典型浅海海域海洋环境电场空间相关性分析

陈 醒，岳瑞永，姜楷娜，赵 哲

(大连测控技术研究所，辽宁 大连 116013)

0 引 言

海洋环境电场作为舰船测试的主要背景场有着重要的研究价值。海洋中存在多种电场效应，根据场源的形式可分为天然电场和人为因素形成的电场。天然电场主要包括海洋大地电场、海水在地场中运动产生的感应电场两部分；人为因素形成的电场主要来源于沿海工业设施产生的工频干扰。为了充分掌握海洋环境电场特性，支撑舰船电场信号检测，本文基于历史观测的海洋环境电场数据，对海洋环境电场时频典型特性及空间相关性进行分析，确定了典型频段环境电场主要特征，可为舰船信号提取提供依据[1–4]。

国内外学者对海洋环境电场做了相关研究。蔡岳丰等[5]根据点电极、电偶极子等不同种类模型对海洋环境电场分类进行论述。崔培[6]利用三分量水下电场测量装置对大连附近海域进行观测，得到了海洋环境电场幅值、峰值的主要分布特征。Hermand[7]对海洋中产生电场的各种场源从频率和振幅特征进行了定性分析。Lil-ley[8]研究了澳大利亚南部海域的海浪电场功率谱情况。瑞典国防研究局人员利用三分量水下电场传感器对瑞典西海岸海域的海洋环境水下电场进行了长达10个月的观测，测量覆盖了数MHz～20 Hz频率范围，观测到了地磁脉动和雷电产生的舒曼谐振现象[9]。从上述研究成果来看，目前国内外环境电场研究主要限于时频域的分析，对不同空间位置的电场相关性研究相对较少。本文将从时频域、极化方向、空间相关性多角度研究海洋环境电场，初步得到浅海海域环境电场空间相关性的基本特征。

1 海洋环境电场数据预处理

利用水下电场测量系统对北黄海海域进行长时间观测。该系统由2个水下测量节点组成，通过采用分布式采集和有缆式传输方式，可同步获取海底多节点的水下电场矢量测量数据，并可获取测量体方位、姿态等信息参数。环境电场数据取自2019年7月30日下午4点，测量环境为海况2级，海面5～6级风，电导率为4.55 S/m，水温为23.3 ℃，试验海域水深10 m，两测量体间距为20 m，选取测量数据中典型时间段的样本进行分析。

为了便于不同测量节点数据的统一分析，通过坐标系转换将传感器测量数据转换到北东坐标系，方向为地理北方向，方向为地理东方向。另外考虑到海洋环境电场多源特征，基于相关理论分析结果，根据场源不同大致可分为海流信号、海面波浪信号、地磁扰动、雷电干扰等，将电场信号划分为DC～0.1 Hz，0.1 Hz～1 Hz，1 Hz～5 Hz，5 Hz～10 Hz这 4 个频带,对这 4 个频段采用不同频率分辨率进行精细化频谱分析。

2 环境电场信号的时频特性、矢量极化方向特征分析

经过预处理得到的环境信号单独从时域或频域观察信号不能充分体现环境电场信号特征，只有从时间和频率以及极化方向的角度同时表征信号，才能更全面、更细致地反映信号的特性，因此需要对信号进行时域、频域、极化特性分析。

2.1 信号的时域特征分析

环境电场幅值是测量得到的最基本物理量，其变化规律反映了海洋环境电场最普遍的特征。图1为海洋环境电场不同测量体不同频段不同分量的典型样本数据时域分析图。

图1 不同测量体、不同频段、不同分量样本数据时域分析曲线Fig. 1 Time domain analysis curves of sample data of different measuring bodies, different frequency bands,and different components

由图可知，虽然时域低频电场信号随机性都很强，但是其幅值振动的情况是较为稳定，其中DC～0.1 Hz，0.1 ～1 Hz频段中2个测量体的环境电场信号有一定相位差，但振幅趋势一致，DC–0.1 Hz相关性较差，0.1 ～1 Hz相关性较好，1 ～5 Hz两环境电场区别较大，5 ～10 Hz两环境电场数据重合度较高，相关性较好。为了研究以上现象产生的原因，需要进行环境电场信号的频域特征分析。

