舰船科学技术  2019, Vol. 41 Issue (5): 122-125   PDF    
舰船水下电磁场测量中环境干扰误差量化分析
冷洁1, 苏建业2, 程辉辉1, 崔培2, 焦达文2, 姜楷娜2     
1. 海军航空大学青岛校区,山东 青岛 266041;
2. 水下测控技术重点实验室,辽宁 大连 116013
摘要: 在舰船水下电磁场测试中对海洋环境水下电磁场干扰程度进行量化分析,以提高舰船水下电磁场测试精度。通过增加环境监测单元,本文提出了环境电磁场空间匹配算法,进而确定了舰船水下电磁场测试中环境电磁干扰量化分析方法。根据海上实测结果,验证了该方法的可行性。舰船水下电磁场测试中,海洋环境电磁场引起的误差不可忽略,应在量化分析基础之上,采取有效的抑制和规避方法。
关键词: 舰船水下电磁场     环境干扰     量化分析     测试精度    
Quantitative analysis of environmental disturbance in marine underwater electromagnetic field testing
LENG Jie1, SU Jian-ye2, CHENG Hui-hui1, CUI Pei2, JIAO Da-wen2, JIANG Kai-na2     
1. Naval Aviation University Qingdao Campus, Qingdao 266041, China;
2. Key Laboratory of Underwater Measurement and Control Technology, Dalian 116013, China
Abstract: In order to improve the accuracy of underwater electromagnetic field test, the underwater electromagnetic field interference in marine environment is analyzed quantitatively. By adding the environment monitoring unit, this paper proposes the space matching algorithm of the environment electromagnetic field, and then determines the quantitative analysis method of the environment electromagnetic interference in the underwater electromagnetic field test. The feasibility of the proposed method is verified based on the measured results at sea. In the underwater electromagnetic field testing of ships, the error caused by the electromagnetic field in the marine environment can not be ignored. Based on the quantitative analysis, effective suppression and circumvention methods should be adopted.
Key words: underwater electromagnetic field of ship     environmental interference     quantitative analysis     test accuracy    
0 引    言

舰船水下电磁场指的是舰船处于水域当中时,其周围水域内分布的电场和磁场的总称,是舰船水下物理场的重要组成部分。由于海洋环境场中已经存在了海洋电磁场,因此,我们直接观测到的水下电磁场是这些背景场与舰船水下电磁场的合成场,而舰船水下电磁场则是这种合成场与背景场之差[1]

舰船水下电磁场测试技术是获取舰船水下电磁场特性的最直接方法。目前测试的不确定度分析,考虑了众多引入误差的因素,主要包括环境参数(水深、海水电导率等)、位置信息参数以及测试系统噪声等。海洋环境天然电磁场场源形式主要为海水运动感应产生的电磁场,由于海水运动感应磁场幅值和频率与海浪波幅与周期相关[25],其频带较窄,一般具有明显的线谱特征[6]。随着环境电磁场研究的深入,发现环境电磁场的影响也是测试过程中不可忽略的误差因子之一,但在目前的测试方法中并未考虑环境电磁场误差的量化,只是作为背景噪声进行分析,因此需要将环境电磁场带来的误差进行量化,以提高舰船水下电磁场的测试精度。

本文基于环境水下电磁场观测分析结果,提出了环境电磁场误差量化的分析方法,并利用实际测试结果对该方法进行初步验证。

1 环境电磁场特性分析 1.1 幅频变化规律

本文将24 h连续观测的数据作为研究样本,以1 h为间隔,共选取25个典型样本进行幅频分析。具体结果如图1图2所示。

图 1 不同海况下环境观测结果幅频对比(DC~10 Hz) Fig. 1 Comparison of environmental observations under different sea conditions (DC~10 Hz)

图 2 测试频段内环境观测结果幅频对比(0.1~3 kHz) Fig. 2 Comparison of environmental observations in test frequency band

