一種水下電磁場(chǎng)仿真的混合編程方法?

嵇 斗 單潮龍 朱武兵（海軍工程大學(xué)武漢430033）

一種水下電磁場(chǎng)仿真的混合編程方法?

嵇 斗 單潮龍 朱武兵
（海軍工程大學(xué)武漢430033）

船體腐蝕和防腐產(chǎn)生的水下軸頻電磁場(chǎng)一般采用時(shí)諧偶極子建模。建立了多源軸頻電場(chǎng)模型，給出了電磁場(chǎng)表達(dá)式。為了仿真分析需要，采用基于Matlab和Labview混合編程的方法并給出了編程步驟，混合編程方法兼顧了Matlab的計(jì)算性能和Labview界面表現(xiàn)能力，易于后續(xù)開(kāi)發(fā)使用，最后給出了仿真結(jié)果。

電磁場(chǎng)；數(shù)學(xué)模型；混合編程；仿真分析

Class Num ber TP391

1 引言

水下電磁場(chǎng)是一種重要的艦船物理場(chǎng)［1~2］，其來(lái)源復(fù)雜，從產(chǎn)生機(jī)理來(lái)看，可以分為腐蝕相關(guān)電磁場(chǎng)、運(yùn)動(dòng)感應(yīng)電磁場(chǎng)、輻射電磁場(chǎng)等，其中極低頻艦船軸頻電磁場(chǎng)傳播距離遠(yuǎn)、信號(hào)衰減慢，能夠被遠(yuǎn)程探測(cè)和利用［3］，具有較大的威脅。開(kāi)展艦船水下電磁場(chǎng)理論研究和技術(shù)應(yīng)用，常常通過(guò)仿真分析和試驗(yàn)分析等手段［4~5］。腐蝕相關(guān)電磁場(chǎng)可采用有限元或邊界元法建模，比較適合于處理復(fù)雜界面情況，也能反映艦船參數(shù)變化對(duì)場(chǎng)的影響，但是需要了解艦船的參數(shù)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)、建模復(fù)雜、工作量大，對(duì)解題規(guī)模和實(shí)時(shí)性要求產(chǎn)生較大限制［6］。艦船電磁場(chǎng)的電偶極子模型建模簡(jiǎn)單、實(shí)用、計(jì)算量小，用于對(duì)目標(biāo)探測(cè)、定位研究，文獻(xiàn)［7］在軸頻電場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)定的基礎(chǔ)，采用電偶極子模型對(duì)運(yùn)動(dòng)艦船的軸頻電場(chǎng)進(jìn)行建模與仿真，并通過(guò)Matlab軟件環(huán)境編制的程序?qū)崿F(xiàn)了仿真試驗(yàn)。Matlab軟件帶有功能齊全的函數(shù)庫(kù)，在數(shù)值計(jì)算方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但是其操作性和可視化效果不強(qiáng)。文獻(xiàn)［8］利用LabView軟件設(shè)計(jì)了腐蝕相關(guān)靜態(tài)電場(chǎng)及軸頻電場(chǎng)的測(cè)量系統(tǒng)的人機(jī)界面，操作直觀簡(jiǎn)便。本文根據(jù)水下電磁場(chǎng)仿真的實(shí)際要求，集成了Matlab的數(shù)值計(jì)算優(yōu)勢(shì)和LabView的界面的人性化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了良好的可視化效果和計(jì)算性能。