2.2 信号的频域特征分析

与环境时域特征分析相对应，信号的频域特征需要通过计算信号功率谱进行分析与研究。由于不同测量体电场分量、电场分量的频谱特征基本一致，仅对比不同频段下环境电场分量的频谱图，得出环境电场频域特征。选取测量数据中长400 s的样本进行频域分析，频域分辨率接近0.001 Hz，分析曲线如图2所示。

图2 不同频段样本数据频域分析曲线Fig. 2 Frequency domain analysis curves of sample data of different measuring bodies, different frequency bands, and different components

从图 2 可知，DC～0.1 Hz、0.1 ～1 Hz、1 ～5 Hz这3个频段均存在明显的谱峰特征，其中DC～0.1 Hz,0.1 –1 Hz频段的电场峰值频率分别为0.003 Hz，0.15 Hz左右。经分析是海洋涌浪和表面波浪运动感应产生的电场[10]。在1 ～5 Hz的环境电场频率峰值出现在1.5 Hz左右，经分析是地磁扰动引起的电场变化以及一些环境随机信号[11]。5～10 Hz的环境电场频率峰值出现在左右，符合舒曼谐振特征。舒曼谐振基频以7.5 Hz为中心，在地球表层与电离层之间形成谐振腔，对雷电某些特定频点的电磁波能量具有放大作用[9]。从图2结合图1综合分析，在DC～0.1 Hz，0.1 ～1 Hz这2个频段易受海洋波浪和涌浪影响，两环境电场信号有一定相位差。0.1 ～1 Hz相关性较好；1 ～5 Hz两环境电场相关性较差，主要是因为该频段地磁扰动、环境信号带来的随机性。5 ～10 Hz环境电场相关性较好，经分析是因为“舒曼谐振”成分为该频段主要能量，该信号具有一定的空间均匀性。

2.3 信号的极化方向特征分析

环境电场信号具有一定的方向性，本文对不同频段信号水平分量的极化特性进行研究，如图3所示。

从图3可知，DC～0.1 Hz测量体2的环境电场极化方向发散，与测量体1电场极化方向有一定偏差，相关性较差；0.1～1 Hz，5 ～10 Hz频段，两电场信号存在明显的极化方向且极化方向一致，相关性较好；1 ～5 Hz频段内，两电场信号极化方向相反，且测量体2的环境电场极化方向发散，相关性较差。

3 环境电场信号归一化相关性分析

为了准确给出4个频段的空间相关性，研究电场各测量体各频段各分量之间的内在关联，对环境电场信号进行归一化相关性分析是十分重要的，以下给出相关性定义。

定义信号x(t)和y(t)的互相关函数为：

通过对环境电场互相关分析可以得到图4曲线，横坐标代表的是偏移时间，纵坐标代表2个测量体的归一化互相关度值。当互相关度峰值对应的偏移时间越接近零，表示两环境电场信号相关性越好。

图3 不同测量体、不同频段、不同分量样本数据极化图Fig. 3 Polarization diagram of sample data of different measuring bodies, different frequency bands, and different components

4 环境电场信号的相位补偿

相位补偿是让信号不再超前或延时，实现在电场同步下的细微调节。从环境电场相关性分析可知，两环境电场信号相位有所偏差，通过选取环境电场相关度峰值点对应的偏移时间对环境电场信号进行相位补偿，分析结果如图5所示。

图4 不同分量环境电场归一化相关性曲线Fig. 4 Normalized correlation curves of environmental electric fields with different components

从图5对比两测量体、不同分量补偿前后的环境电场信号可以发现：

图5 三个频段的相位补偿Fig. 5 Phase compensation for three frequency bands

5 结 语

本文通过对中国北黄海某浅水海域不同测量体测得的环境电场数据进行了分析。通过坐标系转换和分频滤波对进行预处理，分析其各频段的时频域、极化方向的信号特征。对不同测量体、不同频段、不同分量的信号特征进行描述，对产生的峰值信号分析其原因。对海洋环境电场信号进行空间相关性分析，结果表明，频段的环境电场相关性较好，频段环境电场相关性较差，验证了环境电场相关性易受海浪、“舒曼谐振”影响。对环境电场信号按照环境电场相关性偏移时间进行相位补偿，可以发现其相关性得到提高，为后期基于阵列处理的环境电场抑制提供依据。