可以看出,环境电磁场幅值变化主要集中在低频段(10 Hz以下,尤其是1 Hz以下)、50 Hz工频及其倍频,10 Hz以上频段噪声的变化可以忽略。

1.2 时域变化规律

针对舰船水下电磁场测试的特点,对于变化明显的DC~10 Hz频段内的环境电磁场需要重点关注,特别是该频段内不同频点的环境电磁场时域变化规律。

同样利用本次24 h观测数据,针对关心的频点进行时域特性分析,具体分析结果如图3所示。

图 3 典型频点幅值的时域变化曲线 Fig. 3 Time-domain variation curve of a typical frequency amplitude

图中给出的是部分典型频点幅值随时间的变化曲线,分析频点包括0.1 Hz,0.2 Hz,0.5 Hz,1 Hz和10 Hz,其电势幅度变化范围分别为300 μV,200 μV,100 μV,40 μV和1.5 μV。可以看出,每个频点的时域波形和幅值变化均存在差异,因此针对舰船水下电磁场测试需要关注的频点,都需要对对应频点的环境电磁场幅值进行量化分析。

2 环境干扰误差量化方法

目前测试过程中的环境电磁场分析,只是注重舰船测试前后的环境电磁场采集以及测试期间舰船未通过测试阵列前和通过测试阵列后的电磁场分析,分析主要关注环境电磁场是否存在突变异常方面,尚未将环境电磁场作为一个误差源引入到测试数据的准确度评价体系当中。为解决这一问题,通过改进测试系统和完善分析方法来完成环境干扰误差的量化计算。

2.1 测试系统改进

目前舰船水下电磁场测试系统主要采用沉底布放方式,舰船从阵列上方通过,测试船实时获取被测舰船的水下电磁场数据。

为了实现对环境电磁场干扰误差的量化分析,认为在尽量不更改系统的前提下,增加环境监测单元。环境监测单元与测试系统的独立单元完全一致,从而能够直接接入测试系统中,并实现同步采集。测试时,环境监测单元位于不受被测舰船和测试船影响的区域外,具体距离参数因子由当时被测舰船和测试船自身水下电磁场量级估计确定。

2.2 分析方法完善

经过测试,获得了舰船水下电磁场测试结果和同步获取的环境监测单元信号,需要进行信号处理,从而对干扰误差进行量化计算。经过研究,提出如下处理算法。

假设舰船的水下电磁场信号序列为 ${S_{5,i}} = \{ E{x_i}, $ $E{y_i},E{z_i},A,{t_i}\}$ ,其中 $E{x_i},E{y_i},E{z_i} $ $ {t_i}$ 时刻的舰船水下电磁场信号, $A $ 为测量体方位姿态信息, ${t_i} $ 为时间序列。环境水下电磁场信号序列为 ${N_{5,i}} = \{ nE{x_i},nE{y_i},nE{z_i},nA,{t_i}\} $ ,其中 $nE{x_i},nE{y_i},nE{z_i} $ $ {t_i}$ 时刻的环境水下电磁场信号, $nA $ 为环境监测测量体方位姿态信息, ${t_i} $ 为时间序列。

结合舰船测试的航行轨迹,需要将舰船水下电磁场信号以及环境监测的电磁场信号进行坐标变换[7]

舰船坐标系定义如下:坐标系 $xOy $ 平面与空气-海水交界面重合, $z $ 轴垂直向下, 原点与舰船几何中心重合, $x $ 轴沿舰船首尾中心线方向,从船尾指向船首为正, $ y$ 轴从舰船左舷指向右舷为正。设电场传感器 $x $ 轴与地理北方向夹角为 $\alpha $ ,舰船坐标系 $ x$ 轴与地理北方向夹角为 $\theta $

通过下式可将电场传感器测量坐标系电场强度 $ (E{x_i},E{y_i},E{z_i})$ 转换到舰船坐标系下电场强度 $({E_{xi}},{E_{yi}},$ $ {E_{zi}}) $

$ {E_{xi}} = E{x_i}\cos (\theta - \alpha ) + E{y_i}\sin (\theta - \alpha )\text{,}\quad\quad i = 1 \cdots M\text{,} $ (1)
$ {E_{yi}} = E{y_i}\cos (\theta - \alpha ) - E{x_i}\sin (\theta - \alpha )\text{,}\quad \quad i = 1 \cdots M\text{。} $ (2)

