楊國(guó)義

(大連測(cè)控技術(shù)研究所，遼寧 大連 116013)

艦船水下電磁場(chǎng)國(guó)外研究現(xiàn)狀

楊國(guó)義

(大連測(cè)控技術(shù)研究所，遼寧 大連 116013)

介紹了國(guó)外在艦船水下電磁場(chǎng)研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹國(guó)外在測(cè)試系統(tǒng)研制、傳感器技術(shù)、實(shí)船測(cè)試、數(shù)據(jù)獲取、建模分析、海洋環(huán)境和目標(biāo)特性等研究方面的進(jìn)展情況;列舉了電磁場(chǎng)特性在艦船隱身控制和水中兵器上應(yīng)用，以及在艦船電磁場(chǎng)研究方面積累的手段和經(jīng)驗(yàn);討論了國(guó)外對(duì)艦船水下電磁場(chǎng)研究的特點(diǎn)。

艦船電磁場(chǎng);傳感器;建模分析;海洋環(huán)境;水中兵器

0 引言

隨著信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展和傳感器能力的不斷提高，艦船水下電磁場(chǎng)的測(cè)量水平已有大幅度提高，艦船水下電磁場(chǎng)信號(hào)已經(jīng)成為水中兵器攻擊的信號(hào)源，因此世界各海軍大國(guó)對(duì)艦船水下電磁場(chǎng)的研究投入大量的人力物力，取得了卓越的成績(jī)。

由此可見(jiàn)，水下電磁場(chǎng)已經(jīng)成為艦船目標(biāo)在海洋環(huán)境中又一重要的暴露源，以水下電磁場(chǎng)為特征信號(hào)源的水中兵器和水下探測(cè)系統(tǒng)給艦船的生命力和戰(zhàn)斗力帶來(lái)嚴(yán)重威脅。對(duì)艦船水下電磁場(chǎng)特征進(jìn)行控制，提高艦船水下電磁場(chǎng)隱身能力已經(jīng)成為各國(guó)海軍的迫切需求。

1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

由于艦艇聲隱身和水聲對(duì)抗技術(shù)的進(jìn)展，目標(biāo)的聲特征檢測(cè)和估計(jì)越來(lái)越困難，國(guó)外積極開(kāi)展目標(biāo)電磁場(chǎng)等非聲特性研究，尋求利用非聲手段探測(cè)目標(biāo)的存在和識(shí)別目標(biāo)類(lèi)型。隨著水下傳感器技術(shù)和信號(hào)處理方法的發(fā)展，這項(xiàng)工作取得巨大成就，目標(biāo)水下電磁場(chǎng)特性已成為探測(cè)設(shè)備和引信裝置新的信號(hào)源。

國(guó)外軍事大國(guó)非常注重艦船水下電磁場(chǎng)特性研究，研究歷史長(zhǎng)，基礎(chǔ)工作扎實(shí)。前蘇聯(lián)、美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)和加拿大等國(guó)家有大量科研機(jī)構(gòu)從事艦船水下電磁場(chǎng)研究，這些機(jī)構(gòu)在測(cè)量設(shè)備研制、實(shí)船測(cè)量、建模與預(yù)報(bào)等方面取得大量成果。

從國(guó)外發(fā)展來(lái)看，艦船水下電磁場(chǎng)研究具有以下幾個(gè)特點(diǎn):

1)水下電磁場(chǎng)測(cè)試技術(shù)成熟、先進(jìn)，特別是傳感器研制技術(shù)比較先進(jìn)，研制了電磁場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)，用于艦船電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的獲取。

國(guó)外在水下電磁場(chǎng)傳感器研制方面具有很高的技術(shù)水平，瑞典、英國(guó)和俄羅斯等國(guó)家都具備傳感器研制能力。瑞典研制的水下電場(chǎng)傳感器［1］如圖1所示，采用碳纖維電極作為電場(chǎng)感應(yīng)元件，測(cè)量頻率為1 mHz～1 kHz，系統(tǒng)噪聲為 1 nV·Hz-1/2。

