海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)基本特性及抑制方法研究

江立軍

(海軍駐大連地區(qū)軍代表室，遼寧大連116021)

海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)是艦船測(cè)試的主要背景場(chǎng)，由于環(huán)境電磁場(chǎng)的存在會(huì)對(duì)目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)造成一定影響。海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)的場(chǎng)源眾多，除了由海水運(yùn)動(dòng)感應(yīng)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)之外，還包括海洋大地電磁場(chǎng)以及人為因素形成的電磁場(chǎng)等。由于各種場(chǎng)源產(chǎn)生機(jī)理復(fù)雜，會(huì)在不同的方面表現(xiàn)出各自的特性，只有充分掌握環(huán)境電磁場(chǎng)的基本特性才能更好地為目標(biāo)水下電磁場(chǎng)測(cè)試提供幫助。

傳統(tǒng)的海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)抑制方法大多利用信號(hào)之間的相關(guān)性或者與環(huán)境電磁場(chǎng)之間的差異，簡(jiǎn)單易行的辦法是增加數(shù)據(jù)的平均次數(shù)、濾波和反饋補(bǔ)償?shù)?，但?duì)于微弱信號(hào)來(lái)說(shuō)，線譜信噪比的增強(qiáng)程度有限。文中基于海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)特性的分析結(jié)果，優(yōu)選自適應(yīng)線譜增強(qiáng)技術(shù)作為環(huán)境電磁場(chǎng)的降噪方法。

1 環(huán)境電磁場(chǎng)的基本特性

海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)的基本特性包括時(shí)域特性、頻域特性、相關(guān)特性與極化特性等，分別反映了海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)不同場(chǎng)源的主要特征。以上主要特性的表征方法如圖1所示。

圖1 海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)主要特性表征方法Fig.1 Characterizationmethod for the primary characteristics of underwater electromagnetic field in ocean environment

筆者對(duì)某海域分析得到的大量海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)特性進(jìn)行了總結(jié)，從4個(gè)方面逐一進(jìn)行概述。

海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)的時(shí)域信號(hào)分析如圖2所示，可以看出，海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)信號(hào)隨機(jī)性很強(qiáng)，但是幅值范圍較為穩(wěn)定。同時(shí)從信號(hào)的周期性波動(dòng)來(lái)看，5～10 s是信號(hào)的主要周期，包含了信號(hào)的主要能量。

圖2 海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)的時(shí)域信號(hào)Fig.2 Time domain signals of underwater electromagnetic field in ocean environment

海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)頻譜分析如圖3所示，海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)的主要能量集中在0.001～1 Hz，50 Hz及其倍頻中。它包含了大地電磁場(chǎng)、海流(潮汐)感應(yīng)電磁場(chǎng)、人為因素形成電磁場(chǎng)和大部分海面波浪感應(yīng)電磁場(chǎng)。在1～10 Hz頻帶也占有一定的比例，主要由高頻波浪感應(yīng)產(chǎn)生;在10 Hz～3 kHz頻帶所占比重最小，這部分主要來(lái)自于其他的隨機(jī)干擾。

海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)的自相關(guān)特性要好于互相關(guān)特性，電場(chǎng)的相關(guān)特性要好于磁場(chǎng)的相關(guān)特性。這是由于海洋環(huán)境電磁場(chǎng)的低頻信號(hào)中，電場(chǎng)信號(hào)的主要成分是海水運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電場(chǎng)，場(chǎng)源比較單一，其他環(huán)境電噪聲影響較小，所以具有較好的相關(guān)特性。磁場(chǎng)信號(hào)的成分比較復(fù)雜，特別是受到大地電磁的影響比較突出，所以環(huán)境磁場(chǎng)的相關(guān)性較弱。

海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)低頻分量與高頻分量都有著自身的極化特性。低頻電磁場(chǎng)中，極化特性散點(diǎn)圖呈橢圓狀分布，電磁場(chǎng)極化最強(qiáng)的頻帶為0.5～2 Hz，主要源于海水運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)。高頻段主要體現(xiàn)了工頻信號(hào)的極化情況，這說(shuō)明工頻信號(hào)也是具有極化方向的，并且主要體現(xiàn)為橢圓極化。

圖3 海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)頻譜Fig.3 Spectra of underwater electromagnetic field in ocean environment

