舰船轴频电场数据的采集与处理研究

李 松，石 敏,杜 鑫

(海军装备研究院，北京 100085)

舰船轴频电场数据的采集与处理研究

李 松，石 敏,杜 鑫

(海军装备研究院，北京 100085)

舰船轴频电场是极其重要的目标识别特征之一。为了对其开展深入研究，研制了一套基于MSP430单片机的舰船轴频电场采集系统，获取海洋环境电场和舰船的轴频电场信号。对数据分析后发现：信号在近海港口易受强冲击干扰的影响，给目标检测带来困难。针对这种情况，首先对轴频电场数据进行预处理，利用一阶差分法去除数据中的奇异项，利用最小二乘法去除趋势项；然后通过自适应线谱增强器输出信号，结果证明该方法有效压制强冲击背景噪声，经过处理后的数据可直接用于舰船目标检测。

MSP430；舰船；轴频电场；预处理；自适应线谱增强器；目标检测

0 引 言

舰船在海洋环境中引起的电场叫做舰船电场，由于舰船转动轴系接触电阻的变化，使得海水中舰船腐蚀电流或腐蚀防护电流发生脉动，该脉动电流在海水中产生了以螺旋桨转速(即轴频)频率为基波的极低频电磁场，称为轴频电场[1]，根据螺旋桨的转速，轴频电场一般位于1～5 Hz频段内，该电场信号特征明显，区域性强，在一定距离上易被探测到，而且不管是防腐电流还是腐蚀电流经轴转动调制后均会产生轴频电场，是很难被隐身的舰船特征信号。

舰船轴频电场的区域性强，其量级大小与传感器和目标舰船的相对位置有关，并且跟舰船的大小、新旧程度以及采用的防腐措施有很大关系，不同个体，舰船轴频电场的分布情况和幅值大小可能会存在很大的差异[2]，实验室模拟或计算机仿真的数据与真实海洋环境下舰船轴频信号差距较大，因此，获取海洋环境噪声背景下舰船轴频电场实测数据十分重要。通过自行研制的舰船及海洋环境电场测量系统，在不同的海洋环境电场噪声下，对舰船轴频段信号进行测量，结果显示，由于轴频电场信号在传播路径上衰减很快，并且容易受环境电场干扰和测量系统噪声的影响，若直接对信号进行检测，会降低检测概率，增加虚警概率，所以在检测前对数据进行处理十分必要。

1 舰船轴频电场数据的获取

舰船轴频电场测量系统主要完成对电场信号的采集、滤波、放大、数据存储以及数据回收等功能。试验要求测量系统具有低噪声、低功耗、高分辨率等功能。系统组成框图如图1所示：测量系统主要由电场传感器、信号调理模块、模数转换模块、低功耗MSP430微处理器控制模块、存储电路、通讯及供电模块等组成。

图1 舰船轴频电场测量系统原理框图Fig.1 A theory chart for data acquiring system of the shaft-rate electric field

轴频电场测量系统的工作原理为：电场传感器测量的电信号，首先经由低噪声前置放大器放大，然后通过低通滤波和带通滤波滤除轴频以外的噪声信号，再进行后置放大，通过A/D转换为数字信号，送入微控制器缓存，当序列达到一定长度后，经过微控制器将时间、电场轴频信号数据重新编码存入Flash存储器，测量试验结束后，数据通过串口通信进行回收，以文本文件的形式存入计算机。

2 舰船轴频电场数据的处理

目标舰船检测的一般方法是根据信号功率谱的大小来判别，它是一种基于能量检测的方法，当没有舰船轴频电场信号时，该轴频段的功率谱变化比较平稳，舰船出现时，该频段的功率谱的值会显著增加，从而达到检测舰船的目的。但是当环境中出现非平稳干扰时，容易引起高虚警，所以在对目标检测前必须消除非平稳的噪声干扰影响。

2.1 海洋环境电场数据分析

海洋环境电场是舰船电场的背景噪声，成分复杂，其产生有多种场源，主要分为自然源和人造源两大类[3]，其中由自然源产生的电场主要包括海水运动产生的电场，地球磁气圈的变化引发的电场，电离层电流引发的电场，地震引起的电场，海洋生物活动产生的电场等；人造源包括海底管道产生的电场，人类航运活动产生的电场等。海洋环境电场在近海港口与远海表现出不同的特性，图2为轴频电场远海海域实测电场值及其频谱图，图3为轴频电场近海港口实测电场值及其频谱图。

图2 近海环境电场及其频谱图Fig.2 The electric field signal and the spectrum far away from the port

图3 近海环境电场及其频谱图Fig.3 The electric field signal and the spectrum near the port

从图2可看出，远离港口海域环境电场噪声较小，其1～5 Hz频谱包含各种频率，并且频率成分较为平均(0 Hz和5 Hz附近频谱的减小由带通滤波器引起)，噪声可通过设定浮动阈值来消除。由图3(a)可看出，港口环境电场存在不明原因的强冲击干扰，而且根据不同时间测得的环境电场数据来看，冲击产生的时间间隔在5～25 s之间变化，每次冲击持续时间为3 s左右,包含2个周期，其功率谱如图3(b)所示。这种强冲击干扰在舰船轴频信号的检测中容易引起误判，而且它与舰船轴频电场所在频率段重合，无法用滤波的方法将其消除。

2.2 采样数据的预处理[4-5]

