基于長(zhǎng)基線測(cè)量的水下電場(chǎng)特性分析研究

莫立新，焦達(dá)文

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基于長(zhǎng)基線測(cè)量的水下電場(chǎng)特性分析研究

莫立新1，焦達(dá)文2

（1.海軍駐大連426廠軍事代表室，遼寧 大連 116005；2.大連測(cè)控技術(shù)研究所，遼寧 大連 116013）

目的研究海洋環(huán)境電場(chǎng)的空間分布。方法借助長(zhǎng)基線測(cè)量系統(tǒng)提供的一定空間增益，提高測(cè)量信號(hào)的強(qiáng)度，從而測(cè)量低頻電場(chǎng)不同測(cè)量體在24 h內(nèi)的幅度變化，以及0.1，0.2，0.5，1，10 Hz等5個(gè)不同典型頻點(diǎn)的概率密度分布。結(jié)果水下電場(chǎng)的空間分布會(huì)由于電極間距的不同導(dǎo)致幅度有所差異，但整體的變化趨勢(shì)基本一致。0.1，0.2，0.5，1 Hz頻點(diǎn)隨著頻率的增加，幅度對(duì)整體的貢獻(xiàn)越來越小，而10 Hz頻點(diǎn)的幅度變化無明顯規(guī)律。在24 h的連續(xù)觀測(cè)中，DC-1 Hz極低頻電場(chǎng)的幅度分布并不滿足正態(tài)分布，而是隨著時(shí)間變化具有一定的規(guī)律性。結(jié)論得到了不同頻點(diǎn)的海洋水下環(huán)境電場(chǎng)的空間分布特性。

海洋環(huán)境水下電場(chǎng)；典型頻點(diǎn)；概率密度分布；長(zhǎng)基線測(cè)量

海洋水下環(huán)境電磁場(chǎng)一方面有著重要的科學(xué)研究?jī)r(jià)值和顯著的經(jīng)濟(jì)效益[1]，另一方面其作為艦船測(cè)試的主要背景場(chǎng)，會(huì)對(duì)目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)造成一定影 響[2—4]。只有充分掌握環(huán)境電磁場(chǎng)的基本特性才能更好地為目標(biāo)水下電場(chǎng)測(cè)試提供幫助。水下電磁場(chǎng)的探測(cè)距離短制約著水下電場(chǎng)目標(biāo)測(cè)試的發(fā)展[5—7]，長(zhǎng)基線測(cè)量系統(tǒng)作為一種新的測(cè)量方式，通過增大電極間距獲得空間增益，進(jìn)而提高對(duì)微弱信號(hào)的感知能力[8—11]。文中通過開展長(zhǎng)基線測(cè)試方法研究，分析不同位置測(cè)量體采集的電場(chǎng)數(shù)據(jù)，研究低頻電場(chǎng)在空間上的幅度變化、典型頻點(diǎn)的概率分布，進(jìn)而掌握海洋環(huán)境水下電場(chǎng)的空間分布規(guī)律。

1 低頻電場(chǎng)的幅度變化

采用的長(zhǎng)基線水下電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)由4只銀/氯化銀電極構(gòu)成，分別為補(bǔ)償電極、參比電極和2個(gè)測(cè)量電極，頻率范圍為DC-1 kHz，電極最大間距可達(dá)40 m，用于獲取水下電場(chǎng)數(shù)據(jù)。測(cè)量信號(hào)可反映環(huán)境電場(chǎng)大尺度變化情況。長(zhǎng)基線電場(chǎng)傳感器測(cè)量如圖1所示。

如圖2所示，對(duì)比分析位于不同位置處的測(cè)量體所測(cè)得的水下低頻電場(chǎng)在24 h觀測(cè)中的幅度變化。

從圖2中可以看出，雖然由于電極距不同導(dǎo)致低頻電場(chǎng)的幅度大小不同，但不同位置處海洋環(huán)境電場(chǎng)整體的變化趨勢(shì)是一致的。低頻電場(chǎng)的幅度在晚上7點(diǎn)之后逐漸降低，凌晨1—3點(diǎn)時(shí)幅度達(dá)到最小，3點(diǎn)之后又逐漸升高，上午7點(diǎn)至晚上7點(diǎn)幅度有些小的起伏。

2 典型頻點(diǎn)的概率分布

研究典型頻點(diǎn)概率分布的目的是分析不同頻點(diǎn)的幅度變化規(guī)律及概率分布情況，它可以清晰地表現(xiàn)出不同頻點(diǎn)對(duì)整體幅度變化的貢獻(xiàn)。這里仍然對(duì)比分析24 h典型頻點(diǎn)的幅度變化和概率分布。

可以發(fā)現(xiàn)，頻點(diǎn)0.1，0.2，0.5，1 Hz的幅度變化趨勢(shì)與低頻電場(chǎng)的變化趨勢(shì)近似，并且隨著頻點(diǎn)頻率的增加，幅度對(duì)整體的貢獻(xiàn)越來越小。10 Hz的幅度變化并不存在這種特點(diǎn)，沒有明顯的規(guī)律。對(duì)不同頻點(diǎn)幅度的概率分布統(tǒng)計(jì)如圖4所示。

