海水中電極對(duì)拖曳天線運(yùn)動(dòng)極化噪聲特性分析*

王宇航 謝 旭 王 顥

（海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

電極對(duì)拖曳天線是檢測(cè)海水中電場(chǎng)信號(hào)的重要天線，通常通過(guò)讀取電極對(duì)極差電位的變化獲取接收信號(hào)的信號(hào)特征。由于電場(chǎng)信號(hào)在海水中受到巨大衰減，海洋內(nèi)的電場(chǎng)信號(hào)較為微弱。而天線工作時(shí)攜帶的噪聲影響限制了檢測(cè)的靈敏度和準(zhǔn)確性，因此如何提升工作信噪比是目前水下電極對(duì)天線研究重點(diǎn)［1～4］。全固態(tài)銀/氯化銀電極為目前較為常用的電極對(duì)天線電極，其耐高壓，穩(wěn)定性強(qiáng)，靈敏度高，抗腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)使其在水下通信特別是深海通信中擁有重要地位［5～6］。

在電極對(duì)拖曳天線使用過(guò)程中，復(fù)雜的海洋環(huán)境與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)帶來(lái)了多種噪聲影響。

其中天線工作過(guò)程中引入的運(yùn)動(dòng)極化噪聲主要源于流動(dòng)海水沖激電極導(dǎo)致的電極表面電化學(xué)界面結(jié)構(gòu)性改變［7～11］。

待檢測(cè)微弱信號(hào)要求電極對(duì)天線工作時(shí)引入的噪聲不可淹沒(méi)檢測(cè)信號(hào)或在經(jīng)信號(hào)處理后可消除噪聲信號(hào)影響。因此研究水下電極運(yùn)動(dòng)噪聲特性對(duì)水下信號(hào)檢測(cè)具有重要意義。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，觀察到電極對(duì)天線電極的信號(hào)檢測(cè)特性受到海水流動(dòng)速度的影響。

因此本文主要針對(duì)固定狀態(tài)下的全固態(tài)銀/氯化銀電極在流動(dòng)電解液中的運(yùn)動(dòng)極化噪聲特性進(jìn)行分析，討論液體流速對(duì)其流動(dòng)噪聲水平的影響，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

2 電極對(duì)拖曳天線極化噪聲理論

2.1 銀/氯化銀電極電化學(xué)反應(yīng)原理

全固態(tài)銀/氯化銀電極屬于第二類(lèi)可逆電極，其通常由氯化銀粉末與銀粉混合壓制而成。電極在海水中的電極平衡反應(yīng)式為［12］

電極反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，電極表面表現(xiàn)為穩(wěn)定電位，其反應(yīng)平衡由單一導(dǎo)電離子（氯離子）控制，不需要水中的氫氧根離子或氫離子參與反應(yīng)。除此之外，其電極反應(yīng)可逆性強(qiáng)，當(dāng)外界信號(hào)導(dǎo)致反應(yīng)平衡發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，能較快恢復(fù)穩(wěn)定。因此銀/氯化銀電極受非反應(yīng)粒子影響小，檢測(cè)靈敏度高，可使用銀氯化銀電極檢測(cè)水下微弱電場(chǎng)信號(hào)。

2.2 拖曳天線電極/海水電化學(xué)界面

任何不同性質(zhì)的界面相接接觸時(shí)都會(huì)生成新的界面，電極與海水接觸時(shí)同樣形成電極/海水界面［13］。電極反應(yīng)平衡時(shí)，不同帶電粒子分布于電極界面與電極附近海水界面中，產(chǎn)生電極電勢(shì)。電極對(duì)極差電壓隨流入信號(hào)發(fā)生改變，這也是電極檢測(cè)信號(hào)的基本原理。

通常將帶電電極表面界面與帶反電荷電極表面流體界面構(gòu)成的總體界面稱(chēng)為雙電層。雙電層電勢(shì)降即表示電極電勢(shì)。

雙電層由緊密層與分散層兩部分組成，緊密層帶電粒子緊密排列與電極表面的電解液中，主要受靜電力作用，分散層中帶電粒子則受到靜電力與熱運(yùn)動(dòng)的共同作用，總體呈擴(kuò)散狀態(tài)分布［13］。在討論銀/氯化銀電極與海水間的雙電層結(jié)構(gòu)時(shí)，由于海水中氯離子溶度較低，對(duì)帶電氯離子起主要作用的為熱運(yùn)動(dòng)影響，因此對(duì)于工作在海水中的銀/氯化銀電極，可使用分散層代替其雙電層［14］。電極板與液體板共同組成的“平行板雙電層結(jié)構(gòu)”如圖1 所示。

圖1 平行板雙電層結(jié)構(gòu)

2.3 電極對(duì)拖曳天線運(yùn)動(dòng)極化噪聲分析

銀/氯化銀電極可作為穩(wěn)定的參比電極，在保持溫度等外界條件穩(wěn)定時(shí)，其電勢(shì)不會(huì)隨時(shí)間發(fā)生漂移。但研究發(fā)現(xiàn)，面對(duì)流速變化較大的電解液環(huán)境時(shí)，銀/氯化銀電極工作時(shí)會(huì)引入對(duì)應(yīng)流動(dòng)噪聲，降低檢測(cè)信號(hào)信噪比，嚴(yán)重影響電極正常工作。

