劉大明 劉勝道 肖昌漢 周國華 王昭

（海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院， 武漢 430033）

鋼鐵制成的艦艇在其周圍會產(chǎn)生磁場，這些磁場成為了水中磁性武器攻擊的信號源及反潛飛機進行空中磁探的探測源。艦艇磁場包括固定磁場和感應(yīng)磁場，艦艇必須定期到消磁站進行退磁處理以消除其大部分固定磁場，由于感應(yīng)磁場隨艦艇的航向、緯度和姿態(tài)的改變而改變，因此，必須在艦艇上加裝消磁系統(tǒng)進行實時補償控制。

傳統(tǒng)的“開環(huán)”消磁（open-loop degaussing，簡稱OLDG）系統(tǒng)通過直接測量或數(shù)學(xué)模型的計算得到作用在艦艇上的地球磁場，然后根據(jù)艦艇感應(yīng)磁場與地球磁場的關(guān)系進行消磁系統(tǒng)電流的控制，因此它僅能實時補償艦艇的感應(yīng)磁場。對退磁處理后的剩余固定磁場，通過在固定補償繞組中通一恒定的電流來補償，因此不能補償因艦艇“固定磁性”的改變而產(chǎn)生的異常磁場，而由于海浪的沖擊、武器發(fā)射及地球磁場的緩慢作用等，艦艇的固定磁場必然要發(fā)生變化，這就導(dǎo)致了艦艇的磁暴露危險。

為了彌補這一缺陷，世界各主要海軍國家紛紛研制或裝備閉環(huán)消磁（closed-loop degaussing，簡稱CLDG）系統(tǒng)。所謂閉環(huán)消磁，就是在艦艇內(nèi)部特征部位布置一定數(shù)量的傳感器，利用磁場測量數(shù)據(jù)，建立艦艇外部空間磁場的數(shù)學(xué)模型并計算目標(biāo)深度或高度上的磁場值，然后根據(jù)預(yù)先保存在計算機存儲器中的消磁繞組效率，優(yōu)化計算出在目標(biāo)深度或高度上的磁性達到最小的消磁繞組中的電流值，并進行實時調(diào)整，使得艦艇外部目標(biāo)深度或高度上的總磁場達到最小。其中如何從船上測得磁場數(shù)據(jù)并準(zhǔn)確推算船外磁場是構(gòu)建閉環(huán)消磁系統(tǒng)的核心技術(shù)。

1 閉環(huán)消磁國外研究現(xiàn)狀

CLDG的研究始于二十世紀(jì)九十年代初，當(dāng)時美國馬里蘭州的海軍水面作戰(zhàn)中心與法國GESMA合作研制反水雷艦艇閉環(huán)消磁系統(tǒng)[1]。法國采用其“Cybele”級掃雷艦作為閉環(huán)消磁系統(tǒng)的測試平臺，美國則采用其“Avenger”級掃雷艦作為測試平臺。對于法國海軍來說，由于缺乏可用的磁場測量設(shè)施，他們選擇使用有限元這種數(shù)字建模技術(shù)作為研究方法；美國海軍則選擇使用經(jīng)驗方法，即采用物理模型和傳感器測量來建立閉環(huán)消磁算法[2]。1994年，美國查爾斯頓海軍船廠在“Avenger”級十號艦，即“勇士”號(MCM-10)上安裝了第一套閉環(huán)消磁系統(tǒng)樣機，通過海上試驗對該系統(tǒng)進行進一步的研究和開發(fā)[3]。后來，美國又將目光轉(zhuǎn)向了鋼殼艦艇閉環(huán)消磁系統(tǒng)的研制。1999年計劃初步研制適用于鋼殼戰(zhàn)斗艦的CLDG系統(tǒng)，包括船上傳感器套件和控制算法；詳細說明并初步采購CLDG組件。2000年計劃完成CLDG傳感器研制和采購；實施全尺度CLDG站試驗[4]。2001年5月美國將一份價值6,848,350美元的合同給了BAE系統(tǒng)公司，要求其為MDG1701系統(tǒng)加裝閉環(huán)消磁部分[5]。鋼殼艦艇閉環(huán)消磁系統(tǒng)的初始測試是在美國海軍的一艘研究船上進行的，該研究船的前身是前東德的輕型導(dǎo)彈巡洋艦“Hiddensee”[2]。專利文獻[6]中指出2艘美國海軍艦艇上安裝的閉環(huán)消磁系統(tǒng)在理論上的誤差可達到10%，利用該專利中的改進算法，理論上的誤差可減小到最大5%。最近在DDG 1000計劃的先進技術(shù)演示中，安裝在“Arleigh Burke(DDG 51)”級驅(qū)逐艦上的閉環(huán)消磁系統(tǒng)原型展示了如何在前線戰(zhàn)區(qū)檢測和補償艦艇大的固定磁場變化[2]。美國最新的“VIRGINIA”級核潛艇安裝了閉環(huán)消磁系統(tǒng)，從而使得其磁隱身性能優(yōu)于“SEAWOLF”級等其它核潛艇[7]。

