海洋物質(zhì)干擾檢測系統(tǒng)的設(shè)計

程巖，吳丙偉，張穎穎

(山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點實驗室，山東 青島 266001)

【海洋科技與裝備】

海洋物質(zhì)干擾檢測系統(tǒng)的設(shè)計

程巖，吳丙偉，張穎穎

(山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點實驗室，山東 青島 266001)

為提高海洋生態(tài)現(xiàn)場檢測的靈敏度、精度并降低檢出限，針對海水測量產(chǎn)生的信號具有統(tǒng)一幅頻的特點，進行幅頻特性分析，掌握干擾信號的頻域特征，通過過濾海水檢測信號，獲得真實的監(jiān)測數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可以為海洋生態(tài)環(huán)境現(xiàn)場監(jiān)測傳感器的開發(fā)和應(yīng)用提供借鑒。

頻域；干擾；信號檢測；

1 海洋物質(zhì)干擾檢測原理

對海洋環(huán)境進行綜合測量，是獲取海洋多種信息、提高海洋測量效率的有效方法[1-2]，也是目前國內(nèi)海洋測量發(fā)展的方向。海水物質(zhì)檢測是海洋環(huán)境監(jiān)測最重要的項目之一，現(xiàn)有的海水環(huán)境監(jiān)測方法通常是在實驗室平臺上進行的，以假定海水中待測物質(zhì)所對應(yīng)的檢測信號平穩(wěn)或時不變?yōu)榍疤?，利用檢測到的信號計算出海水中待測物質(zhì)的含量[3]。

但是，實際的海洋現(xiàn)場檢測環(huán)境復(fù)雜多變，干擾因素很多。在作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)，海洋環(huán)境的變化對海洋物質(zhì)的測量存在干擾，其現(xiàn)象是檢測到的電壓信號的幅度會出現(xiàn)無規(guī)律的變化，干擾形式在模擬記錄方式中呈現(xiàn)出連續(xù)線性模式?；跈z測系統(tǒng)工作頻率的關(guān)系及其所形成的干擾影響，可以認為海水中各種海洋生物以及物理環(huán)境在特定的頻率以及頻帶范圍內(nèi)會產(chǎn)生干擾諧波。由于海水物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和濃度受時空影響大，多數(shù)處于相互關(guān)聯(lián)、相互影響的狀態(tài)，而現(xiàn)有技術(shù)中對海水的檢測方法并未區(qū)分各種干擾因素，因此，測量結(jié)果的準確性和代表性受到質(zhì)疑。

經(jīng)過儀器采集的數(shù)據(jù)，是多種頻率信號疊加而成的，理論上每種頻率都有產(chǎn)生的原因。因為海洋環(huán)境復(fù)雜，所以在儀器進行海水物質(zhì)檢測數(shù)據(jù)的分析過程中，很多頻率無法確定其真實來源，一部分是真實有效的信號，其他是海洋環(huán)境的干擾信號[4]。目前研發(fā)的各種海水檢測類儀器通常的做法就是進行簡單的濾波，在這一過程中有可能去掉了有效信號，也有可能在濾波的過程中進一步摻雜了干擾信號。實驗室已經(jīng)開展了多種海洋物質(zhì)檢測的項目，并具備相應(yīng)的檢測儀器。從理論上，在同樣的海洋環(huán)境進行海水物質(zhì)檢測，不同的檢測儀器所采集的信號，應(yīng)包含同樣的干擾頻率，所以可以通過對不同種海水檢測類儀器進行對比發(fā)現(xiàn)該頻率，也就是該海洋環(huán)境所采集的數(shù)據(jù)具有的干擾頻率。國外在處理此類問題的時候，首先判斷海洋環(huán)境干擾的因素，比如當?shù)氐娘L(fēng)速、降雨、海洋生物以及測量船只等，根據(jù)這些干擾源分別做出相應(yīng)的去除措施，提高信噪比。但是在海洋現(xiàn)場的環(huán)境檢測中，由于海洋環(huán)境是實時變化的，干擾源也多種多樣。

把海洋看成一個復(fù)雜環(huán)境，在檢測海水中的各種物質(zhì)，如有機物、TOC以及營養(yǎng)鹽的過程中，在同一環(huán)境下對每種儀器的干擾是類似的，也就是干擾頻率相同。針對海水中待檢測物質(zhì)的含量，采集同樣的海水，進行數(shù)據(jù)分析，就可以假定多種干擾信號中，至少有一項或若干項的干擾信號是一樣的。不同儀器對相同環(huán)境下的海水進行檢測，可以通過采集的數(shù)據(jù)進行頻譜分析，得到該環(huán)境下海水對海洋監(jiān)測類儀器存在的某一頻率下的干擾。在類似的海洋儀器研制的過程中，可以對同樣環(huán)境下海水的這一干擾進行過濾，提高檢測儀器的信噪比，從而提高檢測的靈敏度和精度[5-9]。本文提出的方法，是把所有的海洋環(huán)境干擾統(tǒng)一處理，通過現(xiàn)場幾種儀器同時采集，判斷干擾的頻率范圍，達到實時分析的目的。

