基于海洋浮標(biāo)的電場干擾特性分析及信號檢測方法

孫強, 張伽偉, 喻鵬

(1. 海軍工程大學(xué) 兵器工程學(xué)院，湖北 武漢430033; 2. 海軍士官學(xué)校 兵器系，安徽 蚌埠233000)

0 引言

近年來，UUV、AUV、各類水中浮標(biāo)、滑翔機等新興水下平臺因體積小、數(shù)量多、造價低等諸多優(yōu)勢而得到飛速發(fā)展[1-2]。其中，水中探測浮標(biāo)相比于其他水中平臺具有以下3 點優(yōu)勢：布放靈活，適合大面積布放或臨時機動布放；平臺穩(wěn)定，環(huán)境適應(yīng)性強，浮標(biāo)可調(diào)節(jié)懸浮于水中任意深度平面，且平臺相對穩(wěn)定，利于各類探測傳感器的目標(biāo)探測；自持力久，由于浮標(biāo)不需要動力等其他輔助載荷，除工作系統(tǒng)外可攜帶更多的電池，可根據(jù)需要工作更長時間?；谏鲜? 點優(yōu)勢，探測浮標(biāo)被廣泛用于民事和軍事用途，比較有代表性的是當(dāng)前構(gòu)建的以Argo 浮標(biāo)為基礎(chǔ)全球?qū)崟r海洋觀測網(wǎng)[3]，已經(jīng)覆蓋全球各大洋，美軍的磁探測浮標(biāo)可對浮標(biāo)周圍800~2 000 m 范圍內(nèi)的水中目標(biāo)進行有效探測。

探測浮標(biāo)技術(shù)和電場探測技術(shù)的發(fā)展為水中目標(biāo)的探測提供了新的途徑。將電場探測與浮標(biāo)探測相結(jié)合能獲得更好的目標(biāo)探測效果，可充分發(fā)揮電場探測和浮標(biāo)探測的優(yōu)勢。

國內(nèi)目前還沒有加裝電場探測系統(tǒng)的浮標(biāo)，對浮標(biāo)平臺的電場干擾特性和信號檢測方法缺乏研究，而針對目標(biāo)電場信號檢測提出了較多的檢測方法，如線譜檢測、匹配濾波、小波分解、能量檢測和自適應(yīng)門限檢測等[4-13]，與浮標(biāo)平臺相結(jié)合的檢測方法研究較少[14]。

為解決基于浮標(biāo)平臺的電場測量和信號檢測的問題，本文在海上試驗的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了電場探測浮標(biāo)不同階段、不同水深的干擾來源及其特性，明確了電場探測浮標(biāo)的特點，并結(jié)合目標(biāo)電場的信號特征，提出了自適應(yīng)門限的線譜能量加和檢測方法，實驗結(jié)果表明，該方法在保證不降低探測概率的情況下，可有效降低探測虛警率，適用于電場浮標(biāo)探測。

1 電場探測浮標(biāo)干擾特性分析

排除浮標(biāo)自身的電場干擾外，理論上，電場探測浮標(biāo)的干擾主要來自兩個方面：一是風(fēng)浪等自然因素引起海水?dāng)_動，而切割地磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電場，其大小與風(fēng)浪大小、測量點水深因素有關(guān)，通常情況下風(fēng)浪越大、測量點越接近水面干擾電場越大，隨著水深的增加而減小，最高可達(dá)數(shù)十μV/m的量級；另一方面是電場傳感器及導(dǎo)線運動切割地磁場而產(chǎn)生的干擾電場(通常被稱為晃動干擾)。

為了充分分析電場探測浮標(biāo)干擾特性2019 年9 月在南海某海域開展了實測試驗，測量海域水深2 500 m，浪高1.5 m，距離陸地200 海里。電場測量系統(tǒng)采樣率為1 000 Hz，探測浮標(biāo)示意圖如圖1所示，浮標(biāo)工作過程為：布放后下潛至50 m 水深懸浮1 h 后，再下潛至2 002 m 后上浮，下潛至懸浮過程中浮標(biāo)調(diào)節(jié)浮力的電磁閥處于工作狀態(tài)。