究其原因，既有歷史遺留問(wèn)題，也有體制機(jī)制問(wèn)題，但最重要的是人的問(wèn)題，而人的問(wèn)題關(guān)鍵在干部。因?yàn)檎温肪€(xiàn)確定以后，干部就是決定性因素。院領(lǐng)導(dǎo)班子經(jīng)過(guò)反復(fù)討論，決定從干部抓起，加強(qiáng)干部培訓(xùn)，以解決干部隊(duì)伍在醫(yī)院管理各方面的不足和短板問(wèn)題。

圖1 瑞典研制的電場(chǎng)傳感器Fig.1 Electric field sensors was developed by Sweden

英國(guó)Ultra公司研制的電場(chǎng)傳感器［2］如圖2所示，測(cè)量元件為銀/氯化銀電極，頻率為1 mHz～3 kHz，其中1 Hz～3 kHz頻段自噪聲為1 nV/m·Hz-1/2，可用于艦船電場(chǎng)測(cè)試、電場(chǎng)遠(yuǎn)程探測(cè)、海洋學(xué)研究和海洋地球物理勘探等多種領(lǐng)域。英國(guó)的Bartington公司研制系列磁場(chǎng)傳感器，該傳感器具有X，Y和Z3個(gè)正交分量，量程為 ±70 ～100 μT，測(cè)量頻段為0 ～3 kHz，具有高分辨率和工作穩(wěn)定性，可用于海洋學(xué)研究等領(lǐng)域。

目前，國(guó)外電磁場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)研制技術(shù)也比較成熟，不再是孤立地對(duì)艦艇聲場(chǎng)、磁場(chǎng)、水壓場(chǎng)、電場(chǎng)等多種物理場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量研究，而更為關(guān)注的是將這些物理場(chǎng)作為一個(gè)整體來(lái)進(jìn)行同點(diǎn)同時(shí)測(cè)量。英國(guó)、芬蘭、瑞典、法國(guó)等國(guó)家研制了艦艇聲、磁、電、水壓等物理場(chǎng)綜合測(cè)試系統(tǒng)。例如英國(guó)超級(jí)電子公司磁分部提出了一個(gè)由復(fù)合型多種傳感器組成的水下測(cè)量陣系統(tǒng)，該系統(tǒng)能同時(shí)進(jìn)行磁場(chǎng)、電場(chǎng)、聲場(chǎng)和壓力場(chǎng)等多種艦艇特性的近岸水下測(cè)試［3］，如圖3所示。

圖2 英國(guó)Ultra公司研制的電場(chǎng)傳感器Fig.2 Electric field sensors was developed by Ultra Co.of England

圖3 英國(guó)水下多場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)布放圖Fig.3 Underwater multi-influence testing system distributed at England

芬蘭研制了先進(jìn)的水下多場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)MGS-900系列型號(hào)，如圖4所示。該系統(tǒng)最新型號(hào)能測(cè)量聲場(chǎng)、磁場(chǎng)、水壓場(chǎng)和電場(chǎng)等物理場(chǎng)［4］。該系統(tǒng)采用光纖和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，能遠(yuǎn)距離和高數(shù)據(jù)率傳輸測(cè)得的信號(hào)和數(shù)據(jù)，并已交付芬蘭海軍使用。

瑞典Polyamp公司研制的測(cè)試系統(tǒng)如圖5所示。該系統(tǒng)可同時(shí)測(cè)量艦船電場(chǎng)、磁場(chǎng)和水壓場(chǎng)等物理場(chǎng)，可用于便攜式和固定式測(cè)量。

法國(guó)研制的MIR2000多場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)如圖6所示。該系統(tǒng)可同時(shí)進(jìn)行靜磁場(chǎng)、靜電磁場(chǎng)、交變電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)、水壓場(chǎng)、地震波場(chǎng)和磁場(chǎng)梯度的測(cè)量［5］，既可用于固定式的綜合試驗(yàn)場(chǎng)地，也可用于便攜式的測(cè)試環(huán)境下使用。

2)高度重視艦船電磁場(chǎng)特性建模，在理論模型的支持下開(kāi)展艦船電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)與預(yù)報(bào)研究。

