一種艦船垂向磁場(chǎng)換算成矢量磁場(chǎng)的方法

徐 杰

(海軍駐桂林地區(qū)軍事代表室，廣西 桂林 541002)

一種艦船垂向磁場(chǎng)換算成矢量磁場(chǎng)的方法

徐 杰

(海軍駐桂林地區(qū)軍事代表室，廣西 桂林 541002)

獲得艦船磁場(chǎng)的最簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的方法是，當(dāng)艦船通過其下方某一深度(正交于艦首方向)的垂向磁傳感器陣列平面的時(shí)候，測(cè)量艦船垂向磁場(chǎng)分量。采用數(shù)學(xué)方法處理垂向磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，推算出艦船的矢量磁場(chǎng)(3個(gè)方向的磁場(chǎng))。該方法非常容易在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，它具有在數(shù)秒內(nèi)獲得精確結(jié)果的優(yōu)點(diǎn)，并且既省錢又省力。同時(shí)僅需要少量磁傳感器，便能得到任何方向的磁場(chǎng)。

垂向磁場(chǎng);矢量磁場(chǎng);磁場(chǎng)換算

0 引言

一些水下裝置移動(dòng)的時(shí)候產(chǎn)生干擾磁場(chǎng)，威脅水面艦船。艦船甲板上安裝由電流源和電纜線組成的裝置，產(chǎn)生磁場(chǎng)，通過減少磁場(chǎng)干擾來保護(hù)自身安全。艦船磁場(chǎng)和電纜線產(chǎn)生的磁場(chǎng)的空間變化不同，因而必須掌握艦船下方任何有效位置的垂向磁場(chǎng)，從而使艦船具有良好的防護(hù)性能。往往運(yùn)用靜磁學(xué)理論計(jì)算電纜線產(chǎn)生的磁場(chǎng)。

測(cè)量艦船磁場(chǎng)通常需要昂貴的設(shè)備，包括水下磁傳感器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。為了既省錢又省力，可測(cè)量艦船下方某一深度平面上的垂向磁場(chǎng)。但這樣不能完全掌握艦船矢量磁場(chǎng)。

目前有1種獲得艦船矢量磁場(chǎng)的新方法，即通過測(cè)量艦船附近某一位置的磁場(chǎng)，計(jì)算產(chǎn)生測(cè)量磁場(chǎng)的磁矩［1］(該磁矩并不精確)，然后，應(yīng)用靜磁學(xué)規(guī)律計(jì)算磁矩，推算出任何位置磁場(chǎng)。

本文介紹一種基于電壓理論通過測(cè)量艦船下方某一平面的垂向磁場(chǎng)Hz，再計(jì)算出艦船的全部磁場(chǎng)的方法。

1 磁場(chǎng)換算

由電磁場(chǎng)基本理論知識(shí)，則有

式中：H為矢量磁場(chǎng)值;U為電壓標(biāo)量。

假設(shè)1個(gè)磁源(磁性物體)，位于平面Z0，深度為d0=0上，以及其下方的1個(gè)平面Z1，深度為d1，測(cè)量磁源引起的垂向磁場(chǎng)(見圖1)。

應(yīng)用格林公式于平面Z1上測(cè)量磁場(chǎng)，運(yùn)用式(1)和式(2)，當(dāng)平面Z2，深度d2≥d1時(shí)，其垂向分量為［2］：

式中：Hz(ξ，η，d1)為平面Z1上點(diǎn)P(ξ，η)的z分量磁場(chǎng)測(cè)量值;Hz(r)為平面Z2上點(diǎn)Q(x，y，z)的z分量磁場(chǎng)計(jì)算值，并且

圖1 磁源與測(cè)量垂向磁場(chǎng)的測(cè)量平面Fig.1 Source of magnetic field and a plane where we have measured the vertical component of the field

2 依據(jù)垂向磁場(chǎng)推算矢量磁場(chǎng)

運(yùn)用式(2)可以得到電壓U*(r)和全部3個(gè)分量磁場(chǎng)H(r)，假如將式(3)乘以dz'，從z'=∞ 積分到z'=z，則有

縱向磁場(chǎng)分量為：

橫向磁場(chǎng)分量為：

3 z=d0平面以上的磁場(chǎng)

基于平面Z1的測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算平面以上的某個(gè)位置的磁場(chǎng)。由于平面Z1的磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)由平面Z0的磁場(chǎng)產(chǎn)生，因而必須獲得平面Z0磁源的磁矩。因此，需要通過數(shù)學(xué)技巧，解算積分方程Hx，Hy和Hz［3］。雖然計(jì)算結(jié)果不精確，但能滿足艦船磁防護(hù)要求。當(dāng)接近艦船時(shí)，誤差會(huì)增加。

