海洋物质干扰检测系统的设计

程岩，吴丙伟，张颖颖

(山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东省海洋环境监测技术重点实验室，山东 青岛 266001)

【海洋科技与装备】

海洋物质干扰检测系统的设计

程岩，吴丙伟，张颖颖

(山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东省海洋环境监测技术重点实验室，山东 青岛 266001)

为提高海洋生态现场检测的灵敏度、精度并降低检出限，针对海水测量产生的信号具有统一幅频的特点，进行幅频特性分析，掌握干扰信号的频域特征，通过过滤海水检测信号，获得真实的监测数据。该系统稳定可靠，可以为海洋生态环境现场监测传感器的开发和应用提供借鉴。

频域；干扰；信号检测；

1 海洋物质干扰检测原理

对海洋环境进行综合测量，是获取海洋多种信息、提高海洋测量效率的有效方法[1-2]，也是目前国内海洋测量发展的方向。海水物质检测是海洋环境监测最重要的项目之一，现有的海水环境监测方法通常是在实验室平台上进行的，以假定海水中待测物质所对应的检测信号平稳或时不变为前提，利用检测到的信号计算出海水中待测物质的含量[3]。

但是，实际的海洋现场检测环境复杂多变，干扰因素很多。在作业过程中发现，海洋环境的变化对海洋物质的测量存在干扰，其现象是检测到的电压信号的幅度会出现无规律的变化，干扰形式在模拟记录方式中呈现出连续线性模式。基于检测系统工作频率的关系及其所形成的干扰影响，可以认为海水中各种海洋生物以及物理环境在特定的频率以及频带范围内会产生干扰谐波。由于海水物质的结构和浓度受时空影响大，多数处于相互关联、相互影响的状态，而现有技术中对海水的检测方法并未区分各种干扰因素，因此，测量结果的准确性和代表性受到质疑。

经过仪器采集的数据，是多种频率信号叠加而成的，理论上每种频率都有产生的原因。因为海洋环境复杂，所以在仪器进行海水物质检测数据的分析过程中，很多频率无法确定其真实来源，一部分是真实有效的信号，其他是海洋环境的干扰信号[4]。目前研发的各种海水检测类仪器通常的做法就是进行简单的滤波，在这一过程中有可能去掉了有效信号，也有可能在滤波的过程中进一步掺杂了干扰信号。实验室已经开展了多种海洋物质检测的项目，并具备相应的检测仪器。从理论上，在同样的海洋环境进行海水物质检测，不同的检测仪器所采集的信号，应包含同样的干扰频率，所以可以通过对不同种海水检测类仪器进行对比发现该频率，也就是该海洋环境所采集的数据具有的干扰频率。国外在处理此类问题的时候，首先判断海洋环境干扰的因素，比如当地的风速、降雨、海洋生物以及测量船只等，根据这些干扰源分别做出相应的去除措施，提高信噪比。但是在海洋现场的环境检测中，由于海洋环境是实时变化的，干扰源也多种多样。

把海洋看成一个复杂环境，在检测海水中的各种物质，如有机物、TOC以及营养盐的过程中，在同一环境下对每种仪器的干扰是类似的，也就是干扰频率相同。针对海水中待检测物质的含量，采集同样的海水，进行数据分析，就可以假定多种干扰信号中，至少有一项或若干项的干扰信号是一样的。不同仪器对相同环境下的海水进行检测，可以通过采集的数据进行频谱分析，得到该环境下海水对海洋监测类仪器存在的某一频率下的干扰。在类似的海洋仪器研制的过程中，可以对同样环境下海水的这一干扰进行过滤，提高检测仪器的信噪比，从而提高检测的灵敏度和精度[5-9]。本文提出的方法，是把所有的海洋环境干扰统一处理，通过现场几种仪器同时采集，判断干扰的频率范围，达到实时分析的目的。

2 系统设计

利用多台不同的检测仪器对待测海水进行光照检测，并接收各台检测仪器进行光电转换后输出的电压信号；对电压信号进行傅里叶变换，生成功率谱；设定基频段，针对每一台检测仪器所对应的频谱数据，遍历所述的基频段，查找基频段中的每一个频率点以及每一个频率点所对应的倍频、宽频以及波带，判断是否均有能量存在；若各台检测仪器在相同的频率点以及相同的频率点所对应的倍频、宽频以及波带均有能量存在，则判定所述相同的频率点为干扰频率。在对待测海水中的物质进行检测前，通过执行本文所提出的海水检测前处理方法，检测出干扰频率，在对物质分析的过程中提前过滤掉该干扰频率或者干扰频率段的信息[10]。

3 数据分析

3.1 分析方法

通过分析每种仪器采集的数据发现，用同样的采集频率来采集信号，不同的仪器采集的信号，在对不同种海水中的物质检测的过程中产生若干一维的信号。这些一维的信号通过频谱分析，有能量存在的频率点，说明该一维信号有该频率的信号叠加进来。能够确定的有采样频率，以及海水中对应物质所对应的频率，仪器自身产生的干扰频率，以及海水本身产生的干扰频率。若各台检测仪器在相同的频率点以及所述相同的频率点所对应的倍频、宽频以及波带处均有能量存在，则判定所述相同的频率点为干扰频率[11]。

3.2 数据分析流程

倍频就是所要分析频率的倍数n，n为正整数，1

(1)针对所述基频段中每一个存在能量的频率点H，依次查找功率谱中与该频率点H所对应的连续n个倍频率点的能量存在情况。若任意一个倍频率点不存在有效能量，则判定该频率点H为信号频率，而非干扰频率。

