海洋环境水下电磁场相关特性分析＊

吴 亮 姜元军

（海军驻大连地区军事代表室 大连 116021）

1 引言

海洋环境水下电磁场是水下目标电磁场探测的干扰源，表现出两个方面的特性：一是合作性；二是对抗性。如何消除环境水下电磁场的对抗性，充分发挥它的合作性是我们需要研究的重要内容，其中一个途径是研究不同空间位置、不同分量、不同频带和不同时间长度海洋环境水下电磁场的相关系数，掌握其相关特性，从而有效抑制环境电磁场以提高对弱电磁场目标的探测能力。

2 海洋环境水下电磁场主要场源

海洋环境水下电磁场的场源众多，形成机理复杂。根据场源的形式可分为天然电磁场和人为因素形成的电磁场［1～2］。

海洋环境水下电磁场各场源的差异较大，产生电磁场的场强大小、覆盖频带以及影响因素等均不同。从而表现出各自的独有特性，其中不仅包含随机噪声，也存在周期性噪声并且在一定的海域内有些环境电磁场是相关的。周期性噪声主要由海水规律性运动引起，海水运动形式主要包括海浪、海流和内波等。

海面是不断起伏的，海浪运动的周期为0.1s～30s［3］。国外学者研究表明，实际的波浪周期一般都小于10min，典型的波浪周期在10s～20s的范围内［4］。海浪运动感应的电磁场对海洋电磁探测具有重要影响［5］。目前常用的比较成功的模型是Weaver建立的，该模型计算了海浪产生的磁场［6］。

海流是动力因子和热力学因子相互制约、相互调整的结果［7］。海流运动在一定的区域内一致性较强，海水感应电场的垂直分量与海水流速和地磁场的水平分量成正比；感应电场的水平分量与海水流速和地磁场的垂直分量成正比［8］。

内波隐匿水中，随时间和空间随机性变化，常见的波长为几十米至几十千米，内波的产生大多与地形变化有关，所以内波比较容易在近海海域和湖泊内产生［9］。Larsen计算了具有潮汐周期的内波在广阔海洋底部感应的电场和磁场［10］。

3 海洋环境水下电磁场相关特性

本文主要分析对象为浅海近岸多点测试的海洋环境水下电磁场数据，测量体布放在海底不同的空间位置，分析内容为不同测量体各分量之间、不同测量体同一分量之间的不同频带、不同时间长度的相关特性。处理结果如下图所示，图中环境电场横坐标的1、2、3、4表示 DC－5Hz、1Hz～10Hz、2Hz～20Hz和8Hz～20Hz的相关系数，环境磁场横坐标的1、2、3、4表示 DC－2Hz、1Hz～10Hz、2Hz～20Hz和8Hz～20Hz的相关系数。

相关系数计算公式为：

式中n表示数据长度，x、y表示选择的数据。图中的X－Y、X－Z及Y－Z表示电磁场不同分量之间的互相关系数，＃1～＃2、＃1～＃3及＃2～＃3表示电磁场不同测量体同一分量之间的互相关系数（限于篇幅，本文将图进行精简）。

图1 电磁场各分量之间，不同频带、不同时间长度的相关系数

首先对比分析海洋环境水下电磁场同一测量体不同分量之间的互相关系数：

1）不同位置处海洋环境电场水平分量之间的相关性均大于其它两个分量的相关性。

2）海洋环境电场水平分量DC－5Hz和1Hz～10Hz之间的相关性很强。但水平分量与垂直分量低频电场之间的相关性较弱。

3）对于2Hz～20Hz和8Hz～20Hz的高频部分，海洋环境电场各分量之间相关性较差。

4）海洋环境磁场不同分量之间的相关性与电场截然不同，总体结果表明，海洋环境磁场在1Hz～10Hz、2Hz～20Hz和8Hz～20Hz高频段大于低频磁场（DC－2Hz）的相关系数，而且它们之间的相关性很强（相关系数的绝对值均大于0.5）。此结果与理论分析并不一致，通过频谱分析发现，1Hz～20Hz频段出现了许多根不明线谱，它既有可能来源与环境也很有可能存在与系统噪声中，因此结果有待于进一步验证。

图2 不同测量体电磁场之间，不同频带、不同时间长度同一分量的相关系数

之后，对比分析环境电磁场不同测量体同一分量之间的互相关系数：

1）海洋环境电场不同测量体同一水平分量之间的相关性均大于垂直分量的相关性。

2）环境电场同一水平分量DC－5Hz和1Hz～10Hz之间的互相关系数均在0.6以上即不同测量体，低频电场同一水平分量之间的相关性很强。虽然不同测量体垂直分量低频电场较水平分量弱，但测量体1－测量体2和测量体2－测量体3在DC－2Hz频带，它们之间的相关性也较强。

3）对于2Hz～20Hz和8Hz～20Hz的高频部分，除Y分量2Hz～20Hz频带的相关性较强之外，不同测量体同一分量的相关性均非常弱，相关系数小于0.3。

4）海洋环境磁场不同测量体同一分量之间的相关性：低频磁场（DC－2Hz）除测量体2－测量体3的Y分量之间的相关系数较小之外，其它的相关性均较强，相关系数大于0.4。海洋环境磁场在1Hz～10Hz、2Hz～20Hz和8Hz～20Hz高频段，不同测量体同一分量之间的相关性较差，相关系数均不大于0.3。

4 结语

总结分析结果，由于天然电磁场中海水运动的规律性导致环境电磁场在低频段的相关性很强。因此，可以在海底不同空间位置上布放较多的电磁场传感器，利用数据分析研究不同频率环境电磁场的相关半径，从而合理选择传感器间距并在相邻传感器之间采用自适应抵消技术抑制海洋环境水下电磁场，提高弱电磁场目标信号的检测能力。

［1］林春生，龚沈光.舰船物理场［M］.北京：兵器工业出版社，2007：249－256.

［2］张自力.海洋电磁场的理论及应用研究［D］.北京：中国地质大学，2009：3－5.

［3］王永斌，陈卫东，杜义.海浪对水下电磁场幅度影响的分析［J］.热带海洋学报，2005，24（1）：37－40.

［4］Munk W H，Miller G R，Snodgrass F E.Directional recording of swell from distant storms［J］.Phil Trans Roy Soc，London，1962，254：565－584.

［5］张自力，魏文博，等.海浪感应电磁场的理论计算［J］.海洋学报，2008，30（1）：42－46.

［6］Weaver J T.Magnetic variations associated with ocean waves and swell［J］.Journal of Geophysical Research，1965，70：1921－1929.

［7］Gerkema T，Zimmerman J T F.Zimmerman，Generation of nonlinear internal tides and solitary waves［J］.Phys Oceanogr，1995，25：1081－1094.

［8］林春生，任德奎.海流感应电磁场的分析与计算［J］.海军工程大学学报，2003，15（4）：19－22.

［9］孙文心，李凤岐，李磊.军事海洋学引论［M］.北京：海洋出版社，2011：163－167.

［10］Larsen J.C.Electric and magnetic fields induced by deep sea tides［J］.Geophs.J.Roy.Astron.Soc.，1973，16：47－70.