2 環(huán)境電磁場(chǎng)噪聲抑制方法

2.1 基本理論

自適應(yīng)濾波器由參數(shù)可調(diào)的數(shù)字濾波器和自適應(yīng)算法兩部分組成［1］，如圖4所示。

圖4 自適應(yīng)濾波器原理Fig.4 Schematic of adaptive filter

輸入信號(hào)x(n)通過(guò)參數(shù)可調(diào)的數(shù)字濾波器后產(chǎn)生輸出信號(hào)y(n)，將其與參考信號(hào)d(n)進(jìn)行比較，形成誤差信號(hào)e(n)。e(n)通過(guò)某種自適應(yīng)算法對(duì)濾波器參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，最終使e(n)的均方值最小。

自適應(yīng)最小均方算法(LMS)是一種很有用且很簡(jiǎn)單的估計(jì)梯度算法，核心思想是用平方誤差代替均方誤差，LMS算法的基本表達(dá)式為:

式中:N代表自適應(yīng)濾波器的階數(shù);w(k)，x(k)代表濾波器權(quán)矢量以及輸入數(shù)據(jù)矢量;e(k)為殘差輸出:

權(quán)矢量為:

式中:μ為自適應(yīng)迭代步長(zhǎng)，用于控制自適應(yīng)的速度和穩(wěn)定性。

2.2 噪聲抑制

圖5 海洋環(huán)境水下高頻電磁場(chǎng)的概率密度Fig.5 Probability density of underwater high-frequency electromagnetic field in ocean environment

自適應(yīng)線譜增強(qiáng)器(ALE)是在帶限白噪聲干擾背景中檢測(cè)未知頻率信號(hào)的有效檢測(cè)器，它實(shí)際是自適應(yīng)濾波器的典型應(yīng)用。由海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)的基本特性可知，在1 Hz～3 kHz頻帶的主要干擾源基本為隨機(jī)干擾，近似服從正態(tài)分布，如圖5所示，可以認(rèn)為海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)為帶限白噪聲。

利用自適應(yīng)線譜增強(qiáng)技術(shù)對(duì)一艘民船的電磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行降噪，處理結(jié)果如圖6所示。

圖6 經(jīng)自適應(yīng)線譜增強(qiáng)之后的處理結(jié)果Fig.6 Processed result after ALE

經(jīng)自適應(yīng)濾波之后，1.6 Hz軸頻電場(chǎng)信號(hào)的信噪比得到了明顯增強(qiáng)，信號(hào)強(qiáng)度增加了6 dB，信號(hào)持續(xù)時(shí)間由原來(lái)的280 s增加為現(xiàn)在的530 s。由此可見(jiàn)，自適應(yīng)線譜增強(qiáng)技術(shù)在艦船電磁場(chǎng)信號(hào)噪聲抑制方面效果顯著，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)

海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)作為艦船目標(biāo)的依存背景，具有一定的規(guī)律性和隨機(jī)性，通過(guò)總結(jié)環(huán)境電磁場(chǎng)在時(shí)域、頻域、相關(guān)和極化方面的基本特性，可以掌握在艦船目標(biāo)測(cè)試中環(huán)境電磁場(chǎng)的影響程度，進(jìn)而提高目標(biāo)測(cè)試精度。

相對(duì)于傳統(tǒng)的相關(guān)法、平均法、濾波和反饋補(bǔ)償法進(jìn)行艦船測(cè)試中的環(huán)境電磁場(chǎng)降噪，自適應(yīng)線譜增強(qiáng)技術(shù)具有一定的優(yōu)勢(shì)，該方法簡(jiǎn)單易行并且信噪比增強(qiáng)程度明顯。然而，自適應(yīng)線譜增強(qiáng)技術(shù)也存在一定的局限性，對(duì)于信噪比較高的線譜效果顯著，但相對(duì)較弱的線譜信號(hào)強(qiáng)度反而有減弱的趨勢(shì)。

為了進(jìn)一步提高艦船電磁場(chǎng)的檢測(cè)能力，還可以運(yùn)用陣列信號(hào)處理理論進(jìn)行噪聲抑制。陣列信號(hào)處理有著非常廣泛的用途，如聲納、雷達(dá)、通信、圖像處理、地質(zhì)勘探、天文探測(cè)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域［2］。將一組傳感器(陣元)按一定方式布置在空間不同的位置上，就形成了傳感器陣列。波束形成就是對(duì)不同陣元接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的運(yùn)算，包括加權(quán)、延遲以及求和等，它是陣列信號(hào)處理的主要組成部分。運(yùn)用陣列信號(hào)處理可以獲得足夠大的信噪比和高的目標(biāo)分辨能力，下一步擬采用相位匹配原理的相干干擾抵消技術(shù)［3—4］和多通道差分自適應(yīng)噪聲抵消技術(shù)［5］進(jìn)行噪聲抑制處理。

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