(2)针对所述基频段中每一个存在能量的频率点H，查找功率谱中与该频率点H对应的宽频处是否存在能量时，按照上述方法，若其中一个宽频处不存在有效能量，则判定该频率点H为信号频率，而非干扰频率。

(3)在所述基频段中，每一个频率点H的波带优选为H±5 Hz的频带范围。如果多台仪器在频谱分析数据时，基频都满足干扰频率特征，就定义该频率为该海区的干扰频率。

3.2.1 倍频分析的处理流程

(1)生成功率谱；

(2)设定基频段，并遍历基频段每个频率点；

(3)记录基频点的能量值，为1倍频能量值；

(4)查找基频点2倍的频率点的能量值，如果该值为1倍频能量值的10%以上，返回为真值；

(5)查找基频点n倍的频率点的能量值，如果该值为n-1倍频频率点的能量值的10%以上，返回为真值；

(6)继续下一个循环，如果n的值为5或出现假值，退出循环，记录该频率点的值。

3.2.2 宽频分析的处理流程

(1)查找基频点的值+宽频宽度的值的频率点的能量值为第2个宽频点的能量值，如果该值为第1个宽频能量值的10%以上，返回为真值；

(2)查找基频点的值+(n-1)倍宽频宽度值的频率点的能量值为第n个宽频点的能量值，如果该值为第(n-1)宽频能量值的10%以上，返回为真值；

(3)继续下一个循环，如果n的值为5或出现假值，退出循环，记录该频率点的值。

3.2.3波带的分析流程

(1)设定基频段，并遍历基频段每个频率点；

(2)记录基频点的能量值，查找基频点左右各5个频率点的能量值；

(3)如果能量值为该基频点能量值的10%以上，记录该频率点的值，返回为真值。

3.2.4 数据分析实例

图1 系统分析曲线Fig.1 System analysis curve

a 10 Hz；b 20 Hz;c 30 Hz;d 40 Hz;e 50 Hz 。图2 倍频分析曲线Fig.2 Frequency multiplication analysis curve

a 10 Hz；b 40 Hz; c 70 Hz; d 100 Hz; e 130 Hz 。图3 宽频分析曲线Fig. 3 Broadband analysis curve

图4 5～15 Hz波带分析曲线Fig.4 Band frequency analysis curve in 5～15 Hz

图1～4为数据分析过程。图1是所有分析曲线都显示在同一图谱中。图2显示的是通过倍频分析发现的基频为10 Hz的频率点，其所有倍频点的能量值都大于前一个倍频点能量值的10%，所以10 Hz倍频在分析的过程中满足干扰频率的条件。图3中，系统设置宽频的分析宽度为30 Hz，其所有宽频点的能量值都大于前一个宽频点的能量值的10%，所以10 Hz为基频的宽频在分析的过程中，也满足干扰频率的条件。在5 ～15 Hz的频率点的能量值中，有3个频率点的能量值大于10 Hz能量值的10%，所以10 Hz波带在分析的过程中满足干扰频率的条件(图4)。由此可见， 在倍频、宽频和波带的分析过程中，10 Hz都满足干扰频率的条件，所以定义10 Hz为海水的干扰频率，在信号的分析过程中，过滤掉10 Hz的频率。

3.3 干扰检测结果分析

表1分别对未经过去除干扰频率处理的原始信号和经过去除干扰频率处理的滤波后的信号进行信号值对比，并统计10组信号值的相对标准偏差。

可以看出，经过去除干扰频率后的信号值比未去除的有明显的减少。因此，通过对获得的电压信号进行干扰频率分析，并进行降噪处理，可以有效地削弱海水等外界因素对检测到的电压信号造成的影响，使通过电压信号计算所得的面积值更加平滑和稳定，有利于提高海水中物质的测量方法的可靠性[12-13]。

表1 去除干扰频率前后信号值对比

4 结语

该系统稳定可靠，响应速度快，在海洋现场环境检测中，能够实时掌握当前海洋环境干扰频率状态，过滤海水检测信号，并获得真实的监测数据。系统适用于各种海洋环境，增强了海水现场监测抗干扰能力，从而能够提高海洋生态现场监测的灵敏度、精度并降低检出限，对海洋生态环境现场监测传感器的开发和应用具有重要意义。但是，在干扰频率分析的过程中，需要多台类似的仪器用同样的采样频率，同时采集同一海区的海水，这样分析出的干扰频率有特定的海况条件，如果海况更换，分析需要重新进行。如果把各种海洋环境下所有检测出来的干扰频率做记录，并写入数据库中，保存相应的分析样本，就能够在海况更换的情况下，无需重新进行分析计算，只需从数据库中直接读取即可，这也是今后的工作方向之一。

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Design of ocean interference detection system

CHENG Yan,WU Bing-wei, ZHANG Ying-ying

(Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Environmental Monitoring Technology, Institute of Oceanographic Instrumentation, Shandong Academy of Sciences, Qingdao 266001, China)

∶ To improve marine ecological field detection sensitivity and precision and lower detection limit, we analyze amplitude-frequency characteristics of interference signals and grasp their frequency domain characteristics for uniform amplitude-frequency property of seawater detection signal. Through the filtering of seawater detection signal, we get authentic monitoring data. The approach is stable and reliable, and can provide reference for development and application of marine ecological field detection sensors.

∶ frequency domain; interference; signal detection

10.3976/j.issn.1002-4026.2016.06.003

2016-04-25

山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室资助项目(201509)；山东省重点研发计划(2015GSF115001)；国家国际合作专项(201xxxR90220)

程岩(1979—)，男，高级工程师，硕士，研究方向为海洋仪器。

TP391

A

1002-4026(2016)06-019-05