同时,按照相同的方式将环境观测的水下电磁场信号 $(nE{x_i},nE{y_i},nE{z_i}) $ 也进行变换,变换后为 $({E_{xi}},{E_{yi}},{E_{zi}}) $

考虑到环境空间相关性以及传感器之间的一致性,对观测点的环境测试进行匹配系数 ${k_{fi}} $ 的求解计算。

图4是经过坐标变换利用测试系统获取的环境测试数据(0.01~1 Hz),采样频率10 Hz。

图 4 测试阵列与环境监测点的环境测试对比 Fig. 4 Comparison of environmental tests between test arrays and environmental monitoring points

可以看到环境观测点与测试阵列上获取的环境场存在一定差异。为消除差异,提出环境匹配参数 ${k_{fi}} $ 的提取方法。另外,分析结果表明低频段的信号还存在着一定的直流偏置扰动,因此首先要去掉信号中的直流偏置扰动。本文采用去趋势项处理方法,得到结果如图5所示。

图 5 去趋势项后的信号结果 Fig. 5 Signal results after trend entry

对于上面处理后的结果进行最大峰峰值求解,具体算法为:

$ [{E_{xpp}},{E_{ypp}},E_{zpp}^{}] = {\rm{ma}}{{\rm{x}}_{pp}}({E_{xi}},{E_{yi}},{E_{zi}})\text{,} $ (3)
$ [n{E_{xpp}},n{E_{ypp}},nE_{zpp}^{}] = {\rm{ma}}{{\rm{x}}_{pp}}(n{E_{xi}},n{E_{yi}},n{E_{zi}})\text{。} $ (4)

匹配系数 ${k_{fi}} $ 的计算公式为:

$ {k_{xfi}} = \frac{{{E_{xpp}}}}{{n{E_{xpp}}}},{k_{yfi}} = \frac{{{E_{ypp}}}}{{n{E_{ypp}}}},{k_{zfi}} \!= \frac{{{E_{zpp}}}}{{n{E_{zpp}}}}(fi \text{为计算频点})\text{。} $ (5)

环境监测点电磁场数据匹配为:

$ \begin{split} n{{E'}_{xi}} =& n{E_{xi}} \times {k_{xfi}},n{{E'}_{yi}} = n{E_{yi}} \times {k_{yfi}},n{{E'}_{zi}} = \\ &n{E_{zi}} \times {k_{zfi}}\text{。} \end{split} $ (6)

根据式(6),对环境监测点数据进行匹配处理,处理结果与测试阵列的结果对比如图6所示。

图 6 匹配后环境监测点结果与测试阵列环境对比 Fig. 6 Comparison of environmental monitoring point results and test array environment after matching

可以看出,匹配后的环境监测点的数据与测试阵列的环境数据一致性较好,满足误差量化分析要求。

3 实测结果验证

图7是利用本测试系统获取到的一条渔政船的直流和2.1 Hz轴频的时域波形。

图 7 渔政船测试结果 Fig. 7 Test results of fishing vessels

对于海上测试,最终给出的结果为时域波形的最大值。利用本文提出的环境监测分析方法,得到了在直流分量和2.1 Hz测试分量最大值时的环境监测结果为21.4 μV/m(0.1 Hz)和0.3 μV/m(2.1 Hz),经过计算由环境水下电磁场引入的渔政船电磁场测试误差结果分别为7.1%(0.1 Hz)和13.6%(2.1 Hz)。

4 结    语

本文针对舰船水下电磁场测试中环境引起的误差问题进行深入分析,通过增加环境监测单元和环境电磁场空间匹配计算方法,提出了舰船水下电磁场测试中环境电磁场引起的误差量化计算方法,并在实际测试中得到应用。

从计算结果来看,环境电磁场对于舰船水下电磁场带来的误差不可忽略,相对于舰船水下电磁场的真实值,环境电磁场仅作为误差来表述对于未来的检测不满足要求,因此下一步的研究工作应开展环境电磁场如何抑制和规避方法,从而提高舰船水下电磁场测试的精度。

参考文献
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吕俊军, 苏建业, 吴亮等. GJB《舰艇磁场动态测试方法》, 2011.