0 引　言

电场是目标探测领域中至关重要的物理场之一。船舶产生的腐蚀和防腐电流在通过螺旋桨、船体和海水形成回路时，船舶的运行会引起桨轴旋转，从而导致轴地接触电阻的变化，进而调制出轴频电场。根据张岳等^[1]的研究，这种信号在时域中的幅值相对较小（近场约为µV/m），而在频域中则呈现出与其基频和倍频相对应的谱线形态，其基频范围通常为1～7 Hz，与螺旋桨转速一致。轴频电场信号具有传播距离远、线谱特征明显的特点^[2]，因此在水下远距离探测方面被广泛应用。近年来，UUV、AUV、各类水中浮标等平台结合电场传感器对水中目标进行探测，其中水下滑翔机作为一种新兴的移动式水下平台，具有成本低廉、可重复利用、续航能力久、作业周期长以及作业范围广的优点^[3]。欧、美、俄等已构建了基于不同平台（如UUV、水下滑翔机、浮标和固定阵列）的多物理场水下立体监测网，实现了对声、电、磁等多个物理参数的监测^{[4 − 5]}。国内水下滑翔机多用于观测海洋环境信息（如温度、盐度、密度、含氧量等），其在水下目标探测领域的研究主要集中在声探测方面^{[6 − 8]}，而对于水下滑翔机平台电场探测技术的研究较为匮乏，且尚未有关于水下滑翔机平台的电场自噪声研究文献。

为提高典型水下滑翔机轴频电场探测的精度，本文介绍水下滑翔机的结构及组成，分析其在目标探测时可能存在的电场干扰源，并分别对实验室模拟动作实验和海洋剖面运动实验进行验证，基于检测结果分析影响水下滑翔机电场探测的噪声源、噪声量级及其频谱特征等。本研究为水下滑翔机电场探测技术的发展提供了数据支撑。

1 典型水下滑翔机结构及组成

水下滑翔机通过调整自身浮力实现升沉，通过调整两翼的升力和姿态角来获得推进力，从而实现滑翔运动。本文所使用的典型水下滑翔机由壳体、机翼、多个内部模块等组成。其中浮力调节模块主要包含排油泵（包括初级泵、高级泵）和电磁阀，排油泵可将内胆中的低粘度液压油泵送至“外油囊”，使水下滑翔机体积增大而实现上浮，通过电磁阀回油可实现下沉。姿态调节模块主要包含俯仰电机和转向电机，通过俯仰电机调整电池包在滑翔机的轴向位置实现俯仰角的调节，通过控制转向电机绕平台中轴线转动电池包进行航向角调节。水下滑翔机主要通过控制中心调整运动状态，通过可移动电池包供电，控制原理如图1所示。

通常将水下滑翔机的一次下潜-上浮周期称为剖面运动，该过程包括下潜准备、下潜滑翔、上浮转换、上浮滑翔、水面过渡5个工作阶段^[9]。下潜准备阶段中，滑翔机调整重心前移后控制电磁阀进行回油，实现下潜；当接近目标深度时，下潜滑翔阶段切换为上浮转换阶段，滑翔机重心后移，排油泵工作，使滑翔机减速下潜至最大深度；排油泵排油完毕后，进入上浮滑翔阶段；水下滑翔机浮至水面后进入水面过渡阶段，由尾部的天线向卫星发送数据，并等待下一步指令。整个剖面运动中，由控制中心控制转向电机进行航向角调节，以防止水下滑翔机偏离计划航向。

综上可知，在水下滑翔机的剖面运动中，影响其电场探测的噪声主要来源于姿态调节模块和浮力调节模块。其中，俯仰电机和浮力驱动模块主要在下潜准备阶段和上浮转换阶段工作，转向电机的工作贯穿于滑翔机的整个运动过程，因此可认为俯仰电机、转向电机、电磁阀和排油泵是水下滑翔机平台进行电场探测的主要干扰源。

2 实验室环境下水下滑翔机电场噪声检测分析 2.1 实验室电场噪声检测方法

为分析各运动状态下水下滑翔机的电场噪声特征，对水下滑翔机4种工况的电场进行检测与分析。实验所用水池长10 m、宽5 m、水深1.5 m，液体环境为3.5 S/m的盐水。水下滑翔机轴向装配2个Ag/AgCl电极，电极间距为1.6 m，Ag/AgCl电极通过双绞屏蔽电缆连接至水池外的MR6000数据记录仪。水下滑翔机与自检仪通过脐带缆连接，自检仪通过与机体内部的控制中心通讯对运动工况进行设置。图2为水下滑翔机实验室电场检测示意图。

