下：

1）時(shí)變化趨勢(shì)明顯，從9：00-21：00，每個(gè)小時(shí)的觀測(cè)點(diǎn)的幅度變化呈現(xiàn)正態(tài)分布；上午11點(diǎn)和晚上20點(diǎn)有獨(dú)立的較大值，考慮可能與附近城市集中用電有一定關(guān)系。

2）日變波動(dòng)趨勢(shì)，從早上9點(diǎn)到晚上21點(diǎn)呈下降趨勢(shì)，其中13點(diǎn)出現(xiàn)凹點(diǎn)，晚上21點(diǎn)時(shí)變平均幅值最小。

3）一年之內(nèi)同一時(shí)刻的觀測(cè)結(jié)果，觀測(cè)點(diǎn)波動(dòng)呈現(xiàn)特征離散度高，但月變化趨勢(shì)則趨于平穩(wěn)，變化趨勢(shì)最大值4.1mV，變化最小值為2.7mV，一年的月變化趨勢(shì)不大，主要集中在2.7mV～4.1mV內(nèi)，年度同一時(shí)段觀測(cè)數(shù)據(jù)幅度波動(dòng)為34%。

針對(duì)DC-0.5Hz頻段內(nèi)的穩(wěn)態(tài)電場(chǎng)分析結(jié)果，結(jié)合前期環(huán)境數(shù)據(jù)已有的分析結(jié)果和統(tǒng)計(jì)規(guī)律，認(rèn)為現(xiàn)有分析結(jié)果基本可以滿足測(cè)量裝置性能驗(yàn)證的需求，當(dāng)然在分析過(guò)程也發(fā)現(xiàn)了由于受到采樣點(diǎn)和其它環(huán)境參數(shù)影響，建議在測(cè)量過(guò)程中應(yīng)充分考慮環(huán)境參數(shù)條件，從而降低外部環(huán)境條件帶來(lái)的影響。同時(shí)，對(duì)于環(huán)境觀測(cè)也需要提高對(duì)環(huán)境參數(shù)同步觀測(cè)的需求，細(xì)化外部環(huán)境參數(shù)的記錄，提高數(shù)據(jù)分析的置信度。