斜航向上艦船感應磁性磁場分離方法討論

郭成豹,胡 松,王文井,殷琦琦

(海軍工程大學 電氣工程學院，湖北 武漢 430033)

現代艦船一般由鋼鐵建造，在地磁場作用下成為一個大磁體，在其周圍空間產生了艦船磁場[1-3].艦船磁場可被水中磁性兵器探測到并用于對艦船進行定位和攻擊[4-6].為了艦船的航行安全，需要對艦船磁性磁場分布進行測量和分析，采取主動和被動的消磁措施加以消除[7,8].艦船磁性磁場主要包括兩個組成部分，即固定磁性磁場和感應磁性磁場.艦船固定磁性磁場短時間內一般不隨艦船航向、姿態變化而變化，采用恒定電流的電磁線圈就可以進行補償消除；而艦船感應磁性磁場則隨著艦船航向、姿態變化而變化，需要采用相應變化電流的電磁線圈加以補償消除.因此，需要采用一定的技術手段分離艦船固定磁性磁場和感應磁性磁場.考慮到時間和方便性，通常在主航向(磁北、磁南、磁西、磁東)上進行艦船磁性磁場的檢查測量，然后根據磁北和磁南航向上的磁場測量數據可分離艦船縱向感應磁性磁場，而根據磁西和磁東航向上的磁場測量數據可分離艦船橫行感應磁性磁場.然而，有些情況下受到場地限制，艦船磁場測量只能在斜航向上進行(例如磁北偏東45°角航向).對于斜航向上艦船感應磁性磁場的分離問題，鮮有文獻進行詳細描述[9,10].然而，斜航向上艦船感應磁性磁場的分離是必不可少的教學內容，更是一個重點和難點[8-10].在教學實施過程中發現，相對于主航向上的艦船感應磁性磁場分離，斜航向上的艦船磁性磁場分離教學工作則存在不少困難.教師教學和學生學習過程中面對貌似復雜的邏輯關系，往往會產生強烈的畏難情緒，影響了教學效果的提高.本文提出，針對艦船龍骨下典型測量點的特殊情形展開分析，首先分離出斜航向上艦船縱向和橫向感應磁性磁場的總和，然后按照磁場三分量的來源實現艦船縱向和橫向感應磁性磁場的分離.按照這種特殊情形展開分析，過程將會條理清晰，邏輯性強，有利于深入理解.

1 艦船磁性狀態定義

為了便于描述艦船磁性和磁場，規定如下的艦船坐標系：以船體的幾何中心為坐標原點；x軸平行于艦船艏艉線，以指向船首為正，稱為縱向；y軸平行于甲板面且垂直于艏艉線，以指向右舷為正，稱為橫向；z軸垂直于甲板面，以向下為正，稱為垂向方向，如圖1所示.

在艦船坐標系中，可將地磁場進行分解.其中，地磁場作用在艦船上的垂向分量Zd就是地磁場垂向分量Z；地磁場水平分量H可以分解為沿艦船艏艉線方向的縱向分量Xd和沿艦船左舷到右舷方向的橫向分量Yd.如圖1所示，設艦船的磁航向角為φ(向東為正)，即艦船艏艉線方向(艦船航向)與磁北方向之間的夾角，那么可以知道地磁場在艦船坐標系中的分解關系為

圖1 地磁場在艦船坐標系中的分解

這里所說的磁航向角φ與真航向角φz以及磁偏角D之間的關系為：φ=φz-D.

顯然，在同一地點，艦船航向不同，Xd、Yd也就不同，而Zd不變.

根據艦船不同方向的磁化狀態，可將艦船總磁性分解為3部分，如圖2所示.

圖2 艦船的磁化方向

艦船縱向磁性——地磁場縱向分量Xd作用于艦船而形成的磁性，以Mx表示.這時船首和船尾分別被磁化成兩個磁極.

艦船橫向磁性——地磁場橫向分量Yd作用于艦船而形成的磁性，以My表示.這時艦船左右兩舷分別被磁化成兩個磁極.

艦船垂向磁性——地磁場垂向分量Zd作用于艦船而形成的磁性，以Mz表示.這時艦船的龍骨和甲板分別被磁化成兩極.艦船在北半球時的垂向磁化狀態，龍骨為N極，甲板為S極.

上述3種磁性都各自包括固定磁性和感應磁性2部分，分別以下腳標p和i表示.由此可得，艦船磁性可以看成是由縱向固定磁性Mpx、縱向感應磁性Mix、橫向固定磁性Mpy、橫向感應磁性Miy、垂向固定磁性Mpz和垂向感應磁性Miz，共計6種磁性所構成:

MΣ=Mx+My+Mz=
Mix+Mpx+Miy+Mpy+Miz+Mpz

其中，只有縱向感應磁性和橫向感應磁性所產生的磁場能夠通過檢測艦船不同航向上的磁場，然后計算分離得到.

