基于ROV的艦船磁場測量方法

曹軍宏, 劉 飛

基于ROV的艦船磁場測量方法

曹軍宏, 劉 飛

(中國人民解放軍92942部隊, 北京, 100161)

針對目前艦船磁場測量方法靈活性較低、機動性較差的問題, 提出了一種基于水下遙控航行器(ROV)的艦船磁場測量方法。文中設計了ROV測磁系統總體集成方案, 即將ROV模塊、磁測量模塊、聲學定位模塊集成在一個系統中。其中, 磁測量模塊采用2個磁場測量傳感器同時進行測量以提高精度, 為了實現ROV的精準定位, 采用多點水下聲學定位方法。隨后, 對該測磁系統的軟件進行了設計和調試, 包括接收磁場信息與聲學信息、解算ROV位置、存儲測量數據等。最后, 使用布有電磁線圈的鐵制平臺模擬水面艦船, 對設計的ROV測磁系統進行水中測試, 電磁線圈通電前后, 測量得到的龍骨磁場總量特征具有相同的變化趨勢, 并且電磁線圈的分量磁場測量值相對于理論值的測量誤差為5.66%, 表明所提方法具有很高的可靠性。

艦船; 磁場測量; 水下遙控航行器; 水聲定位

0 引言

水面艦船主要是由鋼材構成, 而且艦船上也分布有大量的鋼鐵設備, 在航行過程中由于地球磁場的作用會產生一定的感應磁場[1]。艦船在航行過程中, 其本身的磁場信息會誘發(fā)預置在水底的磁引信水雷、魚雷發(fā)生爆炸, 進而對艦船產生極大的殺傷力[2]。為了提升艦船的安全系數, 避免磁引信水下武器對艦船的損傷, 需要艦船具有很強的磁隱身能力。要評估艦船磁隱身水平, 就必須對艦船磁場空間分布進行精確測量。

目前艦船磁場測量方式主要有2種, 一種是在固定的消磁站中進行測量, 另一種是在近海海底布放的動態(tài)磁性測量站中進行測量, 依據測得的磁場信息決定是否需要進行消磁處理。這2種測量方式都是在水底固定一系列的磁傳感器進行測量, 具有較高的測量精度, 但是必須要求艦船航行到消磁站或者動態(tài)磁性測量站進行磁場測量, 這樣不僅花費了大量的時間和能源, 而且限制了艦船磁場測量的范圍和靈活性。因此, 開展機動靈活而又精準的艦船磁場測量方法研究具有十分重要的軍事意義。

無人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)作為一種海洋勘探的重要平臺, 近些年來受到了世界各國的廣泛重視。UUV通過搭載多種傳感器, 可以應用于海洋調查、情報探測等軍事和民用領域[3]。目前, UUV已經被廣泛應用于海底沉積物聲學特征的測量[4], 石油泄露后水質樣本的采集[5], 冰層覆蓋下海底地圖的繪制[6]等領域。基于上述應用, 可以考慮使用UUV搭載磁場傳感器對水面艦船的磁場特征進行測量。

2012年起, Walker等[7-9]開始使用自主式水下航行器(autonomous undersea vehicle, AUV)搭載三軸磁力計的方式, 對航行中的水面艦船的磁場特征進行測量, 通過安裝在AUV內部的聲學應答器和固定在水底的聲學應答器配合完成AUV的聲學定位。在這種測量方式中, 磁力計與AUV之間緊密接觸, AUV的干擾磁場對磁力計的影響過大, 增加了去除AUV干擾磁場的難度, 而且所采用的磁力計相較于光泵探頭測量精度較差。Dhanak等[10]使用AUV拖曳磁力計對海底磁場信息進行測量研究, 這種測量方式避免了AUV干擾磁場對磁力計測量結果的影響, 但是由于拖曳纜會隨著洋流的作用而發(fā)生移動, 因此這種測量方式無法對艦船磁場進行精確測量。2014年, Hrvoic等[11]將磁力計與AUV配對, 并將該AUV測磁系統部署在加拿大多倫多附近的淺水區(qū)域進行水下磁場數據測量, 識別出了水下金屬目標的位置。2018年, Jung等[12]使用自主水面航行器(autonomous surface vehicle, ASV)搭載磁力計對水下磁場環(huán)境進行了測量, 不過這種測磁系統通過GPS進行定位, 因此ASV只能在水面對艦船磁場進行測量, 無法獲取比較詳實的艦船磁場特征。我國對于UUV以及海洋磁力儀相關的研究相對滯后, 使用UUV搭載磁力儀進行水下磁場特征測量的報道也較少, 邊剛等[13]使用Iver2型AUV拖曳海洋磁力計對海洋磁場數據進行測量, 并與船磁測量數據進行對比, 研究了AUV拖曳式海洋磁力計測量的噪聲檢測、位置歸算等技術。

