基于有源軸接地的船舶極低頻電場抑制技術＊

劉德紅 王向軍 嵇斗 朱武兵

（海軍工程大學電氣工程學院 武漢 430033）

0 引 言

各型船舶因軸系變化產生的電場是一種傳播特征明顯的極低頻電場（extremely low frequency electronic fields，ELF），具有傳播距離遠、衰減慢等特點，能應用于水下目標的遠程探測及定位，軍事上能作為水中兵器的引信源，應用前景十分廣泛，成為目前研究的熱點［1-3］.隨著世界各海軍強國對艦船隱身技術的重視，艦船的極低頻電場抑制問題日漸顯現，國內外也有不少相關文獻發表.但是在這些可見的資料當中，國外出于軍事目的，只是籠統性的描述了該技術的工作原理，而對于與艦船極低頻電場密切相關的主要參數及采取的電場抑制控制方案等核心技術只字未提［4-6］.而國內由于起步較晚，雖然也對艦船極低頻電場產生機理及防護措施有所涉及，但是由于缺乏實船極低頻電場關鍵參數的支撐，研究進展不大［7-9］.據公開報道了解到，美國、俄羅斯、日本等海軍強國利用船舶極低頻電場的傳播特征，通過在海底布置大量的電場傳感器以監視過往船只，我海軍艦船幾乎完全暴露在敵方面前，毫無秘密可言［10-12］.因此，開展艦船極低頻電場抑制研究十分緊迫.本文在對前人所做的關于極低頻電場產生機理及抑制方案的基礎上，通過深入研究，研制出一種基于有源軸接地技術的極低頻電場抑制裝置，極大地提高了艦船電場隱身性能.

1 船舶極低頻電磁場產生機理

各型船舶及海軍艦艇在海水中航行時，不同金屬材質構成的船體在海水這一天然的電解液中發生電化學反應，從而引起船體的腐蝕.為了防止腐蝕的發生，各型船舶及海軍艦艇均會安裝犧牲陽極（SCP）或外加電流陰極保護（ICCP）裝置.船舶的轉動軸是船舶動力裝置的重要組成部分，它通過法蘭、齒輪、推力盤及一系列具有一定剛度的彈性支撐軸承等機械設備與船殼相連.由于實際船舶的轉動軸較長，雖然在設計和安裝軸系時進行了合理的校正，但轉動軸在運轉過程中，由于軸系因負荷和應力的變化而存在一定的變形，因此，軸與軸系等機械結構間的接觸電阻將隨軸的轉動而發生周期性的變化，另外，螺旋槳在轉動時也會引起其接水電阻的周期性變化，從而造成了海水中電流也跟隨著一起脈動.這種脈動電流在海水中產生的時變電場會以諧波的形式由船體向外傳播，該諧波的基頻為轉動軸轉動的速率，一般而言，用于推進的轉動軸轉速比較低，從而產生了船舶極低頻電場.

隨著人們對目標特性認識的深化，以及傳感器技術、信號處理技術和微電子技術的發展，極低頻電場作為水下目標的一種重要的物理場，成為了以電磁目標特性為信號源的新型武器的攻擊源.

2 船舶極低頻電場抑制技術

傳統的極低頻電場抑制設計思路是：通過測量船舶內部推進軸上的電流波動，在其變化瞬間，在軸上施加一個反向電流，相當于對交變電阻進行短接，以保持軸電流的恒定，從而實現對極低頻電場加以抑制.

然而，在實際各型船舶內部，考慮到推進軸直徑較大，從幾十厘米到上百厘米之間不等，而流過的軸電流為安培甚至毫安級.目前市面上幾乎沒有滿足軸電流測量所要求的大直徑、小電流傳感器，全部需要定制，成本較高；同時考慮到船舶內部空間有限，如此大體積的傳感器會給安裝帶來不便.通過對極低頻電場產生機理的深入研究可以發現，采集軸與殼的電壓（不同材質的金屬在海水中接觸發生電化學反應而產生的腐蝕電壓，一般情況下，經過一段時間，軸與殼之間的腐蝕狀態就會穩定，該電壓保持在0.3V 左右）取代軸電流同樣可以實現極低頻電場的抑制，實現起來相對容易得多，而且不需要電流傳感器，經濟成本顯著降低.

圖1 采用有源軸接地技術的極低頻電場抑制控制方案

圖1所示為采用有源軸接地技術的船舶極低頻電場抑制控制方案.圖中：虛線方框AGS為簡化的有源軸接地技術的極低頻電場抑制控制示意圖，未標記處表示軸-殼之間調制腐蝕電流的等效電路圖；Vw為腐蝕電壓；Rw為螺旋槳與船殼通過海水導通的接水電阻，其值主要由海水電導率決定；Rb為軸與軸系等機械結構間的接觸電阻，該值與螺旋槳的負載、轉速及軸與軸承之間的接觸情況相關，在軸轉動過程中發生周期性變化；Rb1為電源電刷的電阻，Rb2為測量電刷的電阻.