2.2 实验室电场噪声检测结果及分析

本文基于快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）提取电场信号中各频率成分。为将不同频率电场噪声出现的时刻与水下滑翔机工作状态对应，在完成电场信号的FFT提取后，采用基于滑动窗口的短时傅里叶变换^[10]（Short Time Fourier Transform，STFT）获得频率与其出现时刻的对应关系。

为分析实验室环境电场对实验的影响，在水下滑翔机未启动时，团队对实验室电场噪声进行检测，其电场噪声时域信号如图3(a)所示，幅值约为5 µV/m。对其进行谱估计，结果如图3(b)所示，其频谱主要存在50 Hz及2、3倍频，35.7 Hz及其倍频的干扰。

俯仰电机、转向电机、电磁阀模拟动作时，水下滑翔机分别处于俯仰角调节、转向调节、下潜回油准备3种工况，考虑到实验室环境电场的影响，对电场噪声进行过滤处理，滤波后的时频分析结果如图4所示。因排油泵在测量时发生损坏，海洋实验时修复完成，故本文重点关注其在海洋剖面运动下的状态，不对水池环境下排油泵工作的数据进行分析。各个设备的额定转速分别为：俯仰电机1098 r/min、转向电机600 r/min、初级泵3000 r/min、高级泵2000 r/min，对应的工作频率分别为：18.3、10、50、33.3 Hz。观察图4各设备工作前后的背景噪声可知，经过滤波后的环境噪声幅值约为0.5 µV/m，滤波效果良好。由图4(a)可知，俯仰电机工作时的电场噪声时域呈对称分布，幅值为2.5 µV/m，滤除环境噪声的实际幅值约为2 µV/m，其时频图中的频率为20.17 Hz，与俯仰电机的额定工作频率18.3 Hz相近，因此，可认为俯仰角调节工况下电场噪声主要来源于俯仰电机。转向电机工作期间的电场噪声如图4(b)所示，滤除环境噪声后，实际幅值约为0.7 µV/m，观察其时频图可知，在8.43 Hz处存在明显线谱，该频率与转向电机的额定工作频率10 Hz接近，因此，转向电机是转向调节工况下的主要电场噪声源。电磁阀工作期间产生的电场噪声如图4(c)所示，其开关瞬间的幅值在10～40 µV/m区间内，无明显的线谱特性，可认为电磁阀是下潜回油准备工况下的主要电场噪声源。

通过分析实验室所测电场噪声的线谱特征，验证了水下滑翔机电场噪声的产生机理与噪声源，但因排油泵故障，难以采集其电场噪声信号，还需设备检修后进一步分析其噪声特征。

3 海洋环境下水下滑翔机电场噪声检测及分析

相比于实验室环境电场噪声，水下滑翔机在海洋环境中做剖面运动时，与Ag/AgCl电极相连接的电缆会切割地磁场产生干扰信号。为在一定范围内降低电场噪声干扰，提高电场检测精度，解决长时间运行时数据储存的问题，故研制了低噪声低功耗电场测量系统。

3.1 电场测量系统

电场测量系统包括2个Ag/AgCl电极、4个仪表放大器AD8421、STM32微处理器、32位AD转换器LTC2508、电源模块、SD卡等。其中Ag/AgCl电极的静差≤2 mV，自噪声5 nV/rtHz@1Hz，频带测量范围在0.01～3kHz，满足水深420 m长期工作的需求。4个AD8421并联后的噪声<5 nV/Hz@1Hz。系统采样频率为244 Hz，SD卡的容量为32 G，满足水下滑翔机长周期运行存储数据的要求。仪表放大器供电电压为±3.6 V，微处理器、AD转换器、SD卡的供电电压为3.3 V。

3.2 海洋实验电场噪声检测结果与分析

海洋实验中，水下滑翔机工作深度为420 m，实验周期为18 d，共获取144组剖面运动时的电场噪声数据。所采集的单个周期电场噪声如图5所示，剖面运动周期约为4200 s。

