CN116245075B - 一种船舶工频电磁扰动信号指纹表达分析方法及系统 - Google Patents
一种船舶工频电磁扰动信号指纹表达分析方法及系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116245075B CN116245075B CN202211736417.5A CN202211736417A CN116245075B CN 116245075 B CN116245075 B CN 116245075B CN 202211736417 A CN202211736417 A CN 202211736417A CN 116245075 B CN116245075 B CN 116245075B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- ship
- circuit
- series
- parallel
- excitation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 44
- 238000010195 expression analysis Methods 0.000 title claims abstract description 14
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 69
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 26
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 claims abstract description 22
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims abstract description 9
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 claims abstract description 8
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 20
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims description 17
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 9
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 6
- 230000035699 permeability Effects 0.000 claims description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 31
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 22
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 20
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 11
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 8
- 241000218378 Magnolia Species 0.000 description 5
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 5
- 230000004044 response Effects 0.000 description 5
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 description 4
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 3
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 description 2
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 2
- 229910001051 Magnalium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 239000013535 sea water Substances 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/30—Circuit design
- G06F30/39—Circuit design at the physical level
- G06F30/398—Design verification or optimisation, e.g. using design rule check [DRC], layout versus schematics [LVS] or finite element methods [FEM]
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
Abstract
本发明提供了一种船舶工频电磁扰动信号指纹表达分析方法及系统，包括：基于船舶模块化构造原理，将船舶的每个子舱段模型化为不同类型的串‑并联电阻、电容及电感R‑C‑L电路，以将整条船舶模型化为串‑并联多级的{Rn‑Cn‑Ln}电路，作为船舶电路模型；当外部激励工频电磁场作为激励电动势作用于船舶电路模型时，在串‑并联多级的{Rn‑Cn‑Ln}电路内产生激励电流，激励电流在船舶的铁磁性材料中产生感生电流；感生电流的幅值和相位与激励电动势幅值和相位之间的偏差与船舶的构造信息相关；将幅值和相位偏差作为船舶的指纹，以实现对船舶的探测。
Description
技术领域
本发明属于工频电磁波信息表达与处理领域，更具体地，涉及一种船舶工频电磁扰动信号指纹表达分析方法及系统。
背景技术
在水面和水下航行的以铁磁性材料为构造基础船舶占绝大多数。它们在工频电磁波中的响应，及其简洁，有效的表达，极为重要。进而分析和探测了铁磁性船舶目标是重大的课题，目前在文献中没有论及。通常的高频电磁波(主动或被动)探测水面船舶的技术方法很普及，但是对极低频电磁波，如工频电网产生的工频电磁波探测水面和水下船舶的工作很少。这首先就因为船舶对极低频电磁波响应的特性不明。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种船舶工频电磁扰动信号指纹表达分析方法及系统，旨在解决现有船舶对极低频电磁波响应特性不明的问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种船舶工频电磁扰动信号指纹表达分析方法，包括如下步骤：
基于船舶模块化构造原理，将船舶的每个子舱段模型化为不同类型的串-并联电阻、电容及电感R-C-L电路，以将整条船舶模型化为串-并联多级的{Rn-Cn-Ln}电路，作为船舶电路模型；
当外部激励工频电磁场作为激励电动势作用于所述船舶电路模型时，在所述串-并联多级的{Rn-Cn-Ln}电路内产生激励电流，所述激励电流在船舶的铁磁性材料中产生感生电流；所述感生电流的幅值和相位与激励电动势幅值和相位之间的偏差与船舶的构造信息相关；所述船舶的构造信息包括：船舱数、船舶的结构及船舶内部铺设材料；
将所述幅值和相位偏差作为船舶的指纹，以实现对船舶的探测。
在一个可选的示例中，每个子舱段模型化后的串-并联R-C-L电路为RCL并联电路；
所述RCL并联电路为：电阻R、电容C以及电感L三者相互并联的电路；
所述RCL并联电路的复阻抗Z和复角分别为：
其中，ω为相位弧角变化。
在一个可选的示例中，每个子舱段模型化后的串-并联R-C-L电路为RCL混联电路；
所述RCL混联电路为：电感L与电阻R串联，之后串联支路与电容C并联；
所述RCL混联电路的复阻抗和复角/>分别为：
其中，ω为相位弧角变化。
在一个可选的示例中，所述整条船舶模型化为串-并联多级的{Rn-Cn-Ln}电路，具体为：
将船舶舱体划分为N个舱段，将N个舱段串-并联组成串-并联多级的{Rn-Cn-Ln}电路；Rn，Cn，Ln分别为第n段串联电路的电阻、电容以及电感；
当外部激励工频电磁场作为激励电动势作用于所述船舶电路模型时，在所述串-并联多级的{Rn-Cn-Ln}电路内产生激励总电流为： 其中，i(t)为激励总电流，in(t)为第n段串联耦合电路的电流；
所述激励电动势 所述串-并联多级的R-C-L电路的复阻抗Z总为：
其中，Z0为压水舱阻抗，Zp为压水舱段之外的分舱段总阻抗， C、D为除阻抗Z0外的实部和虚部，形式与A，B相同；R0，C0，L0分别为总串联电路压水舱的电阻、电容以及电感；
所述串-并联多级的{Rn-Cn-Ln}电路的总复角
在一个可选的示例中，设定同时作用于每个舱段的激励工频电磁场为感生磁场为/> 其中，μ0、μr为相对磁导率；
所述激励工频电磁场对应的激励源电场为激励电动势为/>其中，ε0、εr为相对介电常数；
而感生的电流密度为：/>其中，σ是电导率；
所述感生电流相位与激励电动势相位之间的偏差为：/> 为第n个相位之间的偏差。
第二方面，本发明提供了一种船舶工频电磁扰动信号指纹表达分析系统，包括：
船舶模型确定单元，用于基于船舶模块化构造原理，将船舶的每个子舱段模型化为不同类型的串-并联电阻、电容及电感R-C-L电路，以将整条船舶模型化为串-并联多级的{Rn-Cn-Ln}电路，作为船舶舱段电路模型；
感生电流生成单元，用于当外部激励工频电磁场作为激励电动势作用于所述船舶电路模型时，在所述串-并联多级的{Rn-Cn-Ln}电路内产生激励电流，所述激励电流在船舶的铁磁性材料中产生感生电流；所述感生电流的幅值和相位与激励电动势幅值和相位之间的偏差与船舶的构造信息相关；所述船舶的构造信息包括：船舱数、船舶的结构及船舶内部铺设材料；
船舶指纹探测单元，用于将所述幅值和相位偏差作为船舶的指纹，以实现对船舶的探测。
在一个可选的示例中，所述船舶模型确定单元将每个子舱段模型化后的串-并联R-C-L电路为RCL并联电路；所述RCL并联电路为：电阻R、电容C以及电感L三者相互并联的电路；所述RCL并联电路的复阻抗Z和复角分别为：
其中，ω为相位弧角变化。
