海水中电极对拖曳天线运动极化噪声特性分析*

王宇航 谢 旭 王 颢

（海军工程大学电子工程学院 武汉 430033）

1 引言

电极对拖曳天线是检测海水中电场信号的重要天线，通常通过读取电极对极差电位的变化获取接收信号的信号特征。由于电场信号在海水中受到巨大衰减，海洋内的电场信号较为微弱。而天线工作时携带的噪声影响限制了检测的灵敏度和准确性，因此如何提升工作信噪比是目前水下电极对天线研究重点［1～4］。全固态银/氯化银电极为目前较为常用的电极对天线电极，其耐高压，稳定性强，灵敏度高，抗腐蚀性强等优点使其在水下通信特别是深海通信中拥有重要地位［5～6］。

在电极对拖曳天线使用过程中，复杂的海洋环境与运动状态带来了多种噪声影响。

其中天线工作过程中引入的运动极化噪声主要源于流动海水冲激电极导致的电极表面电化学界面结构性改变［7～11］。

待检测微弱信号要求电极对天线工作时引入的噪声不可淹没检测信号或在经信号处理后可消除噪声信号影响。因此研究水下电极运动噪声特性对水下信号检测具有重要意义。在实际测量过程中，观察到电极对天线电极的信号检测特性受到海水流动速度的影响。

因此本文主要针对固定状态下的全固态银/氯化银电极在流动电解液中的运动极化噪声特性进行分析，讨论液体流速对其流动噪声水平的影响，并设计实验对分析结果进行验证。

2 电极对拖曳天线极化噪声理论

2.1 银/氯化银电极电化学反应原理

全固态银/氯化银电极属于第二类可逆电极，其通常由氯化银粉末与银粉混合压制而成。电极在海水中的电极平衡反应式为［12］

电极反应达到平衡时，电极表面表现为稳定电位，其反应平衡由单一导电离子（氯离子）控制，不需要水中的氢氧根离子或氢离子参与反应。除此之外，其电极反应可逆性强，当外界信号导致反应平衡发生偏转时，能较快恢复稳定。因此银/氯化银电极受非反应粒子影响小，检测灵敏度高，可使用银氯化银电极检测水下微弱电场信号。

2.2 拖曳天线电极/海水电化学界面

任何不同性质的界面相接接触时都会生成新的界面，电极与海水接触时同样形成电极/海水界面［13］。电极反应平衡时，不同带电粒子分布于电极界面与电极附近海水界面中，产生电极电势。电极对极差电压随流入信号发生改变，这也是电极检测信号的基本原理。

通常将带电电极表面界面与带反电荷电极表面流体界面构成的总体界面称为双电层。双电层电势降即表示电极电势。

双电层由紧密层与分散层两部分组成，紧密层带电粒子紧密排列与电极表面的电解液中，主要受静电力作用，分散层中带电粒子则受到静电力与热运动的共同作用，总体呈扩散状态分布［13］。在讨论银/氯化银电极与海水间的双电层结构时，由于海水中氯离子溶度较低，对带电氯离子起主要作用的为热运动影响，因此对于工作在海水中的银/氯化银电极，可使用分散层代替其双电层［14］。电极板与液体板共同组成的“平行板双电层结构”如图1 所示。

图1 平行板双电层结构

2.3 电极对拖曳天线运动极化噪声分析

银/氯化银电极可作为稳定的参比电极，在保持温度等外界条件稳定时，其电势不会随时间发生漂移。但研究发现，面对流速变化较大的电解液环境时，银/氯化银电极工作时会引入对应流动噪声，降低检测信号信噪比，严重影响电极正常工作。

在海水等稀溶液中，将分散双电层等效为平行板电容器，双电层厚度即为平行板板间距离。

在海水中，带电粒子主要受到分子热运动影响，受电极表面静电力影响较小，因此当液流流经电极表面时，双电层内带电离子将随水流移动，造成平行板双电层两极板间的滑移，进而影响双电层结构。

流速影响下的双电层滑移过程如图2所示。

图2 滑移前-滑移后平行板双电层结构变化

已知银/氯化银电极电势主要由其双电层结构控制，双电层电势φ表示为

Q为双电层内反应粒子电荷量，ε为双电层间介电常数，ε0为真空介电常数，S0为平行板相对面积，δd为双电层厚度。文献［14］表明，外界环境不发生改变时，保持稀溶液中电解液反应粒子浓度不变，双电层厚度不发生改变。因此溶液浓度，外界温度等条件不发生改变时，双电层电势主要受到反应粒子电荷量Q与平行板相对面积S0控制。

当外极板移位时，由于液面中的带电粒子向下游运动，在电极表面的对应位置上，暴露出对应反电荷粒子，随着液体中电荷在下游的积累，产生相应的传导电势，传导电势驱动带电粒子产生逆水流运动的趋势使极板上的电荷量被保留。