数据中的奇异值是指采样数据序列中有明显错误(丢失或粗大)的个别数据。这些奇异值的存在，会使数据处理后的误差大大增加，所以如果存在奇异值，应该首先予以消除。本文采用一阶差分法剔除采样数据中的奇异项。

去除趋势项是数据处理中一个很重要的预处理步骤，数据中的趋势项甚至可以使低频部分的功率谱估计完全失去真实性，而舰船轴频信号恰巧位于极低频频段，所以有必要消除趋势项对数据的影响。本文采用最小二乘法消除舰船轴频电场数据中的趋势项。

2.3 自适应线谱增强

自适应线谱增强器(ALE)的原理在文献[6～8]已有详细阐述，其结构如图4所示，它的基本输入为xj，参考输入rj取为xj-Δ，线性相加器的输入数据向量为xj=[x1j,…，xpj]=[xj-Δ,…，xj-Δ-n+1]，滤波器系数W=[w1j，…，wnj]，自适应算法采用LMS算法。信号延迟的作用是使宽带信号去相关，而正弦信号或窄带信号不去相关，ALE就自适应地与相关的正弦或窄带信号进行匹配，把宽带和窄带信号分离开来。利用自适应线谱增强器，一方面，由于舰船轴频信号在频域表现为以螺旋桨转速为基频的线谱，属于窄带周期性信号，利于信号的提取；另一方面，噪声中的强冲击干扰由于延迟的作用得到消除。

图4 自适应线谱增强器结构图Fig.4 The structure of the adaptive line enhancement

2.4 数据处理结果

舰船产生的轴频电场易受强环境噪声的影响，此外，由于海水的导电性，轴频电场信号在传播路径上衰减很快，信号在一定距离上容易被环境噪声掩盖，从而导致虚警或者根本检测不到目标，为了解决这个问题，一方面要研制低噪声电场测量系统，另一方面要对测量数据进行适当的处理。本文对近海和远海实测的2组数据先进行数据预处理，然后将信号通过自适应线谱增强器输出，结果如图5和图6所示。

图5 远海舰船轴频电场信号处理结果Fig.5 The processing result of the signal far away from the port

由图5可知，远海轴频电场受环境干扰较小，噪声为宽带随机噪声，经自适应线谱增强器处理后，宽带噪声得到了有效的抑制，轴频信号特征得到了明显的加强。由图6(a)可知，近海港口环境电场存在不明原因的强冲击干扰，这种强冲击干扰在舰船轴频信号的检测中容易引起误判，它不同于奇异值，所以在去奇异值的步骤中没能将它去掉。图6(b)为去趋势项和线谱增强后的信号，由于冲击信号存在时间较短，自适应线谱增强时，选择适当的延迟时间，会使冲击信号与宽带噪声信号进行相关运算，由于它们的非相关性，可以有效的消除这种冲击噪声。

3 结 语

舰船在航行状态下会产生明显的轴频电场信号，频域上存在稳定的线谱，该电场较易被探测到，具有很强的信号特征。但是受环境干扰、测量系统噪声以及信号在传播路径上衰减等因素的影响，无法直接进行检测。通过对海上实测数据去奇异值，去趋势项以及自适应线谱增强处理，有效的将轴频电场特征信号从环境背景噪声中提取出来，从而提高舰船轴频电场的探测能力。

图6 近海舰船轴频电场信号处理结果Fig.6 The processing result of the shaft-rate electric field signal near the port

[1]HOLTHAMPM,JEFFREYIG.ELFsignaturecontrol[J].UDT,1996:486-489.

[2] 林春生，龚沈光.舰船物理场[M].北京：兵器工业出版社，2007：233-249.

[3]DAVIDSONSJ,RAWLINSPG,JONESH.Thechoiceofsensortypeforelectricfieldmeasurementapplications[J].UDT,2006:10D.3.

[4] 马明建，周长城.数据采集与处理技术[M].西安：西安交通大学出版社,1999:209-232.

[5] 王正光，周忠英，候伯亨,等.数据采集与处理[M].北京：国防工业出版社，1985：160-178.

[6] 何振亚.自适应信号处理[M].北京:科学出版社,2002:86-87.

[7] 姚天任,孙洪.现代数字信号处理[M].武汉:华中理工大学出版社,1999：45-120.

[8]JOHNG,PROAKIS.Algorithmsforstatisticalsignalproce-ssing[M].2002:231-303.

Data acquisition and processing for the shaft-rate electric field of a ship

LI Song,SHI Min,DU Xin

(Naval Academy of Armament，Beijing 100161，China)

Shaft-rate electric field of a ship is one of the important target recognition features.In the course of the real-time detection, the electric signature of the ship is easily influenced by the noise.Based on msp430, a data acquiring system of the shaft-rate electric field of a ship is introduced.Electric Fields in Marine Environment and the shaft-rate electric field of a ship are measured.By analyzing the data, it is found that electric signal is strongly noised near the coast.So here propose a method that the data is preprocessed firstly, and then enhanced by adaptive line enhancement (ALE).Practical results show that the method is effective.

MSP430; ships; shaft-rate electric field; data preprocessing; adaptive line spectrum enhancement

2013-12-02；

2014-03-21

国防预研基金资助项目

李松(1979-)，男，博士，工程师，主要研究领域为微弱信号检测，导电媒质中的电磁场等。

TP274

A

1672-7649(2015)12-0100-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2015.12.020