法國在“Circe”級反水雷艦（船殼為無磁材料）上安裝了閉環(huán)消磁系統(tǒng)[8]，但在鋼殼艦上的應(yīng)用尚未見報道。然而，法國一直堅持采用數(shù)字建模技術(shù)進行閉環(huán)消磁系統(tǒng)研究，早在1991年X.Brunotte就在其博士論文中用有限元方法為艦艇磁場建模并計算艦艇的感應(yīng)磁場[9]。1997年L.Ledorze的博士論文提出了一種跳躍勢的方法來給艦艇消磁繞組建模，解決了消磁電纜離鐵磁物質(zhì)太近而導(dǎo)致的計算精度低的問題 。2001年，O.Chadebec的博士論文使得法國在閉環(huán)消磁系統(tǒng)數(shù)字建模技術(shù)上取得了重大突破，在論文中他提出將艦艇的薄殼體進行簡化，并將感應(yīng)磁場的計算矩陣和船內(nèi)測量值矩陣合并在一起，然后采用積分方程法求解，從而使得船外磁場的測量值與預(yù)測值吻合得很好[11]。2005年，S.Guérin在其博士論文中研究了船內(nèi)傳感器位置優(yōu)化方法及艦艇磁場反演算法的魯棒性[12]，使閉環(huán)消磁技術(shù)向?qū)嵱糜诌~進了一步。文獻[13]研究了雙層殼體潛艇上閉環(huán)消磁系統(tǒng)的應(yīng)用問題。將磁場傳感器敷設(shè)在兩殼體之間，求解了從測量值得到殼體磁化狀態(tài)的逆問題，并計算了潛艇的磁信號。文中還開發(fā)了一種特別的算法并通過測量進行了驗證，驗證實驗采用了一個約3.5 m長的潛艇模型，模型內(nèi)敷設(shè)了80個磁通門傳感器。對給定的磁狀態(tài)，通過逆問題求解得到了兩層殼的磁化。預(yù)測的信號與測量的信號作了比較，兩者吻合得非常好。從這些文獻和報道可以看出，法國利用數(shù)字建模技術(shù)開展閉環(huán)消磁系統(tǒng)的研究已取得了突破性的進展，相信不久就會進入實用階段。

意大利IFEN公司在其網(wǎng)站上宣布已研制成功閉環(huán)消磁系統(tǒng)，并在DGM-4型艦艇消磁系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行改進，使該型儀器具備了閉環(huán)消磁功能[14]，該型儀器安裝在了“Gaeta”級反水雷艦（船殼為無磁材料）上[8]。2010年美國對臺軍售武器清單中包括“Osprey”級掃雷艦，該艦上就安裝有一套意大利生產(chǎn)的DGM-4型閉環(huán)消磁系統(tǒng)[15]。