布放入水后0~50 m 剛開始下潛過程中的電場三分量及姿態(tài)變化如圖2、圖3 所示，其中圖2(a)~ 圖2(c)為電場三分量經(jīng)0.5~30 Hz 低通濾波后的時域波形。由圖2(a)~圖2(c)可知下潛過程中電場干擾噪聲的峰峰值Ex為71.1 μV/m、Ey為1.3 μV/m、Ez為2.5 μV/m，從Ex分量可知存在較明顯的干擾“毛刺”，除“毛刺”外其量級也是在 1~ 3 μV/m。圖2(d)為電場三分量未經(jīng)濾波在DC~ 30 Hz 內(nèi)的頻譜，由干擾電場頻譜圖2(d)可知，其干擾能量主要集中在0.5 Hz 以下，Ez分量還存在線譜干擾。需要說明的是，為降低低頻干擾，采取通帶為0.5~30 Hz 的2 階巴特沃爾斯數(shù)字濾波器，其在 0.3 Hz 處衰減約為10 dB，0.2 Hz 處衰減約為 20 dB，但濾波后0.5 Hz 以下的干擾能量還是大于0.5 Hz 以上頻段，干擾峰值仍然集中在0.5 Hz 以下。由圖3 可知，在下潛過程中浮標(biāo)存在較大的晃動角度，各方位角的波動值分別為俯仰角18.3°、橫滾角16.4°、方位角23.5°，而從晃動角度的頻譜可知其能量也主要集中在0.5 Hz 以下，在0.15 Hz、0.39 Hz 附近存在尖峰。

圖2 下潛過程中電場三分量及頻譜Fig. 2 Three components and spectrum of the electric field in the diving process

布放入水后50 m 處懸停過程中截取的部分?jǐn)?shù)據(jù)電場三分量(0.5~30 Hz 帶通濾波)及姿態(tài)變化如 圖4、圖5 所示。由圖4 可知，懸浮過程中電場干擾噪聲的峰峰值Ex為 36.3 μV/m 、Ey為 1.5 μV/m、Ez為1.2 μV/m。由圖5 可知，在懸停過程中浮標(biāo)存在較大的晃動角度，各方位角的波動值分別為：俯仰角16.0°、橫滾角22.1°、方位角20.2°，晃動譜可得到與下潛過程中相同的結(jié)論。

由懸浮再到下潛過程中的電場三分量(0.5~30 Hz帶通濾波)及姿態(tài)變化如圖6、圖7 所示，圖中浮標(biāo)在2 500 s左右開始勻速下潛。由圖6和圖7可知，再次勻速下潛時干擾電場和晃動角度都明顯減小，電場峰峰值Ex降到0.2 μV/m、Ey為0.3 μV/m、Ez為 0.6 μV/m，Ex分量的“毛刺”干擾也消失，Ez分量的線譜干擾也消失，晃動角度也降到俯仰角0.9°、橫滾角1.8°、方位角10.4°。

圖6 由懸浮到下潛過程中的電場Fig. 6 Electric field from floating to diving

圖7 由懸浮到下潛過程中浮標(biāo)姿態(tài)變化Fig.7 Buoy attitude from suspension to dive

實測數(shù)據(jù)進一步分析表明：200 m 以下水深的電場干擾三軸分量峰峰值在0.1 μV/m 附近，浮標(biāo)晃動角度也在0.3°左右。

通過電場探測浮標(biāo)海上試驗數(shù)據(jù)分析可得到以下4 點結(jié)論：

1)探測浮標(biāo)在0~50 m 水深較淺深度，干擾電場較大，在μV/m 的量級，浮標(biāo)晃動角度也較大，對比圖2 和圖3，圖4 和圖5，可知晃動峰值頻率與干擾電場的頻率是一致的(集中在0.5 Hz 以下)，說明電場干擾主要源于晃動干擾和海浪感應(yīng)電磁場干擾。

圖3 下潛過程中浮標(biāo)姿態(tài)變化Fig. 3 Buoy attitude in the diving process

圖4 懸浮過程中電場三分量及頻譜Fig. 4 Three components and spectrum of the electric field during floating

圖5 懸浮過程中浮標(biāo)姿態(tài)變化Fig. 5 Buoy attitude during floating

2)浮標(biāo)電磁閥工作會對電場產(chǎn)生脈沖干擾，Ez分量還存在線譜干擾(主要原因是由于z軸分量兩個傳感器分別位于浮標(biāo)浮力調(diào)節(jié)裝置的兩端，受干擾較大，而水平分量則在浮標(biāo)的底部、干擾相對較小)。