上述都是基于AUV或ASV的磁場測量系統, AUV可以自主地在水下按照預定的航線攜帶磁力計進行測量, 但是其電池能夠提供的能源是固定的, 因此也限制了其負載能力以及作業(yè)時間。遙控水下航行器(remotely operated vehicle, ROV)拖帶一根可以通信和供電的零浮力線纜, 所以無需擔心能耗問題, 增加了其負載能力和作業(yè)時間, 而且ROV航行的靈活性較好, 可以隨時糾正其航行路線, 截至目前, 還未查詢到國內有使用基于ROV的測磁系統對艦船磁場進行測量的公開報道。基于此, 文中設計了一種ROV測磁系統, 該系統機動性高, 作業(yè)方式靈活, 可以在大多數水域開展水面艦船的測磁作業(yè)。

1 系統集成設計

ROV測磁系統主要是將ROV模塊、磁場測量模塊和水聲定位模塊結合起來, 通過ROV實現一定范圍的機動航行, 通過磁場測量模塊實現對目標物磁場特征的高精度測量, 通過水聲定位模塊實現ROV的精準定位, 充分發(fā)揮各個模塊的優(yōu)勢。

1.1 ROV模塊

ROV模塊主要由航行器本體、地面操控箱和零浮力纜線組成。其中, 航行器本體部分包括耐壓艙體、照明和觀測模塊、傳感器監(jiān)測系統、推進系統、控制系統和通信系統等; 地面操控箱包括顯示屏、操作手柄、狀態(tài)指示、導航定位系統、數據采集和軟硬件處理系統等; 纜線用來連接地面操控臺和ROV本體, 地面操控臺通過臍帶纜將控制指令發(fā)送給ROV本體。ROV通過零浮力線纜從母船獲取電力, 所以在水下的作業(yè)時間較長, 且具有優(yōu)良的深度和航向鎖定功能。ROV模塊結構示意圖如圖1所示, 技術指標見表1。

圖1 ROV模塊結構示意圖Fig. 1 Structure diagram of the ROV module

1.2 水聲定位模塊

為實現ROV模塊的水下精確定位, 文中采取多點水下聲學定位方案, 使用3個聲學鳥組成聲學網絡進行ROV的位置解算, 即在一個二維平面上, 已知2個固定點的坐標和3個點彼此間的距離, 再根據幾何關系求解出目標點的坐標。

如圖2所示, 聲學鳥、和在同一平面內互相連接組成一個封閉的三角形, 建立圖中所示的平面直角坐標系。其中, 聲學鳥、固定在艦船的同一側, 兩點的坐標分別為(X,Y)、(X,Y), 則聲學鳥、兩點的距離R可以求解得出, 聲學鳥跟隨ROV一起航行。

=0時, 聲學鳥向和發(fā)射段聲波, 其后的某個時刻, 聲學鳥接收到聲波, 并向外發(fā)射段聲波, 當=1,2時, 聲學鳥和分別接收到聲波。然后按照式(1)計算出聲學鳥和之間的距離, 按照式(2)計算出聲學鳥和之間的距離R, 按照式(3)計算出聲學鳥的坐標(X,Y)。其中為聲波在海水中的傳播速度。

1.3 磁場測量模塊

磁場測量模塊主要由磁通門傳感器、高靈敏度銫光泵探頭、慣導傳感器、數據采集器以及數據處理平臺組成(如圖3所示)。其中, 銫光泵探頭量程范圍為–10 000～10 000 nT, 分辨率為0.1 nT; 磁通門傳感器的量程范圍為–80 000～80 000 nT, 分辨率為1 nT, 磁傳感器使用的環(huán)境條件為–40℃～85℃, 相對濕度為20%～90%。數據采集器將各外接傳感器信號采樣后, 進行本地存儲或通過數傳發(fā)送。數據采集器輸入電源為18～36 V直流, 其他外界模塊的供電均通過數據采集器穩(wěn)壓后供電。當外接一個銫光泵探頭時, 設備整機功耗約30 W。整個測磁模塊總質量不超過3 kg, 是ROV測磁系統上比較理想的選擇。

在綜合考慮水下機動性、流體力學性能、運動穩(wěn)定性、精準定位及精確測磁功能的基礎上, 采取開架式布局, 集成后的ROV測磁系統如圖4所示。測磁系統總共分為3層, 考慮航行穩(wěn)定性, 將浮力較大的數據采集器儀器艙安裝在第1層, 將重力較大的聲學模塊放置在最下層, 將提供動力的ROV放置在中間層。

