海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)相關(guān)特性分析＊

吳 亮 姜元軍

（海軍駐大連地區(qū)軍事代表室 大連 116021）

1 引言

海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)是水下目標(biāo)電磁場(chǎng)探測(cè)的干擾源，表現(xiàn)出兩個(gè)方面的特性：一是合作性；二是對(duì)抗性。如何消除環(huán)境水下電磁場(chǎng)的對(duì)抗性，充分發(fā)揮它的合作性是我們需要研究的重要內(nèi)容，其中一個(gè)途徑是研究不同空間位置、不同分量、不同頻帶和不同時(shí)間長(zhǎng)度海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)，掌握其相關(guān)特性，從而有效抑制環(huán)境電磁場(chǎng)以提高對(duì)弱電磁場(chǎng)目標(biāo)的探測(cè)能力。

2 海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)主要場(chǎng)源

海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)的場(chǎng)源眾多，形成機(jī)理復(fù)雜。根據(jù)場(chǎng)源的形式可分為天然電磁場(chǎng)和人為因素形成的電磁場(chǎng)［1～2］。

海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)各場(chǎng)源的差異較大，產(chǎn)生電磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)大小、覆蓋頻帶以及影響因素等均不同。從而表現(xiàn)出各自的獨(dú)有特性，其中不僅包含隨機(jī)噪聲，也存在周期性噪聲并且在一定的海域內(nèi)有些環(huán)境電磁場(chǎng)是相關(guān)的。周期性噪聲主要由海水規(guī)律性運(yùn)動(dòng)引起，海水運(yùn)動(dòng)形式主要包括海浪、海流和內(nèi)波等。

海面是不斷起伏的，海浪運(yùn)動(dòng)的周期為0.1s～30s［3］。國(guó)外學(xué)者研究表明，實(shí)際的波浪周期一般都小于10min，典型的波浪周期在10s～20s的范圍內(nèi)［4］。海浪運(yùn)動(dòng)感應(yīng)的電磁場(chǎng)對(duì)海洋電磁探測(cè)具有重要影響［5］。目前常用的比較成功的模型是Weaver建立的，該模型計(jì)算了海浪產(chǎn)生的磁場(chǎng)［6］。

海流是動(dòng)力因子和熱力學(xué)因子相互制約、相互調(diào)整的結(jié)果［7］。海流運(yùn)動(dòng)在一定的區(qū)域內(nèi)一致性較強(qiáng)，海水感應(yīng)電場(chǎng)的垂直分量與海水流速和地磁場(chǎng)的水平分量成正比；感應(yīng)電場(chǎng)的水平分量與海水流速和地磁場(chǎng)的垂直分量成正比［8］。

內(nèi)波隱匿水中，隨時(shí)間和空間隨機(jī)性變化，常見的波長(zhǎng)為幾十米至幾十千米，內(nèi)波的產(chǎn)生大多與地形變化有關(guān)，所以內(nèi)波比較容易在近海海域和湖泊內(nèi)產(chǎn)生［9］。Larsen計(jì)算了具有潮汐周期的內(nèi)波在廣闊海洋底部感應(yīng)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)［10］。

3 海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)相關(guān)特性

本文主要分析對(duì)象為淺海近岸多點(diǎn)測(cè)試的海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，測(cè)量體布放在海底不同的空間位置，分析內(nèi)容為不同測(cè)量體各分量之間、不同測(cè)量體同一分量之間的不同頻帶、不同時(shí)間長(zhǎng)度的相關(guān)特性。處理結(jié)果如下圖所示，圖中環(huán)境電場(chǎng)橫坐標(biāo)的1、2、3、4表示 DC－5Hz、1Hz～10Hz、2Hz～20Hz和8Hz～20Hz的相關(guān)系數(shù)，環(huán)境磁場(chǎng)橫坐標(biāo)的1、2、3、4表示 DC－2Hz、1Hz～10Hz、2Hz～20Hz和8Hz～20Hz的相關(guān)系數(shù)。

相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式為：

式中n表示數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，x、y表示選擇的數(shù)據(jù)。圖中的X－Y、X－Z及Y－Z表示電磁場(chǎng)不同分量之間的互相關(guān)系數(shù)，＃1～＃2、＃1～＃3及＃2～＃3表示電磁場(chǎng)不同測(cè)量體同一分量之間的互相關(guān)系數(shù)（限于篇幅，本文將圖進(jìn)行精簡(jiǎn)）。

圖1 電磁場(chǎng)各分量之間，不同頻帶、不同時(shí)間長(zhǎng)度的相關(guān)系數(shù)

首先對(duì)比分析海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)同一測(cè)量體不同分量之間的互相關(guān)系數(shù)：

1）不同位置處海洋環(huán)境電場(chǎng)水平分量之間的相關(guān)性均大于其它兩個(gè)分量的相關(guān)性。

2）海洋環(huán)境電場(chǎng)水平分量DC－5Hz和1Hz～10Hz之間的相關(guān)性很強(qiáng)。但水平分量與垂直分量低頻電場(chǎng)之間的相關(guān)性較弱。