英國Bartington儀表有限公司提供磁場測量儀器，其中Grad-03-12型號的梯度計專門設(shè)計用于閉環(huán)消磁系統(tǒng)[16]。英國Ultra Electronics公司在其網(wǎng)站上聲稱能制造海軍艦艇上用于閉環(huán)消磁系統(tǒng)的磁場梯度計[17]。英國專利文獻[18]中給出了一種用于閉環(huán)消磁系統(tǒng)的磁場計算技術(shù)，并以潛艇為例進行了詳細的公式推導(dǎo)。英國國防部的國防標(biāo)準(zhǔn)“Guide to the Design of Ferro-magnetic Signature Control Systems and Degaussing”中9.6.3節(jié)專門談到了閉環(huán)消磁控制系統(tǒng)[19]。該標(biāo)準(zhǔn)提到英國的“Vanguard”級彈道導(dǎo)彈核潛艇上已安裝了閉環(huán)消磁系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)中指出，閉環(huán)消磁控制系統(tǒng)適合于補償在永久磁性方面的持續(xù)和大的改變，例如潛艇下潛，也可應(yīng)用于MCMV和鋼殼水面艦艇。完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)控制永久和感應(yīng)消磁電流，裁減版的則只控制永久消磁電流的變化。后者中，感應(yīng)消磁電流仍舊由開環(huán)消磁系統(tǒng)控制。裁減版的控制任務(wù)較為簡單，因為永久磁場的變化相當(dāng)緩慢。閉環(huán)控制系統(tǒng)的計算量非常大，一個周期的計算時間為幾分鐘，這遠遠慢于潛艇的運動速率。因此，潛艇的運動速率要求感應(yīng)消磁電流由開環(huán)（如羅經(jīng)消磁）控制系統(tǒng)控制，閉環(huán)系統(tǒng)只考慮固定磁場的變化，也就是說使用裁減版的閉環(huán)消磁控制系統(tǒng)。隨著計算能力的提升，完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)將成為可能。

2005年澳大利亞開展了一次有關(guān)閉環(huán)消磁的潛艇試驗[20]。磁傳感器安裝在外殼和耐壓殼體之間，試驗的目的是為了找到合適的離消磁電纜足夠遠的位置安裝磁傳感器以避免其工作期間飽和，試驗用2天完成。2010年3月，澳大利亞DSTO在其發(fā)布的規(guī)劃中提出要消除將閉環(huán)消磁系統(tǒng)應(yīng)用到后續(xù)潛艇SEA 1000上的風(fēng)險[21]。

瑞典Polyamp公司、俄羅斯Krylov Shipbuilding研究院等均在其網(wǎng)站上提及閉環(huán)消磁，但具體進展情況不詳。

綜上所述，得到如下結(jié)論：美國已在低磁鋼艦艇、鋼殼水面艦和核潛艇上都成功應(yīng)用了閉環(huán)消磁系統(tǒng)；英國則在核潛艇上進行了應(yīng)用，其它艦艇是否應(yīng)用不詳；澳大利亞即將在潛艇上安裝；法國和意大利在低磁鋼艦艇上進行了成功應(yīng)用。

2 閉環(huán)消磁關(guān)鍵技術(shù)

如前所述，構(gòu)建閉環(huán)消磁系統(tǒng)的核心技術(shù)是如何從船上測得磁場數(shù)據(jù)并準(zhǔn)確推算船外磁場。因此，閉環(huán)消磁的關(guān)鍵技術(shù)包含2個方面：推算船外磁場和船上磁場測量。

目前，在推算船外磁場方面，法國將艦艇殼體進行單元剖分，考慮鐵磁材料的物理屬性并將艦艇感應(yīng)磁場和固定磁場聯(lián)合建立求解方程，通過船上的部分磁場測量值就可預(yù)測船外磁場[22]。在船體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化或增減、移動磁性設(shè)備后，這種方法只需再次剖分并重新計算，因此可節(jié)約成本和時間。但由于實際艦艇形狀非常復(fù)雜，且艦艇內(nèi)部有大量設(shè)備，給剖分增加了很大難度，導(dǎo)致計算時間長，計算誤差比較大。美國則將船上鐵磁物質(zhì)產(chǎn)生的磁性用虛擬磁源M來等效，通過一系列的推導(dǎo)得到使船外龍骨下某深度磁場為零的消磁電流表達式 I=-(ATkAk)-1ATkBk(BTHBH)-1BTH(H-AHI0)=G·Hoff，該表達式中已經(jīng)不含虛擬磁源M，但需測量繞組信號矩陣A、磁性狀態(tài)矩陣 B以及船上磁場值 H 。該方法屬于經(jīng)驗法，須進行多次的船內(nèi)、船外磁場測量，建立兩者之間的關(guān)系矩陣。在人為產(chǎn)生艦艇磁性變化后，同步測量船內(nèi)、船外磁場分布的變化，并將該組內(nèi)外對應(yīng)的磁場變化作為一組向量添加到矩陣，該矩陣作為基函數(shù)再現(xiàn)艦艇航行時磁性的任何改變[24]。要再現(xiàn)艦艇磁性的任何改變，必須使得基函數(shù)完備，因此如何人為控制艦艇磁性變化并篩選基函數(shù)以使得其完備，尚未見有文獻報道。

