海洋物質(zhì)干擾檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

程巖，吳丙偉，張穎穎

(山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266001)

【海洋科技與裝備】

海洋物質(zhì)干擾檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

程巖，吳丙偉，張穎穎

(山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266001)

為提高海洋生態(tài)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的靈敏度、精度并降低檢出限，針對(duì)海水測(cè)量產(chǎn)生的信號(hào)具有統(tǒng)一幅頻的特點(diǎn)，進(jìn)行幅頻特性分析，掌握干擾信號(hào)的頻域特征，通過過濾海水檢測(cè)信號(hào)，獲得真實(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可以為海洋生態(tài)環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)傳感器的開發(fā)和應(yīng)用提供借鑒。

頻域；干擾；信號(hào)檢測(cè)；

1 海洋物質(zhì)干擾檢測(cè)原理

對(duì)海洋環(huán)境進(jìn)行綜合測(cè)量，是獲取海洋多種信息、提高海洋測(cè)量效率的有效方法[1-2]，也是目前國(guó)內(nèi)海洋測(cè)量發(fā)展的方向。海水物質(zhì)檢測(cè)是海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)最重要的項(xiàng)目之一，現(xiàn)有的海水環(huán)境監(jiān)測(cè)方法通常是在實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)上進(jìn)行的，以假定海水中待測(cè)物質(zhì)所對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)平穩(wěn)或時(shí)不變?yōu)榍疤?，利用檢測(cè)到的信號(hào)計(jì)算出海水中待測(cè)物質(zhì)的含量[3]。

但是，實(shí)際的海洋現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)環(huán)境復(fù)雜多變，干擾因素很多。在作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)，海洋環(huán)境的變化對(duì)海洋物質(zhì)的測(cè)量存在干擾，其現(xiàn)象是檢測(cè)到的電壓信號(hào)的幅度會(huì)出現(xiàn)無規(guī)律的變化，干擾形式在模擬記錄方式中呈現(xiàn)出連續(xù)線性模式。基于檢測(cè)系統(tǒng)工作頻率的關(guān)系及其所形成的干擾影響，可以認(rèn)為海水中各種海洋生物以及物理環(huán)境在特定的頻率以及頻帶范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生干擾諧波。由于海水物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和濃度受時(shí)空影響大，多數(shù)處于相互關(guān)聯(lián)、相互影響的狀態(tài)，而現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)海水的檢測(cè)方法并未區(qū)分各種干擾因素，因此，測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和代表性受到質(zhì)疑。

經(jīng)過儀器采集的數(shù)據(jù)，是多種頻率信號(hào)疊加而成的，理論上每種頻率都有產(chǎn)生的原因。因?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境復(fù)雜，所以在儀器進(jìn)行海水物質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析過程中，很多頻率無法確定其真實(shí)來源，一部分是真實(shí)有效的信號(hào)，其他是海洋環(huán)境的干擾信號(hào)[4]。目前研發(fā)的各種海水檢測(cè)類儀器通常的做法就是進(jìn)行簡(jiǎn)單的濾波，在這一過程中有可能去掉了有效信號(hào)，也有可能在濾波的過程中進(jìn)一步摻雜了干擾信號(hào)。實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開展了多種海洋物質(zhì)檢測(cè)的項(xiàng)目，并具備相應(yīng)的檢測(cè)儀器。從理論上，在同樣的海洋環(huán)境進(jìn)行海水物質(zhì)檢測(cè)，不同的檢測(cè)儀器所采集的信號(hào)，應(yīng)包含同樣的干擾頻率，所以可以通過對(duì)不同種海水檢測(cè)類儀器進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)該頻率，也就是該海洋環(huán)境所采集的數(shù)據(jù)具有的干擾頻率。國(guó)外在處理此類問題的時(shí)候，首先判斷海洋環(huán)境干擾的因素，比如當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速、降雨、海洋生物以及測(cè)量船只等，根據(jù)這些干擾源分別做出相應(yīng)的去除措施，提高信噪比。但是在海洋現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境檢測(cè)中，由于海洋環(huán)境是實(shí)時(shí)變化的，干擾源也多種多樣。