3）對(duì)于2Hz～20Hz和8Hz～20Hz的高頻部分，海洋環(huán)境電場(chǎng)各分量之間相關(guān)性較差。

4）海洋環(huán)境磁場(chǎng)不同分量之間的相關(guān)性與電場(chǎng)截然不同，總體結(jié)果表明，海洋環(huán)境磁場(chǎng)在1Hz～10Hz、2Hz～20Hz和8Hz～20Hz高頻段大于低頻磁場(chǎng)（DC－2Hz）的相關(guān)系數(shù)，而且它們之間的相關(guān)性很強(qiáng)（相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值均大于0.5）。此結(jié)果與理論分析并不一致，通過頻譜分析發(fā)現(xiàn)，1Hz～20Hz頻段出現(xiàn)了許多根不明線譜，它既有可能來源與環(huán)境也很有可能存在與系統(tǒng)噪聲中，因此結(jié)果有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖2 不同測(cè)量體電磁場(chǎng)之間，不同頻帶、不同時(shí)間長(zhǎng)度同一分量的相關(guān)系數(shù)

之后，對(duì)比分析環(huán)境電磁場(chǎng)不同測(cè)量體同一分量之間的互相關(guān)系數(shù)：

1）海洋環(huán)境電場(chǎng)不同測(cè)量體同一水平分量之間的相關(guān)性均大于垂直分量的相關(guān)性。

2）環(huán)境電場(chǎng)同一水平分量DC－5Hz和1Hz～10Hz之間的互相關(guān)系數(shù)均在0.6以上即不同測(cè)量體，低頻電場(chǎng)同一水平分量之間的相關(guān)性很強(qiáng)。雖然不同測(cè)量體垂直分量低頻電場(chǎng)較水平分量弱，但測(cè)量體1－測(cè)量體2和測(cè)量體2－測(cè)量體3在DC－2Hz頻帶，它們之間的相關(guān)性也較強(qiáng)。

3）對(duì)于2Hz～20Hz和8Hz～20Hz的高頻部分，除Y分量2Hz～20Hz頻帶的相關(guān)性較強(qiáng)之外，不同測(cè)量體同一分量的相關(guān)性均非常弱，相關(guān)系數(shù)小于0.3。

4）海洋環(huán)境磁場(chǎng)不同測(cè)量體同一分量之間的相關(guān)性：低頻磁場(chǎng)（DC－2Hz）除測(cè)量體2－測(cè)量體3的Y分量之間的相關(guān)系數(shù)較小之外，其它的相關(guān)性均較強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)大于0.4。海洋環(huán)境磁場(chǎng)在1Hz～10Hz、2Hz～20Hz和8Hz～20Hz高頻段，不同測(cè)量體同一分量之間的相關(guān)性較差，相關(guān)系數(shù)均不大于0.3。

4 結(jié)語

總結(jié)分析結(jié)果，由于天然電磁場(chǎng)中海水運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性導(dǎo)致環(huán)境電磁場(chǎng)在低頻段的相關(guān)性很強(qiáng)。因此，可以在海底不同空間位置上布放較多的電磁場(chǎng)傳感器，利用數(shù)據(jù)分析研究不同頻率環(huán)境電磁場(chǎng)的相關(guān)半徑，從而合理選擇傳感器間距并在相鄰傳感器之間采用自適應(yīng)抵消技術(shù)抑制海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)，提高弱電磁場(chǎng)目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)能力。

［1］林春生，龔沈光.艦船物理場(chǎng)［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，2007：249－256.

［2］張自力.海洋電磁場(chǎng)的理論及應(yīng)用研究［D］.北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2009：3－5.

［3］王永斌，陳衛(wèi)東，杜義.海浪對(duì)水下電磁場(chǎng)幅度影響的分析［J］.熱帶海洋學(xué)報(bào)，2005，24（1）：37－40.

［4］Munk W H，Miller G R，Snodgrass F E.Directional recording of swell from distant storms［J］.Phil Trans Roy Soc，London，1962，254：565－584.

［5］張自力，魏文博，等.海浪感應(yīng)電磁場(chǎng)的理論計(jì)算［J］.海洋學(xué)報(bào)，2008，30（1）：42－46.

［6］Weaver J T.Magnetic variations associated with ocean waves and swell［J］.Journal of Geophysical Research，1965，70：1921－1929.

［7］Gerkema T，Zimmerman J T F.Zimmerman，Generation of nonlinear internal tides and solitary waves［J］.Phys Oceanogr，1995，25：1081－1094.

［8］林春生，任德奎.海流感應(yīng)電磁場(chǎng)的分析與計(jì)算［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，15（4）：19－22.

［9］孫文心，李鳳岐，李磊.軍事海洋學(xué)引論［M］.北京：海洋出版社，2011：163－167.

［10］Larsen J.C.Electric and magnetic fields induced by deep sea tides［J］.Geophs.J.Roy.Astron.Soc.，1973，16：47－70.