典型淺海海域海洋環境電場空間相關性分析

陳 醒，岳瑞永，姜楷娜，趙 哲

(大連測控技術研究所，遼寧 大連 116013)

0 引 言

海洋環境電場作為艦船測試的主要背景場有著重要的研究價值。海洋中存在多種電場效應，根據場源的形式可分為天然電場和人為因素形成的電場。天然電場主要包括海洋大地電場、海水在地場中運動產生的感應電場兩部分；人為因素形成的電場主要來源于沿海工業設施產生的工頻干擾。為了充分掌握海洋環境電場特性，支撐艦船電場信號檢測，本文基于歷史觀測的海洋環境電場數據，對海洋環境電場時頻典型特性及空間相關性進行分析，確定了典型頻段環境電場主要特征，可為艦船信號提取提供依據[1–4]。

國內外學者對海洋環境電場做了相關研究。蔡岳豐等[5]根據點電極、電偶極子等不同種類模型對海洋環境電場分類進行論述。崔培[6]利用三分量水下電場測量裝置對大連附近海域進行觀測，得到了海洋環境電場幅值、峰值的主要分布特征。Hermand[7]對海洋中產生電場的各種場源從頻率和振幅特征進行了定性分析。Lil-ley[8]研究了澳大利亞南部海域的海浪電場功率譜情況。瑞典國防研究局人員利用三分量水下電場傳感器對瑞典西海岸海域的海洋環境水下電場進行了長達10個月的觀測，測量覆蓋了數MHz～20 Hz頻率范圍，觀測到了地磁脈動和雷電產生的舒曼諧振現象[9]。從上述研究成果來看，目前國內外環境電場研究主要限于時頻域的分析，對不同空間位置的電場相關性研究相對較少。本文將從時頻域、極化方向、空間相關性多角度研究海洋環境電場，初步得到淺海海域環境電場空間相關性的基本特征。

1 海洋環境電場數據預處理

利用水下電場測量系統對北黃海海域進行長時間觀測。該系統由2個水下測量節點組成，通過采用分布式采集和有纜式傳輸方式，可同步獲取海底多節點的水下電場矢量測量數據，并可獲取測量體方位、姿態等信息參數。環境電場數據取自2019年7月30日下午4點，測量環境為海況2級，海面5～6級風，電導率為4.55 S/m，水溫為23.3 ℃，試驗海域水深10 m，兩測量體間距為20 m，選取測量數據中典型時間段的樣本進行分析。

為了便于不同測量節點數據的統一分析，通過坐標系轉換將傳感器測量數據轉換到北東坐標系，方向為地理北方向，方向為地理東方向。另外考慮到海洋環境電場多源特征，基于相關理論分析結果，根據場源不同大致可分為海流信號、海面波浪信號、地磁擾動、雷電干擾等，將電場信號劃分為DC～0.1 Hz，0.1 Hz～1 Hz，1 Hz～5 Hz，5 Hz～10 Hz這 4 個頻帶,對這 4 個頻段采用不同頻率分辨率進行精細化頻譜分析。

2 環境電場信號的時頻特性、矢量極化方向特征分析

經過預處理得到的環境信號單獨從時域或頻域觀察信號不能充分體現環境電場信號特征，只有從時間和頻率以及極化方向的角度同時表征信號，才能更全面、更細致地反映信號的特性，因此需要對信號進行時域、頻域、極化特性分析。

2.1 信號的時域特征分析

環境電場幅值是測量得到的最基本物理量，其變化規律反映了海洋環境電場最普遍的特征。圖1為海洋環境電場不同測量體不同頻段不同分量的典型樣本數據時域分析圖。

圖1 不同測量體、不同頻段、不同分量樣本數據時域分析曲線Fig. 1 Time domain analysis curves of sample data of different measuring bodies, different frequency bands,and different components

由圖可知，雖然時域低頻電場信號隨機性都很強，但是其幅值振動的情況是較為穩定，其中DC～0.1 Hz，0.1 ～1 Hz頻段中2個測量體的環境電場信號有一定相位差，但振幅趨勢一致，DC–0.1 Hz相關性較差，0.1 ～1 Hz相關性較好，1 ～5 Hz兩環境電場區別較大，5 ～10 Hz兩環境電場數據重合度較高，相關性較好。為了研究以上現象產生的原因，需要進行環境電場信號的頻域特征分析。

