海洋泥沙掩埋对电场测量的影响

2020-07-13张伽伟程锦房

探测与控制学报 2020年3期

喻鹏，张伽伟，程锦房

(海军工程大学兵器工程学院，湖北武汉 430033)

0 引言

舰船水下电场是目标的重要暴露源，可被应用于目标的探测和识别[1-3]。对于水下电场测量装置，在海流和自身重力的作用下，常被海洋泥沙掩埋[4]。由于海洋泥沙的电导率低于海水电导率，其在掩埋之后将在电场传感器与海水之间形成电导率分层界面，同时由于海泥中电导率、含氧量等化学特性的变化，也会影响测量电极的静态电势差等，这些均会影响电场传感器对舰船水下电场的测量。具体地讲，因为舰船电场主要分为静态电场(DC～0.1 Hz)和轴频电场(1～7 Hz)，测量电极的静态电势差变化会影响静态电场的测量，而掩埋泥沙导致的电导率分层则会影响对轴频电场的测量。目前，关于泥沙掩埋对声衰减特性的影响研究较多[5]，但由于电场探测、电场引信研究在国内起步较晚，目前还没有公开文献对海洋泥沙掩埋对电场测量的影响展开研究。

测量电极静态电位差受海水电导率、温度、含氧量等因素影响，难以通过理论计算进行求解，一般采用长期观测的方式分析其规律。而对于泥沙电导率的变化导致轴频电场传播衰减则可通过理论计算和实际测量的方式进行。所以针对海洋泥沙掩埋对电场测量的影响，本文采用理论计算和长期泥沙掩埋监测实验的方式展开研究。

1 理论分析

由于舰船轴频电场信号频率低，文献[6]通过理论研究和试验证明了其包络具有准静态电场特性，即工程上可利用水平直流电偶极子代替水平时谐电偶极子对轴频电场进行建模。另外，国外文献[7—8]也采用静态电偶极子模型对舰船极低频电场进行模拟。

在浅海环境下，在计算海水中的电场分布时，不能将海水看作是厚度无限的导电半空间，必须考虑它上边的空气和海床的影响[9-11]。所以文中采用水平电偶极子源在三层模型下的状态来模拟水下目标电场分布，示意图如图1所示。

图1 海水中点电荷的电场传播示意图Fig.1 Sketch of electric field propagation of a point charge in seawater

空气、海水、海床对应的电导率分别为σ1，σ2，σ3，介电常数分别为ε1，ε2，ε3，海水深度为d。由于电偶极子可以视为两个大小相等方向相反的点电荷组成，所以在计算水下电场分布时，可首先求出单个点电荷在测量点位置处产生的电场，之后将两个点电荷产生的电场进行求和。所以图1中q代表点电荷强度，其离海面垂直距离为h；测量点p位于海床介质中。

由于海底电导率低于海水电导率，电场在传播到海床界面时，会发生反射和折射[12]，如图1所示。前期的研究均重点关注海水介质中的电场分布特征，而很少关注海床介质中的电场分布。所以文中根据文献[10, 13]中海洋电场传播模型和镜像法原理，推导了海床介质中的电场分布模型，这里省略了推导过程直接给出结果，p(x,y,z)位置处的电场三分量为：

(1)

(2)

(3)

其中，

(4)

式(4)中，w为电场信号的角速度，q为点电荷强度，Y1为导纳率。

Yi=σi+iwεi(i=1,2,3)

(5)

R21和R23为界面反射系数：

(6)

ra和rd均为镜像法中的距离参数：

(7)

实际计算时，对于电偶极子电场源强度P0=IdL(I为电流值，dL为两个点电荷之间的距离)，根据基本公式：

(8)

可以将式(4)改写为:

(9)

此时，两个点电荷在图1坐标系下的坐标分别为(-dL/2, 0, -h)和(dL/2, 0, -h)，这样即可基于式(1)—式(3)求得水平电偶极子在海床介质中的电场分布。

2 仿真分析

掩埋泥沙主要是海底沉积物，沉积物的电导率主要取决于海水电导率和沉积物的孔隙度。一般情况下，海底电导率比海水电导率低1.5～4倍[9]，随着深度增加，海底沉积物的电导率逐渐降低[14]。

