艦船水下電磁場測量中環境干擾誤差量化分析

冷 潔，蘇建業，程輝輝，崔 培，焦達文，姜楷娜

(1.海軍航空大學青島校區，山東 青島 266041；2.水下測控技術重點實驗室，遼寧 大連 116013)

0 引 言

艦船水下電磁場指的是艦船處于水域當中時，其周圍水域內分布的電場和磁場的總稱，是艦船水下物理場的重要組成部分。由于海洋環境場中已經存在了海洋電磁場，因此，我們直接觀測到的水下電磁場是這些背景場與艦船水下電磁場的合成場，而艦船水下電磁場則是這種合成場與背景場之差[1]。

艦船水下電磁場測試技術是獲取艦船水下電磁場特性的最直接方法。目前測試的不確定度分析，考慮了眾多引入誤差的因素，主要包括環境參數（水深、海水電導率等）、位置信息參數以及測試系統噪聲等。海洋環境天然電磁場場源形式主要為海水運動感應產生的電磁場，由于海水運動感應磁場幅值和頻率與海浪波幅與周期相關[2-5]，其頻帶較窄，一般具有明顯的線譜特征[6]。隨著環境電磁場研究的深入，發現環境電磁場的影響也是測試過程中不可忽略的誤差因子之一，但在目前的測試方法中并未考慮環境電磁場誤差的量化，只是作為背景噪聲進行分析，因此需要將環境電磁場帶來的誤差進行量化，以提高艦船水下電磁場的測試精度。

本文基于環境水下電磁場觀測分析結果，提出了環境電磁場誤差量化的分析方法，并利用實際測試結果對該方法進行初步驗證。

1 環境電磁場特性分析

1.1 幅頻變化規律

本文將24 h連續觀測的數據作為研究樣本，以1 h為間隔，共選取25個典型樣本進行幅頻分析。具體結果如圖1～圖2所示。

圖2 測試頻段內環境觀測結果幅頻對比（0.1～3 kHz）Fig.2 Comparison of environmental observations in test frequency band

可以看出，環境電磁場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 時域變化規律

針對艦船水下電磁場測試的特點，對于變化明顯的DC～10 Hz頻段內的環境電磁場需要重點關注，特別是該頻段內不同頻點的環境電磁場時域變化規律。

同樣利用本次24 h觀測數據，針對關心的頻點進行時域特性分析，具體分析結果如圖3所示。

圖中給出的是部分典型頻點幅值隨時間的變化曲線，分析頻點包括0.1 Hz，0.2 Hz，0.5 Hz，1 Hz和10 Hz，其電勢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，每個頻點的時域波形和幅值變化均存在差異，因此針對艦船水下電磁場測試需要關注的頻點，都需要對對應頻點的環境電磁場幅值進行量化分析。

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

2 環境干擾誤差量化方法

目前測試過程中的環境電磁場分析，只是注重艦船測試前后的環境電磁場采集以及測試期間艦船未通過測試陣列前和通過測試陣列后的電磁場分析，分析主要關注環境電磁場是否存在突變異常方面，尚未將環境電磁場作為一個誤差源引入到測試數據的準確度評價體系當中。為解決這一問題，通過改進測試系統和完善分析方法來完成環境干擾誤差的量化計算。

2.1 測試系統改進

目前艦船水下電磁場測試系統主要采用沉底布放方式，艦船從陣列上方通過，測試船實時獲取被測艦船的水下電磁場數據。

為了實現對環境電磁場干擾誤差的量化分析，認為在盡量不更改系統的前提下，增加環境監測單元。環境監測單元與測試系統的獨立單元完全一致，從而能夠直接接入測試系統中，并實現同步采集。測試時，環境監測單元位于不受被測艦船和測試船影響的區域外，具體距離參數因子由當時被測艦船和測試船自身水下電磁場量級估計確定。

