孫強, 張伽偉, 喻鵬

(1. 海軍工程大學 兵器工程學院，湖北 武漢430033; 2. 海軍士官學校 兵器系，安徽 蚌埠233000)

0 引言

近年來，UUV、AUV、各類水中浮標、滑翔機等新興水下平臺因體積小、數量多、造價低等諸多優(yōu)勢而得到飛速發(fā)展[1-2]。其中，水中探測浮標相比于其他水中平臺具有以下3 點優(yōu)勢：布放靈活，適合大面積布放或臨時機動布放；平臺穩(wěn)定，環(huán)境適應性強，浮標可調節(jié)懸浮于水中任意深度平面，且平臺相對穩(wěn)定，利于各類探測傳感器的目標探測；自持力久，由于浮標不需要動力等其他輔助載荷，除工作系統(tǒng)外可攜帶更多的電池，可根據需要工作更長時間。基于上述3 點優(yōu)勢，探測浮標被廣泛用于民事和軍事用途，比較有代表性的是當前構建的以Argo 浮標為基礎全球實時海洋觀測網[3]，已經覆蓋全球各大洋，美軍的磁探測浮標可對浮標周圍800~2 000 m 范圍內的水中目標進行有效探測。

探測浮標技術和電場探測技術的發(fā)展為水中目標的探測提供了新的途徑。將電場探測與浮標探測相結合能獲得更好的目標探測效果，可充分發(fā)揮電場探測和浮標探測的優(yōu)勢。

國內目前還沒有加裝電場探測系統(tǒng)的浮標，對浮標平臺的電場干擾特性和信號檢測方法缺乏研究，而針對目標電場信號檢測提出了較多的檢測方法，如線譜檢測、匹配濾波、小波分解、能量檢測和自適應門限檢測等[4-13]，與浮標平臺相結合的檢測方法研究較少[14]。

為解決基于浮標平臺的電場測量和信號檢測的問題，本文在海上試驗的基礎上，詳細分析了電場探測浮標不同階段、不同水深的干擾來源及其特性，明確了電場探測浮標的特點，并結合目標電場的信號特征，提出了自適應門限的線譜能量加和檢測方法，實驗結果表明，該方法在保證不降低探測概率的情況下，可有效降低探測虛警率，適用于電場浮標探測。

1 電場探測浮標干擾特性分析

排除浮標自身的電場干擾外，理論上，電場探測浮標的干擾主要來自兩個方面：一是風浪等自然因素引起海水擾動，而切割地磁場產生的感應電場，其大小與風浪大小、測量點水深因素有關，通常情況下風浪越大、測量點越接近水面干擾電場越大，隨著水深的增加而減小，最高可達數十μV/m的量級；另一方面是電場傳感器及導線運動切割地磁場而產生的干擾電場(通常被稱為晃動干擾)。

為了充分分析電場探測浮標干擾特性2019 年9 月在南海某海域開展了實測試驗，測量海域水深2 500 m，浪高1.5 m，距離陸地200 海里。電場測量系統(tǒng)采樣率為1 000 Hz，探測浮標示意圖如圖1所示，浮標工作過程為：布放后下潛至50 m 水深懸浮1 h 后，再下潛至2 002 m 后上浮，下潛至懸浮過程中浮標調節(jié)浮力的電磁閥處于工作狀態(tài)。

布放入水后0~50 m 剛開始下潛過程中的電場三分量及姿態(tài)變化如圖2、圖3 所示，其中圖2(a)~ 圖2(c)為電場三分量經0.5~30 Hz 低通濾波后的時域波形。由圖2(a)~圖2(c)可知下潛過程中電場干擾噪聲的峰峰值Ex為71.1 μV/m、Ey為1.3 μV/m、Ez為2.5 μV/m，從Ex分量可知存在較明顯的干擾“毛刺”，除“毛刺”外其量級也是在 1~ 3 μV/m。圖2(d)為電場三分量未經濾波在DC~ 30 Hz 內的頻譜，由干擾電場頻譜圖2(d)可知，其干擾能量主要集中在0.5 Hz 以下，Ez分量還存在線譜干擾。需要說明的是，為降低低頻干擾，采取通帶為0.5~30 Hz 的2 階巴特沃爾斯數字濾波器，其在 0.3 Hz 處衰減約為10 dB，0.2 Hz 處衰減約為 20 dB，但濾波后0.5 Hz 以下的干擾能量還是大于0.5 Hz 以上頻段，干擾峰值仍然集中在0.5 Hz 以下。由圖3 可知，在下潛過程中浮標存在較大的晃動角度，各方位角的波動值分別為俯仰角18.3°、橫滾角16.4°、方位角23.5°，而從晃動角度的頻譜可知其能量也主要集中在0.5 Hz 以下，在0.15 Hz、0.39 Hz 附近存在尖峰。

圖2 下潛過程中電場三分量及頻譜Fig. 2 Three components and spectrum of the electric field in the diving process