即流速改变通过改变双电层平行板间的重叠平板面积，影响双电层电容值，进而影响电极电位。

双电层内带电粒子运动状况如图3所示。

因此流体速度的大小通过影响双电层结构影响单电极电势，在稳定的流速下，单电极电势保持稳定但较静止状态下有所上升。在海水环境中，复杂的水流环境导致电极附近流体流速不断发生变化，电极电势随流速变化发生改变，即引入了相应噪声。

对于电极对天线，测量信号为两电极间极差信号，因此极差信号取决于两电极外部流速的差值，将电极对置于同一海洋环境中时，流速随时间差值大小变化即流速加速度变化可表示极差电压变化。

因此外界液体流速的变化通过影响电极表面双电层结构影响电极电势，银/氯化银电极对流动噪声取决于其外界流速变化率，外界流速变化率越大，其流动噪声越大。

3 实验设计与分析

3.1 实验设计分析

设计实验验证电极电势与液流加速度间的对应关系。

使用4g/L Nacl 溶液模拟海洋环境，选用全固态Ag/AgCl 电极对作为实验电极，在电极上加载加速度传感器用于检测固态电极附近流体流速变化。

实验装置示意图如图4 所示。并且将电极与传感器置于距搅动装置同距离位置上，尽量保证其外部流速影响相同。

图4 实验装置示意图

3.2 实验数据分析

分析海水中银/氯化银电极信号与液流加速度间关系，需要在多种不同流速环境下，测量电极对极差信号的变化特征。

由于海水中高频信号衰减严重，因此海水中银氯化银电极对主要用于检测低频段信号，同时避免实验环境中携带的工频信号干扰，分析时主要观测电极对信号在频段（110Hz～140Hz）范围内的功率密度变化。

保证两个加速度传感器与搅动装置相对位置保持一致，观察到两加速度传感器显示流体加速度大小基本一致。测量静止与流动状态下的加速度传感器信号功率谱如图5所示。

图5 加速度传感器信号功率谱

计算得在静止状态下加速度传感器在静止状态下于110Hz～140Hz 内的平均功率密度为2.70×10-12V2/Hz。流动水流环境下加速度传感器在静止状态下于110Hz～140Hz内的平均功率密度为3.10×10-11V2/Hz。

水流由静止变为流动状态时，加速度传感器在110Hz～140Hz 内功率密度整体呈上升趋势。使用多通道信号采集设备同步采集对应流速环境。

同时测得对应环境下，电极对信号功率谱如图6所示。

图6 电极对信号功率谱

静止状态下电极在110Hz～140Hz 内的平均功率密度为1.0×10-15V2/Hz。流动水流环境下电极在110Hz～140Hz内的平均功率密度为9.4×10-13V2/Hz。

可以大致观察出电极对对应频段功率密度变化趋势与流体加速度变化趋势相同。

使用PWM 调制调节水下风扇搅拌转速，测量多种流速环境下的传感器信号与电极对信号。联立多种不同占空比环境下的加速度传感器信号与电极噪声信号，如表1、图7所示。

表1 传感器信号与电极对信号功率密度

图7 不同流速环境下的传感器信号与电极信号

计算两信号向量相关系数为0.8972，结果呈现强相关性，加速度传感器信号与电极信号具有相正相关关系。因此可以认为电极对极差电压随其周围流速改变而改变，且电压变化与外界流速变化率成正比。

对比不同流动状态下电极对信号整体频段功率谱如图8所示。

图8 电极信号整体频段功率谱

由图可知在低频段上流速变化对信号影响较大，随频率上升，流速变化对信号影响逐渐下降。

3.3 实验设备

3.3.1 全固态银/氯化银电极对天线

全固态银/氯化银电极作为实验电极，采用粉压法压制而成，具有体积小，检测方便，抗压，可逆性强等多种优点，适合用于复杂海洋环境。总体实验装置如图9所示。

图9 整体实验装置示意图

加速度传感器使用防水型IEPE 加速度传感器，灵敏度为500mV/g，分辨率达到0.00004g，满足实验要求。搅动装置使用水下风扇，通过调整占空比调节风扇转速。

表1 显示在水下风扇占空比由40%上升至60%时，传感器信号功率谱有所下降，其可能是由于触及水箱壁面时反射回的水流波动与直接传导到传感器的水流波动发生抵消所致。

3.3.2 采集处理设备

使用多通道采集设备同时采集相应传感器与电极对信号。要求采集设备具有高灵敏度和高准确度。采集设备如图10所示。

图10 采集设备示意图

采集设备采样率256000Sa/s，采样位宽24bits。满足采样需求。

4 结语

本文分析了海水中电极对拖曳天线的运动极化噪声形成机理，并对运动极化噪声与流速间关系进行了讨论，确定流速变化引起电极对表面双电层结构的变化，进而导致引入运动极化噪声。设计实验验证电极对极差电压与流体加速度间关系，在多种不同流速环境下计算得到流体加速度信号与电极极差电压信号呈现相关性较高的正相关关系，为运动极化噪声消除抵消提供一定的理论基础。并且观察到流速变化对信号影响在低频段时较为显著，随着频率上升，流速变化对电极对信号影响逐渐下降。