基于磁電信息融合的海上目標探測方法

陳 帥，董 昊，劉鈺婷

（1.中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003；2.國防科技工業弱磁一級計量站，湖北 宜昌 443003；3.清江創新中心，湖北 武漢 430076）

0 引言

迄今為止，海上目標探測的依據主要是目標的聲場、電場、磁場等物理場信號。雖然聲場信號在水下傳播距離最遠，但目前基于水聲探測仍舊面臨諸多問題：減震降噪技術的發展，提高了聲吶設備探測與定位的難度[1-2]；海洋環境的復雜多變，增加了水聲信號在海洋傳播過程中的不穩定性[3]；復雜地形結構對聲信號的反射作用，不利于水聲信號在接收端的接收與處理[4-5]。因而，研究如何利用目標在海上運動過程中所產生的磁場、電場進行目標探測具有重大現實意義。

目標的電場可按照信號的頻段劃分為穩態電場（主要包括腐蝕相關靜電場）和交變電場（主要包括軸頻電場、工頻電場）[6]。文獻[7]-[8]的分析及試驗經驗證明了動平臺不易采用靜電場或靜態電位差作為船舶跟蹤信號源，而應該利用軸頻電場對動平臺船舶進行探測與跟蹤。但由于軸頻電場是交變信號，其相位時刻在發生變化，而且其干擾源十分復雜，直接將單一軸頻電場信號用于對艦船目標的探測與跟蹤估計具有一定難度。測量平臺的不穩定性以及海洋電場環境噪聲使得目標探測難度增加。

目標磁異常信號頻段一般集中在0.0015～1 Hz之間，大量實測數據及分析表明，海水運動噪聲與目標磁異常信號在量級、頻帶上非常接近，是磁異常探測中主要的干擾源[9-11]。且由于地磁日變、磁暴及工業活動影響，單獨使用磁場進行目標探測時虛警率較高，嚴重影響探測效率。

本文充分利用目標磁場與軸頻電場的數據特征，提出了一種將目標艦船磁場與電場數據相融合的目標探測方法，能夠對環境干擾、傳感器異常等因素帶來的不穩定性進行修正，有效提高目標檢測概率以及虛警率。

1 磁場電場特征提取

1.1 磁異常信號矢量檢波

艦船、潛艇等鐵磁性目標在地磁場的作用下被磁化，在其周圍會引起地磁場畸變，且目標自身的電機、武器裝備等用電設備運行時，也會產生磁場。當目標位置產生變化時，利用磁傳感器測量空間的磁感應強度變化可探測到海上目標。當目標沿Vs方向發生相對移動時，以探測節點為原點，x軸平行于Vs方向，y軸垂直于目標艏艉方向，探測節點會測量到目標產生的磁場信號，其探測模型示意圖如圖1所示。

圖1 磁場探測模型示意圖Fig.1 A schematic diagram of magnetic field detection model

利用磁傳感器節點進行探測時，由文獻[10]可知，磁異常信號可分解為3 個正交基函數的加權和，如式（2）所示。

式中：S為磁異常信號；f（w）與a分別代表正交基函數與對應系數；w為水平距離l與最近距離d0的比值，一般情況下，l為時間的函數，d0根據經驗設置為水平面距節點的高度。

使用三軸傳感器進行探測時，根據匹配濾波相關理論，可對傳感器三軸數據離散化，然后分別進行異常信號檢波，如式（3）所示。

式中：Sh表示三軸傳感器的三分量數據；fi(wj)表示不同正交基函數；Δw為采樣間隔；M、R0為目標磁矩與正橫距離，計算時第1 項為常數。

圖2 磁異常信號檢波流程Fig.2 Process of detecting magnetic anomaly signals

1.2 軸頻電場信號特征提取

艦艇在海水中行駛時，由于不同介質影響會在海水、船殼間形成回路，產生腐蝕電流。另一方面，為防止發生電化學腐蝕，現代艦艇上通常會利用外加電流陰極和犧牲陽極以減少船殼與螺旋槳的腐蝕現象。螺旋槳轉動使回路阻抗發生變化，保護電流以及腐蝕電流也受到調制，在周圍產生以螺旋槳轉動頻率為基頻的交流電場信號。

現代艦艇類型繁多，其螺旋槳轉速也存在差異，但大致都在一定范圍內。如表1所示，羅列了幾種主要艦艇運動時的轉速以及對應阻抗變化頻率的范圍。一般情況下，螺旋槳轉速不會過快，防止“空泡”效應導致推力變小，船艇軸頻電場的頻率也在1～7 Hz 之間。

表1 常見艦船軸頻范圍Table 1 Shaft frequency range of common ships

為分析艦艇目標電場的頻率特性，在某海域水下布置自研電場傳感器，測量船艇通過時的電場信號變化。目標船舶長約160 m、寬25 m，吃水6 m，總噸位23 000 t，最大航速19 kn。電場傳感器采樣頻率為100 Hz，目標船在遠距離正橫通過過程中測得電場信號的時域波形如圖3所示，其中紅色虛線框表示其靠近遠離時間段。

圖3 電場測量時域圖Fig.3 Time domain diagram of electric field measurement

分別對三軸數據進行短時傅里葉變換，分析當目標通過時電場信號頻率特征變化，如圖4所示，橫軸為時間軸，縱軸為頻率，顯示范圍為0～10 Hz。由圖可知，在目標船靠近然后逐漸遠離探測節點過程中，1～8 Hz 范圍內的能量譜密度明顯隨著距離靠近而增強。

圖4 目標通過時段電場信號時頻圖Fig.4 Time- requency diagram of electric field signals of target passing period

