基于包絡信號的軸頻電場深度換算方法

靳 雄, 姜潤翔, 程錦房, 陳新剛

基于包絡信號的軸頻電場深度換算方法

靳 雄1, 姜潤翔2, 程錦房1, 陳新剛3

(1. 海軍工程大學 兵器工程學院, 湖北 武漢, 430033; 2. 海軍工程大學 電氣工程學院, 湖北 武漢, 430033; 3. 中國人民解放軍92942部隊, 北京, 100161)

在僅利用水平時諧電偶極子對艦船軸頻電場信號進行換算時, 存在近場深度誤差較大的問題。文中首先在仿真數據的基礎上, 明確了船體表面不同位置電流密度與軸地電阻值波動時的變化規律; 其次, 提出了基于包絡信號的軸頻電場深度換算方法, 該方法在希爾伯特(Hilbert)變換計算軸頻電場信號包絡的基礎上, 將軸頻電場近場的深度換算問題轉化為包絡信號等效靜電場的近場換算問題, 并利用點電荷模型建立了軸頻電場信號包絡在“空氣—海水—海床”3層介質條件下的正演及反演模型。最后, 分別利用4種陰極防腐狀態下的船模試驗數據對所提方法的有效性進行了檢驗, 結果表明, 所提方法能夠較好地實現對軸頻電場信號包絡值的準確換算, 以相對均方根誤差作為評價準則, 水深為1倍船模寬度的換算誤差小于15%。文中方法可為艦船近場的軸頻電場反演提供新的途徑。

艦船; 軸頻電場; 點電荷; 反演

0 引言

艦船軸頻電場因其頻率低、傳播距離遠、線譜特征明顯, 可被用做水下遠距離探測的被動信號源[1-7]。為了能夠對己方艦船軸頻電場信號的量級及特性進行評估, 同時能夠有效評價軸頻電場抑制裝置的有效性, 均需對軸頻電場的源強度及不同深度的軸頻電場信號進行反演計算。

在遠場(1.0倍船長)附近, 軸頻電場可近似視為水平時諧電偶極子產生的電場, 程銳等[8]、Daya等[9]利用水平時諧電偶極子對軸頻電場信號進行了反演計算; 熊露等[10]利用單個水平時諧電偶極子對淺海中的船舶軸頻電場進行了建模, 以上都是針對等效電偶極矩水平方向的分量進行的研究。由于艦船等效電偶極矩還存在垂直方向的分量, 該分量雖然遠小于水平方向的等效電偶極矩, 但其在近場附近仍然可以產生較大量值的信號, 因此, 在僅利用水平時諧電偶極子對軸頻電場換算時, 存在近場誤差較大的問題, 為此, 需要研究新的軸頻電場反演算法。

1 軸頻電場信號

1.1 產生機理

1.2 軸地電阻波動的隨機性

典型艦船尾部電路結構如圖1所示。圖中, ICCP (impressed current cathodic protection)指外加電流陰極保護。

圖1 艦船尾部電路結構示意圖

由圖1可知, 船體內部回路電阻并聯可得

文獻[12]研究結果表明, 軸接地裝置的電阻(碳刷和滑環的接觸電阻)明顯小于其他接地電阻, 即有。與軸的載荷、偏心度、碳刷彈簧的彈性等因素密切相關, 艦船同種轉速條件下的軸地等效電阻的波動情況如圖2所示, 其中由軸地電壓值除以軸電流(非接觸電流傳感器測量結果)得到。由圖2可知, 軸地電阻的波動值具有明顯的隨機性, 且左軸與右軸的差異較大。

軸地電阻波動的隨機性必將導致水下軸頻電場信號的隨機性, 因此, 在對軸頻電場信號建模時, 一種合適的方法是對某一時間段內軸頻電場信號的包絡進行建模, 以得到軸頻電場信號的最大幅值。

1.3 軸地電阻對船體表面電流分布的影響

利用邊界元法對典型艦船(如圖3所示)在不同條件下的靜電場信號進行仿真計算, 可得船體在自然腐蝕狀態及陰極保護狀態(4對輔助陽極恒電流輸出、減搖鰭、美人架及舵板局部犧牲陽極防腐)條件下軸地電阻變化時船體表面電位、電流密度及水下電場的特性。

圖4 自然腐蝕狀態條件下船體表面電流密度曲線

圖5 陰極防腐條件下船體表面電流密度曲線

圖4和圖5對應的1倍船寬深度, 正橫距為5 m處的水下電場信號分別如圖7和圖8所示。由圖可知, 軸地等效電阻的變化也將導致水下靜電場信號的變化, 且不同位置的電場值變化不同, 即無法利用某一固定的波動系數在靜電場的基礎上完成對軸頻電場的建模。

圖8 陰極防腐狀態下不同軸地等效電阻靜電場信號變化曲線

2 軸頻電場包絡反演算法

2.1 基本原理

2.2 反演步驟

根據基本原理, 確定反演步驟如下。

1) 利用Hilbert變換計算已知深度不同測線軸頻電場信號的峰值包絡, 并對峰值包絡進行0.5 Hz的低通濾波, 在峰值包絡過零點處對信號進行反相, 得到軸頻電場信號包絡。

的求解。

對式(5)增加控制方程

同時, 根據電中性條件有

利用最小值條件

3) 在步驟2)的基礎上, 利用式(3)即可實現對目標深度的軸頻電場信號進行正演, 得到不同位置處軸頻電場信號的包絡。

4) 對比目標深度軸頻電場信號包絡與反演出的軸頻電場信號的包絡以檢驗反演效果, 并計算其相對均方根誤差

需要說明的是, 在利用Hilbert變換計算得到的軸頻電場包絡均是正值, 這與實際艦船等效電荷電中性的前提條件相矛盾, 為此, 在包絡信號過零點處, 將軸頻電場信號的包絡反相, 以保證包絡信號具有正、負電荷的特性。

