海洋環(huán)境水下電磁場基本特性及抑制方法研究

江立軍

(海軍駐大連地區(qū)軍代表室，遼寧大連116021)

海洋環(huán)境水下電磁場是艦船測試的主要背景場，由于環(huán)境電磁場的存在會對目標信號檢測造成一定影響。海洋環(huán)境水下電磁場的場源眾多，除了由海水運動感應(yīng)產(chǎn)生的電磁場之外，還包括海洋大地電磁場以及人為因素形成的電磁場等。由于各種場源產(chǎn)生機理復(fù)雜，會在不同的方面表現(xiàn)出各自的特性，只有充分掌握環(huán)境電磁場的基本特性才能更好地為目標水下電磁場測試提供幫助。

傳統(tǒng)的海洋環(huán)境水下電磁場抑制方法大多利用信號之間的相關(guān)性或者與環(huán)境電磁場之間的差異，簡單易行的辦法是增加數(shù)據(jù)的平均次數(shù)、濾波和反饋補償?shù)?，但對于微弱信號來說，線譜信噪比的增強程度有限。文中基于海洋環(huán)境水下電磁場特性的分析結(jié)果，優(yōu)選自適應(yīng)線譜增強技術(shù)作為環(huán)境電磁場的降噪方法。

1 環(huán)境電磁場的基本特性

海洋環(huán)境水下電磁場的基本特性包括時域特性、頻域特性、相關(guān)特性與極化特性等，分別反映了海洋環(huán)境水下電磁場不同場源的主要特征。以上主要特性的表征方法如圖1所示。

圖1 海洋環(huán)境水下電磁場主要特性表征方法Fig.1 Characterizationmethod for the primary characteristics of underwater electromagnetic field in ocean environment

筆者對某海域分析得到的大量海洋環(huán)境水下電磁場特性進行了總結(jié)，從4個方面逐一進行概述。

海洋環(huán)境水下電磁場的時域信號分析如圖2所示，可以看出，海洋環(huán)境水下電磁場信號隨機性很強，但是幅值范圍較為穩(wěn)定。同時從信號的周期性波動來看，5～10 s是信號的主要周期，包含了信號的主要能量。

圖2 海洋環(huán)境水下電磁場的時域信號Fig.2 Time domain signals of underwater electromagnetic field in ocean environment

海洋環(huán)境水下電磁場頻譜分析如圖3所示，海洋環(huán)境水下電磁場的主要能量集中在0.001～1 Hz，50 Hz及其倍頻中。它包含了大地電磁場、海流(潮汐)感應(yīng)電磁場、人為因素形成電磁場和大部分海面波浪感應(yīng)電磁場。在1～10 Hz頻帶也占有一定的比例，主要由高頻波浪感應(yīng)產(chǎn)生;在10 Hz～3 kHz頻帶所占比重最小，這部分主要來自于其他的隨機干擾。

海洋環(huán)境水下電磁場的自相關(guān)特性要好于互相關(guān)特性，電場的相關(guān)特性要好于磁場的相關(guān)特性。這是由于海洋環(huán)境電磁場的低頻信號中，電場信號的主要成分是海水運動產(chǎn)生的電場，場源比較單一，其他環(huán)境電噪聲影響較小，所以具有較好的相關(guān)特性。磁場信號的成分比較復(fù)雜，特別是受到大地電磁的影響比較突出，所以環(huán)境磁場的相關(guān)性較弱。

海洋環(huán)境水下電磁場低頻分量與高頻分量都有著自身的極化特性。低頻電磁場中，極化特性散點圖呈橢圓狀分布，電磁場極化最強的頻帶為0.5～2 Hz，主要源于海水運動產(chǎn)生的海洋環(huán)境水下電磁場。高頻段主要體現(xiàn)了工頻信號的極化情況，這說明工頻信號也是具有極化方向的，并且主要體現(xiàn)為橢圓極化。

圖3 海洋環(huán)境水下電磁場頻譜Fig.3 Spectra of underwater electromagnetic field in ocean environment

2 環(huán)境電磁場噪聲抑制方法

2.1 基本理論

自適應(yīng)濾波器由參數(shù)可調(diào)的數(shù)字濾波器和自適應(yīng)算法兩部分組成［1］，如圖4所示。

圖4 自適應(yīng)濾波器原理Fig.4 Schematic of adaptive filter

輸入信號x(n)通過參數(shù)可調(diào)的數(shù)字濾波器后產(chǎn)生輸出信號y(n)，將其與參考信號d(n)進行比較，形成誤差信號e(n)。e(n)通過某種自適應(yīng)算法對濾波器參數(shù)進行調(diào)整，最終使e(n)的均方值最小。

自適應(yīng)最小均方算法(LMS)是一種很有用且很簡單的估計梯度算法，核心思想是用平方誤差代替均方誤差，LMS算法的基本表達式為:

式中:N代表自適應(yīng)濾波器的階數(shù);w(k)，x(k)代表濾波器權(quán)矢量以及輸入數(shù)據(jù)矢量;e(k)為殘差輸出:

權(quán)矢量為:

式中:μ為自適應(yīng)迭代步長，用于控制自適應(yīng)的速度和穩(wěn)定性。

2.2 噪聲抑制

圖5 海洋環(huán)境水下高頻電磁場的概率密度Fig.5 Probability density of underwater high-frequency electromagnetic field in ocean environment

自適應(yīng)線譜增強器(ALE)是在帶限白噪聲干擾背景中檢測未知頻率信號的有效檢測器，它實際是自適應(yīng)濾波器的典型應(yīng)用。由海洋環(huán)境水下電磁場的基本特性可知，在1 Hz～3 kHz頻帶的主要干擾源基本為隨機干擾，近似服從正態(tài)分布，如圖5所示，可以認為海洋環(huán)境水下電磁場為帶限白噪聲。

利用自適應(yīng)線譜增強技術(shù)對一艘民船的電磁場信號進行降噪，處理結(jié)果如圖6所示。

圖6 經(jīng)自適應(yīng)線譜增強之后的處理結(jié)果Fig.6 Processed result after ALE

經(jīng)自適應(yīng)濾波之后，1.6 Hz軸頻電場信號的信噪比得到了明顯增強，信號強度增加了6 dB，信號持續(xù)時間由原來的280 s增加為現(xiàn)在的530 s。由此可見，自適應(yīng)線譜增強技術(shù)在艦船電磁場信號噪聲抑制方面效果顯著，具有一定的應(yīng)用價值。

3 結(jié)語

海洋環(huán)境水下電磁場作為艦船目標的依存背景，具有一定的規(guī)律性和隨機性，通過總結(jié)環(huán)境電磁場在時域、頻域、相關(guān)和極化方面的基本特性，可以掌握在艦船目標測試中環(huán)境電磁場的影響程度，進而提高目標測試精度。

相對于傳統(tǒng)的相關(guān)法、平均法、濾波和反饋補償法進行艦船測試中的環(huán)境電磁場降噪，自適應(yīng)線譜增強技術(shù)具有一定的優(yōu)勢，該方法簡單易行并且信噪比增強程度明顯。然而，自適應(yīng)線譜增強技術(shù)也存在一定的局限性，對于信噪比較高的線譜效果顯著，但相對較弱的線譜信號強度反而有減弱的趨勢。

為了進一步提高艦船電磁場的檢測能力，還可以運用陣列信號處理理論進行噪聲抑制。陣列信號處理有著非常廣泛的用途，如聲納、雷達、通信、圖像處理、地質(zhì)勘探、天文探測和生物醫(yī)學等領(lǐng)域［2］。將一組傳感器(陣元)按一定方式布置在空間不同的位置上，就形成了傳感器陣列。波束形成就是對不同陣元接收到的數(shù)據(jù)進行一系列的運算，包括加權(quán)、延遲以及求和等，它是陣列信號處理的主要組成部分。運用陣列信號處理可以獲得足夠大的信噪比和高的目標分辨能力，下一步擬采用相位匹配原理的相干干擾抵消技術(shù)［3—4］和多通道差分自適應(yīng)噪聲抵消技術(shù)［5］進行噪聲抑制處理。

［1］ 姚天任，孫洪.現(xiàn)代數(shù)字信號處理［M］.武漢:華中科技大學出版社，2001.YAO Tian-ren，SUN Hong.Modern Digital Signal Processing［M］.Wuhan:Huazhong University of Science and Technology Press，2001.

［2］ 朱維杰.寬帶水聲陣列信號處理的原理及方法研究［D］.西安:西北工業(yè)大學，2003.ZHU Wei-jie.Study on Principle and Method about Broadband Underwater Acoustic Array Signal Processing［D］.Xi＇an:Northwestern Polytechnical University，2003.

［3］ 劉貫領(lǐng).一種基于譜減的聲納噪聲自適應(yīng)消除方法［J］.聲學技術(shù)，2011，30(5):399—402.LIU Guan-ling.A Method of Adaptive Eliminate Sonar Noise Based on Spectral Subtraction［J］.Acoustic Technology，2011，30(5):399—402.

［4］ 唐玲，陳磊，宋弘.基于Matching Pursuit算法的陣列信號降噪方法［J］.電子信息對抗技術(shù)，2011，26(3): 16—19.TANG Ling，CHEN Lei，SONG Hong.Array Signal Noise Reduction Method Based on Matching Pursuit algorithm［J］.ElectronicWarfare Technology，2011，26(3):16—19.

［5］ 馬令坤，黃建國，謝達.基于多通道差分的自適應(yīng)噪聲抵消方法［J］.兵工學報，2008，29(10):1210—1214.MA Ling-kun，HUANG Jian-guo，XIE Da.Adaptive Noise Cancellation Method Based on the Multi Channel Differential［J］.Ordnance Journal，2008，29(10):1210—1214.