2 系統(tǒng)設(shè)計

利用多臺不同的檢測儀器對待測海水進行光照檢測，并接收各臺檢測儀器進行光電轉(zhuǎn)換后輸出的電壓信號；對電壓信號進行傅里葉變換，生成功率譜；設(shè)定基頻段，針對每一臺檢測儀器所對應(yīng)的頻譜數(shù)據(jù)，遍歷所述的基頻段，查找基頻段中的每一個頻率點以及每一個頻率點所對應(yīng)的倍頻、寬頻以及波帶，判斷是否均有能量存在；若各臺檢測儀器在相同的頻率點以及相同的頻率點所對應(yīng)的倍頻、寬頻以及波帶均有能量存在，則判定所述相同的頻率點為干擾頻率。在對待測海水中的物質(zhì)進行檢測前，通過執(zhí)行本文所提出的海水檢測前處理方法，檢測出干擾頻率，在對物質(zhì)分析的過程中提前過濾掉該干擾頻率或者干擾頻率段的信息[10]。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 分析方法

通過分析每種儀器采集的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，用同樣的采集頻率來采集信號，不同的儀器采集的信號，在對不同種海水中的物質(zhì)檢測的過程中產(chǎn)生若干一維的信號。這些一維的信號通過頻譜分析，有能量存在的頻率點，說明該一維信號有該頻率的信號疊加進來。能夠確定的有采樣頻率，以及海水中對應(yīng)物質(zhì)所對應(yīng)的頻率，儀器自身產(chǎn)生的干擾頻率，以及海水本身產(chǎn)生的干擾頻率。若各臺檢測儀器在相同的頻率點以及所述相同的頻率點所對應(yīng)的倍頻、寬頻以及波帶處均有能量存在，則判定所述相同的頻率點為干擾頻率[11]。

3.2 數(shù)據(jù)分析流程

倍頻就是所要分析頻率的倍數(shù)n，n為正整數(shù)，1

(1)針對所述基頻段中每一個存在能量的頻率點H，依次查找功率譜中與該頻率點H所對應(yīng)的連續(xù)n個倍頻率點的能量存在情況。若任意一個倍頻率點不存在有效能量，則判定該頻率點H為信號頻率，而非干擾頻率。

(2)針對所述基頻段中每一個存在能量的頻率點H，查找功率譜中與該頻率點H對應(yīng)的寬頻處是否存在能量時，按照上述方法，若其中一個寬頻處不存在有效能量，則判定該頻率點H為信號頻率，而非干擾頻率。

(3)在所述基頻段中，每一個頻率點H的波帶優(yōu)選為H±5 Hz的頻帶范圍。如果多臺儀器在頻譜分析數(shù)據(jù)時，基頻都滿足干擾頻率特征，就定義該頻率為該海區(qū)的干擾頻率。

3.2.1 倍頻分析的處理流程

(1)生成功率譜；

(2)設(shè)定基頻段，并遍歷基頻段每個頻率點；

(3)記錄基頻點的能量值，為1倍頻能量值；

(4)查找基頻點2倍的頻率點的能量值，如果該值為1倍頻能量值的10%以上，返回為真值；

(5)查找基頻點n倍的頻率點的能量值，如果該值為n-1倍頻頻率點的能量值的10%以上，返回為真值；

(6)繼續(xù)下一個循環(huán)，如果n的值為5或出現(xiàn)假值，退出循環(huán)，記錄該頻率點的值。

3.2.2 寬頻分析的處理流程

(1)查找基頻點的值+寬頻寬度的值的頻率點的能量值為第2個寬頻點的能量值，如果該值為第1個寬頻能量值的10%以上，返回為真值；

(2)查找基頻點的值+(n-1)倍寬頻寬度值的頻率點的能量值為第n個寬頻點的能量值，如果該值為第(n-1)寬頻能量值的10%以上，返回為真值；

(3)繼續(xù)下一個循環(huán)，如果n的值為5或出現(xiàn)假值，退出循環(huán)，記錄該頻率點的值。

3.2.3波帶的分析流程

(1)設(shè)定基頻段，并遍歷基頻段每個頻率點；

(2)記錄基頻點的能量值，查找基頻點左右各5個頻率點的能量值；

(3)如果能量值為該基頻點能量值的10%以上，記錄該頻率點的值，返回為真值。

3.2.4 數(shù)據(jù)分析實例

圖1 系統(tǒng)分析曲線Fig.1 System analysis curve

a 10 Hz；b 20 Hz;c 30 Hz;d 40 Hz;e 50 Hz 。圖2 倍頻分析曲線Fig.2 Frequency multiplication analysis curve

a 10 Hz；b 40 Hz; c 70 Hz; d 100 Hz; e 130 Hz 。圖3 寬頻分析曲線Fig. 3 Broadband analysis curve