在一个可选的示例中，所述船舶模型确定单元将每个子舱段模型化后的串-并联R-C-L电路为RCL混联电路；所述RCL混联电路为：电感L与电阻R串联，之后串联支路与电容C并联；所述RCL混联电路的复阻抗和复角/>分别为：
其中，ω为相位弧角变化。
在一个可选的示例中，所述船舶模型确定单元将整条船舶模型化为串-并联多级的{Rn-Cn-Ln}电路，具体为：将船舶舱体划分为N个舱段，将N个舱段串-并联组成串-并联多级的{Rn-Cn-Ln}电路；Rn，Cn，Ln分别为第n段串联电路的电阻、电容以及电感；当外部激励工频电磁场作为激励电动势作用于所述船舶电路模型时，在所述串-并联多级的{Rn-Cn-Ln}电路内产生激励总电流为：其中，i(t)为激励总电流，in(t)为第n段串联耦合电路的电流；所述激励电动势/> 所述串-并联多级的R-C-L电路的复阻抗Z总为：/>其中，Z0为压水舱阻抗，Zp为压水舱段之外的分舱段总阻抗，/> C、D为除阻抗Z0外的实部和虚部，形式与A，B相同；R0，C0，L0分别为总串联电路压水舱段的电阻、电容以及电感；所述串-并联多级的R-C-L电路的总复角
在一个可选的示例中，所述感生电流生成单元所采用的同时作用于每个舱段的激励工频电磁场为感生磁场为/>其中，μ0、μr为相对磁导率；所述激励工频电磁场对应的激励源电场为/>激励电动势为/> 其中，ε0、εr为相对介电常数；而感生的电流密度/>为：/>其中，σ是电导率；所述感生电流相位与激励电动势相位之间的偏差/>为：/> 为第n个相位之间的偏差。
第三方面，本发明提供了一种电子设备，包括：存储器和处理器；
所述存储器，用于存储计算机程序；
所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现上述第一方面提供的方法。
第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现上述第一方面提供的方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明提供了一种船舶工频电磁扰动信号指纹表达分析方法及系统，将整条船舶模型化为串-并联多级的{Rn-Cn-Ln}电路，外部激励工频电磁场(波)作为电动势作用于该分布式串-并联的多级{Rn-Cn-Ln}产生激励电流和感生电流相位与外部激励电动势和内部感生电动势相位的差别或延迟或超前，由于各不同型号船舶的船舱数，结构和内部铺设材料的不同，导致其具有指纹特点，{Rn-Cn-Ln}的不同，的不同，因此感生电流及其产生的电磁扰动，如相位具有独特性，即船舶的工频响应扰动相位指纹、幅度指纹。
附图说明
图1是本发明实施例提供的船舶工频电磁扰动信号指纹表达分析方法流程图；
图2是本发明实施例提供的模型一RCL并联示意图；
图3是本发明实施例提供的模型二RCL混联示意图；
图4是本发明实施例提供的每个舱段均以基本模型并联构成串-并联模型示意图；
图5是本发明实施例提供的水下潜航器模型各个舱段内部剖面简约示意图；
图6是本发明实施例提供的水下潜航器其中舱段内部简约示意图；
图7是本发明实施例提供的船舶各个舱段内部剖面简约示意图；
图8是本发明实施例提供的木兰湖水库试验场地示意图；
图9是本发明实施例提供的试验所使用的水下目标模拟物；
图10是本发明实施例提供的无目标时相位变化示意图；
图11是本发明实施例提供的有目标时相位变化示意图；
图12是本发明实施例提供的潜航器模型实物图；
图13是本发明实施例提供的无目标时相位变化示意图；
图14是本发明实施例提供的拖船经过时相位变化示意图；
图15是本发明实施例提供的潜航器模型经过时相位变化示意图；
图16是本发明实施例提供的夜间客轮的红外图像示意图；
图17是本发明实施例提供的无任何船经过的时间相位矢量变化示意图；
图18是本发明实施例提供的大客船经过的大时间尺度相位矢量变化示意图；
图19是本发明实施例提供的大客船经过的大时间尺度相位矢量变化示意图；
图20是本发明实施例提供的大客船经过的大时间尺度相位矢量变化示意图；
图21是本发明实施例提供的50Hz磁场x轴幅值变化图；
图22是本发明实施例提供的50Hz磁场y轴幅值变化图；
图23是本发明实施例提供的50Hz磁场z轴幅值变化图；
图24是本发明实施例提供的无目标经过时的幅值波形数据示意图；
图25是本发明实施例提供的有目标经过时的第一张幅值波形数据示意图；
图26是本发明实施例提供的有目标经过时的第二张幅值波形数据示意图；
图27是本发明实施例提供的有目标经过时的第三张幅值波形数据示意图；
图28是本发明实施例提供的船舶工频电磁扰动信号指纹表达分析系统架构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明实施例提供的船舶工频电磁扰动信号指纹表达分析方法流程图；如图1所示，包括如下步骤：
S101，基于船舶模块化构造原理，将船舶的每个子舱段模型化为不同类型的串-并联电阻、电容及电感R-C-L电路，以将整条船舶模型化为串-并联多级的{Rn-Cn-Ln}电路，作为船舶电路模型；
S102，当外部激励工频电磁场作为激励电动势作用于所述船舶电路模型时，在所述串-并联多级的{Rn-Cn-Ln}电路内产生激励电流，所述激励电流在船舶的铁磁性材料中产生感生电流；所述感生电流的幅值和相位与激励电动势幅值和相位之间的偏差与船舶的构造信息相关；所述船舶的构造信息包括：船舱数、船舶的结构及船舶内部铺设材料；