圖3 磁場測量模塊

圖4 ROV測磁系統

1.4 ROV干擾磁場去除

由于ROV部分組件為金屬材質, 其本身具有一定的磁性, 尤其是推進器電機所在位置的磁場最強, 如果將磁場傳感器布放在ROV上, 那么在測量過程中, ROV中的高頻設備, 例如電源、電機和電子設備等會產生一定的干擾磁場, 對磁傳感器的測量結果有一定的影響。

為了降低ROV自身干擾磁場的影響, 要求銫光泵探頭與ROV之間距離不少于2 m, 磁通門傳感器與ROV之間距離不少于1 m。因此, 該方案確定在ROV下方的縱軸方向安裝長度為2.5 m的測量探桿, 磁通門傳感器密封電子艙和銫光泵探頭密封電子艙通過測量探桿固定在ROV的前面, 這種結構布局減小了ROV本體磁場對光泵探頭和磁通門傳感器測量精度的影響。同時, 將ROV的其余組件盡量更換為無磁或弱磁材料, 如光泵探頭密封電子艙和磁通門傳感器密封電子艙均采用塑料材質, 測量探桿采用鋁合金材質, ROV的控制艙和數據采集器密封電子艙采用全鋁材質, 所有連接部件均使用非磁性黃銅螺栓。降低了ROV干擾磁場對磁傳感器測量結果的影響。

2 軟件設計

ROV測磁系統的軟件主要包括磁場數據接收、聲學數據接收、ROV位置解算以及數據存儲。磁場測量模塊中的數據采集器將磁場數據和慣導數據信息進行數據融合后, 以數據包的形式發(fā)送給水面監(jiān)控計算機。聲學信息則是由聲學鳥的控制箱融合后發(fā)送到水面監(jiān)控計算機。在數據接收過程中, 通過判斷接收的字符數以及數據包的起始/結束標識位來確定數據包是否接收完整。

為了對ROV進行實時監(jiān)督與控制, 需將接收到的聲學信息按照式(3)計算, 求出ROV當前的坐標位置, 通過界面觀察偏航方向, 從而控制ROV的航向, 使其精確地完成磁場測量工作。在磁場數據以及定位數據保存過程中, 以每個數據包為基準進行存儲, 即每個數據包為單獨一行, 不同數據包之間以回車換行作為結束。圖5為ROV的位置實時顯示界面圖。

圖5 ROV位置實時顯示界面

ROV測磁系統的軟件部分主要采用 LabView 開發(fā)平臺進行編寫, 系統能夠通過用戶數據包協議(user datagram protocol, UDP)對磁場信息、水聲定位數據和慣導數據進行接收處理, 并按照要求進行顯示、處理和存儲操作。

3 測試試驗

為驗證測磁方案的可行性和有效性, 采用圖6所示的水面試驗平臺為測試對象, 對文中設計的ROV測磁系統進行試驗驗證。以圖中所示的水面平臺模擬艦船, 將水面平臺通過4根綁有錨的繩索固定在水面, 在平臺上放置工作臺, 在平臺的同一側固定2個支架, 并將2只聲學鳥通過支架吊放于水下, ROV測磁系統與2只聲學鳥位于同一平面內, 3只聲學鳥在同一平面內組成聲學網絡。

水面平臺的俯視示意圖如圖7所示。水面平臺本身所攜帶的感應磁場特征是不變的, 測試平臺上布有20匝電磁線圈, 電磁線圈通電后會產生穩(wěn)定的磁場特征, 同時平臺上還布置了1臺發(fā)電機給電磁線圈供電。測試平臺前方的凹槽結構便于ROV的下水及回收。

圖6 水面試驗平臺

圖7 水面平臺俯視示意圖

試驗內容主要分為兩部分: 一是在平臺上電磁線圈未通電的情況下, 測量平臺龍骨下方的磁場特征; 二是在電磁線圈通電后, 測量平臺和電磁線圈在龍骨下方的疊加磁場。通過分析比較2種情況下的磁場特征曲線, 驗證所提航行測磁功能。

平臺電磁線圈未通電情況下, ROV測磁系統穿越平臺龍骨時, 使用銫光泵探頭測量得到的磁場總量特征如圖8所示, 測量深度為水下4 m, 穿越方向沿著圖7中軸所示負方向。

由圖8可知, 在控制ROV測磁系統由遠處航行逐漸接近平臺凹槽的過程中, 磁場總量測量值先有一個減小的趨勢, 這是因為試驗測試平臺前方的凹槽結構所致。隨后, 測磁系統航行到實驗平臺龍骨下方, ROV在龍骨下方航行至平臺中央位置過程中, 磁場總量測量值持續(xù)增加, 在平臺龍骨中間點附近達到最大值, 這是因為測試平臺的磁場在龍骨中間點附近疊加的磁場值最大。而后在ROV測磁系統逐漸遠離平臺龍骨中間點的過程中, 測量得到的磁場總量逐漸減小。