2 斜航向上艦船磁性狀態分析

對于建設在磁東北-磁西南方向航道上的艦船磁場檢測設施，艦船只能以磁東北航向和磁西南航向航行通過磁傳感器陣列上方，如圖3所示.設艦船首先以磁航向角φ沿著磁東北方向航行通過磁傳感器陣列，然后以沿著軌跡反向沿著磁西南方向航行通過磁傳感器陣列，兩個航向相差180°.

圖3 艦船在磁東北-磁西南航向上進行磁場測量

在磁東北航向時，艦船上所作用的地磁場分量(如圖3左下所示)和磁性狀態可表述為下兩式

+Mixcosφ+Mpx-Miysinφ+Mpy+Miz+Mpz

(1)

在磁西南航向時，艦船上所作用的地磁場分量(如圖3右上所示)和磁性狀態可表述為下兩式：

-Mixcosφ+Mpx+Miysinφ+Mpy+Miz+Mpz

(2)

磁東北與磁西南航向的磁性狀態進行對比，由式(1)和(2)相減，可得艦船縱向和橫向感應磁性:

Mixcosφ-Miysinφ=(MNE-MWS)/2

3 艦船縱向感應磁性磁場特征分析

Mix所產生的磁力線從船首離開船體，然后從船尾回到船體.由于艦船具有良好的左右對稱性，造成了艦船的縱向感應磁性磁場分布具有很大程度上的左右對稱性，包括縱向分量Xix、橫向分量Yix和垂向分量Zix皆為左右對稱,如圖4所示.

圖4 艦船縱向感應磁性磁場特征分布

在艦船中剖面龍骨下方某深度的典型測量點上，Mix所產生的磁場分布僅有縱向分量Xix和垂向分量Zix，如圖4、圖5所示.Xix分量的縱向特性在艦船中剖面龍骨下方取得最大絕對值，向首尾逐漸減小至負值；Yix為零；Zix分量的縱向特性則以艦船中剖面形成反對稱，最大值出現在首尾附近，在艦船中點附近為零.

圖5 Mix在艦船龍骨下典型測量點產生的3分量磁場

4 艦船橫向感應磁性磁場特征分析

同理，艦船具有良好的左右對稱性，橫向磁性磁場分布具有很大程度上的左右(反)對稱性，包括縱向分量Xiy左右反對稱；橫向分量Yiy左右對稱；而垂向分量Ziy左右反對稱.

在艦船龍骨下的典型磁場測量點上，艦船橫向感應磁性Miy所產生的磁場分布僅有縱向分量Yiy，如圖6、圖7所示.Yiy分量的縱向特性在艦船中剖面龍骨下方取得最大絕對值，向首尾逐漸減小至零；Xiy、Ziy為零.

圖6 艦船橫向磁性磁場特征分布

圖7 Miy在艦船龍骨下所產生的三分量磁場

5 斜航向上艦船縱向和橫向感應磁性磁場分離

根據磁東北與磁西南航向的艦船磁場測量值,可以得到艦船的縱向和橫向感應磁性總和Mixcosφ-Miysinφ在艦船龍骨下典型測量點上所產生的磁場特征分布，如圖8所示.所得到磁場縱向分量X[Mixcosφ-Miysinφ]和垂向分量Z[Mixcosφ-Miysinφ]是由Mixcosφ產生；橫向分量Y[Mixcosφ-Miysinφ]是由-Miysinφ產生.

圖8 Mixcos φ-Miysin φ艦船龍骨下產生的3分量磁場

所需要得到的艦船縱向感應磁性Mix在龍骨下測量點上的磁場3分量為

同理，艦船橫向感應磁性Miy在龍骨下測量點上的磁場三分量為

至此，實現了斜航向上左右對稱艦船縱向和橫行感應磁性磁場的分離.

6 結語

為了解決斜航向上艦船感應磁性磁場分離的教學難點，提出了針對艦船龍骨下典型測量點上磁場特征特殊情形展開分析的方法.利用兩個相差180°的斜航向上磁場測量數據，分離出艦船縱向和橫向感應磁性磁場的總和.對于左右對稱的艦船，在艦船龍骨下典型測量點上，艦船縱向和橫向感應磁性的總和所產生磁場的縱向和垂向分量來源于縱向感應磁性，磁場的橫向分量來源于橫向感應磁性.利用上述特性，最終實現了斜航向上艦船縱向和橫向感應磁性磁場的分離.針對這種特殊情形展開分析，過程條理清晰，邏輯性強，有利于理解和掌握．