S103，将所述幅值和相位偏差作为船舶的指纹，以实现对船舶的探测。
根据现代船舶模块化构造原理，建立以船舶舱段为基本模块的串-并联R-C-L模型。现代船舶构造均以模块化设计，按功能分舱，构造。再进行集中总装，各个功能模块内部，还存在各种模块舱和空腔。各功能模块和子模块之间还铺设各种辅助材料，包括各种绝缘材料。每个功能舱段(子舱段)均可模型化为不同类型的R-C-L电路(电阻-电容-电感)。于是整条船舶可以模型化为串-并联的多级的R-C-L电路，外部激励工频电磁场(波)作为电动势作用于该分布式串-并联的多级{Rn-Cn-Ln}。将产生激励的电流集合{In，n＝1，2，3...N}，总激励电流该激励电流将在铁磁性船舶中产生感生电流集合总激励电流/>总感生电流对铁磁性船舶μ倍于原始的激励电流(μ是铁磁性船舶的相对磁导率)。
无论激励电流或感生电流等其相位均不同于外部激励电动势，由此产生激励电流和感生电流相位与外部激励电动势和内部感生电动势相位的差别或延迟或超前，由于各不同型号船舶的船舱数，结构和内部铺设材料的不同，导致其具有指纹特点。
{Rn-Cn-Ln}的不同，的不同，因此感生电流及其产生的电磁扰动，如相位具有独特性，即船舶的工频响应扰动相位指纹、幅度指纹。以上为本发明的物理基础。
建立工频电磁波对船舶的串-并联R-C-L电路激励模型：
电容C的基本参数说明：
其中，εr是相对介电常数，s为电容极板的正对面积，d为极板之间的距离，k为静电力常量。
常见的平行板电容器电容为：
其中，ε＝εrε0，为极板间介质的介电常数，s为极板间距离。电容器的电势能即为：
多电容器并联：
C＝C1+...+Cn
多电容器串联：
U1-U2为两导体间电势差，q为两导体上的电量的绝对值，两导体上的电量可以不等，但式中的电量q应为导线连接两导体的两者间所交换的电量。
球形电容器的电容：
R1，R2分别为内外同心导体球面的半径，ε为两球面间介质的介电常数。
圆柱形电容器电容：
R1，R2分别为内外同轴导体圆柱面的半径，l为导体圆柱面长度，ε为两圆柱面间介质的介电常数。
寄生电容(parasitic capacitance)也称为杂散电容，是电路中电子元件之间或电路模块之间，由于相互靠近所形成的电容，寄生电容于寄生元件，多半不可避免，所有电路元件，如电感，二极管和晶体管却是有内部电容，任意两端导体间均有非零电容。
电感L的基本参数说明：电感是闭合回路的一种属性。导线是回路的一部分，这一部分电感称之为局部电感，许多电感其实都是导线上变化的电流产生的，变化的磁场又产生了反向电场来阻止电流变化，这就是电感的特性。
以上，我们可把船舶的各个舱段模型化各种尺寸大小的同轴圆柱形的电容器和具有回路的电感器及电阻器串-并联。
如图2和图3所示，本发明考虑船舶舱段的两种基本RCL模型：
图2为模型1(RCL并联)，复阻抗(Z)和复角分别为：
图3为模型2(RCL混联)，复阻抗和复角/>分别为：
以模型1(RCL并联)为基础，船舶舱体分为N个舱段，如图4所示，若每个舱段均以基本模型并联构成串-并联模型，则有：
其中，i(t)为激励总电流，i1(t)为第一舱段串联耦合电路电流，io1(t)为第一舱段与第二舱段之间的耦合电路电流，以此类推。
u0为压水舱段电压。
uN为除压水舱段的分舱段总电压。
其中有复角
(‘//’为并联)
Z0为压水舱阻抗，Zp为压水舱段之外的分舱段总阻抗。
其中(‘//’为并联)
复阻抗有：
又：
由此，则串-并联总正切复角：
即：
在一个具体的实施例中，建立船舶工频电磁扰动的幅值指纹和相位指纹表达：在船舶船舱各段对比于水下船舶的各个舱段中，例如以美国潜航器模型为例。对比上各个功能模块内部，还存在各种模块舱和空腔具有很高相似性。模型化为并联的多级的R-C-L电路。每个舱段之间有一个水密门。
图5，图6为水下潜航器模型各个舱段内部剖面简约示意图，从简约示意图上也可看出，其船舶各个舱段内部剖面图与水下船舶各个舱段内部剖面图在其构造上具有很高的相似度。图7船舶各个舱段内部剖面简约示意图，可见整条船舶各个舱段在相似于水下船舶各个舱段，可以模型化为串-并联的多级的R-C-L电路，外部激励工频电磁场(波)作为电动势作用于该分布式并联的多级{Rn-Cn-Ln}。
考虑到工频电磁波的波长为5000km/6000km，在船舶100m尺度范围内，工频电磁波空间上分布均匀，可以认为，其同时作用于水下船舶的各个舱段，该激励源磁场表示为感生磁场为/> 是/>的μ0μr倍。激励源电场/>感生电动势/> 是/>的ε0εr倍。而感生的传导电流密度/> σ是电导率，/>是/>的σ倍。
如果仅考虑由/>产生的水下船舶上的交变电动势u(t)作用于水下船舶等效串-并联{R反L反C反}，产生的电流i(t)，i(t)与u(t)不同步，该相位差异/>进而i(t)产生工频磁场变化，进一步通过海水介质，空气介质传输出去。
各舱段RLC电路相位差异之和，由RLC大小差异，在综合相位上实现了有大，中，小不同尺度的相位变化(见外场试验验证数据)。
相位角偏差为
各舱段的R-L-C大小不同，体现的时间变化尺度各不相同。
在一个外场试验验证方法中，对磁通门所测得数据进行傅里叶变换提取50Hz信号，此信号为a+jb形式。根据此数据的实部与虚部求得信号中每一点的相位。相位数据中包含了2πft的分量，对于50Hz信号，每一个正弦波的周期为0.02s，故相位数据需减去2πft的周期分量，并对减了周期分量的相位数据做了频谱分析、同时做幅值分析。