3)浮標(biāo)在50 m 水深懸浮時，其晃動干擾與0~50 m 下潛過程中相當(dāng)，當(dāng)穩(wěn)定一段時間后繼續(xù)下潛，晃動和電場干擾明顯減小。

4)隨著深度增加，干擾電場逐漸減小，干擾電場峰峰值可低至0.1 μV/m 的量級，俯仰和橫滾角的變化在0.1°量級。

2 電場探測浮標(biāo)信號檢測算法

由第1 節(jié)分析可知，浮標(biāo)由于自身晃動的原因，難以對艦船靜電場信號進行探測(靜電場信號頻率一般在DC~0.5 Hz，極易受到晃動和海浪干擾)，而起源于軸系轉(zhuǎn)動調(diào)制軸電流產(chǎn)生的軸頻電場[15-16]，其頻率主要集中在0.5 ~30 Hz，且在頻域呈明顯的線譜特征[17-19]，因此在浮標(biāo)平臺較為有效的方法是對艦船的軸頻電場進行檢測。然而電場探測浮標(biāo)對軸頻電場信號檢測存在以下2 個難點： 1)不同船舶之間軸頻電場信號的量級差別較大，且受浮標(biāo)與船舶之間的距離影響較大，因此在采用傳統(tǒng)的能量檢測法對軸頻電場信號檢測時，難以確定信號的檢測門限；2)試驗中所用的浮標(biāo)平臺由于晃動和浮力調(diào)節(jié)裝置的工作會存在較大的干擾，易造成檢測算法的虛警。為解決上述問題1，通常采用基于自適應(yīng)門限的線譜能量檢測方法，信號檢測流程如圖8[20]所示。

圖8 線譜能量檢測流程Fig. 8 Line spectrum energy detection process

信號的檢測步驟具體如下：

步驟1對時間窗t0內(nèi)電場信號x(t)進行FFT計算，得到其信號的頻譜Xfft并去除直流分量，得到結(jié)果為XFFT。

步驟2對XFFT進行能量歸 一 化(排除不同艦船源強度大小和距離對檢測的影響)。

步驟3根據(jù)歸一化能量，計算每個頻點的檢測門限值Xthreshold，門限值為自適應(yīng)浮動門限與固定門限相結(jié)合其值為

式中：Median(·)表示中值濾波運算符；Δ為固定門限向量。由于檢測過程中XFFT是實時變化的，從而Xthreshold是變化的，即Xthreshold為自適應(yīng)門限。

步驟4比較歸一化能量XFnFoTrm與門限Xthreshold的大小，疑似線譜判斷向量

式中：凡是Xt＞Xthreshold,t的Yt=1則表明對應(yīng)的頻率Ft上存在疑似線譜，其他則Yt=0表示不 存在。

步驟5隨著時間窗t0的向前滑動，會得到各時刻的疑似線譜Yt，假設(shè)以M為積分寬度，則M寬度內(nèi)的積分結(jié)果可表示為

步驟 6判斷Pt是否大于某一設(shè)定值D(1≤D≤M，且D為整數(shù))，大于則判斷對應(yīng)的頻點檢測到疑似目標(biāo)。

仿真和試驗驗證表明本文算法可有效解決浮動門限的問題，其優(yōu)點是能準(zhǔn)確得到出現(xiàn)疑似線譜的頻率，但是存在較高的虛警，其無法甄別浮標(biāo)電場測量中如圖2(d)的線譜干擾。為解決虛警的問題，本文提出圖9 所示自適應(yīng)門限的線譜能量加和檢測方法。

圖9 自適應(yīng)門限的線譜能量加和檢測流程Fig. 9 Self-adaptive threshold line spectrum energy detection process

新的算法在“計算特征值”和“計算門限值”時做了較大的改變：

首先，“疑似線譜提取”，采用基于自適應(yīng)門限的線譜能量檢測相同的做法(步驟 2~ 步驟4)。

然后，“計算特征值”特征值Pt為頻帶內(nèi)的疑似線譜點譜值之和。

而后，“計算門限值”，計算門限不再需要進行中值濾波，而是通過以下公式獲得：

式中：m為門限因子為設(shè)定的常數(shù)；Pave表示當(dāng)前時刻前w個時間窗內(nèi)特征值的均值。由于檢測過程中Pt是實時變化的，從而Xthreshold是變化的，即Xthreshold仍為自適應(yīng)門限。與圖8 算法不同的是，新的算法只能得到檢測到目標(biāo)的時刻，不能給出檢測到的具體線譜頻率。