布放入水后50 m 處懸停過程中截取的部分數據電場三分量(0.5~30 Hz 帶通濾波)及姿態(tài)變化如 圖4、圖5 所示。由圖4 可知，懸浮過程中電場干擾噪聲的峰峰值Ex為 36.3 μV/m 、Ey為 1.5 μV/m、Ez為1.2 μV/m。由圖5 可知，在懸停過程中浮標存在較大的晃動角度，各方位角的波動值分別為：俯仰角16.0°、橫滾角22.1°、方位角20.2°，晃動譜可得到與下潛過程中相同的結論。

由懸浮再到下潛過程中的電場三分量(0.5~30 Hz帶通濾波)及姿態(tài)變化如圖6、圖7 所示，圖中浮標在2 500 s左右開始勻速下潛。由圖6和圖7可知，再次勻速下潛時干擾電場和晃動角度都明顯減小，電場峰峰值Ex降到0.2 μV/m、Ey為0.3 μV/m、Ez為 0.6 μV/m，Ex分量的“毛刺”干擾也消失，Ez分量的線譜干擾也消失，晃動角度也降到俯仰角0.9°、橫滾角1.8°、方位角10.4°。

圖6 由懸浮到下潛過程中的電場Fig. 6 Electric field from floating to diving

圖7 由懸浮到下潛過程中浮標姿態(tài)變化Fig.7 Buoy attitude from suspension to dive

實測數據進一步分析表明：200 m 以下水深的電場干擾三軸分量峰峰值在0.1 μV/m 附近，浮標晃動角度也在0.3°左右。

通過電場探測浮標海上試驗數據分析可得到以下4 點結論：

1)探測浮標在0~50 m 水深較淺深度，干擾電場較大，在μV/m 的量級，浮標晃動角度也較大，對比圖2 和圖3，圖4 和圖5，可知晃動峰值頻率與干擾電場的頻率是一致的(集中在0.5 Hz 以下)，說明電場干擾主要源于晃動干擾和海浪感應電磁場干擾。

圖3 下潛過程中浮標姿態(tài)變化Fig. 3 Buoy attitude in the diving process

圖4 懸浮過程中電場三分量及頻譜Fig. 4 Three components and spectrum of the electric field during floating

圖5 懸浮過程中浮標姿態(tài)變化Fig. 5 Buoy attitude during floating

2)浮標電磁閥工作會對電場產生脈沖干擾，Ez分量還存在線譜干擾(主要原因是由于z軸分量兩個傳感器分別位于浮標浮力調節(jié)裝置的兩端，受干擾較大，而水平分量則在浮標的底部、干擾相對較小)。

3)浮標在50 m 水深懸浮時，其晃動干擾與0~50 m 下潛過程中相當，當穩(wěn)定一段時間后繼續(xù)下潛，晃動和電場干擾明顯減小。

4)隨著深度增加，干擾電場逐漸減小，干擾電場峰峰值可低至0.1 μV/m 的量級，俯仰和橫滾角的變化在0.1°量級。

2 電場探測浮標信號檢測算法

由第1 節(jié)分析可知，浮標由于自身晃動的原因，難以對艦船靜電場信號進行探測(靜電場信號頻率一般在DC~0.5 Hz，極易受到晃動和海浪干擾)，而起源于軸系轉動調制軸電流產生的軸頻電場[15-16]，其頻率主要集中在0.5 ~30 Hz，且在頻域呈明顯的線譜特征[17-19]，因此在浮標平臺較為有效的方法是對艦船的軸頻電場進行檢測。然而電場探測浮標對軸頻電場信號檢測存在以下2 個難點： 1)不同船舶之間軸頻電場信號的量級差別較大，且受浮標與船舶之間的距離影響較大，因此在采用傳統(tǒng)的能量檢測法對軸頻電場信號檢測時，難以確定信號的檢測門限；2)試驗中所用的浮標平臺由于晃動和浮力調節(jié)裝置的工作會存在較大的干擾，易造成檢測算法的虛警。為解決上述問題1，通常采用基于自適應門限的線譜能量檢測方法，信號檢測流程如圖8[20]所示。

圖8 線譜能量檢測流程Fig. 8 Line spectrum energy detection process

信號的檢測步驟具體如下：

步驟1對時間窗t0內電場信號x(t)進行FFT計算，得到其信號的頻譜Xfft并去除直流分量，得到結果為XFFT。

步驟2對XFFT進行能量歸 一 化(排除不同艦船源強度大小和距離對檢測的影響)。

步驟3根據歸一化能量，計算每個頻點的檢測門限值Xthreshold，門限值為自適應浮動門限與固定門限相結合其值為

式中：Median(·)表示中值濾波運算符；Δ為固定門限向量。由于檢測過程中XFFT是實時變化的，從而Xthreshold是變化的，即Xthreshold為自適應門限。

