基于包络信号的轴频电场深度换算方法

靳 雄, 姜润翔, 程锦房, 陈新刚

基于包络信号的轴频电场深度换算方法

靳 雄1, 姜润翔2, 程锦房1, 陈新刚3

(1. 海军工程大学 兵器工程学院, 湖北 武汉, 430033; 2. 海军工程大学 电气工程学院, 湖北 武汉, 430033; 3. 中国人民解放军92942部队, 北京, 100161)

在仅利用水平时谐电偶极子对舰船轴频电场信号进行换算时, 存在近场深度误差较大的问题。文中首先在仿真数据的基础上, 明确了船体表面不同位置电流密度与轴地电阻值波动时的变化规律; 其次, 提出了基于包络信号的轴频电场深度换算方法, 该方法在希尔伯特(Hilbert)变换计算轴频电场信号包络的基础上, 将轴频电场近场的深度换算问题转化为包络信号等效静电场的近场换算问题, 并利用点电荷模型建立了轴频电场信号包络在“空气—海水—海床”3层介质条件下的正演及反演模型。最后, 分别利用4种阴极防腐状态下的船模试验数据对所提方法的有效性进行了检验, 结果表明, 所提方法能够较好地实现对轴频电场信号包络值的准确换算, 以相对均方根误差作为评价准则, 水深为1倍船模宽度的换算误差小于15%。文中方法可为舰船近场的轴频电场反演提供新的途径。

舰船; 轴频电场; 点电荷; 反演

0 引言

舰船轴频电场因其频率低、传播距离远、线谱特征明显, 可被用做水下远距离探测的被动信号源[1-7]。为了能够对己方舰船轴频电场信号的量级及特性进行评估, 同时能够有效评价轴频电场抑制装置的有效性, 均需对轴频电场的源强度及不同深度的轴频电场信号进行反演计算。

在远场(1.0倍船长)附近, 轴频电场可近似视为水平时谐电偶极子产生的电场, 程锐等[8]、Daya等[9]利用水平时谐电偶极子对轴频电场信号进行了反演计算; 熊露等[10]利用单个水平时谐电偶极子对浅海中的船舶轴频电场进行了建模, 以上都是针对等效电偶极矩水平方向的分量进行的研究。由于舰船等效电偶极矩还存在垂直方向的分量, 该分量虽然远小于水平方向的等效电偶极矩, 但其在近场附近仍然可以产生较大量值的信号, 因此, 在仅利用水平时谐电偶极子对轴频电场换算时, 存在近场误差较大的问题, 为此, 需要研究新的轴频电场反演算法。

1 轴频电场信号

1.1 产生机理

1.2 轴地电阻波动的随机性

典型舰船尾部电路结构如图1所示。图中, ICCP (impressed current cathodic protection)指外加电流阴极保护。

图1 舰船尾部电路结构示意图

由图1可知, 船体内部回路电阻并联可得

文献[12]研究结果表明, 轴接地装置的电阻(碳刷和滑环的接触电阻)明显小于其他接地电阻, 即有。与轴的载荷、偏心度、碳刷弹簧的弹性等因素密切相关, 舰船同种转速条件下的轴地等效电阻的波动情况如图2所示, 其中由轴地电压值除以轴电流(非接触电流传感器测量结果)得到。由图2可知, 轴地电阻的波动值具有明显的随机性, 且左轴与右轴的差异较大。

轴地电阻波动的随机性必将导致水下轴频电场信号的随机性, 因此, 在对轴频电场信号建模时, 一种合适的方法是对某一时间段内轴频电场信号的包络进行建模, 以得到轴频电场信号的最大幅值。

1.3 轴地电阻对船体表面电流分布的影响

利用边界元法对典型舰船(如图3所示)在不同条件下的静电场信号进行仿真计算, 可得船体在自然腐蚀状态及阴极保护状态(4对辅助阳极恒电流输出、减摇鳍、美人架及舵板局部牺牲阳极防腐)条件下轴地电阻变化时船体表面电位、电流密度及水下电场的特性。

图4 自然腐蚀状态条件下船体表面电流密度曲线

图5 阴极防腐条件下船体表面电流密度曲线

图4和图5对应的1倍船宽深度, 正横距为5 m处的水下电场信号分别如图7和图8所示。由图可知, 轴地等效电阻的变化也将导致水下静电场信号的变化, 且不同位置的电场值变化不同, 即无法利用某一固定的波动系数在静电场的基础上完成对轴频电场的建模。

图8 阴极防腐状态下不同轴地等效电阻静电场信号变化曲线

2 轴频电场包络反演算法

2.1 基本原理

2.2 反演步骤

根据基本原理, 确定反演步骤如下。

1) 利用Hilbert变换计算已知深度不同测线轴频电场信号的峰值包络, 并对峰值包络进行0.5 Hz的低通滤波, 在峰值包络过零点处对信号进行反相, 得到轴频电场信号包络。

