海洋環境水下電磁場相關特性分析＊

吳 亮 姜元軍

（海軍駐大連地區軍事代表室 大連 116021）

1 引言

海洋環境水下電磁場是水下目標電磁場探測的干擾源，表現出兩個方面的特性：一是合作性；二是對抗性。如何消除環境水下電磁場的對抗性，充分發揮它的合作性是我們需要研究的重要內容，其中一個途徑是研究不同空間位置、不同分量、不同頻帶和不同時間長度海洋環境水下電磁場的相關系數，掌握其相關特性，從而有效抑制環境電磁場以提高對弱電磁場目標的探測能力。

2 海洋環境水下電磁場主要場源

海洋環境水下電磁場的場源眾多，形成機理復雜。根據場源的形式可分為天然電磁場和人為因素形成的電磁場［1～2］。

海洋環境水下電磁場各場源的差異較大，產生電磁場的場強大小、覆蓋頻帶以及影響因素等均不同。從而表現出各自的獨有特性，其中不僅包含隨機噪聲，也存在周期性噪聲并且在一定的海域內有些環境電磁場是相關的。周期性噪聲主要由海水規律性運動引起，海水運動形式主要包括海浪、海流和內波等。

海面是不斷起伏的，海浪運動的周期為0.1s～30s［3］。國外學者研究表明，實際的波浪周期一般都小于10min，典型的波浪周期在10s～20s的范圍內［4］。海浪運動感應的電磁場對海洋電磁探測具有重要影響［5］。目前常用的比較成功的模型是Weaver建立的，該模型計算了海浪產生的磁場［6］。

海流是動力因子和熱力學因子相互制約、相互調整的結果［7］。海流運動在一定的區域內一致性較強，海水感應電場的垂直分量與海水流速和地磁場的水平分量成正比；感應電場的水平分量與海水流速和地磁場的垂直分量成正比［8］。

內波隱匿水中，隨時間和空間隨機性變化，常見的波長為幾十米至幾十千米，內波的產生大多與地形變化有關，所以內波比較容易在近海海域和湖泊內產生［9］。Larsen計算了具有潮汐周期的內波在廣闊海洋底部感應的電場和磁場［10］。

3 海洋環境水下電磁場相關特性

本文主要分析對象為淺海近岸多點測試的海洋環境水下電磁場數據，測量體布放在海底不同的空間位置，分析內容為不同測量體各分量之間、不同測量體同一分量之間的不同頻帶、不同時間長度的相關特性。處理結果如下圖所示，圖中環境電場橫坐標的1、2、3、4表示 DC－5Hz、1Hz～10Hz、2Hz～20Hz和8Hz～20Hz的相關系數，環境磁場橫坐標的1、2、3、4表示 DC－2Hz、1Hz～10Hz、2Hz～20Hz和8Hz～20Hz的相關系數。

相關系數計算公式為：

式中n表示數據長度，x、y表示選擇的數據。圖中的X－Y、X－Z及Y－Z表示電磁場不同分量之間的互相關系數，＃1～＃2、＃1～＃3及＃2～＃3表示電磁場不同測量體同一分量之間的互相關系數（限于篇幅，本文將圖進行精簡）。

圖1 電磁場各分量之間，不同頻帶、不同時間長度的相關系數

首先對比分析海洋環境水下電磁場同一測量體不同分量之間的互相關系數：

1）不同位置處海洋環境電場水平分量之間的相關性均大于其它兩個分量的相關性。

2）海洋環境電場水平分量DC－5Hz和1Hz～10Hz之間的相關性很強。但水平分量與垂直分量低頻電場之間的相關性較弱。

3）對于2Hz～20Hz和8Hz～20Hz的高頻部分，海洋環境電場各分量之間相關性較差。

4）海洋環境磁場不同分量之間的相關性與電場截然不同，總體結果表明，海洋環境磁場在1Hz～10Hz、2Hz～20Hz和8Hz～20Hz高頻段大于低頻磁場（DC－2Hz）的相關系數，而且它們之間的相關性很強（相關系數的絕對值均大于0.5）。此結果與理論分析并不一致，通過頻譜分析發現，1Hz～20Hz頻段出現了許多根不明線譜，它既有可能來源與環境也很有可能存在與系統噪聲中，因此結果有待于進一步驗證。

圖2 不同測量體電磁場之間，不同頻帶、不同時間長度同一分量的相關系數

之后，對比分析環境電磁場不同測量體同一分量之間的互相關系數：

1）海洋環境電場不同測量體同一水平分量之間的相關性均大于垂直分量的相關性。

2）環境電場同一水平分量DC－5Hz和1Hz～10Hz之間的互相關系數均在0.6以上即不同測量體，低頻電場同一水平分量之間的相關性很強。雖然不同測量體垂直分量低頻電場較水平分量弱，但測量體1－測量體2和測量體2－測量體3在DC－2Hz頻帶，它們之間的相關性也較強。

3）對于2Hz～20Hz和8Hz～20Hz的高頻部分，除Y分量2Hz～20Hz頻帶的相關性較強之外，不同測量體同一分量的相關性均非常弱，相關系數小于0.3。

4）海洋環境磁場不同測量體同一分量之間的相關性：低頻磁場（DC－2Hz）除測量體2－測量體3的Y分量之間的相關系數較小之外，其它的相關性均較強，相關系數大于0.4。海洋環境磁場在1Hz～10Hz、2Hz～20Hz和8Hz～20Hz高頻段，不同測量體同一分量之間的相關性較差，相關系數均不大于0.3。

4 結語

總結分析結果，由于天然電磁場中海水運動的規律性導致環境電磁場在低頻段的相關性很強。因此，可以在海底不同空間位置上布放較多的電磁場傳感器，利用數據分析研究不同頻率環境電磁場的相關半徑，從而合理選擇傳感器間距并在相鄰傳感器之間采用自適應抵消技術抑制海洋環境水下電磁場，提高弱電磁場目標信號的檢測能力。

［1］林春生，龔沈光.艦船物理場［M］.北京：兵器工業出版社，2007：249－256.

［2］張自力.海洋電磁場的理論及應用研究［D］.北京：中國地質大學，2009：3－5.

［3］王永斌，陳衛東，杜義.海浪對水下電磁場幅度影響的分析［J］.熱帶海洋學報，2005，24（1）：37－40.

［4］Munk W H，Miller G R，Snodgrass F E.Directional recording of swell from distant storms［J］.Phil Trans Roy Soc，London，1962，254：565－584.

［5］張自力，魏文博，等.海浪感應電磁場的理論計算［J］.海洋學報，2008，30（1）：42－46.

［6］Weaver J T.Magnetic variations associated with ocean waves and swell［J］.Journal of Geophysical Research，1965，70：1921－1929.

［7］Gerkema T，Zimmerman J T F.Zimmerman，Generation of nonlinear internal tides and solitary waves［J］.Phys Oceanogr，1995，25：1081－1094.

［8］林春生，任德奎.海流感應電磁場的分析與計算［J］.海軍工程大學學報，2003，15（4）：19－22.

［9］孫文心，李鳳岐，李磊.軍事海洋學引論［M］.北京：海洋出版社，2011：163－167.

［10］Larsen J.C.Electric and magnetic fields induced by deep sea tides［J］.Geophs.J.Roy.Astron.Soc.，1973，16：47－70.