海浪波動對電磁浮標姿態的影響研究

唐文俊，何洋，趙建揚

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海浪波動對電磁浮標姿態的影響研究

唐文俊1，何洋2，趙建揚3

( 1. 海軍駐廣州廣船公司軍事代表室, 廣州 510382；2. 葫蘆島海軍91245部隊45分隊, 遼寧葫蘆島 125000；3. 海軍工程大學兵器工程系, 武漢 430033)

本文在前人對海浪理論研究的基礎上，對我國淺水區海浪譜模型進行了仿真分析，初步研究了淺水區海浪波動對電磁浮標姿態變化的影響，建立了浮標姿態橫滾角隨海浪波動的變化模型，并通過對不同海況級下的變化規律進行了matlab仿真分析，說明了模型建立的正確性。

海浪譜 電磁浮標 波動因子 海況級

0 引言

海洋淺水區聲環境比較惡劣，聲納浮標在探測安靜型潛艇的過程中，很受局限。電磁浮標裝有電場傳感器和磁場傳感器，對艦船電磁信號進行探測，可避免聲環境的影響。但是，根據艦船電磁信號特征，無論電場傳感器還是磁場傳感器一般采用的都是三分量矢量傳感器，浮標姿態的變化將直接影響矢量傳感器對目標信號探測的準確性。因此，研究電磁浮標姿態隨海浪波動的變化規律具有重要的現實意義。本文在前人對海浪理論研究的基礎上[2,3,5,6,7]，結合我國淺水區海浪譜模型，研究了不同海況下，海浪波動對電磁浮標姿態變化的影響，并給出matlab仿真分析結果。

1 淺水區海浪譜模型

常用的海浪譜分析模型主要有Neumann譜、Pierson-Moscowitz譜、JONSWAP譜、Bretschneder譜和SWOP方向譜等[5]，以上這些海浪譜都是以深水區充分成長風浪為前提的。對于淺水區非充分成長的風浪，我國海洋工作者根據渤海、黃海和東海的150份海浪連續記錄總結出了淺水海浪譜，該譜是少數幾個考慮了海深影響的淺水區海浪譜之一[1]。其表達式為：

2 電磁浮標姿態隨海浪變化規律建模

電磁浮標受海浪波動的影響，其姿態主要有橫滾、俯仰和搖擺三種變化模式。以電磁浮標為原點、海浪運動方向為X軸、海浪運動方向右側指向為Y軸、垂直海平面向下為Z軸，建立直角坐標系如圖1所示。

圖1 電磁浮標姿態變化坐標系

圖2 電磁浮標橫滾轉動坐標系

浮標姿態變化可用繞X軸運動的橫滾角、繞Y軸運動的俯仰角和繞Z軸運動的搖擺角來描述，三角度隨海浪波動的變化規律是相似的，為描述方便，在此僅以繞X軸運動的橫滾角為例，進行研究分析。電磁浮標繞X軸作橫滾波動，即X軸不變，Y軸和Z軸分別轉動一定角度用θ表示，如圖2所示。

在海浪學中，通常以多數隨機正弦波的疊加來描述一固定點的波面

式中： a——各頻率分量的振幅；——各分量的圓頻率；——0~2p之間均勻分布的隨機相位。

由淺水區海浪譜分析可知，海浪能量主要集中在0~0頻段內，進行離散處理時，可將整個海浪譜所覆蓋頻段作等分，于是每段頻帶寬度為

由于夾角的變化能量來自海浪，所以其波動譜和海浪譜在同一海況級別下是相似的，相似程度可在波動因子中體現，這里近似認為海浪譜就是夾角的波動譜，由功率和振幅的關系可知，夾角對應于頻率的波動振幅可表示為

俯仰角及搖擺角和的求解是同一過程，只是在同一時間段內、同一海況級別下，確定出的波動因子不同。

3 仿真分析

3.1 淺水區海浪譜模型仿真分析

設定水深30 m，選擇5級、6級和7級海況對海浪譜進行matlab仿真，仿真結果如圖3所示。

由圖3可知，海浪譜最大幅值在7級海況時有10 m2×s左右，6級海況時有3 m2×s左右，而在5級海況時只有1 m2×s左右，幅值隨海況級的增大而迅速增加，而且海況級越大海浪譜幅值增加的越快；中心頻率是隨海況級的增大而向低頻方向移動的，在5級海況時，中心頻率約為0.75 s-1，在7級海況時降低到0.5 s-1左右；海浪譜主要能量集中的頻帶隨著海況級的增大而逐漸向低頻方向移動，并且呈現一種變窄的趨勢。

表1 不同海況級對應海浪參數值

3.2 橫滾角θ變化規律仿真分析

圖4 不同波動因子對應的θ變化—時間歷程

圖5 不同海況級下變化—時間歷程

4 結束語

[1] 林春生, 龔沈光．艦船物理場[M]. 北京: 兵器工業出版社, 2007：237-243.

[2] 文圣常, 余宙文. 海浪理論與計算原理[M]. 北京: 科學出版社, 1984.

[3] Fujisaki K, Tanaka K, Tateiba M. A simulation of satellite altimeter return pulses from three-dimensional ocean waves [J]. Geoscience and Remote Sensing Symposium (S0-7803-5207-6), 1999, 2:995-997.

[4] 何漢林, 魏汝祥, 李衛軍. 數值分析[M]. 武漢: 湖北科學技術出版社, 1999.

[5] 侍茂崇. 物理海洋學[M]. 濟南: 山東教育出版社, 2004.

[6] 楊惠珍, 康鳳舉, 諸彥軍, 等. 基于海浪譜的隨機海浪仿真及驗證[J]. 系統仿真學報, 2005, 17(10): 2324-2326.

[7] 徐利明, 姜昱明. 基于譜分析的實時波浪模擬[J]. 系統仿真學報, 2005, 17(9): 2092-2095.

Impact of Shallow Waves Fluctuations on Electromagnetic Buoy Attitude

Tang Wenjun1, He Yang2, Jianyang Zhao3

(1. Naval Representatives Office in Guangzhou Shipyard Company, Guangzhou 510382, China; 2. The Navy 91245 Troops , Hu Ludao 125000, Liaoning, China; 3. Dept. of Weaponry Eng, Naval Univ. of Engineering, Wuhan 430033, China)

TP391.9

A

1003-4862（2013）12-0046-03

2013-06-28

唐文俊（1986-），男，碩士。研究方向：電力集成技術，電力電子技術。