其中相位变化分为大尺度、中尺度以及小尺度以及它们之间混合的变化，具体变化的过程对相位的变化以外场试验为基础进行说明。具体针对性试验有木兰湖水库，南通港口试验，以及黄冈鄂黄大桥试验。
(1)木兰湖岸基试验相位分析：试验地点：木兰湖；分析频率50Hz；潜航器模型距离岸边距离：6.3m；潜航器模型潜深：1m。木兰湖试验场地及其潜航器模型拍摄图如图8和图9所示。无目标经过传感器时，其相位变化如图10所示，从图11中可知，无目标经过时，相位数据变化较为平缓，无较大波动。当目标经过传感器时，相位变化情况如图11所示，由图11可知，目标经过时相位产生较大变化，其表现为数据产生较大幅度振动。
为了更好的表现在有目标经过时相位数据变化的规律，针对相位数据会因为有目标经过时而产生波动这一性质，对相位数据做频谱分析，研究数据波动的特性。
(2)南通通州湾港口试验相位分析：试验地点：南通通州湾港口；分析频率：50Hz；试验方式：船只拖动潜航器模型，拖船距离岸边距离15m，潜航器模型距离岸边距离18.5m，潜航器模型潜深：3m。南通港口试验2t潜航器模型实物图如图12所示，无目标经过时相位变化如图13所示，水面拖船经过时相位变化如图14所示，潜航器模型经过时相位变化如图15所示。
(3)鄂黄长江大桥边上岸堤段试验相位分析：试验地点：鄂黄长江大桥边上岸堤段；采集到数据，经过静平台相位矢量异常定位分析方法。得到结果显示，在没有任何船经过的时间左右，相位矢量在(-π，π)之间跳变很快。鄂黄长江大桥试验客轮目标的夜间红外图像如图16所示。而在大客船经过时间左右，相位矢量在(-π，π)之间跳变很缓慢，相位矢量呈现出上不去和下不来的趋势。经过分析与研究，这种上不去与下不来的相位矢量变化，可判定为是大客船由近及远的整个相位变化过程。
无任何船经过的时间相位矢量变化如图17所示，时间段为大船经过测点并远离时相位变化异常时间段，其工频电磁信号相位异常持续时长，与利用EMD分析出的工频电磁信号波形异常持续时长基本吻合。根据工频电磁信号异常持续时间t＝600s，船舶速度v＝8.85m/s，测点与船舶的正对距离l，以及测量距离得到当前最远测距5.34km。(扰动持续时长为650s，则最远测量距离为5.78km)。
由近及远扰动形式展现如图18-图20所示。图18为大客船经过的大时间尺度相位矢量变化；图19为大客船经过的大时间尺度相位矢量变化；图20为大客船经过的大时间尺度相位矢量变化。
(4)木兰湖试验幅值分析：试验时间：20201年6月5号；试验数据：磁通门三轴数据，分别对x/y/z轴数据进行分析；采样率：1024Hz；AD：24位；有效位数18位；分析频率：50Hz；试验：潜航器模型离岸6.3m，潜深1m。图21为50Hz磁场X轴幅值变化图；图22为50Hz磁场Y轴幅值变化图；图23为50Hz磁场Z轴幅值变化图。由图24可知，当潜航器模型位于远处时背景场强度约为0.001nT，即1pT，当潜航器模型经过时产生的目标信号峰值约为0.03nT，目标信号峰值约为背景场的30倍。由图22可知，当潜航器模型位于远处时背景场强度约为0.001nT，即1pT，当潜航器模型经过时产生的目标信号峰值约为0.063nT，目标信号峰值约为背景场的63倍。由图23可知，当潜航器模型位于远处时背景场强度约为0.001nT，即1pT，当潜航器模型经过时产生的目标信号峰值约为0.018nT，目标信号峰值约为背景场的18倍。
同样利用EMD分析出在鄂黄长江大桥无目标经过时和有目标经过的工频电磁信号幅值波形序列如下所示，其中通过试验对比发现，以±0.4nT为门限，门限内变化均为无目标经过，门限以外为有船经过。图24为无目标经过时的幅值波形数据，其变化值范围均在(-0.4nT到0.4nT)之间跳动。由图25-图27可知，有目标经过时幅值波动数据，其值变化范围明显超出了(-0.4nT到0.4nT)的范围。表明了利用EMD分析出的工频电磁信号波形异常持续时长基本吻合。
图28是本发明实施例提供的船舶工频电磁扰动信号指纹表达分析系统架构图，如图28所示，包括：
船舶模型确定单元，用于基于船舶模块化构造原理，将船舶的每个子舱段模型化为不同类型的串-并联电阻、电容及电感R-C-L电路，以将整条船舶模型化为串-并联多级的{Rn-Cn-Ln}电路，作为船舶电路模型；
感生电流生成单元，用于当外部激励工频电磁场作为激励电动势作用于所述船舶电路模型时，在所述串-并联多级的{Rn-Cn-Ln}电路内产生激励电流，所述激励电流在船舶的铁磁性材料中产生感生电流；所述感生电流的幅值和相位与激励电动势幅值和相位之间的偏差与船舶的构造信息相关；所述船舶的构造信息包括：船舱数、船舶的结构及船舶内部铺设材料；
船舶指纹探测单元，用于将所述幅值和相位偏差作为船舶的指纹，以实现对船舶的探测。
可以理解的是，图28中各个单元的详细功能实现可参见前述方法实施例的介绍，在此不做赘述。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种船舶工频电磁扰动信号指纹表达分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
