基于時諧偶極子模型的艦船軸頻電場特性分析

余定峰，耿攀，楊勇，徐正喜，陳濤

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基于時諧偶極子模型的艦船軸頻電場特性分析

余定峰，耿攀，楊勇，徐正喜，陳濤

（武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064）

基于電磁建模方法，通過時諧偶極子模型在深海環境下產生的交變電場信號，對艦船的水下軸頻電場進行仿真模擬。考察了艦船在不同測量深度上的電場分布特性，并對多種影響因素進行對比分析，為基于水下電場特征控制的艦船隱身提供理論基礎和數據支撐。

艦船 軸頻電場 時諧偶極子

0 引言

“被發現等于被消滅”，這已成為現代隱身裝備研制領域的箴言。艦船作為軍事戰略中不可或缺的威懾力量，隱蔽性是其最重要的戰技指標之一，決定著艦船的戰斗力和生命力。艦船處于海洋環境中，由于腐蝕電位的不同以及外加電流陰極保護裝置的使用，無論是處于靜止還是運動狀態，都會在其周圍海水中激發電場信號，其中軸頻電場因具有明顯的頻譜特征而受到廣泛關注。基于水下電場信號的探測攻擊武器給艦船的生存帶來愈來愈大的威脅，迫切需要掌握艦船的水下電場信號分布及傳播特性，從而為實現艦船電場隱身能力的不斷提升提供技術支撐。

文獻[1]～[3]通過研究表明，深海環境下艦船軸頻電磁場可以通過空氣-海水兩層模型中時諧偶極子來模擬。文獻[4]通過運動垂直時諧偶極子在淺海環境下產生的電磁場的研究分析了不同影響因素對艦船軸頻電磁場的影響。本文通過兩層模型中水平和垂直時諧偶極子在水下產生的交變電場對艦船軸頻電場進行數值模擬，考察了海水電導率、偶極子位置、偶極子強度、偶極子頻率以及傳播距離等條件的不同，對軸頻電場特性帶來的影響。通過電磁建模仿真，掌握艦船軸頻電場分布特性，為基于電場特征的艦船電場隱身技術研究提供理論和數據支撐。

1 深海中時諧電偶極子產生的交變電場

對于低速運動的偶極子，速度并不影響低頻電場的幅值及其分布特性，因此這里以靜止時諧偶極子產生的交變電場對艦船的軸頻電場特性進行數值模擬。

圖1 深海中水平和垂直時諧電偶極子

式中相關參數及物理意義與文獻[1]～[3]一致。

2 軸頻電場影響因素分析

通過空氣-深海兩層模型中水平和垂直時諧偶極子在水下產生的交變電場對艦船軸頻電場進行數值模擬，考察海水電導率、偶極子位置、偶極子強度、偶極子頻率以及傳播距離等條件的不同，對軸頻電場特性帶來的影響。

1）海水電導率影響

當艦船航行于不同海域、不同深度的海洋中時，由于溫度和鹽度不同，導致海水電導率有差異。取海水介電常數1=800，偶極子頻率為1 Hz，偶極子強度為1 A·m，偶極子位置為（0, 0, 100 m），測量線起點為（-1000 m, 0, 200 m），終點為（1000 m, 0, 200 m），考察海水電導率1分別取2 S/m、3 S/m和4 S/m三種情形，通過仿真計算得到水平時諧偶極子和垂直時諧偶極子在下方測量線上產生的軸頻電場，如圖2所示。

圖2 海水電導率對軸頻電場的影響

由計算結果分析可知，海水電導率是影響艦船水下軸頻電場特性的重要參數，電場強度隨海水電導率增大而減小（限于篇幅，給出電場分量曲線）。顯然，海水導電能力越強，艦船產生的極低頻電場衰減越快。