步驟4比較歸一化能量XFnFoTrm與門限Xthreshold的大小，疑似線譜判斷向量

式中：凡是Xt＞Xthreshold,t的Yt=1則表明對應的頻率Ft上存在疑似線譜，其他則Yt=0表示不 存在。

步驟5隨著時間窗t0的向前滑動，會得到各時刻的疑似線譜Yt，假設以M為積分寬度，則M寬度內的積分結果可表示為

步驟 6判斷Pt是否大于某一設定值D(1≤D≤M，且D為整數)，大于則判斷對應的頻點檢測到疑似目標。

仿真和試驗驗證表明本文算法可有效解決浮動門限的問題，其優(yōu)點是能準確得到出現(xiàn)疑似線譜的頻率，但是存在較高的虛警，其無法甄別浮標電場測量中如圖2(d)的線譜干擾。為解決虛警的問題，本文提出圖9 所示自適應門限的線譜能量加和檢測方法。

圖9 自適應門限的線譜能量加和檢測流程Fig. 9 Self-adaptive threshold line spectrum energy detection process

新的算法在“計算特征值”和“計算門限值”時做了較大的改變：

首先，“疑似線譜提取”，采用基于自適應門限的線譜能量檢測相同的做法(步驟 2~ 步驟4)。

然后，“計算特征值”特征值Pt為頻帶內的疑似線譜點譜值之和。

而后，“計算門限值”，計算門限不再需要進行中值濾波，而是通過以下公式獲得：

式中：m為門限因子為設定的常數；Pave表示當前時刻前w個時間窗內特征值的均值。由于檢測過程中Pt是實時變化的，從而Xthreshold是變化的，即Xthreshold仍為自適應門限。與圖8 算法不同的是，新的算法只能得到檢測到目標的時刻，不能給出檢測到的具體線譜頻率。

3 仿真與實測數據分析

為分析對比檢測算法改進前后的性能，首先進行仿真分析，通過大量實測試驗數據分析表明，水面船舶軸頻電場信號源強度在幾十至 數百A·m[13]。為研究一般信號強度下的檢測性能，仿真中假設水平時諧電偶極子模擬源強度為50 A·m，信號頻率為1 Hz，并存在2 Hz、3 Hz 的倍頻信號，疊加峰值為20 μV/m 的高斯噪聲，電偶極子方向為x軸方向，考慮正橫距離為0 m時，距離200 m 處信號峰值約為0.54 μV/m，利用本文改進算法與圖8 所示的線譜能量檢測算法對電場縱向分量檢測，仿真次數1 000 次，得到ROC(receiver operating characteristic curve)曲線如圖10 所示，由圖10 可知，本文改進后的算法較原算法性能有明顯提升。

圖10 仿真數據ROC 曲線對比Fig. 10 Comparison of ROC curves of simulation data

進一步利用浮標平臺在水面實測的42 組不同目標通過的電場數據，分析得到算法改進前后的ROC 曲線如圖11 所示。需要說明的是：實測數據基本上為不同的水面船舶，且不同船舶正橫距離有所差異，不同船舶的信號大小也有差異。由圖11可知，在200 m 距離上，本文改進后的算法較原算法性能明顯提升。

圖11 實測數據ROC 曲線對比Fig. 11 Comparison of ROC curves of measured data

選取圖12 所示兩個不同的實船電場x軸分量進行單獨分析，其中圖12(a)為某貨船的測量結果，圖12(b)為貨船通過時400~500 s 時間窗內的頻譜，圖12(c)為1 千噸左右的小型運油船，圖12(d)為300~400 s 內的頻譜。由圖12 可知，貨船、運油船低頻電場通過特性差異明顯，貨船的電場還存在較大的干擾，大約在426 s 附近通過探測平臺，運油船約在361 s 附近通過探測平臺。

圖12 兩艘船舶實測低頻電場Fig. 12 Measured low-frequency electric fields of two real ships

前述兩種檢測算法的檢測結果如圖13 所示。由圖13(a)可知對于貨船原檢測算法在395 s 附近檢測到了清晰的線譜倍頻信號，但在其他時刻出現(xiàn)了較多的擾動信號，由圖13(b)改進算法在371 s 附近檢測到了的低頻電場信號，且不存在擾 動誤判；由圖14(a)可知：對于運油船原檢測算法存在較多擾動，基本無法準確判斷何時檢測到運油船的電場信號及其頻率，由圖14(b)改進算法在380 s 附近檢測到了運油船的低頻電場信號，且不存在擾動誤判。

圖13 貨船電場檢測結果Fig. 13 Electric field detection results of a cargo ship

圖14 運油船電場檢測結果Fig. 14 Electric field detection results of a tanker

上述結果表明，自適應門限的線譜能量雖然檢測距離大于本文的改進檢測算法，但從抗干擾的角度后者更適合艦船電場探測浮標。

4 結論

本文通過電場探測浮標在深遠海的試驗研究，明確了浮標平臺電磁閥工作會對安裝在其附近的電場傳感器產生干擾，浮標在近海水表面易受到海浪和浮標晃動的干擾，該部分干擾峰值集中在0.5 Hz以下，隨著浮標工作深度的加深晃動及電場干擾逐漸減小，在200 m 水深附近浮標晃動角度在0.3°以內，電場干擾峰峰值量級為0.1 μV/m。進一步對電場探測浮標信號檢測算法的研究表明，自適應門限的線譜能量加和檢測方法探測概率高、虛警率低，適合應用于浮標探測平臺。