在船上磁場測量方面，現(xiàn)有研究主要集中在優(yōu)化傳感器位置并減少傳感器數(shù)量方面。文獻[6]中將磁傳感器圍繞低磁鋼艦艇內(nèi)部設(shè)備敷設(shè)，文獻[25]以薄鋼板為研究對象，提出了三種位置優(yōu)化方法，即信號優(yōu)化法、條件數(shù)優(yōu)化法與固體角優(yōu)化法。該文獻通過比較后，指出信號優(yōu)化算法在推算精度上要明顯優(yōu)于另兩種優(yōu)化算法，但該算法存在計算時間長且位置隨磁化狀態(tài)改變而不固定的問題。

3 閉環(huán)消磁國內(nèi)研究基礎(chǔ)

在文獻[25]的研究基礎(chǔ)上提出一種依據(jù)磁場計算和剖分單元數(shù)進行測量點數(shù)優(yōu)化的方法，并利用隨機類微粒群優(yōu)化算法確定相應(yīng)的測量位置分布，有望解決測量位置優(yōu)化問題，且該方法需要的測量點數(shù)較少、推算精度可望大為提高。

文獻[26]提出一種基于磁場變化量的船外磁場推算方法，在實驗室對船模內(nèi)外固定磁場的變化量進行了測量，計算出的船外磁場12組數(shù)據(jù)與測量值比較，其相對均方根誤差在10%以內(nèi)。磁傳感器的數(shù)量和位置優(yōu)化問題中涉及磁場反演模型和逆問題的求解。近年來，隨著電磁場應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，電磁場逆問題的研究也越來越受到關(guān)注。國內(nèi)許多學(xué)者都針對各自應(yīng)用背景對電磁場逆問題開展了深入研究，如謝德馨、倪光正、楊仕友等研究了用于電磁裝置綜合設(shè)計中的電磁場逆問題數(shù)值分析方法[27-28]，姚姚、王彥飛、徐果明等研究了地球物理反演理論[29-30]，Hansen、黃卡瑪、趙翔等較系統(tǒng)研究了電磁場逆問題理論[31]，顏威利、徐桂芝等研究了腦電信號源、電阻抗成像等生物醫(yī)學(xué)電磁場逆問題。上述應(yīng)用領(lǐng)域中所取得的研究成果都為閉環(huán)消磁的研究提供了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

由于閉環(huán)消磁系統(tǒng)能實時監(jiān)測艦艇磁性變化，控制方式最為先進，可以達到最好的消磁效果，因此成為了國際上的研究熱點，目前只有少數(shù)發(fā)達國家掌握并應(yīng)用了該技術(shù)。在我國，閉環(huán)消磁的研究才剛剛起步，理論上的探索還處于初級階段，與發(fā)達國家還存在不小的差距。因此，我國應(yīng)加大資金投入和研發(fā)力度，攻克閉環(huán)消磁關(guān)鍵技術(shù)，從而全面提高我國艦艇的磁隱身性能。

[1]Wingo R A, Holmes J J, Lachey M H. Test of closed-loop degaussing algorithm on a minesweeper engine. Naval Engineer Journal, 1992, (5)：9-18.

[2]William Palmer. Closed-Loop Degaussing. Seaframe,2008, 4(2):16.