把海洋看成一個(gè)復(fù)雜環(huán)境，在檢測(cè)海水中的各種物質(zhì)，如有機(jī)物、TOC以及營(yíng)養(yǎng)鹽的過程中，在同一環(huán)境下對(duì)每種儀器的干擾是類似的，也就是干擾頻率相同。針對(duì)海水中待檢測(cè)物質(zhì)的含量，采集同樣的海水，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，就可以假定多種干擾信號(hào)中，至少有一項(xiàng)或若干項(xiàng)的干擾信號(hào)是一樣的。不同儀器對(duì)相同環(huán)境下的海水進(jìn)行檢測(cè)，可以通過采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，得到該環(huán)境下海水對(duì)海洋監(jiān)測(cè)類儀器存在的某一頻率下的干擾。在類似的海洋儀器研制的過程中，可以對(duì)同樣環(huán)境下海水的這一干擾進(jìn)行過濾，提高檢測(cè)儀器的信噪比，從而提高檢測(cè)的靈敏度和精度[5-9]。本文提出的方法，是把所有的海洋環(huán)境干擾統(tǒng)一處理，通過現(xiàn)場(chǎng)幾種儀器同時(shí)采集，判斷干擾的頻率范圍，達(dá)到實(shí)時(shí)分析的目的。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用多臺(tái)不同的檢測(cè)儀器對(duì)待測(cè)海水進(jìn)行光照檢測(cè)，并接收各臺(tái)檢測(cè)儀器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后輸出的電壓信號(hào)；對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，生成功率譜；設(shè)定基頻段，針對(duì)每一臺(tái)檢測(cè)儀器所對(duì)應(yīng)的頻譜數(shù)據(jù)，遍歷所述的基頻段，查找基頻段中的每一個(gè)頻率點(diǎn)以及每一個(gè)頻率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的倍頻、寬頻以及波帶，判斷是否均有能量存在；若各臺(tái)檢測(cè)儀器在相同的頻率點(diǎn)以及相同的頻率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的倍頻、寬頻以及波帶均有能量存在，則判定所述相同的頻率點(diǎn)為干擾頻率。在對(duì)待測(cè)海水中的物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)前，通過執(zhí)行本文所提出的海水檢測(cè)前處理方法，檢測(cè)出干擾頻率，在對(duì)物質(zhì)分析的過程中提前過濾掉該干擾頻率或者干擾頻率段的信息[10]。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 分析方法

通過分析每種儀器采集的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，用同樣的采集頻率來采集信號(hào)，不同的儀器采集的信號(hào)，在對(duì)不同種海水中的物質(zhì)檢測(cè)的過程中產(chǎn)生若干一維的信號(hào)。這些一維的信號(hào)通過頻譜分析，有能量存在的頻率點(diǎn)，說明該一維信號(hào)有該頻率的信號(hào)疊加進(jìn)來。能夠確定的有采樣頻率，以及海水中對(duì)應(yīng)物質(zhì)所對(duì)應(yīng)的頻率，儀器自身產(chǎn)生的干擾頻率，以及海水本身產(chǎn)生的干擾頻率。若各臺(tái)檢測(cè)儀器在相同的頻率點(diǎn)以及所述相同的頻率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的倍頻、寬頻以及波帶處均有能量存在，則判定所述相同的頻率點(diǎn)為干擾頻率[11]。

3.2 數(shù)據(jù)分析流程

倍頻就是所要分析頻率的倍數(shù)n，n為正整數(shù)，1

(1)針對(duì)所述基頻段中每一個(gè)存在能量的頻率點(diǎn)H，依次查找功率譜中與該頻率點(diǎn)H所對(duì)應(yīng)的連續(xù)n個(gè)倍頻率點(diǎn)的能量存在情況。若任意一個(gè)倍頻率點(diǎn)不存在有效能量，則判定該頻率點(diǎn)H為信號(hào)頻率，而非干擾頻率。

(2)針對(duì)所述基頻段中每一個(gè)存在能量的頻率點(diǎn)H，查找功率譜中與該頻率點(diǎn)H對(duì)應(yīng)的寬頻處是否存在能量時(shí)，按照上述方法，若其中一個(gè)寬頻處不存在有效能量，則判定該頻率點(diǎn)H為信號(hào)頻率，而非干擾頻率。

(3)在所述基頻段中，每一個(gè)頻率點(diǎn)H的波帶優(yōu)選為H±5 Hz的頻帶范圍。如果多臺(tái)儀器在頻譜分析數(shù)據(jù)時(shí)，基頻都滿足干擾頻率特征，就定義該頻率為該海區(qū)的干擾頻率。

3.2.1 倍頻分析的處理流程

(1)生成功率譜；

(2)設(shè)定基頻段，并遍歷基頻段每個(gè)頻率點(diǎn)；

(3)記錄基頻點(diǎn)的能量值，為1倍頻能量值；

(4)查找基頻點(diǎn)2倍的頻率點(diǎn)的能量值，如果該值為1倍頻能量值的10%以上，返回為真值；

(5)查找基頻點(diǎn)n倍的頻率點(diǎn)的能量值，如果該值為n-1倍頻頻率點(diǎn)的能量值的10%以上，返回為真值；

(6)繼續(xù)下一個(gè)循環(huán)，如果n的值為5或出現(xiàn)假值，退出循環(huán)，記錄該頻率點(diǎn)的值。

3.2.2 寬頻分析的處理流程

(1)查找基頻點(diǎn)的值+寬頻寬度的值的頻率點(diǎn)的能量值為第2個(gè)寬頻點(diǎn)的能量值，如果該值為第1個(gè)寬頻能量值的10%以上，返回為真值；