4 應(yīng)用于艦船磁場(chǎng)的技術(shù)

觀察式(3)、(5)和(6)，其積分區(qū)域?yàn)?－∞ ～+∞。通過平面上方垂向磁場(chǎng)，獲得精確的縱向磁場(chǎng)和橫向磁場(chǎng)。

當(dāng)艦船以一定的恒定速度，通過艦船下方水深為d的磁傳感器陣列的時(shí)候，通常測(cè)量艦船的垂向磁場(chǎng)。圖2顯示本文試驗(yàn)的典型物理尺寸。當(dāng)艦船移動(dòng)的時(shí)候，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄每個(gè)磁傳感器的數(shù)據(jù)。測(cè)量結(jié)束后，得到一個(gè)矩陣，該矩陣每行為相應(yīng)磁傳感器陣列的數(shù)據(jù)，每列為艦船相應(yīng)位置。

圖2 測(cè)量艦船磁場(chǎng)的設(shè)備圖Fig.2 Sketch of the facility that measures the magnetic field of the ships

b為艦船的最大寬度，l為艦船的最大長(zhǎng)度。運(yùn)用式(3)、(5)和(6)，當(dāng)d1=1.5b時(shí)，陣列中2個(gè)傳感器之間的最大距離為4b，最小距離為0．3b。鑒于磁偶極子理論，測(cè)量陣列最大長(zhǎng)度為2l，最大寬度為8b，如圖3所示。

實(shí)例：如圖4所示，測(cè)量艦船垂向磁場(chǎng)的平面Z1，深度d1=1.5b，沿著龍骨方向(y=0)。圖5為沿著龍骨方向，平面 Z2，深度d2=3b，運(yùn)用式(3)、(5)和(6)，計(jì)算 Hx，Hy和 Hz的值。

5 結(jié)語

通過測(cè)量艦船下方某一平面的垂向磁場(chǎng)，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法，推算出艦船下方任何位置的矢量磁場(chǎng)值。這將避免運(yùn)用大量的三軸向磁傳感器測(cè)量艦船磁場(chǎng)，并且只需要幾秒鐘，便可以計(jì)算出磁場(chǎng)值。此外，該方法還將有利于改進(jìn)艦船磁防護(hù)能力。

［1］PEJAS S．Approximation of ship's magnetic field with utilization of model：ellipsoid+N local sources［A］．Undersea Defence Technology-Conference Proceedings［C］，1993．488 －490．

［2］GRANT F S，WEST G F．Interpretation theory in applied geophysics［M］．New York：M Graw-Hill，1965．216 －221．

［3］PETERS L J．The direct approach to magnetic interpretation and its practical application［J］．Geophysics，1949，14(3)：290－320．

［4］周國(guó)華，劉大明．基于逐步回歸法的潛艇高空磁場(chǎng)仿真與研究［J］．海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，(5)：86 －89．

ZHOU Guo-hua，LIU Da-ming．Simulation for magnetic field ofsubmarine high attitude based on stepwise regression technique［J］．Journal of Naval University of Engineering，2005，(5)：86 －89．

［5］周國(guó)華，肖昌漢，劉勝道．磁性目標(biāo)磁矩反演Hopfield網(wǎng)絡(luò)方法研究［C］．艦艇測(cè)磁消磁新技術(shù)討論會(huì)交流集，2006．

［6］周耀忠，張國(guó)友．艦船磁場(chǎng)分析與計(jì)算［M］．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004．

［7］葉平賢，龔沈光．艦船物理場(chǎng)［M］．北京：兵器工業(yè)出版社，1992．

Vectorial magnetic field of a vessel from the vertical field

XU Jie
(Military Representative Room of Guilin of Navy，Guilin 541002，China)

The easiest and cheapest way to get the magnetic field of a vessel is to measure the vertical component of the fleld while the vessel moves over an array of vertical magnetic sensors located in a horizontal line(perpendicular to the bow-stern direction)at a particular depth．In order to obtain the vectorial field of the vessel(three-component fleld)，the method have used mathematical technique based on the potential theory，applying it to the data of the vertical fleld．The technique is easy to be implemented as a software in micro-computer．It has the advantage of producing exact results(it is not a mathematical modeling)in few seconds of processing，and of saving money and avoiding efforts，since it processes the data that can be measured by a small number of magnetometers and produces data of an inflnite number of them 10-cated everywhere oriented in any spatial direction．

vertical field;vectorial field;continuation of magnetic field

TM153+．1

A

1672－7649(2012)05－0101－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.05.024

2011－05－10;

2012－02－27

徐杰(1982－)，男，碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)殡姶怒h(huán)境及防護(hù)工程。