深海中四槳運動艦船產生的軸頻電磁場研究

任立剛， 朱武兵， 高中峰，周茜

（1．海軍92925部隊，山西長治046011; 2．海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033;3．海軍91446部隊, 河北諑州 072750）

0 引 言

隨著現代信息處理技術、微電子技術和傳感器技術的發展，對艦船目標特性的研究進一步深入，艦船軸頻電磁場已經成為重要的水下信號。文獻[1]通過研究表明深海環境下艦船軸頻電磁場可以通過運動的垂直時諧偶極子模擬，但是只研究了艦船是單個螺旋槳的情形下的建模與仿真。現役的中型、大型艦艇都可能采用多槳的推進方式，因此只研究單槳艦艇的軸頻電磁場顯然是不夠的。對于四槳的大型艦船，在采用多槳的推進方式時，四個槳經常是不同步的，這樣就會導致四個螺旋槳旋轉時各自產生的軸頻電磁場具有不同的相位、幅值、頻率。因此研究四槳運動艦船產生的軸頻電磁場具有十分重要的實際意義。對軸頻電磁場的實際應用需要對這種四槳的艦船的電磁場進行建模。并為未來軸頻電磁場用于艦艇的遠程探測提供了基礎。本文采用四個運動垂直時諧電偶極子在固定場點產生的電磁場對深海中運動四槳艦船的電磁場進行模擬。

1 深海中運動垂直時諧偶極子電磁場表達式

根據文獻[1]推導出深海中運動垂直時諧電偶極子電磁場的表達式：

式（1）～式（8）中的相關參數及物理意義與文獻[1]一致。運用基于漢克爾變換的 FFT算法[9]得到了電磁場三分量的頻域曲線和時域曲線。那么就可以得到任意時刻t電磁場的頻域值和時域值記t時刻的電磁場三分量的頻域值和時域值為：

2 四個運動垂直時諧電偶極子電磁場表達式

這里假設采用4個處于同一位置的運動垂直時諧偶極子對軸頻電磁場進行建模。時諧電偶極子與單個電偶的極子表示方法類似。可推導出四個運動垂直時諧電偶極子在固定場點產生的電磁場的表達式如下：對于電場x分量：

對于磁場x分量：

以上給出固定點電場x分量、磁場x分量的電磁場的表達式，其他電磁場分量的公式與之類似。在這里為了節省篇幅，不作贅述。

3 相位不同步的四槳艦船的軸頻電磁場仿真

對于4槳的運動艦船在航行的過程中，假設四個槳的轉速相同，但是四個槳的相位不同，艦船的運行速度為5 m/s。這里可以用四個頻率相同的運動垂直時諧偶極子對艦船的軸頻電磁場進行建模。建立文獻[1]的洛倫茲模型，空氣、海水、海床的介質參數同文獻[1]。各時諧運動的垂直電偶極子的頻率為 1 Hz，各電偶極子的初始坐標（x=-1000 m，y=0，z=10 m），終點坐標（x=-1000 m，y=0，z=10 m），強度均為1 A*m。 本文主要給出x分量的仿真圖（一方面已經可以說明問題、另一方面節省篇幅）。

通過分析仿真結果圖，可以知道：

1）分析圖 1(a)、(c)可知，相角的變化并不影響頻域的幅值。

2） 通過分析四個槳相位均為0時的仿真結果圖與單槳相位為0時的仿真結果圖1(a)、(b)、(e)、(f)。可以發現四個相同的電偶極子的強度產生的電磁場的時域值是單個同參數的電偶極子的4倍。由此可以說明這四個1 A*m電偶極子可以等效為強度為4 A*m的電偶極子。

3） 對比兩組不同相位的仿真結果，可以發現當四個電偶極子的相位均為0時產生的電磁場最大，圖1(c)、(d)所示的情況產生的電磁場的數量級非常小，以現在的電磁場探測水平可以把這種情況產生的電磁場視為零。基本上可以認為實現了軸頻電磁場的抵消。說明了軸頻電磁場由于相位不同而存在抵消效應。

4 轉速不同的四槳艦船軸頻電磁場仿真

通過分析仿真結果，可以知道：

1）分析仿真結果的頻域圖2(b)（頻率越高，電場值越大），發現在電場z方向由于頻率的不同導致有較大的幅值差異。在頻域圖 2(a)中發現有的沒有明顯變化，這是因為頻率對軸頻電磁場的影向并不明顯。

2）從圖2(c)軸頻電磁場時域圖可以發現，電磁場的包絡線沒有頻率相同時光滑，這說明頻率對軸頻電磁場的時域值有較大的影響。

3）分析仿真結果圖1(a)、(b)（相角為0，頻率均為1 Hz），圖2(a)、(b)，提出當頻率不同時的軸頻電磁場的建模思路：首先求出兩個槳產生的不同的軸頻電磁場頻率，然后采用具有這兩個頻率不同的兩個虛擬時諧偶極子對軸頻電磁場進行建模。

5 結論

本文通過仿真運動垂直電偶極子產生的電磁場對軸頻電磁場進行了模擬。模擬得到的結果不同相位和不同轉速時四槳運動艦船產生的軸頻電磁場，并對產生的軸頻電磁場進行了分析。分析得到了四槳艦船產生的軸頻電磁場特性以及為軸頻電磁場的建模提供了思路。值得說明的是，可能實際艦船不會出現完全反相得情況，或者頻率不會相差這么大。但是在理想情況進行的仿真，對艦船產生的軸頻電磁場有了以上這些有價值的結論。

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