圖4 5～15 Hz波帶分析曲線Fig.4 Band frequency analysis curve in 5～15 Hz

圖1～4為數(shù)據(jù)分析過程。圖1是所有分析曲線都顯示在同一圖譜中。圖2顯示的是通過倍頻分析發(fā)現(xiàn)的基頻為10 Hz的頻率點，其所有倍頻點的能量值都大于前一個倍頻點能量值的10%，所以10 Hz倍頻在分析的過程中滿足干擾頻率的條件。圖3中，系統(tǒng)設(shè)置寬頻的分析寬度為30 Hz，其所有寬頻點的能量值都大于前一個寬頻點的能量值的10%，所以10 Hz為基頻的寬頻在分析的過程中，也滿足干擾頻率的條件。在5 ～15 Hz的頻率點的能量值中，有3個頻率點的能量值大于10 Hz能量值的10%，所以10 Hz波帶在分析的過程中滿足干擾頻率的條件(圖4)。由此可見， 在倍頻、寬頻和波帶的分析過程中，10 Hz都滿足干擾頻率的條件，所以定義10 Hz為海水的干擾頻率，在信號的分析過程中，過濾掉10 Hz的頻率。

3.3 干擾檢測結(jié)果分析

表1分別對未經(jīng)過去除干擾頻率處理的原始信號和經(jīng)過去除干擾頻率處理的濾波后的信號進行信號值對比，并統(tǒng)計10組信號值的相對標準偏差。

可以看出，經(jīng)過去除干擾頻率后的信號值比未去除的有明顯的減少。因此，通過對獲得的電壓信號進行干擾頻率分析，并進行降噪處理，可以有效地削弱海水等外界因素對檢測到的電壓信號造成的影響，使通過電壓信號計算所得的面積值更加平滑和穩(wěn)定，有利于提高海水中物質(zhì)的測量方法的可靠性[12-13]。

表1 去除干擾頻率前后信號值對比

4 結(jié)語

該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，響應(yīng)速度快，在海洋現(xiàn)場環(huán)境檢測中，能夠?qū)崟r掌握當前海洋環(huán)境干擾頻率狀態(tài)，過濾海水檢測信號，并獲得真實的監(jiān)測數(shù)據(jù)。系統(tǒng)適用于各種海洋環(huán)境，增強了海水現(xiàn)場監(jiān)測抗干擾能力，從而能夠提高海洋生態(tài)現(xiàn)場監(jiān)測的靈敏度、精度并降低檢出限，對海洋生態(tài)環(huán)境現(xiàn)場監(jiān)測傳感器的開發(fā)和應(yīng)用具有重要意義。但是，在干擾頻率分析的過程中，需要多臺類似的儀器用同樣的采樣頻率，同時采集同一海區(qū)的海水，這樣分析出的干擾頻率有特定的海況條件，如果海況更換，分析需要重新進行。如果把各種海洋環(huán)境下所有檢測出來的干擾頻率做記錄，并寫入數(shù)據(jù)庫中，保存相應(yīng)的分析樣本，就能夠在海況更換的情況下，無需重新進行分析計算，只需從數(shù)據(jù)庫中直接讀取即可，這也是今后的工作方向之一。

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Design of ocean interference detection system

CHENG Yan,WU Bing-wei, ZHANG Ying-ying

(Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Environmental Monitoring Technology, Institute of Oceanographic Instrumentation, Shandong Academy of Sciences, Qingdao 266001, China)

∶ To improve marine ecological field detection sensitivity and precision and lower detection limit, we analyze amplitude-frequency characteristics of interference signals and grasp their frequency domain characteristics for uniform amplitude-frequency property of seawater detection signal. Through the filtering of seawater detection signal, we get authentic monitoring data. The approach is stable and reliable, and can provide reference for development and application of marine ecological field detection sensors.

∶ frequency domain; interference; signal detection

10.3976/j.issn.1002-4026.2016.06.003

2016-04-25

山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室資助項目(201509)；山東省重點研發(fā)計劃(2015GSF115001)；國家國際合作專項(201xxxR90220)

程巖(1979—)，男，高級工程師，碩士，研究方向為海洋儀器。

TP391

A

1002-4026(2016)06-019-05