由此，探測艦艇目標可通過提取其電場頻率特征實現。為實現與磁場特征融合目的，本文利用一種基于能量的檢測方法，通過計算滑動窗口內信號的功率譜，對軸頻范圍內功率平均值作為特征量，如式（4）。

式中，P(k)為特征頻率下的功率。當目標距離傳感節點越近，其電場信號頻率特征越明顯，DE數值越大。

2 信息融合模型

海上磁電環境復雜，單個或單類型傳感器進行探測時，數據可靠性較低，利用多傳感器信息融合，可有效提高探測能力，降低虛警率。多傳感器數據融合可分為數據層、特征層和決策層融合3 個層次[12]。目標探測問題最終是一個有無判決問題，異類傳感器之間常利用決策層DS 證據理論（Dempster-Shafer Evidence Theory）方法進行最終判決。但是，DS證據理論對各信息源之間獨立性要求較高，在某些情況下可能存在悖論[13-14]。

海上目標探測中，目標電場、磁場信號能量的增減會呈現相似變化，某信號源受到強干擾，證據體之間沖突程度升高，此時DS 判決受到負面影響，反而可能出現反直覺的結果，且電場、磁場能量信號度量方式不同，難以給出準確的判決概率進行DS 判決。

根據上文分析，本文在磁電數據能量檢測的基礎上，提出利用Pearson 相關系數評價證據來源的相關性，修正由環境干擾、傳感器異常等因素帶來的不穩定性。當磁場、電場能量信號同時發生變化，且相關性較大時，判定為存在真實目標通過?；赑earson 相關系數評價2 種能量信號相關性如式（5）所示：

對評價系數進一步處理，輸出檢測判決值如式（6）：

式中：output 表示輸出值；DE、DB分別表示不同傳感器輸出的能量信號；norm表示歸一化運算。將output值作為決策輸出置信度，判斷是否存在目標。

磁電信息融合的海上目標探測方法總體流程圖如圖5所示。

圖5 信息融合目標探測方法流程圖Fig.5 Flow diagram of target detection method based on information fusion

探測方法中，軸頻電場功率譜采用參數模型法進行估計。計算得到相關系數，結果歸一化再與設定門限值相比較，一般情況下門限值選取0.3～0.9之間的數值。

3 試驗

為驗證融合探測方法的有效性，利用海上實測試驗進行驗證。試驗海域位于渤海某區域，水深約為20 m，海水電導率約為4 S/m。利用實船搭載可控電場信號源作為測量目標，其磁場信號由船體自身固有特征產生。電場信號通過可控電場信號源產生，模擬源兩發射電極距離20 m，電流10 A。目標移動速度約為4～6 kn，最接近點的距離（CPA）約為260 m。模擬在磁場環境較差的情況下，融合方法對磁探測虛警率的影響。

將自研探測節點布放于水底，探測節點由1 個磁通門傳感器與1 個電場傳感器組成，測量目標船正橫通過時產生的磁場、電場信號。信號采樣頻率為100 Hz，測得原始數據如圖6所示。

圖6 磁場電場原始數據圖Fig.6 Raw data diagram of magnetic field and electric field

電場信號由模擬源產生，目標通過特征明顯。但磁場環境復雜，干擾較強，無法直接判斷出是否存在目標通過，對磁場進行OBF 檢測提取能量特征，得到圖7。

圖7 OBF 磁場信號能量特征檢測Fig.7 Energy characteristics of OBF magnetic signals

由圖7 可知，利用磁場特征進行目標探測，存在較強干擾時，無法判斷目標是否存在，且虛警率較高。

基于本文方法，融合電場特征，對目標威脅進行評估，如圖8所示，藍色曲線為利用單磁傳感器信號特征提取得到的檢測值，橙色曲線為利用本文方法計算得到的檢測值。

圖8 信號特征提取對比圖Fig.8 Comparison of feature extraction of signals

由圖8 可知，利用本文提出的融合算法，可探測到通過目標，同時有效降低了探測虛警率。經過歸一化后的能量檢測值在0～1 之間，根據需求一般選取0.3～0.9 作為閾值進行決策[15-16]。當閾值選取為0.3 時，僅采用磁場信號進行OBF 檢測時，虛警次數為4 次。當利用本文提出的融合算法進行檢測時，可成功檢測到目標信號，虛警次數為0 次；當閾值選取為0.6 時，僅采用磁場信號進行OBF檢測時，虛警次數為1 次。當利用本文提出的融合算法進行檢測時，可成功檢測到目標信號，虛警次數為1 次。當閾值選取為0.9 時，僅采用磁場信號進行OBF 檢測時，虛警次數為1 次，且無法正確檢測到目標信號。當利用本文提出的融合算法進行檢測時，可成功檢測到目標信號，虛警次數為0 次。由上述分析可知，本文融合探測算法在實際應用場景中，相對于單一探測源能夠有效減少虛警率，為水下目標探測提供了更為高效、可行的手段。

4 結束語

本文在海上目標探測的需求牽引下，提出一種基于磁場、電場數據的融合探測方法。首先，分別分析了艦艇極低頻磁場信號與軸頻電場信號產生機理與特點，針對性利用OBF 正交基分解檢測提取磁場特征，利用滑動功率譜提取電場信號特征。然后，提出磁電融合探測方法，利用滑動窗口將磁場電場信號同時轉換成能量檢測問題，再基于艦艇目標靠近時能量變化的相關性規律，提出相關系數檢測方法。最后，搭建實驗平臺對實艇進行探測，結果表明：本文方法可有效降低虛警率，提高探測效率。