基于船舶模块化构造原理，将船舶的每个子舱段模型化为不同类型的串-并联电阻、电容及电感R-C-L电路，以将整条船舶模型化为串-并联多级的{Rn-Cn-Ln}电路，作为船舶电路模型；所述整条船舶模型化为串-并联多级的{Rn-Cn-Ln}电路，具体为：将船舶舱体划分为N个舱段，将N个舱段串-并联组成串-并联多级的{Rn-Cn-Ln}电路；Rn，Cn，Ln分别为第n段串联电路的电阻、电容以及电感；当外部激励工频电磁场作为激励电动势作用于所述船舶电路模型时，在所述串-并联多级的{Rn-Cn-Ln}电路内产生激励总电流为：其中，i(t)为激励总电流，in(t)为第n段串联耦合电路的电流；所述激励电动势 所述串-并联多级的R-C-L电路的复阻抗Z总为：/>Z0为压水舱阻抗，Zp为压水舱段之外的分舱段总阻抗，/> C、D为除阻抗Z0外的实部和虚部，形式与A，B相同；R0，C0，L0分别为总串联电路压水舱的电阻、电容以及电感；所述串-并联多级的R-C-L电路的总复角/>
当外部激励工频电磁场作为激励电动势作用于所述船舶电路模型时，在所述串-并联多级的{Rn-Cn-Ln}电路内产生激励电流，所述激励电流在船舶的铁磁性材料中产生感生电流；所述感生电流的幅值和相位与激励电动势幅值和相位之间的偏差与船舶的构造信息相关；所述船舶的构造信息包括：船舱数、船舶的结构及船舶内部铺设材料；
将所述幅值和相位偏差作为船舶的指纹，以实现对船舶的探测。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个子舱段模型化后的串-并联R-C-L电路为RCL并联电路；
所述RCL并联电路为：电阻R、电容C以及电感L三者相互并联的电路；
所述RCL并联电路的复阻抗Z和复角分别为：
其中，ω为相位弧角变化。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个子舱段模型化后的串-并联R-C-L电路为RCL混联电路；
所述RCL混联电路为：电感L与电阻R串联，之后串联支路与电容C并联；
所述RCL混联电路的复阻抗和复角/>分别为：
其中，ω为相位弧角变化。
4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，设定同时作用于每个舱段的激励工频电磁场为感生磁场为/> 其中，μ0、μr为相对磁导率；
所述激励工频电磁场对应的激励源电场为激励电动势为/> 其中，ε0、εr为相对介电常数；
而感生的电流密度为：/>其中，σ是电导率；
所述感生电流相位与激励电动势相位之间的偏差为：/> 为第n个相位之间的偏差。
5.一种船舶工频电磁扰动信号指纹表达分析系统，其特征在于，包括：
船舶模型确定单元，用于基于船舶模块化构造原理，将船舶的每个子舱段模型化为不同类型的串-并联电阻、电容及电感R-C-L电路，以将整条船舶模型化为串-并联多级的{Rn-Cn-Ln}电路，作为船舶电路模型；所述船舶模型确定单元将整条船舶模型化为串-并联多级的{Rn-Cn-Ln}电路，具体为：将船舶舱体划分为N个舱段，将N个舱段串-并联组成串-并联多级的{Rn-Cn-Ln}电路；Rn，Cn，Ln分别为第n段串联电路的电阻、电容以及电感；当外部激励工频电磁场作为激励电动势作用于所述船舶电路模型时，在所述串-并联多级的{Rn-Cn-Ln}电路内产生激励总电流为： 其中，i(t)为激励总电流，in(t)为第n段串联耦合电路的电流；所述激励电动势/> 所述串-并联多级的R-C-L电路的复阻抗Z总为：/>Z0为压水舱阻抗，Zp为压水舱段之外的分舱段总阻抗，/> C、D为除阻抗Z0外的实部和虚部，形式与A，B相同；R0，C0，L0分别为总串联电路压水舱的电阻、电容以及电感；所述串-并联多级的R-C-L电路的总复角/>
感生电流生成单元，用于当外部激励工频电磁场作为激励电动势作用于所述船舶电路模型时，在所述串-并联多级的{Rn-Cn-Ln}电路内产生激励电流，所述激励电流在船舶的铁磁性材料中产生感生电流；所述感生电流的幅值和相位与激励电动势幅值和相位之间的偏差与船舶的构造信息相关；所述船舶的构造信息包括：船舱数、船舶的结构及船舶内部铺设材料；
船舶指纹探测单元，用于将所述幅值和相位偏差作为船舶的指纹，以实现对船舶的探测。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述船舶模型确定单元将每个子舱段模型化后的串-并联R-C-L电路为RCL并联电路；所述RCL并联电路为：电阻R、电容C以及电感L三者相互并联的电路；所述RCL并联电路的复阻抗Z和复角分别为：
其中，ω为相位弧角变化。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述船舶模型确定单元将每个子舱段模型化后的串-并联R-C-L电路为RCL混联电路；所述RCL混联电路为：电感L与电阻R串联，之后串联支路与电容C并联；所述RCL混联电路的复阻抗和复角/>分别为：
其中，ω为相位弧角变化。