[3]http://www.defence.org.cn/article-1-62434.html.

[4]http://www.dtic.mil/descriptivesum/Y2005/Navy/0603 513N.pdf, 2010.7.30.

[5]http://www.fbodaily.com/cbd/archive/2001/05(May)/0 4-May-2001/20awd001.htm, 2010.7.30.

[6]Mack R M, Wingo R A. Ship degaussing system and algorithm. US PATENT 6965505 B1, Nov.15, 2005.

[7]http://www.ussvirginiabase.org/VirginiaClass.htm.

[8]Z. A. Daya, D. L. Hutt, T. C. Richards. Maritime electromagnetism and DRDC Signature Management research. DRDC Atlantic TR 2005-278, 2005.12.

[9]X. Brunotte. Modélisation de l’infini et prise en compte de regions magnétiques minces – Application à la modélisation des aimantations des navires. Thèse de doctorat INPG, 1991.

[10]L. Ledorze. Modélisation des effets de boucles d’immunisation dans les navires. Thèse de doctorat INPG, 1997.

[11]O. Chadebec. Modélisation du champ magnétique induit par des t?les– Identification de l’aimantation,Thèse de doctorat INPG, 2001.

[12]S. Guérin. Identification de sources magnétiques:robustesse et optimisation des mesures–application à la reconstruction de l’aimantation des navires, Thèse de doctorat INPG, 2005.

[13]Y. Vuillermet, Closed loop degaussing system applied to a double hull submarine mock-up, Marelec 2009.

[14]http://www.naval-technology.com/contractors/decoy_def ensive/IFEN Ing Amedeo Lia SpA-Degaussing Systems and Electrical Equipment.htm，2005.10.11.

[15]http://heathertan.0fees.net/archives/269, 2010.7.30.

[16]http://www.scintrexltd.com/downloads/Applications%20of%20three%20axis%20magnetic%20sensors.pdf.

[17]http://www.ultra-electronics.com/power_systems/sign ature_management.php, 2010.7.30.

[18]Emily Cox, et al. Magnetic signature assessment.GB2443265B, 2009.12.16.

[19]http://www.dstan.mod.uk/standards/defstans/02/612/0 0000200.pdf.

[20]Magnetic mapping trial of a Collins Class submarine.Australian DEFENCE SCIENCE. 2005, 12(4): 13.

[21]http://www.engineersaustralia.org.au/shadomx/apps/f ms/fmsdownload.cfm?file_uuid=5FC48B54-9659-D0 48-E927-A0C8BA25D1E2&siteName=ieaust.

[22]Oliver C, Jeanlouis C, Jeant B, et al. Recent improvements for solving inverse magnet static problem applied to thin shells. IEEE Transactions and Magnetics, 2002, 38(2):1005-1008.

[23]Schneider C S. Closed-loop multi-sensor control system and method. US PATENT 5189590, Feb. 23,1993.

[24]John J. Holmes. Reduction of a ship’s magnetic field signatures. Morgan & Claypool Publishers, San Rafael,CA, 2008.

[25]Sébastien G, Jean-Louis C, Gilles C. Study of the inverse problem resolution quality. OIPE Nov.15,2004.

[26]王鯨. 基于閉環(huán)消磁的潛艇磁場計算方法研究[碩士學(xué)位論文]. 武漢: 海軍工程大學(xué), 2009.11.

[27]謝德馨, 楊仕友. 工程電磁場數(shù)值分析與綜合[M].北京：機械工業(yè)出版社, 2009: 275-361.

[28]倪光正, 楊仕友, 錢秀英等. 工程電磁場數(shù)值計算[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2004: 1-17.

[29]姚姚. 地球物理反演基本理論與應(yīng)用方法[M]. 武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社, 2002: 14-69.

[30]王彥飛. 反演問題的計算方法及其應(yīng)用[M]. 北京:高等教育出版社, 2007: 33-95.

[31]Hansen P C. Rank-deficient and discrete ill-posed problems: numerical aspects of linear inversion [M].Philadelphia, PA: SIAM, 1998: 45-66, 69, 99, 135.