2 水下多源軸頻電磁場(chǎng)模型

采用數(shù)學(xué)模型對(duì)艦船軸頻電磁場(chǎng)進(jìn)行建模，是研究軸頻電磁場(chǎng)在海水中傳播規(guī)律的基礎(chǔ)。由于艦船軸頻電磁場(chǎng)是與螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)制流經(jīng)主軸的腐蝕和防腐電流有關(guān)，軸頻電磁場(chǎng)的場(chǎng)源可看成是一個(gè)電流時(shí)諧變化的回路在海水中產(chǎn)生的，從較遠(yuǎn)范圍來(lái)看，該場(chǎng)源與一個(gè)時(shí)諧偶極子電場(chǎng)分布相同［3］。在一定區(qū)域范圍內(nèi)，海水和海床環(huán)境可以看作是均勻、線性的導(dǎo)電媒質(zhì)。因此，艦船在海水中固定場(chǎng)點(diǎn)產(chǎn)生的軸頻電磁場(chǎng)可以通過(guò)在均勻、線性導(dǎo)電介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)諧偶極子產(chǎn)生的電磁場(chǎng)來(lái)模擬。在線性媒質(zhì)中，媒質(zhì)電磁參數(shù)不隨時(shí)間變化，當(dāng)場(chǎng)源隨時(shí)間按照正弦規(guī)律變化時(shí)，產(chǎn)生時(shí)諧電磁場(chǎng)。在軸頻電磁場(chǎng)建模過(guò)程中，通常把一支螺旋槳產(chǎn)生的軸頻電場(chǎng)用一個(gè)時(shí)諧電偶極子進(jìn)行建模；對(duì)于單船多槳或多個(gè)艦船的情況，可以看作是多源軸頻電磁場(chǎng)，采用多個(gè)相互獨(dú)立的時(shí)諧電偶極子來(lái)對(duì)艦船的軸頻電磁場(chǎng)進(jìn)行模擬，這些相互獨(dú)立的時(shí)諧偶極子的角頻率由各個(gè)螺旋槳的不同轉(zhuǎn)速確定。

對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)諧電偶極子產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的求解一般可以采用兩個(gè)步驟來(lái)進(jìn)行［7］，第一步，以時(shí)諧電磁場(chǎng)的麥克斯韋方程為基礎(chǔ)，建立兩層/三層海水模型下的矢量磁位邊值問(wèn)題，把運(yùn)動(dòng)時(shí)諧偶極子視為某一時(shí)刻靜止于某位置處，并求出該時(shí)諧偶極子在固定場(chǎng)點(diǎn)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)；第二步，利用狹義相對(duì)論的洛侖茲變換得出運(yùn)動(dòng)時(shí)諧偶極子在固定場(chǎng)點(diǎn)處的電磁場(chǎng)。

假設(shè)在海水中A(x0，y0，z0)處存在單個(gè)水平時(shí)諧電偶極子，其在水下某點(diǎn)R(x1，y1，z1)處產(chǎn)生的電磁場(chǎng)頻域值水平分量可以寫(xiě)為［9~10］

式（1）~（2）中，μ為磁導(dǎo)率，ω為角頻率，Il為偶極子的極矩，σ為介質(zhì)的電導(dǎo)率，θ為r在xoy平面上的投影與x軸的夾角，r=(x1-x0)2+(y1-y0)2，=-jωμσi+ω2μεi，(i=0，1)為傳播常數(shù)，J0，J1為零階和1階第一類(lèi)Bessel函數(shù)，

假設(shè)單個(gè)時(shí)諧電偶極子的初相位為φ1，t時(shí)刻的頻域值的相角用ψ表示，則t時(shí)刻在某點(diǎn)產(chǎn)生的時(shí)諧電磁場(chǎng)水平分量的時(shí)域值為

式（3）~（4）中，ψE1x、ψB1x分別為水平分量電、磁場(chǎng)頻域值的相位角。

對(duì)于多源軸頻電磁場(chǎng)的n個(gè)時(shí)諧電偶極子，其頻率、相位分別為ωi、φi，（i=0，1，2，…，n）。在某點(diǎn)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)水平分量的時(shí)域表達(dá)式為

這里以時(shí)諧電偶極子的水平分量為例說(shuō)明了多源軸頻電磁場(chǎng)的建模方法，其他分量情況可參考文獻(xiàn)［3，7］按相同方法寫(xiě)出相應(yīng)的表達(dá)形式，這里不再贅述。

3 水下軸頻電磁場(chǎng)仿真混合編程方法

3.1 多源偶極子的時(shí)諧電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算

水下多源軸頻電磁場(chǎng)模型建立了在t時(shí)刻單個(gè)時(shí)諧偶極子在固定場(chǎng)點(diǎn)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)頻域值和時(shí)域值、多個(gè)時(shí)諧電偶極子在固定場(chǎng)點(diǎn)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)頻域值和時(shí)域值等表達(dá)式，為求解多源水下電磁場(chǎng)的數(shù)值解提供依據(jù)，圖1給出了水下多源軸頻電磁場(chǎng)數(shù)值仿真的計(jì)算過(guò)程，本文采用了Matlab語(yǔ)言編制了計(jì)算程序。