2）偶極子位置影響

圖3 偶極子位置對軸頻電場的影響

由計算結果分析可知，偶極子位置不同，導致軸頻電場分布特性隨之產生較大變化，距離測量線越近，對應軸頻電場強度越大，反之則越小，反映了該極低頻電場隨距離的衰減特性。

3）偶極子強度影響

艦船的腐蝕狀態或陰極保護參數不同，導致軸上流過的微弱腐蝕或防腐電流的不同，對應時諧偶極子的強度差異。取海水介電常數1=800，海水電導率1為4 S/m，偶極子位置為（0, 0, 100 m），偶極子頻率為1 Hz，測量線起點為（-1000 m, 0, 200 m），終點為（1000 m, 0, 200 m），考察偶極子強度分別取1 A·m、10 A·m和100 A·m三種情形，通過仿真計算得到水平時諧偶極子和垂直時諧偶極子在下方測量線上產生的軸頻電場，如圖4所示。

圖4 偶極子強度對軸頻電場的影響

由計算結果分析可知，偶極子強度是影響軸頻電場幅值的主要因素，電場強度隨偶極子強度的增大而增大（為節省篇幅，當影響因子對電場各分量的影響趨勢相同時，以某個分量為例予以說明）。

4）偶極子頻率影響

艦船航速不同，即軸轉速不同，對應時諧偶極子的頻率差異。取海水介電常數1=800，海水電導率1為4 S/m，偶極子位置為（0, 0, 100 m），偶極子強度為1 A·m，測量線起點為（-1000 m, 0, 200 m），終點為（1000 m, 0, 200 m）。考察偶極子頻率分別取1 Hz、2 Hz和4 Hz三種情形。通過仿真計算得到水平時諧偶極子和垂直時諧偶極子在下方測量線上產生的軸頻電場，如圖5所示。

圖5 偶極子頻率對軸頻電場的影響

由計算結果分析可知，當偶極子頻率增大時，水平時諧偶極子產生的近區軸頻電場隨之增大，遠區軸頻電場隨之減小，體現出頻率越高衰減越快的特點。垂直時諧偶極子產生的軸頻電場隨著偶極子頻率的增大而減小。

5）傳播距離影響

取海水介電常數1=800，偶極子頻率為1 Hz，偶極子強度為1 A·m，偶極子位置為（0, 0, 100 m），測量線起點為（-1000 m, 0, 200 m），終點為（1000 m, 0, 200 m），海水電導率為4 S/m，通過仿真計算得到水平時諧偶極子和垂直時諧偶極子在下方測量線上產生的軸頻電場，考察電場的分量隨傳播距離的變化趨勢，如圖6所示。

由計算結果分析可知，電場各分量在距離場源較近時衰減迅速，距離較遠時衰減緩慢。水平時諧偶極子對應電場水平分量峰值較大，垂直時諧偶極子對應電場垂直分量峰值較大。

3 結語

通過兩層模型中水平和垂直時諧偶極子在水下產生的交變電場對艦船軸頻電場進行數值模擬，考察了海水電導率、偶極子位置、偶極子強度、偶極子頻率以及傳播距離等條件的不同，對軸頻電場特性帶來的影響。基于電磁建模方法，對艦船軸頻電場分布特性進行仿真分析，可為基于電場特征的艦船隱身技術研究提供必要的理論和數據支撐。

圖6 軸頻電場分量隨傳播距離變化曲線

[1] 盧新城, 龔沈光, 周駿等. 海水中極低頻水平電偶極子電磁場的解析解[J]. 電波科學學報, 2004, 19(3): 290-295.

[2] 毛偉, 林春生. 兩層介質中運動水平時諧偶極子產生的電磁場[J]. 兵工學報, 2009, 30(5): 555-560.

[3] 毛偉, 周萌, 余刃. 兩層介質中運動垂直時諧偶極子產生的電磁場[J]. 武漢理工大學學報(交通科學與工程版), 2011, 35(5): 1081-1085.

[4] 朱武兵, 嵇斗, 王向軍等. 淺海中影響運動艦船軸頻電磁場的因素[J]. 船電技術, 2013, 33(11): 41-44.

Analysis on Shaft-rate Electric Field of A Ship Based on Time Harmonic Dipole

Yu Dingfeng, Geng Pan, Yang Yong, Xu Zhengxi, Chen Tao

(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China)

TM153

A

1003-4862（2014）10-0011-04

2014-04-21

余定峰（1986-），男，工程師。研究方向：艦船電磁場應用及防護。