浅海典型海域水下稳态电场特性分析∗

曹军宏 刘 莎 苏建业 刘 飞

（1.中国人民解放军92942部队 北京 100161）（2.大连测控技术研究所 大连 116013）

1 引言［1～8］

随着海洋开发、渔业资源保护、军事应用等领域研究的需求，水下低频电场方面备受关注，国际上涌现了各式各样的海洋水下低频电场测量装置和设备。近几年，国内水下电场测量传感器、装置和设备研究也发展快速，在研究过程中最重要的一环是对新研的传感器、装置甚至设备系统的性能进行准确的测量，并且一般在完成实验室测量/校准后，下一个阶段则是需要在理想的滨海海域进行一系列的海上性能测量验证。因此，准确掌握验证海域的环境特性，可因地制宜的设计性能验证方案，大幅提升传感器、装置及设备的验证效率。

项目组设计了一套5节点电场水下环境观测装置，采用了线列阵结构，选择在大连某特定海域，开展了历时1年期的水下电场环境观测，获取了该海域一批很有价值的水下电场环境数据，经过统计分析，得到了一些有重要意义的结论，同时对掌握特定海域水下低频电场背景变化规律研究具有一定的指导意义。

2 观测试验具体情况

本次环境观测试验是在明确的需求下开展的，关注频率为DC-0.5Hz，研究海洋环境电场所用到的测试系统为长基线水下电场测量系统。它由4只银/氯化银电极构成，分别为补偿电极、参比电极和两个测量电极组成，系统测量频率范围为DC-10Hz，电极最大间距可达40m，用于获取水下电场数据。长基线系统通过增大电极间距获得空间增益，进而提高对微弱信号的感知能力，其测量信号可反映环境电磁场大尺度变化情况。长基线电场测试系统测量示意图1和布放位置如图2所示。

图1 长基线电场测试系统测量示意图

图2 长基线电场测试系统布放区域示意图

本次布放位置距离码头675m，整体呈南北向布放，经海上位置标定，测量电极1距离参比电极18.3m，测量电极2距离参比电极42.4m，补偿电极距离测量电极2的距离为39.6m。具体布放如图2所示，图中白球为海床基有缆式三分量水下电、磁场测试系统。

观测的时间为2010年6月至2011年6月共计13个月，观测方式包括24h连续观测、特定时间点年度观测及特定海况观测等，测试系统采样频率100Hz。

3 统计分析方法

以往的分析方法主要是针对短基线电场测试系统在短时间内获取的数据进行时域波形结构、频谱分布以及相关特性的提取，从分析结果中无法准确掌握大尺度、长周期的海洋环境水下电磁场统计特性，在海洋开发和军事应用领域可利用程度不高，对新研系统的整体性能评价也难以提供充足的数据支撑。

测试系统观测的数据主要来源于天然电磁场源。天然电磁场包括大地电磁场、海流和海洋波浪产生的电磁场、物理化学成因的电磁场以及生物电效应等几类电磁场［9］，其中海洋大地电磁场和海浪感应电磁场为其主要场源。海洋大地电磁场具有明显的空间和时间分布规律性，由于海水媒质具有高电导性，对高频电磁波具有强烈的吸收作用，因此海洋大地电磁场能量主要集中在0.001Hz～10Hz频段［10～11］；海面波浪感应产生电磁场的周期与波浪的周期一致，其频率范围主要集中在0.08Hz～0.5Hz，涌浪产生的电磁场幅度较大，频率约为0.1Hz［12～13］。

项目组设计了一套5节点电场水下环境观测装置，采用了线列阵结构，选择在大连某特定海域，开展了历时1年期的水下电场环境观测，获取了该海域一批很有价值的水下电场环境数据，经过统计分析，得到了一些有重要意义的结论，同时对掌握特定海域水下低频电场背景变化规律研究具有一定的指导意义。

本次分析则是根据设备验证需求进行了重新设计，本次的验证设备是用于目标的水下稳态电场测量，根据设备测量特点，现设计环境时变幅度统计分析具体步骤如下。

1）数据源

本论文分析的数据主要来源于测量电极1，电势U为

2）低通滤波

目标水下稳态电场测量的频段为DC-0.1Hz，最大可扩展到0.5Hz，因此环境观测数据采用了DC-10Hz频段，采样率设置为100Hz。原始数据先降采样为20Hz，再进行低通滤波，滤波器采用But⁃terworth滤波器，阶数设置为4，频段设置为DC-0.5Hz，滤波器具体如图3所示。