8.根据权利要求5至7任一项所述的系统，其特征在于，所述感生电流生成单元所采用的同时作用于每个舱段的激励工频电磁场为感生磁场为/> 其中，μ0、μr为相对磁导率；所述激励工频电磁场对应的激励源电场为/>激励电动势为/> 其中，ε0、εr为相对介电常数；而感生的电流密度/>为：/>其中，σ是电导率；所述感生电流相位与激励电动势相位之间的偏差/>为：/> 为第n个相位之间的偏差。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211736417.5A CN116245075B (zh) | 2022-12-30 | 2022-12-30 | 一种船舶工频电磁扰动信号指纹表达分析方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211736417.5A CN116245075B (zh) | 2022-12-30 | 2022-12-30 | 一种船舶工频电磁扰动信号指纹表达分析方法及系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116245075A CN116245075A (zh) | 2023-06-09 |
| CN116245075B true CN116245075B (zh) | 2023-11-07 |
Family
ID=86635572
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211736417.5A Active CN116245075B (zh) | 2022-12-30 | 2022-12-30 | 一种船舶工频电磁扰动信号指纹表达分析方法及系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116245075B (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105021363A (zh) * | 2014-04-30 | 2015-11-04 | 上海冠图防雷科技有限公司 | 基于s-p-r的船舶结构振动与噪声预报系统 |
| KR102032491B1 (ko) * | 2018-04-25 | 2019-11-08 | 한국해양과학기술원 | 능동 진동 제어 기술을 이용한 모형 선박의 저항 계측 방법 |
| CN111639390A (zh) * | 2020-05-15 | 2020-09-08 | 上海理工大学 | 一种基于振动测试的船舶横摇运动参数辨识方法 |
| CN114325851A (zh) * | 2021-12-31 | 2022-04-12 | 华中科技大学 | 一种基于多工频辐射源探测水下铁磁性目标的方法和系统 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2955181B1 (fr) * | 2010-01-11 | 2012-05-11 | Dcns | Procede ameliore de determination de l'aimantation de la coque d'un navire et dispositif associe |
-
2022
- 2022-12-30 CN CN202211736417.5A patent/CN116245075B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105021363A (zh) * | 2014-04-30 | 2015-11-04 | 上海冠图防雷科技有限公司 | 基于s-p-r的船舶结构振动与噪声预报系统 |
| KR102032491B1 (ko) * | 2018-04-25 | 2019-11-08 | 한국해양과학기술원 | 능동 진동 제어 기술을 이용한 모형 선박의 저항 계측 방법 |
| CN111639390A (zh) * | 2020-05-15 | 2020-09-08 | 上海理工大学 | 一种基于振动测试的船舶横摇运动参数辨识方法 |
| CN114325851A (zh) * | 2021-12-31 | 2022-04-12 | 华中科技大学 | 一种基于多工频辐射源探测水下铁磁性目标的方法和系统 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 基于FE-SEA的水面船舶动力舱段中频振动与声辐射特性研究;何凯 等;船舶设计通讯(第01期);全文 * |
| 基于信道状态信息幅值-相位的被动式室内指纹定位;江小平 等;电子与信息学报(第05期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116245075A (zh) | 2023-06-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20230243997A1 (en) | Underwater ferromagnetic target detection method and system employing multiple power frequency radiation sources | |
| Wang et al. | Training RBF NN using sine-cosine algorithm for sonar target classification | |
| CN111666534B (zh) | 电性任意各向异性电磁场解耦方法 | |