(2)查找基頻點(diǎn)的值+(n-1)倍寬頻寬度值的頻率點(diǎn)的能量值為第n個(gè)寬頻點(diǎn)的能量值，如果該值為第(n-1)寬頻能量值的10%以上，返回為真值；

(3)繼續(xù)下一個(gè)循環(huán)，如果n的值為5或出現(xiàn)假值，退出循環(huán)，記錄該頻率點(diǎn)的值。

3.2.3波帶的分析流程

(1)設(shè)定基頻段，并遍歷基頻段每個(gè)頻率點(diǎn)；

(2)記錄基頻點(diǎn)的能量值，查找基頻點(diǎn)左右各5個(gè)頻率點(diǎn)的能量值；

(3)如果能量值為該基頻點(diǎn)能量值的10%以上，記錄該頻率點(diǎn)的值，返回為真值。

3.2.4 數(shù)據(jù)分析實(shí)例

圖1 系統(tǒng)分析曲線Fig.1 System analysis curve

a 10 Hz；b 20 Hz;c 30 Hz;d 40 Hz;e 50 Hz 。圖2 倍頻分析曲線Fig.2 Frequency multiplication analysis curve

a 10 Hz；b 40 Hz; c 70 Hz; d 100 Hz; e 130 Hz 。圖3 寬頻分析曲線Fig. 3 Broadband analysis curve

圖4 5～15 Hz波帶分析曲線Fig.4 Band frequency analysis curve in 5～15 Hz

圖1～4為數(shù)據(jù)分析過程。圖1是所有分析曲線都顯示在同一圖譜中。圖2顯示的是通過倍頻分析發(fā)現(xiàn)的基頻為10 Hz的頻率點(diǎn)，其所有倍頻點(diǎn)的能量值都大于前一個(gè)倍頻點(diǎn)能量值的10%，所以10 Hz倍頻在分析的過程中滿足干擾頻率的條件。圖3中，系統(tǒng)設(shè)置寬頻的分析寬度為30 Hz，其所有寬頻點(diǎn)的能量值都大于前一個(gè)寬頻點(diǎn)的能量值的10%，所以10 Hz為基頻的寬頻在分析的過程中，也滿足干擾頻率的條件。在5 ～15 Hz的頻率點(diǎn)的能量值中，有3個(gè)頻率點(diǎn)的能量值大于10 Hz能量值的10%，所以10 Hz波帶在分析的過程中滿足干擾頻率的條件(圖4)。由此可見， 在倍頻、寬頻和波帶的分析過程中，10 Hz都滿足干擾頻率的條件，所以定義10 Hz為海水的干擾頻率，在信號(hào)的分析過程中，過濾掉10 Hz的頻率。

3.3 干擾檢測(cè)結(jié)果分析

表1分別對(duì)未經(jīng)過去除干擾頻率處理的原始信號(hào)和經(jīng)過去除干擾頻率處理的濾波后的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)值對(duì)比，并統(tǒng)計(jì)10組信號(hào)值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。

可以看出，經(jīng)過去除干擾頻率后的信號(hào)值比未去除的有明顯的減少。因此，通過對(duì)獲得的電壓信號(hào)進(jìn)行干擾頻率分析，并進(jìn)行降噪處理，可以有效地削弱海水等外界因素對(duì)檢測(cè)到的電壓信號(hào)造成的影響，使通過電壓信號(hào)計(jì)算所得的面積值更加平滑和穩(wěn)定，有利于提高海水中物質(zhì)的測(cè)量方法的可靠性[12-13]。

表1 去除干擾頻率前后信號(hào)值對(duì)比

4 結(jié)語

該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，響應(yīng)速度快，在海洋現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境檢測(cè)中，能夠?qū)崟r(shí)掌握當(dāng)前海洋環(huán)境干擾頻率狀態(tài)，過濾海水檢測(cè)信號(hào)，并獲得真實(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)適用于各種海洋環(huán)境，增強(qiáng)了海水現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)抗干擾能力，從而能夠提高海洋生態(tài)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的靈敏度、精度并降低檢出限，對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)傳感器的開發(fā)和應(yīng)用具有重要意義。但是，在干擾頻率分析的過程中，需要多臺(tái)類似的儀器用同樣的采樣頻率，同時(shí)采集同一海區(qū)的海水，這樣分析出的干擾頻率有特定的海況條件，如果海況更換，分析需要重新進(jìn)行。如果把各種海洋環(huán)境下所有檢測(cè)出來的干擾頻率做記錄，并寫入數(shù)據(jù)庫(kù)中，保存相應(yīng)的分析樣本，就能夠在海況更換的情況下，無需重新進(jìn)行分析計(jì)算，只需從數(shù)據(jù)庫(kù)中直接讀取即可，這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

山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(201509)；山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2015GSF115001)；國(guó)家國(guó)際合作專項(xiàng)(201xxxR90220)

程巖(1979—)，男，高級(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)楹Ｑ髢x器。

TP391

A

1002-4026(2016)06-019-05