船舶水下典型物理場低頻線譜特征相關性研究

姜潤翔 ,王嘉睿 ,朱 巋 ,張伽偉

(1.海軍工程大學 電氣工程學院,湖北 武漢,430033;2.海軍工程大學 兵器工程學院,湖北 武漢,430033)

0 引言

艦船在海水中航行時會引起周圍的聲場、電場、磁場和壓力場等信號出現(xiàn)異常,這些異常信號是水中兵器的探測源[1-4]。隨著隱身技術的發(fā)展以及艦船設計制造的多樣性,利用單一的水下物理場探測與識別目標的難度急劇增大,為此,需要研究多物理場聯(lián)合探測技術[5-8]。線譜作為水下探測和識別目標的重要特征量,相比于時域特征量(幅度、峰值和周期等)與連續(xù)譜特征量,具有易檢測和易識別的優(yōu)勢[9-10]。目前在水下物理場探測領域,國內(nèi)外重點對線譜的測量技術、特征提取技術、信號檢測算法等方面進行了研究[4-7],而對不同物理場低頻線譜的相關性研究較少,缺乏系統(tǒng)的理論分析和試驗測試。文中基于海上實測數(shù)據(jù),重點對典型船舶的低頻聲場、電場、磁場和壓力場的線譜特征進行了分析,力圖揭示以電場、磁場為代表的電磁波與以聲場、壓力場為代表的機械波低頻線譜之間的關系。

1 試驗儀器及設備

為了獲取典型船舶通過時的水下物理場信號,研制了集聲場、電場、磁場和水壓場于一體的聯(lián)合測量裝置(如圖1 所示)。

圖1 水下聲場、電場、磁場和水壓場聯(lián)合測量裝置Fig.1 Underwater joint measuring device of acoustic field,electric field,magnetic field,and water pressure field

圖1 中,聲、電、磁以及水壓測量傳感器分別為壓電式水聽器RHS-20、Ag/AgCl 電極、MAG13磁通門傳感器以及US10000 型壓阻式壓力傳感器等。測量系統(tǒng)儀器艙為玻璃球,耐壓深度可達2 000 m,其內(nèi)部安裝有32 位、8 路低噪聲采集器(1 路聲場、3 路電場、3 路磁場和1 路壓力場),14.4 V鋰電池組和電源轉(zhuǎn)換模塊(輸出電壓為+5 V、±12 V)以及32 G 存儲卡等。由于試驗期間更多關注的是低頻信號特征,為此設定聲場信號的采樣頻率為8 000 Hz,低通濾波器截止頻率為2 000 Hz;電場、磁場、水壓場的采樣頻率設定為250 Hz,低通濾波器截止頻率為100 Hz。

2020 年8 月,利用所研制的測量系統(tǒng)于某海域?qū)^往船舶的物理場信號進行測量,獲得了30余艘不同目標的物理場信號,測量水深25 m 左右,典型目標A 和B 通過時測量得到的水下物理場信號分別如圖2 和圖3 所示。

圖3 典型目標B 水下物理場信號Fig.3 Underwater physical field signal of typical target B

2 聲場、壓力場和電場低頻線譜特征分析

一方面,艦船內(nèi)部機械振動、螺旋槳旋轉(zhuǎn)等均會產(chǎn)生輻射噪聲場,該輻射噪聲場以機械波的形式在水介質(zhì)中傳播,從而導致水質(zhì)點運動,即在海水中產(chǎn)生壓力變化,而壓電式水聽器、壓阻式壓力傳感器均可測量變化壓力信號,其差別僅在于傳感器拾取壓力信號的等效模型,分別對應于電容和電阻兩端的電壓變化,即壓電式與壓阻式傳感器均可接收到振動引起的壓力信號;另一方面,電場和磁場歸為電磁波,根據(jù)電磁場理論可知,低頻電場與低頻磁場可以相互轉(zhuǎn)化,兩者在低頻線譜上具有共源特性,圖4 為船舶A 低頻電場與磁場信號的振幅譜,圖中,電場0 dB 對應于1 mV/m,磁場0 dB 對應于1 nT。為此,文中重點對聲場、壓力場和電場的低頻線譜特征進行分析。

圖4 船舶A 低頻電場與低頻磁場的振幅譜Fig.4 Amplitude spectra of low-frequency electric field and magnetic field of Ship A

在分析之前主要完成以下信號處理: 1) 分別對船舶A、B 的聲場信號進行100 Hz 低通濾波,并計算其振幅譜;2) 分別對船舶A、B 的壓力場信號進行1 Hz 的高通濾波,并計算其振幅譜;3) 分別對船舶A、B 的電場信號進行1 Hz 的高通濾波,并計算三分量和的振幅譜,船舶A 和B 聲場、壓力場、電場信號的振幅譜分別如圖5 和圖6 所示,圖中聲場、壓力場0 dB 對應于1 Pa,電場0 dB 對應于1 mV/m。