3 仿真與實測數(shù)據(jù)分析

為分析對比檢測算法改進前后的性能，首先進行仿真分析，通過大量實測試驗數(shù)據(jù)分析表明，水面船舶軸頻電場信號源強度在幾十至 數(shù)百A·m[13]。為研究一般信號強度下的檢測性能，仿真中假設(shè)水平時諧電偶極子模擬源強度為50 A·m，信號頻率為1 Hz，并存在2 Hz、3 Hz 的倍頻信號，疊加峰值為20 μV/m 的高斯噪聲，電偶極子方向為x軸方向，考慮正橫距離為0 m時，距離200 m 處信號峰值約為0.54 μV/m，利用本文改進算法與圖8 所示的線譜能量檢測算法對電場縱向分量檢測，仿真次數(shù)1 000 次，得到ROC(receiver operating characteristic curve)曲線如圖10 所示，由圖10 可知，本文改進后的算法較原算法性能有明顯提升。

圖10 仿真數(shù)據(jù)ROC 曲線對比Fig. 10 Comparison of ROC curves of simulation data

進一步利用浮標(biāo)平臺在水面實測的42 組不同目標(biāo)通過的電場數(shù)據(jù)，分析得到算法改進前后的ROC 曲線如圖11 所示。需要說明的是：實測數(shù)據(jù)基本上為不同的水面船舶，且不同船舶正橫距離有所差異，不同船舶的信號大小也有差異。由圖11可知，在200 m 距離上，本文改進后的算法較原算法性能明顯提升。

圖11 實測數(shù)據(jù)ROC 曲線對比Fig. 11 Comparison of ROC curves of measured data

選取圖12 所示兩個不同的實船電場x軸分量進行單獨分析，其中圖12(a)為某貨船的測量結(jié)果，圖12(b)為貨船通過時400~500 s 時間窗內(nèi)的頻譜，圖12(c)為1 千噸左右的小型運油船，圖12(d)為300~400 s 內(nèi)的頻譜。由圖12 可知，貨船、運油船低頻電場通過特性差異明顯，貨船的電場還存在較大的干擾，大約在426 s 附近通過探測平臺，運油船約在361 s 附近通過探測平臺。

圖12 兩艘船舶實測低頻電場Fig. 12 Measured low-frequency electric fields of two real ships

前述兩種檢測算法的檢測結(jié)果如圖13 所示。由圖13(a)可知對于貨船原檢測算法在395 s 附近檢測到了清晰的線譜倍頻信號，但在其他時刻出現(xiàn)了較多的擾動信號，由圖13(b)改進算法在371 s 附近檢測到了的低頻電場信號，且不存在擾 動誤判；由圖14(a)可知：對于運油船原檢測算法存在較多擾動，基本無法準(zhǔn)確判斷何時檢測到運油船的電場信號及其頻率，由圖14(b)改進算法在380 s 附近檢測到了運油船的低頻電場信號，且不存在擾動誤判。

圖13 貨船電場檢測結(jié)果Fig. 13 Electric field detection results of a cargo ship

圖14 運油船電場檢測結(jié)果Fig. 14 Electric field detection results of a tanker

上述結(jié)果表明，自適應(yīng)門限的線譜能量雖然檢測距離大于本文的改進檢測算法，但從抗干擾的角度后者更適合艦船電場探測浮標(biāo)。

4 結(jié)論

本文通過電場探測浮標(biāo)在深遠(yuǎn)海的試驗研究，明確了浮標(biāo)平臺電磁閥工作會對安裝在其附近的電場傳感器產(chǎn)生干擾，浮標(biāo)在近海水表面易受到海浪和浮標(biāo)晃動的干擾，該部分干擾峰值集中在0.5 Hz以下，隨著浮標(biāo)工作深度的加深晃動及電場干擾逐漸減小，在200 m 水深附近浮標(biāo)晃動角度在0.3°以內(nèi)，電場干擾峰峰值量級為0.1 μV/m。進一步對電場探測浮標(biāo)信號檢測算法的研究表明，自適應(yīng)門限的線譜能量加和檢測方法探測概率高、虛警率低，適合應(yīng)用于浮標(biāo)探測平臺。