海洋环境工频磁场量级的快速估计方法

2011-02-23李琳琳吕俊军

装备环境工程 2011年3期

李琳琳，吕俊军

（大连测控技术研究所，辽宁大连 116013）

海洋环境电磁场是水中目标及探测设备的依存背景。有效的海洋电磁观测可以最大限度地利用海洋环境的合作性，使水中目标及探测设备工作时处于最佳状态。在0～3 kHz 这个频带范围内，海洋环境电磁场中工频电磁场所占比重最大，对该频段内目标的电磁场测试影响较大，因此如何快速估计工频电磁场量级并选择一个其值较小的海域是目前目标水下电磁场测试急需解决的问题。具体试验中，由于海水中布放难度较大、成本较高，且具体可控性低，故很难对任意海区、任意深度的工频电磁场进行测量。

通过对工频电磁场传播路径的分析，认为在距离工频电磁场源一定距离后，海水中的工频电磁分量主要来自于空气中的电磁波，依据该理论提出了一种工频磁场量级的快速估计方法，为目标水下电磁场测试的前期海域选择提供了一种有效的手段。

1 工频电磁波在海水中的透射距离

在工程实际中经常用场的透射距离来描述传播特征[1]。电磁波在海水中传播时，电场产生传导电流，电磁场能量通过电流转化为热能，致使电磁波的能量急剧衰减，频率越高，衰减越快。一般当电磁波的振幅衰减为原来的1/e时的传播距离，被称为透射距离。MHz级以上的电磁波的透射距离小于25 cm，海水对于高频电磁波是很强的屏蔽层。频率低于10-3Hz的极低频电磁波，透射距离可达5 km，海水便成为可以穿透的。

E=（Ex，0，0），H=（0，Hy，0）

平面电磁波在有耗媒质中的传播满足下面的电磁方程组：

上述方程解的一般形式为

对于海洋介质，一般认为：σ≈3.32 S/m，μ=4 π·10-7H/m，根据上述公式，对不同频率下的透射距离进行计算。

图1 电磁波在海水中的透射距离Fig.1 Electromagnetic wave’s transmission distance in seawater

从对不同频率的透射距离进行数值计算的结果来看，随着频率的增加，电磁波在海水中的透射距离急剧下降。f=50 Hz 的工频电磁波的传播距离为39 m，但这并不是说电磁波在海水中只能传播这么远，上述距离是按幅值衰减为原来的1/e 基础上得到的。对探测而言，探测距离跟传感器的灵敏度及噪声有很大关系，根据目前传感器的性能，大致可以认为，探测距离可以比上述的透射距离高一个数量级。

2 工频电磁场传播路径分析

文献[2—3]中提到通过海洋中极低频电磁场测量，发现水下电磁场与水深存在一定函数关系。文献中研究的电磁场由雷电等自然现象产生，当这些电磁波在地表传播时，由于陆地和海洋的导电性，它们将产生能量损耗。垂直射入媒质的折射波随传播深度增大，其能量以指数衰减。通过测量水下极低频电磁场，可以发现由于海水自身导电性，电磁波如预期一样在海水中随深度增加而衰减，但是，当极低频电磁波传播至海底时，其能级有时会增大。这种现象表明电磁波有可能沿着海底远离海岸一定距离后，向上传播进入海水。

这里可认为传播入海水中的工频电磁波来源于岸上用电设备。综合上述分析可以认为海水中的电磁场主要通过3 个路径进行传播，分别为直接经海水传播、经空气及海底传播后折射入海水中。

2.1 经空气传播的工频电磁波

图2 海水中工频电磁波传播路径Fig. 2 Power frequency electromagnetic wave’s propagation path in seawater

大气的电导率近似为0，这里可认为电磁波经空气传播时没有衰减，只考虑电磁波在折射到海水中后传播所产生的衰减。

根据麦克斯韦方程组，可以推出浅海中某一深度磁场总场与海洋表面总场比值如下[4]：

式中：y为实际测量深度；下标s，e分别表示海洋和陆地；ηj为第 j层的本征阻抗，ηj=iωμj/ξj；εj为介电常数；ξj=（-ω2μjεj-iωμjσj）1/2；D 为测量海区深度。可见，依据该式，海水中任意深度处的工频磁场大小可通过海面测量进行粗略估计。

2.2 经海底传播的工频电磁波

一般认为海底沉积物的导电性主要取决于其孔隙度和填充其中的孔隙液，服从阿尔奇（Archie1942）定律[5]：

式中：A 为常量；S 为被水填充的空隙比；n 为饱和度指数；Φ为空隙率；σω为空隙水电导率；m 为常数。对于海水饱和的沉积物，S=1，通过合理选取A=1，Φ=0.5，m=1.5，σω=3.32 S/m，计算后σf=1.17 S/m。由于海底沉积物的电导率比海水低1.5 倍，而由前面对电磁波透射距离的分析可知，电磁波的透射距离与电导率的平方根成反比，故将其与大气中电导率相比，可以看出，由海底传播后折射入海水中的磁场强度要远小于由大气折射入海水中的磁场强度。

2.3 经海水传播的工频电磁波

由前述工频电磁波在海水中的透射距离的分析可知，在传播约39 m 后，其振幅衰减为初始值的1/e倍。可以认为在距离岸边一定距离后，海水中的工频电磁波并不是经海水直接传播过来的。

3 海水中工频磁场的快速估计方法及实验验证

通过上述分析，对海水中工频电磁场量级进行估计，不考虑经海水及海底传播部分，采用空气中测量，然后换算到海水中某一深度的方式来实现，换算公式为式（5）。

为了对上述理论进行验证，在大连南部海域同时对海面与海水中的工频磁场进行了测量。测量点距码头727 m，测量区域海深36 m，测量点处海深35 m。根据上述理论，计算得出海水中测点处与海水表面的工频磁场比值约为0.029 9。

图3 和图4 分别为海水中测点处与海水表面的工频磁场总场幅值的测量结果。

图3 海水中工频磁场分量Fig.3 Power frequency magnetic field component in seawater

图4 海水表面工频磁场分量Fig.4 Power frequency magnetic field component at sea surface

由测量结果得出，海水表面工频磁场总幅值为6.093 nT，根据前面计算得出的比值，对应的海水中的工频磁场幅值约为0.182 nT，可认为其量值接近0.2 nT，而实际测得的海水中工频磁场总场幅值为0.198 nT，与理论结果基本吻合。从最终结果来看，用海水表面的测量结果对海水中工频磁场强度进行大致的量级估计是可行的。