從概率密度分布圖中可以看出，對(duì)于這5個(gè)典型頻點(diǎn)的幅度，除10 Hz的概率密度分布與正態(tài)分布有些相似之外，其他頻點(diǎn)的幅度均與正態(tài)分布曲線相差甚遠(yuǎn)。

圖3 連續(xù)24 h內(nèi)典型頻點(diǎn)的幅度變化曲線

圖4 不同測(cè)量體0.1 Hz頻點(diǎn)幅度的概率分布

圖5 不同測(cè)量體0.2 Hz頻點(diǎn)幅度的概率分布

圖6 不同測(cè)量體0.5 Hz頻點(diǎn)幅度的概率分布

圖7 不同測(cè)量體1 Hz頻點(diǎn)幅度的概率分布

圖8 不同測(cè)量體10 Hz頻點(diǎn)幅度的概率分布

3 結(jié)論

1）海洋環(huán)境水下電場(chǎng)的空間分布會(huì)由于電極間距的不同而體現(xiàn)出幅度有所差異，但整體的變化趨勢(shì)基本一致。

2）在選取的典型頻點(diǎn)中，頻點(diǎn)0.1，0.2，0.5，1 Hz的幅度變化趨勢(shì)與低頻電場(chǎng)的變化趨勢(shì)相近。隨著頻率的增加，幅度對(duì)整體的貢獻(xiàn)越來越小。10 Hz頻點(diǎn)的幅度變化并不存在這種特點(diǎn)，沒有明顯的規(guī)律。

3）在24 h的連續(xù)觀測(cè)中，DC-1 Hz極低頻電場(chǎng)的幅度分布并不滿足正態(tài)分布，而是隨著時(shí)間變化具有一定的規(guī)律性。

[1] 田稷. 基于虛擬儀器的海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2012, 34(11): 129—130.

[2] 江立軍. 海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)基本特性及抑制方法研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2014, 11(3): 6—7.

[3] 李琳琳. 海洋環(huán)境工頻磁場(chǎng)量級(jí)的快速估計(jì)方法[J]. 裝備環(huán)境工程, 2011, 8(3): 94—95.

[4] 林春生, 龔沈光. 艦船物理場(chǎng)[M]. 北京: 兵器工業(yè)出版社, 2007: 3—22.

[5] 董冠奇. 水下主動(dòng)電場(chǎng)定位系統(tǒng)的有限元仿真[D]. 成都: 電子科技大學(xué), 2015.

[6] 張海濱. 海洋背景磁場(chǎng)數(shù)值模擬及東中國(guó)海上層海流磁場(chǎng)分布[D]. 青島: 中國(guó)海洋大學(xué), 2008.

[7] PODNEY W. Electromagnetic Fileds Generated by Ocean Waves[J]. Journal of Geophysical Research, 1975, 80(21): 67.

[8] 付進(jìn). 長(zhǎng)基線定位信號(hào)處理若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2007.

[9] 王先華. 長(zhǎng)基線水下導(dǎo)航定位系統(tǒng)測(cè)陣校陣及系統(tǒng)集成[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2004.

[10] 江南. 長(zhǎng)基線水下目標(biāo)定位新技術(shù)研究[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2004, 25(4): 77—78.

[11] NEHORAI A. Acoustic Vector-sensor Array Processing [J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 1994, 42(9): 2481—2491.

Characteristics of Underwater Electric Field Based on Long-base Line Measurement

MO Li-xin1, JIAO Da-wen2

(1.Naval Agent￠s Room in No.426 Shipyard, Dalian 116005, China; 2.Dalian Scientific Test and Control Technology Institute, Dalian 116013, China)

Objective To research spatial distribution of electric field in marine environment. Methods Certain spatial gain was supplied based on the long-base line measurement system to increase the strength of measurement signal and measure the variation of amplitude of different measurement bodies in low-frequency electric field and the probability density distribution of 0.1, 0.2, 0.5, 1 and 10 Hz canonical frequency points in 24 hours. Results The spatial distribution of underwater electric field was various due to the different electrode separation, but the overall change tendency was almost the same. The contributions to the whole from frequency points 0.1, 0.2, 0.5 and 1 Hz decreased with the increase of frequency, while the rule of amplitude variation at 10 Hz was not apparent. In the 24 hours of continuous observation, the DC-1 Hz amplitude distribution of extremely low frequency electric field didn’t comply with normal distribution, but presented regularity with time change. Conclusion The spatial distribution characters of underwater electric field in ocean environment are obtained.

underwater electric field of ocean environment; typical frequency point; distribution of probability density; long-base line measurement

10.7643/ issn.1672-9242.2017.05.008

TJ01

A

1672-9242(2017)05-0036-07

2016-12-07；

2016-12-19

莫立新（1964—），男，山東諸城人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榕灤傮w設(shè)計(jì)。