圖8 電磁線圈通電前磁場總量特征測量結果

平臺電磁線圈施加30 A直流電后, ROV測磁系統在相同水深穿越平臺龍骨, 使用銫光泵探頭測量得到的磁場總量特征如圖9所示。由圖9可知, 在控制ROV測磁系統由遠處接近平臺的過程中, 磁場總量測量值也是先有一個減小的趨勢。當ROV在龍骨正下方行駛至平臺中央位置過程中, 磁場總量測量值持續(xù)增加, 在平臺龍骨中間點附件達到最大值, 這是因為測試平臺和電磁線圈的磁場在龍骨中間點附近疊加的磁場值最大, 而后在ROV測磁系統逐漸遠離平臺龍骨中間點的過程中, 測量得到的磁場總量逐漸減小。

觀察圖8和圖9可以發(fā)現, 在電磁線圈通電前后, 使用ROV測磁系統測量得到的磁場總量具有相同的變化趨勢, 證明了ROV測磁系統磁場測量功能的可靠性。

圖9 電磁線圈通電后磁場總量特征測量結果

為便于觀察, 將電磁線圈通電前后使用磁通門傳感器測量得到的磁場分量進行比較, 如圖10所示。由圖可知, 在電磁線圈通電前, ROV測磁系統測量得到的分量磁場最大值為36150 nT, 在電磁線圈通電后, 測量得到的分量磁場最大值為49660 nT, 從而可以計算得到電磁線圈磁場測量值為13510 nT。通過計算可得電磁線圈在龍骨下方4 m處產生的磁場理論值最大為14 320 nT, 從而可以得到電磁線圈磁場的測量絕對誤差值為810 nT, 測量值相對于理論值的測量誤差為5.66%。電磁線圈磁場測量值與理論值之間的相對誤差表明, 文中提出的ROV磁場測量系統對水面艦船磁場的測量具有很高的精度。

圖10 電磁線圈通電前后磁場Z分量特征測量結果

4 結束語

文中分析了水面艦船磁場特征測量的重要性, 針對傳統磁場測量方式的局限性, 提出了使用ROV搭載磁力計進行磁場測量的方案, 開展了基于ROV的艦船磁場測量系統總體方案設計和結構布局設計, 結合磁場測量任務需求完成了ROV模塊、磁場測量模塊和聲學定位模塊的硬件集成設計, 進行了ROV干擾磁場的處理, 并完成了磁場數據接收處理、聲學定位數據接收處理、ROV位置解算的軟件設計及調試。最后, 以鐵制平臺模擬水面艦船, 對所設計的ROV測磁系統進行了水中測試, 平臺電磁線圈通電前后, 測量得到的龍骨磁場總量特征具有相同的變化趨勢。將電磁線圈的分量磁場測量值與理論值進行對比, 發(fā)現測量誤差為5.66%, 表明了所提ROV磁場測量系統對水面艦船磁場特征的測量具有很高的可靠性。

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Magnetic Field Measurement Method Based on Remotely Operated Vehicle

CAO Jun-hongLIU Fei

(Unit 92942th, the People’s Liberation Army China, Beijing 100161, China)

The existing magnetic field measurement method of a ship has the problems of low measurement flexibility and poor maneuverability. To address these problems, this study proposes a method for measuring the magnetic field of ships based on an underwater remotely operated vehicle (ROV). In this study, an overall integration scheme of the ROV magnetic measurement system is designed. That is, the ROV module, magnetic measurement module, and acoustic positioning module are integrated into one system. The magnetic measurement module uses two magnetic field sensors to measure simultaneously for improved measurement accuracy. In order to achieve precise positioning of the ROV, a multi-point underwater acoustic positioning method is adopted. The software of the ROV magnetic measurement system is designed and debugged, including receiving magnetic field information and acoustic information, calculating the ROV position, and storing measurement data. Finally, an iron platform with electromagnetic coils is used to simulate a surface ship to test the designed ROV magnetism measurement system in water. Before and after the electromagnetic coil on the platform is energized, the characteristics of the total magnetic field of the platform’s keel obtained via the measurement had the same changing trend. The measurement error of the-component magnetic field measurement value of the electromagnetic coil relative to the theoretical value is 5.66%, which indicates that the ROV magnetic field measurement system proposed in this paper has high reliability in the magnetic field measurement of the surface ship.

ship; magnetic field measurement; remotely operated vehicle(ROV); acoustic positioning

U665.18; TM937

A

2096-3920(2021)06-0754-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.016

曹軍宏, 劉飛. 基于ROV的艦船磁場測量方法[J]. 水下無人系統學報, 2021, 29(6): 754-759.

2021-03-02;

2021-03-30.

國家重點研發(fā)計劃(2016YFC0301700).

曹軍宏(1979-), 男, 博士, 工程師, 主要研究方向為艦船消磁.

(責任編輯: 許 妍)