2.2 信號的頻域特征分析

與環境時域特征分析相對應，信號的頻域特征需要通過計算信號功率譜進行分析與研究。由于不同測量體電場分量、電場分量的頻譜特征基本一致，僅對比不同頻段下環境電場分量的頻譜圖，得出環境電場頻域特征。選取測量數據中長400 s的樣本進行頻域分析，頻域分辨率接近0.001 Hz，分析曲線如圖2所示。

圖2 不同頻段樣本數據頻域分析曲線Fig. 2 Frequency domain analysis curves of sample data of different measuring bodies, different frequency bands, and different components

從圖 2 可知，DC～0.1 Hz、0.1 ～1 Hz、1 ～5 Hz這3個頻段均存在明顯的譜峰特征，其中DC～0.1 Hz,0.1 –1 Hz頻段的電場峰值頻率分別為0.003 Hz，0.15 Hz左右。經分析是海洋涌浪和表面波浪運動感應產生的電場[10]。在1 ～5 Hz的環境電場頻率峰值出現在1.5 Hz左右，經分析是地磁擾動引起的電場變化以及一些環境隨機信號[11]。5～10 Hz的環境電場頻率峰值出現在左右，符合舒曼諧振特征。舒曼諧振基頻以7.5 Hz為中心，在地球表層與電離層之間形成諧振腔，對雷電某些特定頻點的電磁波能量具有放大作用[9]。從圖2結合圖1綜合分析，在DC～0.1 Hz，0.1 ～1 Hz這2個頻段易受海洋波浪和涌浪影響，兩環境電場信號有一定相位差。0.1 ～1 Hz相關性較好；1 ～5 Hz兩環境電場相關性較差，主要是因為該頻段地磁擾動、環境信號帶來的隨機性。5 ～10 Hz環境電場相關性較好，經分析是因為“舒曼諧振”成分為該頻段主要能量，該信號具有一定的空間均勻性。

2.3 信號的極化方向特征分析

環境電場信號具有一定的方向性，本文對不同頻段信號水平分量的極化特性進行研究，如圖3所示。

從圖3可知，DC～0.1 Hz測量體2的環境電場極化方向發散，與測量體1電場極化方向有一定偏差，相關性較差；0.1～1 Hz，5 ～10 Hz頻段，兩電場信號存在明顯的極化方向且極化方向一致，相關性較好；1 ～5 Hz頻段內，兩電場信號極化方向相反，且測量體2的環境電場極化方向發散，相關性較差。

3 環境電場信號歸一化相關性分析

為了準確給出4個頻段的空間相關性，研究電場各測量體各頻段各分量之間的內在關聯，對環境電場信號進行歸一化相關性分析是十分重要的，以下給出相關性定義。

定義信號x(t)和y(t)的互相關函數為：

通過對環境電場互相關分析可以得到圖4曲線，橫坐標代表的是偏移時間，縱坐標代表2個測量體的歸一化互相關度值。當互相關度峰值對應的偏移時間越接近零，表示兩環境電場信號相關性越好。

圖3 不同測量體、不同頻段、不同分量樣本數據極化圖Fig. 3 Polarization diagram of sample data of different measuring bodies, different frequency bands, and different components

4 環境電場信號的相位補償

相位補償是讓信號不再超前或延時，實現在電場同步下的細微調節。從環境電場相關性分析可知，兩環境電場信號相位有所偏差，通過選取環境電場相關度峰值點對應的偏移時間對環境電場信號進行相位補償，分析結果如圖5所示。

圖4 不同分量環境電場歸一化相關性曲線Fig. 4 Normalized correlation curves of environmental electric fields with different components

從圖5對比兩測量體、不同分量補償前后的環境電場信號可以發現：

圖5 三個頻段的相位補償Fig. 5 Phase compensation for three frequency bands

5 結 語

本文通過對中國北黃海某淺水海域不同測量體測得的環境電場數據進行了分析。通過坐標系轉換和分頻濾波對進行預處理，分析其各頻段的時頻域、極化方向的信號特征。對不同測量體、不同頻段、不同分量的信號特征進行描述，對產生的峰值信號分析其原因。對海洋環境電場信號進行空間相關性分析，結果表明，頻段的環境電場相關性較好，頻段環境電場相關性較差，驗證了環境電場相關性易受海浪、“舒曼諧振”影響。對環境電場信號按照環境電場相關性偏移時間進行相位補償，可以發現其相關性得到提高，為后期基于陣列處理的環境電場抑制提供依據。