其基本工作原理如下：即通過檢測軸-船體電壓urf的變化，產生一個與電壓變化率Δurf成比例的抑制電流i0，該電流可以看作是一個受Δurf控制的受控電流源，并加到軸和船體兩端，可消除大軸電流的波動，從而實現極低頻電場的抑制.

3 仿真及實驗驗證

3.1 仿真分析

通過電路仿真方法，研究大軸電流抑制情況.圖2給出了按上述電流抑制方法得到的軸電阻波動時，抑制后的軸電流iw、抑制電流i0的變化曲線.

圖2 采用有源軸接地裝置后軸電流抑制情況

圖2中，交變電阻ΔRb作分段變化：（1）0～4s內，交變電阻不發生變化，在圖2b）中電流保持恒定，不發生周期性變化，電流為4.393A；（2）在4～6s時，電阻ΔRb作周期性變化，頻率為2 Hz，此時未施加抑制電流，軸電流的變化幅度為0.207A；（3）在6～8s，電阻ΔRb作周期性變化，頻率為2Hz，此時施加抑制電流，電流輸出增益β=5，此時軸電流受到一定抑制，軸電流的變化幅度為0.1A；（4）在8～10s，電阻ΔRb作周期性變化，頻率為2Hz，此時施加抑制電流，電流輸出增益β=10，此時軸電流受到明顯抑制，此時軸電流的變化幅度為0.005A.

通過對比發現，相比未采取極低頻電場抑制裝置，電流幅度下降了97.6%.

仿真試驗還表明，施加抑制電流后，回路中的直流分量有所增加，當進一步增加增益時，交流分量會出現過量抑制情況.

3.2 實驗驗證

極低頻電場的實測工作在實驗室內利用船模在水池內完成.無磁性實驗水池的長、寬、深分別為8，5，1.5m.在水池中放入0.8m 深的水，倒入海鹽，測得其電導率為3.66Ω·m-1，用來模擬海水；實驗用船模依據某型艦船按比例縮小制造，船長為1m.螺旋槳用黃銅制造，采用4片平面漿葉.船殼的材料為普通鋼板.帶動螺旋槳轉動的電機為帶減速箱菲利浦交流電機，其轉速為120r／min，對應軸頻為2Hz.將船模固定在行車架上放入海水池，使得整個螺旋槳和船殼的下半部分浸泡在海水中，螺旋槳轉軸位于水下約8cm 處.

圖3所示為采用有源軸接地裝置前后測量電場的三分量頻譜對比圖.

圖3 采用AGS裝置前后電場測量頻譜對比圖

在不起動有源軸接地試驗設備時，采用移動電場測量傳感器的方法，獲得了水下1倍船寬深度（Z=20cm），距離正橫1倍船寬（Y=-20cm）處，由X=30cm 到X=-170cm 測線上的極低頻電場三分量結果，首先將測量結果通過1～5 Hz的帶通濾波器，然后對結果進行頻譜分析，獲得了頻譜曲線，如圖3（左）所示.從電場三分量頻譜曲線上都可以清晰地看出極低頻及其倍頻存在，軸頻基頻大約為2.05Hz.

船模螺旋槳轉動時，起動有源軸接地試驗設備，抑制電流的最大值為2.1mA.采用移動電場測量傳感器的方法，獲得了水下1倍船寬深度（Z=20cm），距離正橫1倍船寬（Y=-20cm）處，由X=30cm 到X=-170cm 測線上的極低頻電場三分量結果.首先將測量結果通過1～5 Hz的帶通濾波器，然后對結果進行頻譜分析，獲得了頻譜曲線，如圖3（右）所示.從電場三分量頻譜曲線上都可以清晰地看出軸頻及其倍頻存在，軸頻基頻大約為2.05Hz.

由圖3可見，當采取有源軸接地裝置措施后，極低頻電場Ex分量2 Hz信號由原來的592μV下降到55μV，降低幅度達到90.7%，電場Ey分量由原來的326μV 下降到30μV，降低幅度達到90.8%，電場Ez分量由原來的103μV 下降到7 μV，降低幅度達到93.2%.

4 結 論

1）通過對極低頻電場關鍵量（軸-殼電壓）頻譜分析發現，加裝極低頻電場抑制裝置后，極低頻電場信號降低了90%以上，證實了該控制方案的正確性；

2）研制出的有源軸接地裝置，具有結構緊湊、操作靈活等特點，對于顯著改善各型船舶尤其是艦船的電場隱身性能具有較實用的工程價值.

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