的求解。

对式(5)增加控制方程

同时, 根据电中性条件有

利用最小值条件

3) 在步骤2)的基础上, 利用式(3)即可实现对目标深度的轴频电场信号进行正演, 得到不同位置处轴频电场信号的包络。

4) 对比目标深度轴频电场信号包络与反演出的轴频电场信号的包络以检验反演效果, 并计算其相对均方根误差

需要说明的是, 在利用Hilbert变换计算得到的轴频电场包络均是正值, 这与实际舰船等效电荷电中性的前提条件相矛盾, 为此, 在包络信号过零点处, 将轴频电场信号的包络反相, 以保证包络信号具有正、负电荷的特性。

3 算例验证

鉴于缩比模型法已成为应用于舰船外加电流阴极保护系统设计、腐蚀相关电场特性、涂层破损和流速对腐蚀和防腐的影响等研究领域的标准方法[14-16], 文中利用缩比模型船模(如图9所示, 模型长度=2.72 m、船宽=34 cm、吃水深度=9 cm, 船体材料为涂层钢, 螺旋桨为镍铝青铜)试验对所提方法的有效性进行了检验。

图9 缩比船模试验

分别对船模在自然腐蚀状态、局部牺牲阳极防腐(美人架、舵板及减摇鳍附近安装有牺牲阳极)、局部牺牲阳极与外加电流阴极(2对辅助阳极)保护、全船牺牲阳极防腐4种状态下的轴频电场信号进行了测量, 并利用参比电极和非接触电流传感器对船体中心的电位及轴电流进行了监测。

值得注意的是, 由于模型等比例缩小, 受测量电极尺寸的影响, 难以准确获知轴频电场的E、E和E分量。因此, 试验中选择对轴频电场信号的电位进行测量, Ag/AgCl电极分别置于水深24 cm、34 cm和51 cm 等3个不同深度, 每个深度平面3个Ag/AgCl电极的正横距分别为0 cm、17 cm和34 cm, 基准Ag/AgCl电极置于水深1.2 m, 基准电极距离测量电极的最小距离为4 m。电机拖动装置控制船模以10.08 cm/s的速度匀速通过测量电极上方时, 利用微弱电场测量装置实时记录轴频电场的电位信号, 系统带宽为0~20 Hz, 采样频率=100 Hz, 螺旋桨转动频率为280r/min左右。

图10为全船牺牲阳极防腐状态下24 cm水深的轴频电场信号及其包络值。图中: 轴频电场信号在74.5 s过零点; 在74.5 s之前, 轴频电场信号包络与Hilbert包络重合; 在74.5 s之后, 两者波形反相。

图10 水深24 cm时轴频电场信号及其包络值

将轴频电场包络的等效36个点电荷分别置于船体中轴线、左弦0.5、右弦0.5这3条线上, 每条线的点电荷数为12个, 点电荷的垂直位置为0.5。图11和图12为采用文献[8]所提静电场反演的算法对等效源强度进行计算, 并对34 cm和51 cm深度的轴频电场信号包络进行反演结果。

图11 水深34 cm时轴频电场信号及其包络值

由图11和图12可知, 反演所得轴频电场信号的包络与实测轴频电场信号的包络具有良好的一致性, 证明了算法的有效性。按式(8)计算所得不同状态下轴频电场的反演误差如表1所示。由表1可知, 在不同阴极保护状态下, 所提方法均能对轴频电场信号的包络进行准确反演, 最大反演误差小于25%, 且随着测量水深的增加, 轴电流的增大, 误差有减小趋势, 在1.0深度平面上, 反演误差小于15%, 这与静电场反演所得结论一致, 即反演算法由浅向深反演具有较高的精度, 随着轴电流的增大, 信噪比提高, 反演误差也减小。

表1 不同船体状态条件下轴频电场信号包络反演误差

4 结束语

为了解决近场轴频电场反演精度不高的问题, 文中提出一种基于轴频电场包络的反演算法, 该方法将轴频电场的反演问题转化为与静电场反演相似的问题, 避免了求解轴地等效电阻波动时引起船体表面各部分电流变化率的难题, 通过船模实测数据检验发现, 该算法换算效果较好, 精度较高, 为近场的轴频电场反演提供了一种新的途径。下一步研究将进行实船实验, 以验证文中所提方法的有效性。

[1] Bostick F, Smith H, Boehl J. The Detection of ULF–ELF Emissions from Moving Ships[R]．New York: State Aca- demic Educational Institutions, 1977: 13-24．．

[2] Dymarkowski K, Uczciwek J. The Extremely Low Frequency Electromagnetic Signature of the Electric Field of the Ship[C]//Underwater Defence Technology Conference, London: IEEE, 2001, 1-6．

[3] Zolotarevskii Y, Bulygin F, Ponomarev A, et al．Methods of Measuring the Low-frequency Electric and Magnetic Fields of Ships[J]．Measurement Techniques, 2005, 48(11): 1140-1144．

[4] Lü X C, Chen H Q, Ma S J, et al．The Electromagnetic Fi- eld Generated by Time-harmonic Electric Current Element in Shallow Sea[C]//Hardy T, Undersea Defence Techno- logy, Hamburg: IEEE, 2006．

[5] Jia Y Z, Jiang R , Gong S G．Research on Wavelet Modulus Maximum-based Detection Algorithm of Ship’s Sh- aft-rate Electric Field[J]．Acta Armamentarii, 2013, 34(5): 579-584．

[6] Gheorghe S, Serghei R, Camelia C. Mesurements of Elect- rical and Magnetic Fields on Board Container Ships[C]//Pro- ceedings of the Scientific Conference AFASES. Brasov.Rumania:Air Force Academy: 2013.