3.2 仿真計(jì)算的混合編程方法

為了編程過(guò)程中方便地利用Matlab強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能，LabView提供了與Matlab進(jìn)行通信的Matlab Script節(jié)點(diǎn)［11］。文獻(xiàn)［12］對(duì)Matlab和LabView混合編程的方法進(jìn)行了綜述，比較和分析了幾種混合編程方法，直接調(diào)用Matlab Script腳本節(jié)點(diǎn)的方法，編程簡(jiǎn)便易實(shí)現(xiàn)，但執(zhí)行的速度較慢，且不能脫離Matlab環(huán)境，影響了程序的效率和適用范圍；利用COM組件技術(shù)進(jìn)行電磁場(chǎng)計(jì)算，提高了仿真程序的執(zhí)行效率，并可直接生成執(zhí)行文件從而脫離LabView環(huán)境，提高了程序的使用范圍。

這里通過(guò)調(diào)用COM組件，把仿真需要的相關(guān)參數(shù)賦給Matlab Script節(jié)點(diǎn)，通過(guò)Matlab的后臺(tái)程序運(yùn)行計(jì)算時(shí)諧電磁場(chǎng)的時(shí)域值［13］，實(shí)現(xiàn)了基于Matlab和LabView的混合編程的方法，見(jiàn)圖2所示。

通過(guò)COM組件技術(shù)實(shí)現(xiàn)軸頻電磁場(chǎng)的仿真的具體步驟如下：

1）根據(jù)計(jì)算表達(dá)式，編制多源偶極子的時(shí)諧電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算程序，生成“.m”文件；

2）采用的合適的編譯器，用Function關(guān)鍵字定義聲明所要生成COM組件的“.m”文件，并進(jìn)行調(diào)試和編譯；

3）添加應(yīng)用程序所需包含的用戶(hù)和系統(tǒng)文件生成文件包，并完成組件注冊(cè)，生成ActiveX客戶(hù)端可調(diào)用的COM組件；

4）利用LabView軟件構(gòu)建仿真主程序，引用定義好的COM組件，實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)仿真計(jì)算功能。圖3給出了時(shí)域仿真的結(jié)果。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)多源水下電磁場(chǎng)研究需要，首先建立了多源水下時(shí)諧電磁場(chǎng)的模型，根據(jù)模型中的電磁場(chǎng)表達(dá)式，編制計(jì)算程序。基于Matlab和LabView混合編程方法在可視化方面具有一定優(yōu)勢(shì)，本文通過(guò)調(diào)用Matlab Script節(jié)點(diǎn)和基于COM組件技術(shù)的混合編程方法，實(shí)現(xiàn)了多源電磁場(chǎng)計(jì)算仿真，程序可以作為水下軸頻電磁場(chǎng)仿真程序的一部分，具有較好的擴(kuò)展性。

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Sim u lation EF Field of Ship by Using of A Fixed Program M ethod

JIDou SHAN Chaolong ZHUW ubing
（Naval University of Engineering，Wuhan 430033）

Corrosion currentof ship produces EM field in sea water.Ship?s shaft-rate（SR）electromagnetic（EM）field can be simulated bymoving time-harmonic electric dipole in seawater.Themodelof ships?SR EM field withmutiple propellers and a se?ries of general expressions of EM field is carried out.By using fixed program of LabView and Matlab，it realize the visualization of simulation.This fixed program can bea partof the program of SR field ofship.This indicates theeffectivenessof the simulation。

EM fields，model，fixed program method，simulation analysis

TP391 DO I：10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.017

2016年11月6日，

2016年12月11日

國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目（編號(hào)：4010308020401）資助。

嵇斗，男，碩士，副教授，研究方向：電磁環(huán)境與防護(hù)技術(shù)。單潮龍，男，博士，教授，研究方向：電工理論與電磁兼容。朱武兵，男，博士研究生，研究方向：電磁場(chǎng)建模分析。