图3 0.5Hz的低通Butterworth滤波器示意图

3）时域波动幅度统计

根据验证需求，对环境观测数据采用滑动窗累计时域波动幅度，滑动窗采用100s，滑动间隔设置为5s，覆盖率95%，时域波动幅度Umax获得的具体步骤为

（1）滑动窗数据为datai，数据长度为20Hz×100s，该窗内数据的时域幅度波动最大值Umaxi为：

（2）采用循环模式，对每一个观测时间段环境观测数据的时域幅度波动进行统计：

（3）每个时间段观测数据的幅度波动Ua：

（4）每个时间段观测数据的幅度波动平均值Ub：

4 分析结果

利用上述统计分析方法，针对获取的观测数据，进行了相关分析。

1）环境电场（DC-0.5Hz）幅度日变化趋势

针对2010年10月25日9：00-21：00的连续观测数据进行了分析，分析结果包括每个时间段观测数据的幅度波动Ua，每个时间段观测数据的幅度波动平均值Ub。

图4给出的是1天内连续观测的分析结果，时域幅度波动趋势较为明显。从整体结果上看，在该分析方法下时域幅度波动大约在1.5mV-4mV之间，日变趋势较为明显，将图4展示的特征规律再进一步详细拆分分析。

图4 2010年10月25日观测分析结果

图5是每个小时的10分钟观测数据的时变波动，可以清楚的看到从早上9点到晚上21点，近似成正态分布，即早晚幅度最小，15点时变幅度波动最大。但上午11点和晚上20点有独立的较大值，考虑可能与附近城市集中用电有一定关系。观测时间内，时变波动幅度最大值为1.5mV，最小值为0.30mV，最大值和最小值比为5∶1。

图5 环境电场时变波动趋势

图6是环境电场日变波动趋势分析结果，从趋势看从早上9点到晚上21点呈下降趋势，其中13点出现凹点，晚上21点时变平均幅值最小。其中最大值出现在11点，最大幅值为3.5mV，最小值出现在21点，最小幅值为1.7mV，最大值与最小值差为1.8mV。

图6 环境电场日变波动趋势

2）环境电场（DC-0.5Hz）幅度月变化趋势

利用年度观测数据集（每个月任意一天10点的观测结果），进行了年度变化趋势的统计分析，分析结果包括每个时间段观测数据的幅度波动Ua，每个时间段观测数据的幅度波动平均值Ub。

图7给出了2010年1月-12月的环境电场月变化幅度趋势，从整体趋势上看，每个月的采集时间段波动幅度差异较大，但平均幅度波动变化较小，将图7展示的特征规律再进一步详细拆分分析。

图8给出了每个月某天10点的时变波动趋势图，从图中看到时变幅度波动最大值为3.9mV，最小值为0.8mV，最大值与最小值比为5：1。从趋势来看离散度较大，不具备一定的趋势，经过考虑认为主要原因来自于两个方面，一方面是每个测试时间段采样长度差异较大，这可以从图7中看的出来；第二方面是每个测试时间段环境因素例如风速、海况、海流等差异较大，导致测量时间段内的波动差异较大。因此，认为该特征无统计规律，离散度大，建议未来在观测过程中应详细记录环境参数，并尽可能增加观测时长。

图7 环境电场月变化趋势

图8 环境电场时变波动趋势

图9给出了2010年1月-12月10：00点观测的月变化趋势，从月变化趋势中可以看到，变化趋势最大值4.1mV，变化最小值为2.7mV，一年的月变化趋势不大，主要集中在2.7mV～4.1mV内，年度同一时段观测数据幅度波动为34%。

图9 环境电场月变化幅度趋势

5 结语

利用2010年获取的历时环境数据，针对验证装置的验证需求，通过本文的分析，得到了需要掌握的相关情况，总结归纳如下：

1）时变化趋势明显，从9：00-21：00，每个小时的观测点的幅度变化呈现正态分布；上午11点和晚上20点有独立的较大值，考虑可能与附近城市集中用电有一定关系。

2）日变波动趋势，从早上9点到晚上21点呈下降趋势，其中13点出现凹点，晚上21点时变平均幅值最小。

3）一年之内同一时刻的观测结果，观测点波动呈现特征离散度高，但月变化趋势则趋于平稳，变化趋势最大值4.1mV，变化最小值为2.7mV，一年的月变化趋势不大，主要集中在2.7mV～4.1mV内，年度同一时段观测数据幅度波动为34%。

针对DC-0.5Hz频段内的稳态电场分析结果，结合前期环境数据已有的分析结果和统计规律，认为现有分析结果基本可以满足测量装置性能验证的需求，当然在分析过程也发现了由于受到采样点和其它环境参数影响，建议在测量过程中应充分考虑环境参数条件，从而降低外部环境条件带来的影响。同时，对于环境观测也需要提高对环境参数同步观测的需求，细化外部环境参数的记录，提高数据分析的置信度。