[7] 贾亦卓, 姜润翔, 龚沈光．基于小波模极大值的船舶轴频电场检测算法研究[J]．兵工学报, 2013, 34(5): 579-584．Jia Yi-zhuo, Jiang Run-xiang, Gong Shen-guang．Research on Wavelet Modulus Maximum-based Detection Algori- thm of Ship’s Shaft-rate Electric Field[J]. Acta Electro- nica Sinica, 2013: 34(5): 549-584.

[8] 程锐, 姜润翔, 龚沈光．船舶轴频电场等效源强度计算[J]．国防科技大学学报, 2016, 38(2): 138-143．Cheng Rui, Jiang Run-xiang, Gong Shen-guang. Calculation Method of Vessel’s Shaft Rate Electric Field Equivalent Source Magnitude[J]. Journal of National University of Defense Technology, 2016, 38(2): 138-143.

[9] Daya Z A, Hutt D L, Richards Troy C. Maritime Electromagnetism and DRDC Management Research[R]．Canada: Defence R&D Canada, 2005: 23-25．

[10] 熊露, 王斌, 毕晓文. 舰船轴频电场场源建模和实验研究[J]. 武汉理工大学学报, 2015, 37(7): 52-56.Xiong Lu, Wang Bin, Bi Xiao-wen. Modeling and Experimental Study of Ship’s Axial Frequency Electric Field Source[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2015, 37(7): 52-56.

[11] 林春生, 龚沈光．舰船物理场[M]．北京: 兵器工业出版社, 2007．

[12] Howard L C, Ballston L N. Naval Electro-chemical Corrosion Reducer: United States: 5052962[P]. 1990-10-1．

[13] 姜润翔, 林春生, 龚沈光．基于点电荷模型的舰船静电场反演算法研究[J]．兵工学报, 2015, 36(3): 545-551． Jiang Run-xiang, Lin Chun-sheng, Gong Shen-guang. Ele- ctrostatic Electric Field Inversion Method for Ship Based on Point Charge Source Model[J]. Acta Electronica Sinica, 2015: 36(3): 545-551.

[14] Parks A R, Thomas E D, Lucas K E. Physical Scale Modeling Verification with Shipboard Trials[J]. Material Perf- ormance, 1991, 30(5): 26-29.

[15] 邢少华, 张搏, 闫永贵, 等．涂层破损对船体阴极保护电位分布的影响[J]. 材料开发与应用, 2016, 31(1): 69-73．Xing Shao-hua, Zhang Bo, Yan Yong-gui, et al．The Influ- ence of Coating Damage on Cathodic Protection Potential Distribution of Ship[J]. Development and Application of Materials, 2016, 31(1): 69-73.

[16] DeGiorgi V G, Thomas E D II, Lucas K E, et al. A Combined Design Methodology for Impressed Current Catho- dic Protection Systems[J]. Boundary Element Technology, 1996, 12(14): 335-344.

A Depth Conversion Method of Shaft-Rate Electric Field Based on Envelope Signal

JIN Xiong1, JIANG Run-xiang2, CHENG Jin-fang1, CHEN Xin-gang3

(1. Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 3. 92942thUnit, The People’s Liberation Army of China, Beijing 100161, China)

Only application of the horizontal time-harmonic dipole to the conversion of the shaft-rate electric field signal of ship will result in large near-field depth error. In this study, the variation laws of the current density in different position of hull surface and the shaft-ground resistance are clarified on the basis of simulation data. A depth conversion method of shaft-rate electric field is proposed based on its envelope signal. In this method, the depth conversion problem in the near field of the shaft-rate electric field signal envelope is transformed into the near-field conversion problem of equivalent static electric field after the calculation of the shaft-rate electric field signal envelope via Hilbert transform, and the point charge model is used to establish a forward and inversion model of the shaft-rate electric field signal envelope in the ‘air-sea-seabed’ three-layer media condition. The effectiveness of the proposed method is verified by four kinds of cathodic corrosion protection test data of the ship model. The results show that the proposed method can accurately calculate the shaft-rate electric field signal envelope. Taking root square error as evaluation criteria, the conversion error is less than 15% in the depth equaling the ship model width.

ship; shaft-rate electric field; point charge; inversion

U674.70; TP274

A

2096-3920(2020)04-0403-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.008

2019-10-04;

2019-12-09.

青岛海洋科学与技术国家实验室“问海计划”项目(2017WHZZB0101).

靳 雄(1991-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为目标特性及信息感知技术.

靳雄, 姜润翔, 程锦房, 等. 基于包络信号的轴频电场深度换算方法[J]. 水下无人系统学报, 2020, 28(4): 403-409.

(责任编辑: 杨力军)