在海水等稀溶液中，將分散雙電層等效為平行板電容器，雙電層厚度即為平行板板間距離。

在海水中，帶電粒子主要受到分子熱運(yùn)動(dòng)影響，受電極表面靜電力影響較小，因此當(dāng)液流流經(jīng)電極表面時(shí)，雙電層內(nèi)帶電離子將隨水流移動(dòng)，造成平行板雙電層兩極板間的滑移，進(jìn)而影響雙電層結(jié)構(gòu)。

流速影響下的雙電層滑移過(guò)程如圖2所示。

圖2 滑移前-滑移后平行板雙電層結(jié)構(gòu)變化

已知銀/氯化銀電極電勢(shì)主要由其雙電層結(jié)構(gòu)控制，雙電層電勢(shì)φ表示為

Q為雙電層內(nèi)反應(yīng)粒子電荷量，ε為雙電層間介電常數(shù)，ε0為真空介電常數(shù)，S0為平行板相對(duì)面積，δd為雙電層厚度。文獻(xiàn)［14］表明，外界環(huán)境不發(fā)生改變時(shí)，保持稀溶液中電解液反應(yīng)粒子濃度不變，雙電層厚度不發(fā)生改變。因此溶液濃度，外界溫度等條件不發(fā)生改變時(shí)，雙電層電勢(shì)主要受到反應(yīng)粒子電荷量Q與平行板相對(duì)面積S0控制。

當(dāng)外極板移位時(shí)，由于液面中的帶電粒子向下游運(yùn)動(dòng)，在電極表面的對(duì)應(yīng)位置上，暴露出對(duì)應(yīng)反電荷粒子，隨著液體中電荷在下游的積累，產(chǎn)生相應(yīng)的傳導(dǎo)電勢(shì)，傳導(dǎo)電勢(shì)驅(qū)動(dòng)帶電粒子產(chǎn)生逆水流運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)使極板上的電荷量被保留。

即流速改變通過(guò)改變雙電層平行板間的重疊平板面積，影響雙電層電容值，進(jìn)而影響電極電位。

雙電層內(nèi)帶電粒子運(yùn)動(dòng)狀況如圖3所示。

因此流體速度的大小通過(guò)影響雙電層結(jié)構(gòu)影響單電極電勢(shì)，在穩(wěn)定的流速下，單電極電勢(shì)保持穩(wěn)定但較靜止?fàn)顟B(tài)下有所上升。在海水環(huán)境中，復(fù)雜的水流環(huán)境導(dǎo)致電極附近流體流速不斷發(fā)生變化，電極電勢(shì)隨流速變化發(fā)生改變，即引入了相應(yīng)噪聲。

對(duì)于電極對(duì)天線，測(cè)量信號(hào)為兩電極間極差信號(hào)，因此極差信號(hào)取決于兩電極外部流速的差值，將電極對(duì)置于同一海洋環(huán)境中時(shí)，流速隨時(shí)間差值大小變化即流速加速度變化可表示極差電壓變化。

因此外界液體流速的變化通過(guò)影響電極表面雙電層結(jié)構(gòu)影響電極電勢(shì)，銀/氯化銀電極對(duì)流動(dòng)噪聲取決于其外界流速變化率，外界流速變化率越大，其流動(dòng)噪聲越大。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分析

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電極電勢(shì)與液流加速度間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

使用4g/L Nacl 溶液模擬海洋環(huán)境，選用全固態(tài)Ag/AgCl 電極對(duì)作為實(shí)驗(yàn)電極，在電極上加載加速度傳感器用于檢測(cè)固態(tài)電極附近流體流速變化。

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖4 所示。并且將電極與傳感器置于距攪動(dòng)裝置同距離位置上，盡量保證其外部流速影響相同。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

分析海水中銀/氯化銀電極信號(hào)與液流加速度間關(guān)系，需要在多種不同流速環(huán)境下，測(cè)量電極對(duì)極差信號(hào)的變化特征。

由于海水中高頻信號(hào)衰減嚴(yán)重，因此海水中銀氯化銀電極對(duì)主要用于檢測(cè)低頻段信號(hào)，同時(shí)避免實(shí)驗(yàn)環(huán)境中攜帶的工頻信號(hào)干擾，分析時(shí)主要觀測(cè)電極對(duì)信號(hào)在頻段（110Hz～140Hz）范圍內(nèi)的功率密度變化。

保證兩個(gè)加速度傳感器與攪動(dòng)裝置相對(duì)位置保持一致，觀察到兩加速度傳感器顯示流體加速度大小基本一致。測(cè)量靜止與流動(dòng)狀態(tài)下的加速度傳感器信號(hào)功率譜如圖5所示。