所以文中首先取σ3=2 S/m，ε3=20ε0(ε0为真空介电常数)，其余介质层的电导率及介电常数为：σ1=0，ε1=ε0，σ3=4 S/m，ε3=81ε0。水平电偶极子电流I=20 A，点电荷间距dL=10 m，深度h=20 m，海水深度d=60 m。

求解水平电偶极子正下方沿x方向上的不同掩埋深度的测量线上的电场分布，其掩埋深度分别为0.5 m，1 m，2 m也即z=-d-0.5，z=-d-1，z=-d-2(m)。

在理论计算时，当改变测量电极掩埋深度时，需

图2 不同掩埋深度电场信号强度

由图2可以看出，同一测量位置电场水平分量Ex明显大于Ez分量，主要是因为采用水平电偶极子，水平电偶极子下方的电流更多以水平分量为主。对比掩埋前和掩埋之后的电场值，可以看出掩埋之后电场强度明显低于掩埋之前的电场强度，而随着掩埋深度增加，电场强度会缓慢降低，降低幅度远低于掩埋0.5 m相对于不掩埋状态的电场降幅，说明电场在透过“海水-海床”界面时衰减较大，而在泥沙中衰减相对较小。

由于海底沉积物电导率是变化的，这里又计算了不同泥沙电导率情况下，在同一掩埋深度位置处的电场值，如图3所示。

由图3可以看出，随着掩埋泥沙的电导率逐渐降低，同一掩埋深度处的电场强度逐渐降低。其实，可以通过第1章理论分析中的界面反射系数来解释此现象，随着泥沙层的电导率逐渐降低，“海水-海床”的界面反射系数R23也逐渐增加，并趋近于1，这就意味着由电偶极子产生的电场信号，在通过“海水-海床”界面时，大部分反射回海水介质层，而较少透射入海床介质层，导致海床介质中的电场强度降低。

图3 不同电导率对应的电场信号强度

对比图3和图2的计算结果，可以看出掩埋泥沙的电导率对电场测量影响较大，而掩埋泥沙的厚度对电场测量影响较小。

文中理论计算结果初步表明海洋泥沙掩埋对电场测量具有一定的抑制作用。由于在理论计算时，考虑条件比较单一，例如把整个海床介质层的电导率视为是均匀的，但实际海洋环境较为复杂，海底泥沙电导率随着深度不同，其电导率也是变化的，所以为进一步研究海洋泥沙掩埋对电场测量的影响，需要进行实际的掩埋试验。

3 水池试验

水池试验，主要研究泥沙掩埋对测量电极的静态电位差和动态响应的影响，其中静态电位差指不加信号源激励时，每对测量电极之间的电位差，动态响应指利用信号发生器作为信号源输出电场信号，测量每对测量电极之间的电位差信号。

3.1 试验条件及步骤

试验采用的海水、海泥沙均从实际海域获取。试验示意图如图4所示，其中发射电极采用石墨电极，试验过程中保证发射电极位置始终不变。信号源采用信号发生器，发射信号频率主要根据舰船电场特征频段设定，选择1～10 Hz的正弦信号。

测量电极采用2种不同工艺的Ag/AgCl电极，每种Ag/AgCl电极为3对，这里将其分别定义为Ⅰ型测量电极和Ⅱ型测量电极，电极静态电位差均小于2 mV。为保证泥沙掩埋前与掩埋后测量电极的位置不变，利用木支架将6对测量电极分别固定在0 cm，30 cm，50 cm的位置，测量同一深度同一类型测量电极之间的电位差，如图4中所示。测量电路采用NI采集卡，静态电位差对应的采样率为5 Hz，动态响应对应的采样率为40 Hz。

图4 水池泥沙掩埋后电场测量示意图Fig.4 Sketch of electric field measurement with sensors buried in a tank