| Xu et al. | Evaluation of electromagnetic fields induced by wake of an undersea-moving slender body | |
| CN116245075B (zh) | 一种船舶工频电磁扰动信号指纹表达分析方法及系统 | |
| CN103674230A (zh) | 基于降噪源分离的舰艇振动噪声源分离与识别方法 | |
| Friedman et al. | A biomimetic quasi-static electric field physical channel for underwater ocean networks | |
| CN114239268B (zh) | 一种基于Romberg获取水下双电偶极子阵列跨界面辐射场的方法 | |
| Zhang et al. | Design of depth-focused electromagnetic transmitting scheme based on MFSPWM method | |
| Shubitidze et al. | High frequency electromagnetic induction sensing for non-metallic ordnances detection | |
| Qin et al. | Active magnetic detection using eddy current magnetic field orthonormal basis function | |
| Hasan et al. | A study of ferromagnetic object detection in ocean environment using empirical mode decomposition | |
| CN104915324A (zh) | 腔体含介质目标电磁散射混合分析方法 | |
| Birsan et al. | The effect of roll and pitch motion on ship magnetic signature | |
| Bono et al. | Magnetic sensor operation onboard a UUV: Magnetic noise investigation using a total-field gradiometer | |
| Zhu et al. | Modeling of magnetic field induced by ship wake | |
| CN112285787B (zh) | 从空气中对水下目标极低频磁场进行探测的系统与方法 | |
| Wang et al. | The detection of buried objects in shallow sea with low frequency electromagnetic waves | |
| Ji et al. | A Magnetic Dipole Model of Corrosion Related Shaft-rate Electromagnetic Fields for Vessels | |
| Yang et al. | Design and Experimental Verification of Electromagnetic Integrated Detection Device | |
| Soloveichik et al. | Comparative analysis of computational schemes for FEM modeling of 3D time-domain geoelectromagnetic fields excited by a horizontal grounded-wire source | |
| Huang et al. | Electromagnetic field radiated from a horizontal magnetic dipole immersed in seawater based on complex image theory | |
| Deng et al. | A modeling and comparative study of bottom pressure signals generated by waves and ship in shallow water | |
| Liu et al. | A high precision modeling and calculation method of ship shaft frequency electromagnetic field based on electric dipole | |
| Hu et al. | Propagation Characteristics of Extremely Low-Frequency Electromagnetic Waves in a Uniformly Infinite Polar “Sea-Sea Ice” Half-Space |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |