艦船水下電磁場國外研究現(xiàn)狀

楊國義

(大連測控技術研究所，遼寧 大連 116013)

艦船水下電磁場國外研究現(xiàn)狀

楊國義

(大連測控技術研究所，遼寧 大連 116013)

介紹了國外在艦船水下電磁場研究現(xiàn)狀，重點介紹國外在測試系統(tǒng)研制、傳感器技術、實船測試、數(shù)據(jù)獲取、建模分析、海洋環(huán)境和目標特性等研究方面的進展情況;列舉了電磁場特性在艦船隱身控制和水中兵器上應用，以及在艦船電磁場研究方面積累的手段和經(jīng)驗;討論了國外對艦船水下電磁場研究的特點。

艦船電磁場;傳感器;建模分析;海洋環(huán)境;水中兵器

0 引言

隨著信號檢測技術的快速發(fā)展和傳感器能力的不斷提高，艦船水下電磁場的測量水平已有大幅度提高，艦船水下電磁場信號已經(jīng)成為水中兵器攻擊的信號源，因此世界各海軍大國對艦船水下電磁場的研究投入大量的人力物力，取得了卓越的成績。

由此可見，水下電磁場已經(jīng)成為艦船目標在海洋環(huán)境中又一重要的暴露源，以水下電磁場為特征信號源的水中兵器和水下探測系統(tǒng)給艦船的生命力和戰(zhàn)斗力帶來嚴重威脅。對艦船水下電磁場特征進行控制，提高艦船水下電磁場隱身能力已經(jīng)成為各國海軍的迫切需求。

1 國外研究現(xiàn)狀

由于艦艇聲隱身和水聲對抗技術的進展，目標的聲特征檢測和估計越來越困難，國外積極開展目標電磁場等非聲特性研究，尋求利用非聲手段探測目標的存在和識別目標類型。隨著水下傳感器技術和信號處理方法的發(fā)展，這項工作取得巨大成就，目標水下電磁場特性已成為探測設備和引信裝置新的信號源。

國外軍事大國非常注重艦船水下電磁場特性研究，研究歷史長，基礎工作扎實。前蘇聯(lián)、美國、英國、法國和加拿大等國家有大量科研機構從事艦船水下電磁場研究，這些機構在測量設備研制、實船測量、建模與預報等方面取得大量成果。

從國外發(fā)展來看，艦船水下電磁場研究具有以下幾個特點:

1)水下電磁場測試技術成熟、先進，特別是傳感器研制技術比較先進，研制了電磁場探測系統(tǒng)，用于艦船電磁場數(shù)據(jù)的獲取。

國外在水下電磁場傳感器研制方面具有很高的技術水平，瑞典、英國和俄羅斯等國家都具備傳感器研制能力。瑞典研制的水下電場傳感器［1］如圖1所示，采用碳纖維電極作為電場感應元件，測量頻率為1 mHz～1 kHz，系統(tǒng)噪聲為 1 nV·Hz-1/2。

究其原因，既有歷史遺留問題，也有體制機制問題，但最重要的是人的問題，而人的問題關鍵在干部。因為政治路線確定以后，干部就是決定性因素。院領導班子經(jīng)過反復討論，決定從干部抓起，加強干部培訓，以解決干部隊伍在醫(yī)院管理各方面的不足和短板問題。

圖1 瑞典研制的電場傳感器Fig.1 Electric field sensors was developed by Sweden

英國Ultra公司研制的電場傳感器［2］如圖2所示，測量元件為銀/氯化銀電極，頻率為1 mHz～3 kHz，其中1 Hz～3 kHz頻段自噪聲為1 nV/m·Hz-1/2，可用于艦船電場測試、電場遠程探測、海洋學研究和海洋地球物理勘探等多種領域。英國的Bartington公司研制系列磁場傳感器，該傳感器具有X，Y和Z3個正交分量，量程為 ±70 ～100 μT，測量頻段為0 ～3 kHz，具有高分辨率和工作穩(wěn)定性，可用于海洋學研究等領域。

目前，國外電磁場探測系統(tǒng)研制技術也比較成熟，不再是孤立地對艦艇聲場、磁場、水壓場、電場等多種物理場進行測量研究，而更為關注的是將這些物理場作為一個整體來進行同點同時測量。英國、芬蘭、瑞典、法國等國家研制了艦艇聲、磁、電、水壓等物理場綜合測試系統(tǒng)。例如英國超級電子公司磁分部提出了一個由復合型多種傳感器組成的水下測量陣系統(tǒng)，該系統(tǒng)能同時進行磁場、電場、聲場和壓力場等多種艦艇特性的近岸水下測試［3］，如圖3所示。

圖2 英國Ultra公司研制的電場傳感器Fig.2 Electric field sensors was developed by Ultra Co.of England

圖3 英國水下多場測試系統(tǒng)布放圖Fig.3 Underwater multi-influence testing system distributed at England

芬蘭研制了先進的水下多場測試系統(tǒng)MGS-900系列型號，如圖4所示。該系統(tǒng)最新型號能測量聲場、磁場、水壓場和電場等物理場［4］。該系統(tǒng)采用光纖和網(wǎng)絡傳輸技術，能遠距離和高數(shù)據(jù)率傳輸測得的信號和數(shù)據(jù)，并已交付芬蘭海軍使用。

瑞典Polyamp公司研制的測試系統(tǒng)如圖5所示。該系統(tǒng)可同時測量艦船電場、磁場和水壓場等物理場，可用于便攜式和固定式測量。

法國研制的MIR2000多場測試系統(tǒng)如圖6所示。該系統(tǒng)可同時進行靜磁場、靜電磁場、交變電磁場、聲場、水壓場、地震波場和磁場梯度的測量［5］，既可用于固定式的綜合試驗場地，也可用于便攜式的測試環(huán)境下使用。

2)高度重視艦船電磁場特性建模，在理論模型的支持下開展艦船電磁場設計與預報研究。

艦船水下電磁場建模技術在艦船水下電磁場預測、特征控制以及隱身測試方面具有很高的應用價值，因此一向是國外軍事強國電磁場特性的研究重點。在艦船水下電磁場建模方面，目前主要有2種途徑:由陰極保護系統(tǒng)參數(shù)計算船殼表面電勢分布和利用電偶極子陣列擬和觀測數(shù)據(jù)。

英國利用邊界元法(BEM)對艦船腐蝕相關電磁場進行了計算，并開發(fā)了商業(yè)建模軟件 Beasy［6］，如圖7所示。該軟件綜合考慮了艦船材料組成、尺度、結構、涂層破損、陰極保護以及海洋環(huán)境參數(shù)等多種因素，計算內核采用精度較高的邊界元算法，計算結果具有較高的可信度，已經(jīng)廣泛應用于艦船陰極保護系統(tǒng)的優(yōu)化設計中。加拿大國防部和英國Ultra Electronics公司研制的電磁場預測軟件甚至還包含了軸頻電磁場和電源紋波的模擬計算。加拿大Davis工程公司則利用偶極子模型進行艦船電磁場分布模擬，其提供的ShipEM軟件，可以通過輸入艦船尺寸結構和陰極保護系統(tǒng)陽極位置，來預測電磁場矢量的空間分布特性。

英國Aish科技公司開發(fā)了基于有限元法(FEM)的艦船腐蝕相關電磁場數(shù)值計算軟件 CPMaster［7］。該軟件考慮了艦船陽極和陰極材料在海水中的非線性極化現(xiàn)象，可以對艦船外加電流陰極保護系統(tǒng)和犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，降低與腐蝕相關水下電磁場特征。該公司設計的低特征外加電流陰極保護系統(tǒng)已經(jīng)裝備英國“先鋒”極、美國“海狼”級和“弗吉尼亞”級核潛艇，如圖8所示。

圖8 CPMaster軟件建立的艦船腐蝕相關電磁場有限元模型Fig.8 FEM modeling of ships for corrosion related electromagnetic fields was established by CPMaster