3 算例驗證

鑒于縮比模型法已成為應用于艦船外加電流陰極保護系統設計、腐蝕相關電場特性、涂層破損和流速對腐蝕和防腐的影響等研究領域的標準方法[14-16], 文中利用縮比模型船模(如圖9所示, 模型長度=2.72 m、船寬=34 cm、吃水深度=9 cm, 船體材料為涂層鋼, 螺旋槳為鎳鋁青銅)試驗對所提方法的有效性進行了檢驗。

圖9 縮比船模試驗

分別對船模在自然腐蝕狀態、局部犧牲陽極防腐(美人架、舵板及減搖鰭附近安裝有犧牲陽極)、局部犧牲陽極與外加電流陰極(2對輔助陽極)保護、全船犧牲陽極防腐4種狀態下的軸頻電場信號進行了測量, 并利用參比電極和非接觸電流傳感器對船體中心的電位及軸電流進行了監測。

值得注意的是, 由于模型等比例縮小, 受測量電極尺寸的影響, 難以準確獲知軸頻電場的E、E和E分量。因此, 試驗中選擇對軸頻電場信號的電位進行測量, Ag/AgCl電極分別置于水深24 cm、34 cm和51 cm 等3個不同深度, 每個深度平面3個Ag/AgCl電極的正橫距分別為0 cm、17 cm和34 cm, 基準Ag/AgCl電極置于水深1.2 m, 基準電極距離測量電極的最小距離為4 m。電機拖動裝置控制船模以10.08 cm/s的速度勻速通過測量電極上方時, 利用微弱電場測量裝置實時記錄軸頻電場的電位信號, 系統帶寬為0~20 Hz, 采樣頻率=100 Hz, 螺旋槳轉動頻率為280r/min左右。

圖10為全船犧牲陽極防腐狀態下24 cm水深的軸頻電場信號及其包絡值。圖中: 軸頻電場信號在74.5 s過零點; 在74.5 s之前, 軸頻電場信號包絡與Hilbert包絡重合; 在74.5 s之后, 兩者波形反相。

圖10 水深24 cm時軸頻電場信號及其包絡值

將軸頻電場包絡的等效36個點電荷分別置于船體中軸線、左弦0.5、右弦0.5這3條線上, 每條線的點電荷數為12個, 點電荷的垂直位置為0.5。圖11和圖12為采用文獻[8]所提靜電場反演的算法對等效源強度進行計算, 并對34 cm和51 cm深度的軸頻電場信號包絡進行反演結果。

圖11 水深34 cm時軸頻電場信號及其包絡值

由圖11和圖12可知, 反演所得軸頻電場信號的包絡與實測軸頻電場信號的包絡具有良好的一致性, 證明了算法的有效性。按式(8)計算所得不同狀態下軸頻電場的反演誤差如表1所示。由表1可知, 在不同陰極保護狀態下, 所提方法均能對軸頻電場信號的包絡進行準確反演, 最大反演誤差小于25%, 且隨著測量水深的增加, 軸電流的增大, 誤差有減小趨勢, 在1.0深度平面上, 反演誤差小于15%, 這與靜電場反演所得結論一致, 即反演算法由淺向深反演具有較高的精度, 隨著軸電流的增大, 信噪比提高, 反演誤差也減小。

表1 不同船體狀態條件下軸頻電場信號包絡反演誤差

4 結束語

為了解決近場軸頻電場反演精度不高的問題, 文中提出一種基于軸頻電場包絡的反演算法, 該方法將軸頻電場的反演問題轉化為與靜電場反演相似的問題, 避免了求解軸地等效電阻波動時引起船體表面各部分電流變化率的難題, 通過船模實測數據檢驗發現, 該算法換算效果較好, 精度較高, 為近場的軸頻電場反演提供了一種新的途徑。下一步研究將進行實船實驗, 以驗證文中所提方法的有效性。

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A Depth Conversion Method of Shaft-Rate Electric Field Based on Envelope Signal

JIN Xiong1, JIANG Run-xiang2, CHENG Jin-fang1, CHEN Xin-gang3

(1. Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 3. 92942thUnit, The People’s Liberation Army of China, Beijing 100161, China)

Only application of the horizontal time-harmonic dipole to the conversion of the shaft-rate electric field signal of ship will result in large near-field depth error. In this study, the variation laws of the current density in different position of hull surface and the shaft-ground resistance are clarified on the basis of simulation data. A depth conversion method of shaft-rate electric field is proposed based on its envelope signal. In this method, the depth conversion problem in the near field of the shaft-rate electric field signal envelope is transformed into the near-field conversion problem of equivalent static electric field after the calculation of the shaft-rate electric field signal envelope via Hilbert transform, and the point charge model is used to establish a forward and inversion model of the shaft-rate electric field signal envelope in the ‘air-sea-seabed’ three-layer media condition. The effectiveness of the proposed method is verified by four kinds of cathodic corrosion protection test data of the ship model. The results show that the proposed method can accurately calculate the shaft-rate electric field signal envelope. Taking root square error as evaluation criteria, the conversion error is less than 15% in the depth equaling the ship model width.

ship; shaft-rate electric field; point charge; inversion

U674.70; TP274

A

2096-3920(2020)04-0403-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.008

2019-10-04;

2019-12-09.

青島海洋科學與技術國家實驗室“問海計劃”項目(2017WHZZB0101).

靳 雄(1991-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向為目標特性及信息感知技術.

靳雄, 姜潤翔, 程錦房, 等. 基于包絡信號的軸頻電場深度換算方法[J]. 水下無人系統學報, 2020, 28(4): 403-409.

(責任編輯: 楊力軍)