圖5 船舶A 聲場、壓力場及電場信號振幅譜Fig.5 Amplitude spectra of acoustic field,pressure field,and electric field signals of Ship A

圖6 船舶B 聲場、壓力場和電場信號振幅譜Fig.6 Amplitude spectra of acoustic field,pressure field,and electric field signals of Ship B

由圖5 和圖6 可發(fā)現(xiàn),典型船舶A、B 通過時,低頻聲場、壓力場和電場信號均具有明顯的線譜信號。對比同一艘船舶的低頻聲場、壓力場和電場振幅譜,可發(fā)現(xiàn):

1) 低頻聲場和壓力場線譜具有較強的相關性,如船舶A 的低頻聲場、壓力場在16.68、22.18、24.74、27.65、31.10、37.09 Hz 等頻點均出現(xiàn)了明顯的線譜,這說明低頻聲場與低頻壓力場信號的共源性。需要說明的是,低頻水壓場在10 Hz 以下頻段的線譜成分較聲場信號豐富,這是由于水聽器的測量范圍為20 Hz～20 kHz,壓力傳感器的測量范圍為 DC～1 000 Hz 的緣故。在后續(xù)水中兵器引信設計時,可通過高精度壓阻式壓力傳感器實現(xiàn)0.5 Hz 靜態(tài)壓力的接收和1～100 Hz 低頻振動信號的接收。

2) 低頻電場與低頻壓力場、聲場在某些頻點具有相關性,如船舶B 的聲場、壓力場和電場在11.41、19.97、22.83、31.31、34.35、37.44、39.56 Hz等頻點均出現(xiàn)了相關性。由電場產(chǎn)生機理可知,50 Hz以下低頻電場信號主要是由于螺旋槳旋轉(zhuǎn)時引起的軸地電阻波動產(chǎn)生的,而低頻聲場、水壓場信號主要是柴油機、軸承、推力軸和螺旋槳旋轉(zhuǎn)等振動產(chǎn)生的。推力軸和螺旋槳旋轉(zhuǎn)時,除了產(chǎn)生振動信號,還將導致軸地等效電阻波動,因此上述原因?qū)⒃诖爸車瑫r產(chǎn)生共源特性的低頻電場和聲場、水壓場信號。

3) 不同船舶的低頻聲場、壓力場、電場相關性的程度是不一樣的,對比圖5 和圖6 中的結(jié)果可發(fā)現(xiàn),不同船舶的低頻聲場、壓力場與電場的相關性程度存在差異,但總體來看,當螺旋槳旋轉(zhuǎn)時,電場能夠更加明顯地測量到基頻信號,而聲場和壓力場則在葉頻測量上更具優(yōu)勢。

為了進一步明確船舶上述試驗分析結(jié)論的普遍性,圖7 給出了其他3 種類型船舶通過時的聲場、壓力場和電場信號的振幅譜,從圖中可發(fā)現(xiàn)與上述試驗分析結(jié)論相類似的結(jié)果。

圖7 典型目標聲場、壓力場和電場信號的振幅譜Fig.7 Amplitude spectra of acoustic field,pressure field,and electric field signals of typical targets

需要說明的是,在傳統(tǒng)船舶壓力場信號檢測領域,通常關注的是0.5 Hz 以下的低頻成分,實際上,艦船航行過程中,其推進系統(tǒng)、螺旋槳等設備會產(chǎn)生低頻機械振動信號,它們在水彈性效應下將轉(zhuǎn)化為低頻壓力脈動信號,該信號可被高靈敏度壓力傳感器敏感和拾取。圖8 為船舶A、B 低頻壓力信號(1～100 Hz)的時域波形,對比圖8 和圖2(a)、3(a)可發(fā)現(xiàn),低頻壓力信號的時域波形與聲場信號的時域波形具有相似性。這從另一個側(cè)面說明了低頻聲場信號和壓力場信號的共源特點。

圖8 船舶A、B 低頻壓力信號時域波形Fig.8 Time domain waveform of low-frequency pressure signals of ships A and B

3 結(jié)束語

在大量實船數(shù)據(jù)的基礎上,研究分析了典型船舶低頻聲場、壓力場和電場的信號特征,重點對其頻域相關性進行了分析。結(jié)果表明,艦船通過時除了產(chǎn)生0.5 Hz 以下的準靜態(tài)壓力信號外,還存在0.5～100 Hz 頻段內(nèi)的低頻壓力場信號,該低頻壓力信號存在明顯的低頻線譜特征,具備可被測量的能力,且低頻壓力信號與低頻聲場信號具有強相關和共源特性;低頻聲場、壓力場的線譜與低頻電場信號的線譜在部分頻點存在相關性和共源性,這為水下低頻場的聯(lián)合探測與識別提供了新的思路。下一步工作的重點是研究低頻聲場、壓力場與電場聯(lián)合探測與目標識別方法。