等效源建模方法是基于惟一性定理，利用布置于船體上一系列的偶極子(或點電流源)產(chǎn)生水下電磁場的疊加來擬合艦船實際水下電磁場。等效源法可以根據(jù)實測數(shù)據(jù)現(xiàn)場建立艦船水下電磁場模型。該模型不僅可以用于實測數(shù)據(jù)的界面修正和空間換算，而且攜帶了艦船當前狀態(tài)信息，便于測試人員對艦船水下電磁場量級進行科學評估和場源識別。

文獻［8］利用電磁偶極子陣列對艦船靜態(tài)電磁場進行了建模，取得了非常好的效果。在此基礎上，提出了基于時諧偶極子陣列的艦船交變電磁場建模方法，并利用實船和校準源對模型進行了驗證。該建模方法考慮不同區(qū)域和深度的海水、海床電導率參數(shù)等環(huán)境因素，可以通過某海域的實測數(shù)據(jù)對其他海域進行預報。

加拿大Davis工程公司聯(lián)合加拿大大西洋防務研究所(DERA)［9］利用偶極子組合對加拿大現(xiàn)役海軍艦艇水下電磁場進行了建模和預報，并利用實測數(shù)據(jù)對預測結果進行了驗證。該公司科技人員指出，靜態(tài)電磁場模型中最主要偶極子是由螺旋槳(負極)和陰極保護系統(tǒng)陽極(正極)組成，偶極子長度是陽極和螺旋槳之間的距離，偶極矩則是沿偶極子方向流動電流與其長度的乘積。

艦船水下電磁場物理建模是指在實驗室環(huán)境內利用艦船電磁場縮比模型研究艦船電磁場特性。艦船電磁場物理建模相對于實船測量具有易控制、效率高、成本低的優(yōu)點，因此也受到國外科研人員的重視，成為艦船電磁場特性研究的重要手段。圖9為加拿大防御研究與發(fā)展中心建立的該國某護衛(wèi)艦縮比模型。

圖9 艦船電磁場縮比模型Fig.9 Electromagnetic field physical scale model for vessels

3)目標特性與環(huán)境特性研究結合緊密，非常重視海洋環(huán)境電磁特性測量與分析工作

國際上主要軍事大國對海洋環(huán)境電磁特性的測量分析研究一直十分重視。前蘇聯(lián)科研人員采用各種方法研究了波羅的海固定試驗場的海底底質參數(shù)、信號傳播條件、噪聲各向異性、電磁場等環(huán)境參數(shù)，大大提高了艦船電磁場測量的精度。

美國海軍水下戰(zhàn)實驗室電磁環(huán)境與光學系統(tǒng)研究室在20世紀60年代對海洋中極低頻電磁場觀測技術進行了研究。美國海軍大西洋水下站中心充分重視實驗區(qū)水下電磁場環(huán)境的觀測統(tǒng)計工作，自20世紀60年代起，就在試驗區(qū)內建立了長期的觀測和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，完善了統(tǒng)計模型，從而為在該試驗海區(qū)進行的魚雷、水雷、艦艇等的相關試驗提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。

海水流動(波浪、涌浪和海流)產(chǎn)生的電磁場的研究得到了重視和發(fā)展。為了在進行磁探時消除海洋波浪運動產(chǎn)生的電磁效應，提高航空磁探的探測成功率，加拿大太平洋海軍實驗室的J.T.Weaver［10］計算了海洋波浪產(chǎn)生的磁場變化，計算結果是:周期20 s、幅度0.1 m的涌浪在水面下100 m處產(chǎn)生0.2 nT的磁場，在水面上50 m處產(chǎn)生0.1 nT的磁場。計算結果與航空磁探儀［11］和浮標磁探儀［12］的實測結果相符。文獻［13］研究了大尺度低頻海流在海洋、地殼和地幔中感應的電場和磁場。文獻［14］給出了海洋波浪產(chǎn)生的電磁噪聲場的理論推導，并測量了風速分別為10，20，30，40，50 kn時的波浪產(chǎn)生的電場和磁場，對測量數(shù)據(jù)進行了功率譜分析。海洋內波產(chǎn)生的電磁場也得到了很好的研究［15］。到90年代初，關于海水運動產(chǎn)生的電場和磁場的理論已基本成熟［16］，并與實驗和觀測結果相吻合［17-18］。此后，對運動海水的電磁場的研究依然深入進行，采用了更為先進的計算機有限元方法［19-20］。