对该周期中单次剖面运动的电场噪声进行滤波处理，去除直流分量的干扰，其结果如图6所示。该次剖面运动中各阶段运行时间占总时间的百分比如表1所示，可知下潜滑翔和上浮滑翔阶段的运行时间较长，上浮转换阶段次之，水面过渡阶段和下潜准备阶段的占比最小。

0～400 s处于水面过渡阶段，其电场噪声时域结果如图7所示，可知这一阶段的电场噪声较小，其幅值约在0.15 µV/m，内部设备无动作。

400～600 s处于下潜准备阶段，此阶段电场噪声的时域分析结果如图8(a)所示，80 s前幅值约为2 µV/m，对这一过程进行功率谱估计的结果如图8(b)所示，噪声频率主要集中在 21.1 Hz，其幅值、频谱特征与实验室中俯仰角调节工况下采集的噪声特征基本一致，因此，该阶段主要由俯仰电机工作。80 s后噪声出现较明显的阶跃信号，幅值范围为10～40 µV/m，与实验室中电磁阀开关瞬间的噪声特征一致，可知阶跃信号主要由电磁阀频繁开关产生。

600～2100 s处于下潜滑翔阶段，3100～4200 s处于上浮滑翔阶段。选取滑翔阶段中时长1000 s的数据进行分析，其时域局部放大和功率谱估计的结果如图9所示。其中20.1 Hz和 8.56 Hz的线谱特征较为明显，观察其噪声量级，由实验室电场检测结果可知，滑翔阶段的电场噪声主要由俯仰电机和转向电机工作产生。

2230～2980 s为上浮转换阶段，该阶段中采集的电场信号如图10(a)所示，其幅值约在0.15～0.25 µV/m。对此阶段进行功率谱估计，其结果如图10(b)所示，在34.6、50、20 Hz处有较明显的线谱特征，分别对应于高级泵、初级泵和俯仰电机的工作频率，该实验结果与实验室电场噪声检测结果基本一致，验证了排油泵为上浮转换阶段的噪声源之一。

此外，还存在连接电极的电缆切割地磁场引起的感生电场干扰，但由于水下滑翔机最大水平滑翔速度约为 0.5 kn，故可忽略此干扰。

海洋实验中剖面运动各阶段的电场噪声时域、频域特征与实验室结果基本一致，验证了关于水下滑翔机电场干扰源的猜想。水下滑翔机在滑翔阶段主要由俯仰电机和转向电机工作产生；在上浮转换阶段的主要干扰源是俯仰电机和排油泵；而在下潜准备阶段主要为电磁阀、俯仰电机、转向电机；水面等待阶段主要由转向电机产生。

4 结　语

1）本文通过对比和分析水下滑翔机平台在实验室和海洋环境下的电场噪声检测实验，验证了影响滑翔机进行轴频电场探测的主要干扰源为俯仰电机、转向电机、电磁阀、排油泵。各干扰源产生的电场噪声特征为：俯仰电机产生的噪声大小为2 µV/m，实际频率约为 20 Hz；转向电机产生的噪声大小为0.5 µV/m，实际频率约为 8.4 Hz；电磁阀开关瞬间时域有明显的阶跃变化，大小在10～40 µV/m范围内；排油泵中初级泵、高级泵的实际工作频率分别为50、34.6 Hz，噪声量级区间在0.15～0.25 µV/m。

2）在水下滑翔机剖面运动的不同阶段中，电场噪声的主要来源存在差异。其中，下潜准备阶段的电场噪声主要来自于电磁阀和俯仰电机，下潜滑翔和上浮滑翔阶段的电场噪声主要由转向电机和俯仰电机的运转产生，上浮转换阶段中电场噪声的主要来源为初级泵和高级泵推动内胆中的低粘度液压油泵送至“外油囊”。

在水下滑翔机剖面运动的过程中，各个阶段的电场噪声特征与船舶的轴频电场特征之间存在显著差异。因此，在水下滑翔机进行目标探测时，可以利用这一特性，对各个阶段的噪声进行不同程度的滤波，通过分时工作的方式，实现基于水下滑翔机平台的轴频电场探测。但如何在水下滑翔机最大下潜深度时准确探测到船舶的轴频电场信号，进而增强低信噪比工况下对微弱信号检测的性能，是水下滑翔机电场探测领域的重难点，这为水下滑翔机的远距离探测带来了挑战。