试验步骤：

1) 在不掩埋状态下，测量每对电极的静态电位差和信号源激励状态下的动态响应；

2) 进行泥沙掩埋，掩埋过程保证测量电极和发射电极位置不变，保证液面高度与泥沙掩埋前一致，之后在较长时间段内测量每对测量电极的静态电位差和动态响应。

3) 对比掩埋前后，每对电极的静态电位差变化和动态响应特性变化。

值得注意的是，由于泥沙掩埋后其孔隙度、海生物附着等特性是缓慢变化的，同时测量电极的静态电位差在刚入海水数十小时内也是缓慢变化的，所以必须对测量电极的电位差和动态响应进行长期监测，文中首先在泥沙掩埋前后连续监测2天，之后在泥沙掩埋后的8个月时间内，又多次进行了测量。

3.2 试验结果

3.2.1泥沙掩埋对静态电位差的影响

首先研究泥沙掩埋对测量电极静态电位差的影响，每次测量5 min，取250 s的静态电位差的均值作为该时间段的电极静态电位差，试验结果如图5所示。其中掩埋0 cm，30 cm，50 cm分别代表图4中测量电极(1)，(2)，(3)，前20 h测量电极还未被泥沙掩埋，在第20 h时泥沙掩埋完毕。

图5 泥沙掩埋前后测量电极的静态电位差Fig.5 Static potential difference of electrodes measured before and after sediment burial

由图5可以看出泥沙掩埋之前的20 h内两种电极的静态电位差基本不变，但是在泥沙掩埋之后50 h内，电极静态电位差变化较为剧烈。当掩埋时间继续增长至1 000 h时，两种电极的静态电位差相比50 h附近仍然变化较大；但是在之后1 000～3 000 h内，电极静态电位差相比之前，波动值降低；在最后3 000～5 400 h之内，电极静态电位差波动进一步降低，处于稳定波动状态，可视为静态电位差基本稳定。其中Ⅰ型电极掩埋之后的静态电位差始终大于掩埋之前，而Ⅱ型电极则趋近于掩埋之前的静态电位差。

结合两种类型的测量电极在掩埋之后的静态电位差变化特性，初步认为泥沙掩埋会对测量电极的静态电位差产生一定的影响，其影响的大小还与测量电极的自身特性相关。

3.2.2泥沙掩埋对电极动态响应的影响

对于测量得到的电场信号，首先去除直流分量之后进行低通滤波，然后求其峰峰值的均值作为动态响应的评判依据。由于I型测量电极动态响应结果更加稳定，这里主要分析Ⅰ型测量电极的数据，注意测量电极静态电位差对电极动态响应影响不大。

不同发射频率，测量电极掩埋前后的电场峰峰值如表1所示，可以看出，随着掩埋深度的增加，电场峰峰值是逐渐降低的，这主要是由电场强度随距离增加的衰减特性造成的；但对于同一深度的测量电极在掩埋前后的电场峰峰值降低，则主要由泥沙掩埋后电导率变化造成的，且掩埋时间越久，电场峰峰值越小，分析其原因认为随着泥沙掩埋时间的增加，泥沙孔隙度降低、含水量降低，由于海底沉积物的电导率主要由含水量决定，所以其电导率降低，从而导致电场峰峰值降低，这与第2章中沉积物电导率对电场的影响所得结论是一致的。

为更加直观地表示泥沙掩埋对不同频率电场衰减特性的影响，文中定义电场衰减比为掩埋之后的电场峰峰值相对掩埋前的电场峰峰值的衰减比例，掩埋1 000 h后不同频率信号对应点的电场衰减比如图6所示。

表1 测量电极掩埋前后测得电场峰峰值

图6 泥沙掩埋后不同频率电场的衰减比Fig.6 Attenuation ratios of electric fields at different frequencies after sediment burial

由图6可以看出对于1～10 Hz范围内的电场信号，在同一位置处泥沙掩埋之后相比掩埋之前电场峰峰值均降低，且随着掩埋深度增加，电场衰减比例也增加，在掩埋最深50 cm处，电场峰峰值降低约16%左右，表明泥沙掩埋会影响电极对水下电场的测量结果。值得注意的是，泥沙掩埋对1～10 Hz范围内不同频率信号抑制作用的差别是无法通过文中试验观测到的，所以图6中同一深度不同频率信号的衰减比例不同应该是由试验误差造成的。