2.2 分析方法完善

經過測試，獲得了艦船水下電磁場測試結果和同步獲取的環境監測單元信號，需要進行信號處理，從而對干擾誤差進行量化計算。經過研究，提出如下處理算法。

假設艦船的水下電磁場信號序列為S5,i={Exi,Eyi,Ezi,A,ti}，其中Exi,Eyi,Ezi為ti時刻的艦船水下電磁場信號，A為測量體方位姿態信息，ti為時間序列。環境水下電磁場信號序列為N5,i={nExi,nEyi,nEzi,nA,ti}，其中nExi,nEyi,nEzi為ti時刻的環境水下電磁場信號，nA為環境監測測量體方位姿態信息，ti為時間序列。

結合艦船測試的航行軌跡，需要將艦船水下電磁場信號以及環境監測的電磁場信號進行坐標變換[7]。

艦船坐標系定義如下：坐標系xOy平面與空氣-海水交界面重合，z軸垂直向下,原點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。設電場傳感器x軸與地理北方向夾角為α，艦船坐標系x軸與地理北方向夾角為θ。

通過下式可將電場傳感器測量坐標系電場強度(Exi,Eyi,Ezi)轉換到艦船坐標系下電場強度(Exi,Eyi,Ezi)：

同時，按照相同的方式將環境觀測的水下電磁場信號(nExi,nEyi,nEzi)也進行變換，變換后為(Exi,Eyi,Ezi)。

考慮到環境空間相關性以及傳感器之間的一致性，對觀測點的環境測試進行匹配系數kfi的求解計算。

圖4是經過坐標變換利用測試系統獲取的環境測試數據（0.01～1Hz），采樣頻率10Hz。

可以看到環境觀測點與測試陣列上獲取的環境場存在一定差異。為消除差異，提出環境匹配參數kfi的提取方法。另外，分析結果表明低頻段的信號還存在著一定的直流偏置擾動，因此首先要去掉信號中的直流偏置擾動。本文采用去趨勢項處理方法，得到結果如圖5所示。

圖4 測試陣列與環境監測點的環境測試對比Fig.4 Comparison of environmental tests between test arrays and environmental monitoring points

圖5 去趨勢項后的信號結果Fig.5 Signal results after trend entry

對于上面處理后的結果進行最大峰峰值求解，具體算法為：

匹配系數kfi的計算公式為：

環境監測點電磁場數據匹配為：

根據式（6），對環境監測點數據進行匹配處理，處理結果與測試陣列的結果對比如圖6所示。

可以看出，匹配后的環境監測點的數據與測試陣列的環境數據一致性較好，滿足誤差量化分析要求。

圖6 匹配后環境監測點結果與測試陣列環境對比Fig.6 Comparison of environmental monitoring point results and test array environment after matching

3 實測結果驗證

圖7是利用本測試系統獲取到的一條漁政船的直流和2.1 Hz軸頻的時域波形。

圖7 漁政船測試結果Fig.7 Test results of fishing vessels

對于海上測試，最終給出的結果為時域波形的最大值。利用本文提出的環境監測分析方法，得到了在直流分量和2.1 Hz測試分量最大值時的環境監測結果為 21.4 μV/m（0.1 Hz）和 0.3 μV/m（2.1 Hz），經過計算由環境水下電磁場引入的漁政船電磁場測試誤差結果分別為7.1%（0.1 Hz）和13.6%（2.1 Hz）。

4 結 語

本文針對艦船水下電磁場測試中環境引起的誤差問題進行深入分析，通過增加環境監測單元和環境電磁場空間匹配計算方法，提出了艦船水下電磁場測試中環境電磁場引起的誤差量化計算方法，并在實際測試中得到應用。

從計算結果來看，環境電磁場對于艦船水下電磁場帶來的誤差不可忽略，相對于艦船水下電磁場的真實值，環境電磁場僅作為誤差來表述對于未來的檢測不滿足要求，因此下一步的研究工作應開展環境電磁場如何抑制和規避方法，從而提高艦船水下電磁場測試的精度。