圖10 國外電磁場引信水雷Fig.10 Electromagnetic field fuze mine abroad

4)艦船水下電磁場特性廣泛應用于海軍武器裝備，并推進了海軍新型裝備的發(fā)展。

國外對艦船電磁場的研究不僅局限在艦船本身的防腐性能，更重要的是將其成果應用在水雷電磁場引信、艦船隱身防護、對敵方艦船的探測、港口和海岸的警戒等方面，而且已經(jīng)形成了軍事裝備。在水雷電磁場引信研究方面，60年代，蘇聯(lián)研制出電磁場引信的КСМ型反潛水雷［21］，并于70年代在此基礎上開發(fā)出水下電勢水雷，其新一代沉底水雷MDM-6也裝備有電磁場引信。西班牙已開發(fā)出了裝備電磁場傳感器的組合引信水雷MINEA［22］。美國開發(fā)裝有聲、磁和電三場傳感器的LSM智能濱海水雷［23］，該水雷通過3種傳感器實現(xiàn)互補工作來可靠探測目標。圖10所示分別為俄羅斯 MDM-6水雷、西班牙MINEA水雷和美國LSM水雷。在反水雷技術研究方面，澳大利亞已經(jīng)研制出電磁場掃雷具，通過對電極陣列進行可編程式供電來模仿軍艦的水下電勢信號和極低頻電磁場信號，進而觸發(fā)水雷。

在電磁場探測方面，美國和加拿大海軍早在60年代初就利用冰山布置電磁場探測系統(tǒng)作為警戒。

由于上述利用艦船水下電磁場特性作為信號源的探測設備和水中兵器的出現(xiàn)，艦船自身安全性受到嚴重威脅，為了保證艦船的生命力和戰(zhàn)斗力，國外制定了嚴格的水下電磁場防護標準，采取了大量措施用于艦船水下電磁場特征控制，形成了一系列新型裝備。如美國、英國、法國、前蘇聯(lián)等海軍均裝備了電磁場測試設備，定期或執(zhí)行任務前必做測試。加拿大Davis公司生產(chǎn)的有源軸接地系統(tǒng)，能有效地降低艦船極低頻電磁場，目前已裝備于加拿大和英國海軍艦船。前蘇聯(lián)研制的Каскад-э系統(tǒng)采用絕緣工藝和電磁場補償手段極大地降低了艦船水下電磁場，如圖11所示。此外Vickers造船工程技術有限公司也研制了用來抑制軸系極低頻電磁場的主動軸接地系統(tǒng)。波蘭海軍技術研究發(fā)展中心同樣研制了能有效減小軸系極低頻電磁場的短路滑環(huán)裝置。

圖11 電磁場補償系統(tǒng)原理圖Fig.11 Principle diagram of compensation system for electromagnetic field

2 結語

綜上所述，國外在艦船電磁場研究和應用方面都已經(jīng)達到很高水平，積累豐富的經(jīng)驗，理論基礎研究扎實，在海洋環(huán)境研究、建模與預報研究、測試系統(tǒng)研究、實船測試研究和水中兵器研究等方面均取得豐富的成果，且仍在不斷研究中。

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Situation on underwater electromagnetic field researches of ships abroad

YANG Guo-yi
(Dalian Scientific Test and Control Technology of Institute，Dalian 116013，China)

This paper describes the present situation of underwater electromagnetic field researches of ships abroad，emphasis introduce researches situation about development of test systems，technology of sensors，fact ship test，obtain data，modeling and analysis，ocean environment，and characteristic of targets etc.Enumerate electromagnetic field characteristic apply on vessel stealth control and weapon in water，and accumulate methods and experiences on vessels electromagnetic field researches，discuss on vessel underwater electromagnetic field research trait.

vessel electromagnetic field;sensor;modeling and analysis;ocean environment;weapon in water

TB56

A

1672-7649(2011)12-0138-06

10.3404/j.issn.1672-7649.2011.12.033

2011-04-07;

2011-05-03

課題資助項目(513030303)

楊國義(1976-)，男，工程師，從事測試系統(tǒng)結構設計與研制工作。