淺海典型海域水下穩(wěn)態(tài)電場特性分析?

曹軍宏 劉 莎 蘇建業(yè) 劉 飛

（1.中國人民解放軍92942部隊 北京 100161）（2.大連測控技術研究所 大連 116013）

1 引言［1～8］

隨著海洋開發(fā)、漁業(yè)資源保護、軍事應用等領域研究的需求，水下低頻電場方面?zhèn)涫荜P注，國際上涌現(xiàn)了各式各樣的海洋水下低頻電場測量裝置和設備。近幾年，國內水下電場測量傳感器、裝置和設備研究也發(fā)展快速，在研究過程中最重要的一環(huán)是對新研的傳感器、裝置甚至設備系統(tǒng)的性能進行準確的測量，并且一般在完成實驗室測量/校準后，下一個階段則是需要在理想的濱海海域進行一系列的海上性能測量驗證。因此，準確掌握驗證海域的環(huán)境特性，可因地制宜的設計性能驗證方案，大幅提升傳感器、裝置及設備的驗證效率。

項目組設計了一套5節(jié)點電場水下環(huán)境觀測裝置，采用了線列陣結構，選擇在大連某特定海域，開展了歷時1年期的水下電場環(huán)境觀測，獲取了該海域一批很有價值的水下電場環(huán)境數據，經過統(tǒng)計分析，得到了一些有重要意義的結論，同時對掌握特定海域水下低頻電場背景變化規(guī)律研究具有一定的指導意義。

2 觀測試驗具體情況

本次環(huán)境觀測試驗是在明確的需求下開展的，關注頻率為DC-0.5Hz，研究海洋環(huán)境電場所用到的測試系統(tǒng)為長基線水下電場測量系統(tǒng)。它由4只銀/氯化銀電極構成，分別為補償電極、參比電極和兩個測量電極組成，系統(tǒng)測量頻率范圍為DC-10Hz，電極最大間距可達40m，用于獲取水下電場數據。長基線系統(tǒng)通過增大電極間距獲得空間增益，進而提高對微弱信號的感知能力，其測量信號可反映環(huán)境電磁場大尺度變化情況。長基線電場測試系統(tǒng)測量示意圖1和布放位置如圖2所示。

圖1 長基線電場測試系統(tǒng)測量示意圖

圖2 長基線電場測試系統(tǒng)布放區(qū)域示意圖

本次布放位置距離碼頭675m，整體呈南北向布放，經海上位置標定，測量電極1距離參比電極18.3m，測量電極2距離參比電極42.4m，補償電極距離測量電極2的距離為39.6m。具體布放如圖2所示，圖中白球為海床基有纜式三分量水下電、磁場測試系統(tǒng)。

觀測的時間為2010年6月至2011年6月共計13個月，觀測方式包括24h連續(xù)觀測、特定時間點年度觀測及特定海況觀測等，測試系統(tǒng)采樣頻率100Hz。

3 統(tǒng)計分析方法

以往的分析方法主要是針對短基線電場測試系統(tǒng)在短時間內獲取的數據進行時域波形結構、頻譜分布以及相關特性的提取，從分析結果中無法準確掌握大尺度、長周期的海洋環(huán)境水下電磁場統(tǒng)計特性，在海洋開發(fā)和軍事應用領域可利用程度不高，對新研系統(tǒng)的整體性能評價也難以提供充足的數據支撐。

測試系統(tǒng)觀測的數據主要來源于天然電磁場源。天然電磁場包括大地電磁場、海流和海洋波浪產生的電磁場、物理化學成因的電磁場以及生物電效應等幾類電磁場［9］，其中海洋大地電磁場和海浪感應電磁場為其主要場源。海洋大地電磁場具有明顯的空間和時間分布規(guī)律性，由于海水媒質具有高電導性，對高頻電磁波具有強烈的吸收作用，因此海洋大地電磁場能量主要集中在0.001Hz～10Hz頻段［10～11］；海面波浪感應產生電磁場的周期與波浪的周期一致，其頻率范圍主要集中在0.08Hz～0.5Hz，涌浪產生的電磁場幅度較大，頻率約為0.1Hz［12～13］。

項目組設計了一套5節(jié)點電場水下環(huán)境觀測裝置，采用了線列陣結構，選擇在大連某特定海域，開展了歷時1年期的水下電場環(huán)境觀測，獲取了該海域一批很有價值的水下電場環(huán)境數據，經過統(tǒng)計分析，得到了一些有重要意義的結論，同時對掌握特定海域水下低頻電場背景變化規(guī)律研究具有一定的指導意義。

本次分析則是根據設備驗證需求進行了重新設計，本次的驗證設備是用于目標的水下穩(wěn)態(tài)電場測量，根據設備測量特點，現(xiàn)設計環(huán)境時變幅度統(tǒng)計分析具體步驟如下。

1）數據源

本論文分析的數據主要來源于測量電極1，電勢U為

2）低通濾波

目標水下穩(wěn)態(tài)電場測量的頻段為DC-0.1Hz，最大可擴展到0.5Hz，因此環(huán)境觀測數據采用了DC-10Hz頻段，采樣率設置為100Hz。原始數據先降采樣為20Hz，再進行低通濾波，濾波器采用But?terworth濾波器，階數設置為4，頻段設置為DC-0.5Hz，濾波器具體如圖3所示。

圖3 0.5Hz的低通Butterworth濾波器示意圖

3）時域波動幅度統(tǒng)計

根據驗證需求，對環(huán)境觀測數據采用滑動窗累計時域波動幅度，滑動窗采用100s，滑動間隔設置為5s，覆蓋率95%，時域波動幅度Umax獲得的具體步驟為

（1）滑動窗數據為datai，數據長度為20Hz×100s，該窗內數據的時域幅度波動最大值Umaxi為：

（2）采用循環(huán)模式，對每一個觀測時間段環(huán)境觀測數據的時域幅度波動進行統(tǒng)計：

（3）每個時間段觀測數據的幅度波動Ua：

（4）每個時間段觀測數據的幅度波動平均值Ub：

4 分析結果

利用上述統(tǒng)計分析方法，針對獲取的觀測數據，進行了相關分析。

1）環(huán)境電場（DC-0.5Hz）幅度日變化趨勢

針對2010年10月25日9：00-21：00的連續(xù)觀測數據進行了分析，分析結果包括每個時間段觀測數據的幅度波動Ua，每個時間段觀測數據的幅度波動平均值Ub。

圖4給出的是1天內連續(xù)觀測的分析結果，時域幅度波動趨勢較為明顯。從整體結果上看，在該分析方法下時域幅度波動大約在1.5mV-4mV之間，日變趨勢較為明顯，將圖4展示的特征規(guī)律再進一步詳細拆分分析。

圖4 2010年10月25日觀測分析結果

圖5是每個小時的10分鐘觀測數據的時變波動，可以清楚的看到從早上9點到晚上21點，近似成正態(tài)分布，即早晚幅度最小，15點時變幅度波動最大。但上午11點和晚上20點有獨立的較大值，考慮可能與附近城市集中用電有一定關系。觀測時間內，時變波動幅度最大值為1.5mV，最小值為0.30mV，最大值和最小值比為5∶1。

圖5 環(huán)境電場時變波動趨勢

圖6是環(huán)境電場日變波動趨勢分析結果，從趨勢看從早上9點到晚上21點呈下降趨勢，其中13點出現(xiàn)凹點，晚上21點時變平均幅值最小。其中最大值出現(xiàn)在11點，最大幅值為3.5mV，最小值出現(xiàn)在21點，最小幅值為1.7mV，最大值與最小值差為1.8mV。

圖6 環(huán)境電場日變波動趨勢

2）環(huán)境電場（DC-0.5Hz）幅度月變化趨勢

利用年度觀測數據集（每個月任意一天10點的觀測結果），進行了年度變化趨勢的統(tǒng)計分析，分析結果包括每個時間段觀測數據的幅度波動Ua，每個時間段觀測數據的幅度波動平均值Ub。

圖7給出了2010年1月-12月的環(huán)境電場月變化幅度趨勢，從整體趨勢上看，每個月的采集時間段波動幅度差異較大，但平均幅度波動變化較小，將圖7展示的特征規(guī)律再進一步詳細拆分分析。

圖8給出了每個月某天10點的時變波動趨勢圖，從圖中看到時變幅度波動最大值為3.9mV，最小值為0.8mV，最大值與最小值比為5：1。從趨勢來看離散度較大，不具備一定的趨勢，經過考慮認為主要原因來自于兩個方面，一方面是每個測試時間段采樣長度差異較大，這可以從圖7中看的出來；第二方面是每個測試時間段環(huán)境因素例如風速、海況、海流等差異較大，導致測量時間段內的波動差異較大。因此，認為該特征無統(tǒng)計規(guī)律，離散度大，建議未來在觀測過程中應詳細記錄環(huán)境參數，并盡可能增加觀測時長。

圖7 環(huán)境電場月變化趨勢

圖8 環(huán)境電場時變波動趨勢

圖9給出了2010年1月-12月10：00點觀測的月變化趨勢，從月變化趨勢中可以看到，變化趨勢最大值4.1mV，變化最小值為2.7mV，一年的月變化趨勢不大，主要集中在2.7mV～4.1mV內，年度同一時段觀測數據幅度波動為34%。

圖9 環(huán)境電場月變化幅度趨勢

5 結語

利用2010年獲取的歷時環(huán)境數據，針對驗證裝置的驗證需求，通過本文的分析，得到了需要掌握的相關情況，總結歸納如下：

1）時變化趨勢明顯，從9：00-21：00，每個小時的觀測點的幅度變化呈現(xiàn)正態(tài)分布；上午11點和晚上20點有獨立的較大值，考慮可能與附近城市集中用電有一定關系。

2）日變波動趨勢，從早上9點到晚上21點呈下降趨勢，其中13點出現(xiàn)凹點，晚上21點時變平均幅值最小。

3）一年之內同一時刻的觀測結果，觀測點波動呈現(xiàn)特征離散度高，但月變化趨勢則趨于平穩(wěn)，變化趨勢最大值4.1mV，變化最小值為2.7mV，一年的月變化趨勢不大，主要集中在2.7mV～4.1mV內，年度同一時段觀測數據幅度波動為34%。

針對DC-0.5Hz頻段內的穩(wěn)態(tài)電場分析結果，結合前期環(huán)境數據已有的分析結果和統(tǒng)計規(guī)律，認為現(xiàn)有分析結果基本可以滿足測量裝置性能驗證的需求，當然在分析過程也發(fā)現(xiàn)了由于受到采樣點和其它環(huán)境參數影響，建議在測量過程中應充分考慮環(huán)境參數條件，從而降低外部環(huán)境條件帶來的影響。同時，對于環(huán)境觀測也需要提高對環(huán)境參數同步觀測的需求，細化外部環(huán)境參數的記錄，提高數據分析的置信度。