圖5 加速度傳感器信號(hào)功率譜

計(jì)算得在靜止?fàn)顟B(tài)下加速度傳感器在靜止?fàn)顟B(tài)下于110Hz～140Hz 內(nèi)的平均功率密度為2.70×10-12V2/Hz。流動(dòng)水流環(huán)境下加速度傳感器在靜止?fàn)顟B(tài)下于110Hz～140Hz內(nèi)的平均功率密度為3.10×10-11V2/Hz。

水流由靜止變?yōu)榱鲃?dòng)狀態(tài)時(shí)，加速度傳感器在110Hz～140Hz 內(nèi)功率密度整體呈上升趨勢(shì)。使用多通道信號(hào)采集設(shè)備同步采集對(duì)應(yīng)流速環(huán)境。

同時(shí)測(cè)得對(duì)應(yīng)環(huán)境下，電極對(duì)信號(hào)功率譜如圖6所示。

圖6 電極對(duì)信號(hào)功率譜

靜止?fàn)顟B(tài)下電極在110Hz～140Hz 內(nèi)的平均功率密度為1.0×10-15V2/Hz。流動(dòng)水流環(huán)境下電極在110Hz～140Hz內(nèi)的平均功率密度為9.4×10-13V2/Hz。

可以大致觀察出電極對(duì)對(duì)應(yīng)頻段功率密度變化趨勢(shì)與流體加速度變化趨勢(shì)相同。

使用PWM 調(diào)制調(diào)節(jié)水下風(fēng)扇攪拌轉(zhuǎn)速，測(cè)量多種流速環(huán)境下的傳感器信號(hào)與電極對(duì)信號(hào)。聯(lián)立多種不同占空比環(huán)境下的加速度傳感器信號(hào)與電極噪聲信號(hào)，如表1、圖7所示。

表1 傳感器信號(hào)與電極對(duì)信號(hào)功率密度

圖7 不同流速環(huán)境下的傳感器信號(hào)與電極信號(hào)

計(jì)算兩信號(hào)向量相關(guān)系數(shù)為0.8972，結(jié)果呈現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)性，加速度傳感器信號(hào)與電極信號(hào)具有相正相關(guān)關(guān)系。因此可以認(rèn)為電極對(duì)極差電壓隨其周?chē)魉俑淖兌淖儯译妷鹤兓c外界流速變化率成正比。

對(duì)比不同流動(dòng)狀態(tài)下電極對(duì)信號(hào)整體頻段功率譜如圖8所示。

圖8 電極信號(hào)整體頻段功率譜

由圖可知在低頻段上流速變化對(duì)信號(hào)影響較大，隨頻率上升，流速變化對(duì)信號(hào)影響逐漸下降。

3.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

3.3.1 全固態(tài)銀/氯化銀電極對(duì)天線

全固態(tài)銀/氯化銀電極作為實(shí)驗(yàn)電極，采用粉壓法壓制而成，具有體積小，檢測(cè)方便，抗壓，可逆性強(qiáng)等多種優(yōu)點(diǎn)，適合用于復(fù)雜海洋環(huán)境。總體實(shí)驗(yàn)裝置如圖9所示。

圖9 整體實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

加速度傳感器使用防水型IEPE 加速度傳感器，靈敏度為500mV/g，分辨率達(dá)到0.00004g，滿足實(shí)驗(yàn)要求。攪動(dòng)裝置使用水下風(fēng)扇，通過(guò)調(diào)整占空比調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。

表1 顯示在水下風(fēng)扇占空比由40%上升至60%時(shí)，傳感器信號(hào)功率譜有所下降，其可能是由于觸及水箱壁面時(shí)反射回的水流波動(dòng)與直接傳導(dǎo)到傳感器的水流波動(dòng)發(fā)生抵消所致。

3.3.2 采集處理設(shè)備

使用多通道采集設(shè)備同時(shí)采集相應(yīng)傳感器與電極對(duì)信號(hào)。要求采集設(shè)備具有高靈敏度和高準(zhǔn)確度。采集設(shè)備如圖10所示。

圖10 采集設(shè)備示意圖

采集設(shè)備采樣率256000Sa/s，采樣位寬24bits。滿足采樣需求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了海水中電極對(duì)拖曳天線的運(yùn)動(dòng)極化噪聲形成機(jī)理，并對(duì)運(yùn)動(dòng)極化噪聲與流速間關(guān)系進(jìn)行了討論，確定流速變化引起電極對(duì)表面雙電層結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)而導(dǎo)致引入運(yùn)動(dòng)極化噪聲。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電極對(duì)極差電壓與流體加速度間關(guān)系，在多種不同流速環(huán)境下計(jì)算得到流體加速度信號(hào)與電極極差電壓信號(hào)呈現(xiàn)相關(guān)性較高的正相關(guān)關(guān)系，為運(yùn)動(dòng)極化噪聲消除抵消提供一定的理論基礎(chǔ)。并且觀察到流速變化對(duì)信號(hào)影響在低頻段時(shí)較為顯著，隨著頻率上升，流速變化對(duì)電極對(duì)信號(hào)影響逐漸下降。