艦船水下電磁場(chǎng)建模技術(shù)在艦船水下電磁場(chǎng)預(yù)測(cè)、特征控制以及隱身測(cè)試方面具有很高的應(yīng)用價(jià)值，因此一向是國(guó)外軍事強(qiáng)國(guó)電磁場(chǎng)特性的研究重點(diǎn)。在艦船水下電磁場(chǎng)建模方面，目前主要有2種途徑:由陰極保護(hù)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算船殼表面電勢(shì)分布和利用電偶極子陣列擬和觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)。

英國(guó)利用邊界元法(BEM)對(duì)艦船腐蝕相關(guān)電磁場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，并開(kāi)發(fā)了商業(yè)建模軟件 Beasy［6］，如圖7所示。該軟件綜合考慮了艦船材料組成、尺度、結(jié)構(gòu)、涂層破損、陰極保護(hù)以及海洋環(huán)境參數(shù)等多種因素，計(jì)算內(nèi)核采用精度較高的邊界元算法，計(jì)算結(jié)果具有較高的可信度，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于艦船陰極保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中。加拿大國(guó)防部和英國(guó)Ultra Electronics公司研制的電磁場(chǎng)預(yù)測(cè)軟件甚至還包含了軸頻電磁場(chǎng)和電源紋波的模擬計(jì)算。加拿大Davis工程公司則利用偶極子模型進(jìn)行艦船電磁場(chǎng)分布模擬，其提供的ShipEM軟件，可以通過(guò)輸入艦船尺寸結(jié)構(gòu)和陰極保護(hù)系統(tǒng)陽(yáng)極位置，來(lái)預(yù)測(cè)電磁場(chǎng)矢量的空間分布特性。

英國(guó)Aish科技公司開(kāi)發(fā)了基于有限元法(FEM)的艦船腐蝕相關(guān)電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算軟件 CPMaster［7］。該軟件考慮了艦船陽(yáng)極和陰極材料在海水中的非線(xiàn)性極化現(xiàn)象，可以對(duì)艦船外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)和犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低與腐蝕相關(guān)水下電磁場(chǎng)特征。該公司設(shè)計(jì)的低特征外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)裝備英國(guó)“先鋒”極、美國(guó)“海狼”級(jí)和“弗吉尼亞”級(jí)核潛艇，如圖8所示。

圖8 CPMaster軟件建立的艦船腐蝕相關(guān)電磁場(chǎng)有限元模型Fig.8 FEM modeling of ships for corrosion related electromagnetic fields was established by CPMaster

等效源建模方法是基于惟一性定理，利用布置于船體上一系列的偶極子(或點(diǎn)電流源)產(chǎn)生水下電磁場(chǎng)的疊加來(lái)擬合艦船實(shí)際水下電磁場(chǎng)。等效源法可以根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)建立艦船水下電磁場(chǎng)模型。該模型不僅可以用于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的界面修正和空間換算，而且攜帶了艦船當(dāng)前狀態(tài)信息，便于測(cè)試人員對(duì)艦船水下電磁場(chǎng)量級(jí)進(jìn)行科學(xué)評(píng)估和場(chǎng)源識(shí)別。

文獻(xiàn)［8］利用電磁偶極子陣列對(duì)艦船靜態(tài)電磁場(chǎng)進(jìn)行了建模，取得了非常好的效果。在此基礎(chǔ)上，提出了基于時(shí)諧偶極子陣列的艦船交變電磁場(chǎng)建模方法，并利用實(shí)船和校準(zhǔn)源對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。該建模方法考慮不同區(qū)域和深度的海水、海床電導(dǎo)率參數(shù)等環(huán)境因素，可以通過(guò)某海域的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其他海域進(jìn)行預(yù)報(bào)。

加拿大Davis工程公司聯(lián)合加拿大大西洋防務(wù)研究所(DERA)［9］利用偶極子組合對(duì)加拿大現(xiàn)役海軍艦艇水下電磁場(chǎng)進(jìn)行了建模和預(yù)報(bào)，并利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。該公司科技人員指出，靜態(tài)電磁場(chǎng)模型中最主要偶極子是由螺旋槳(負(fù)極)和陰極保護(hù)系統(tǒng)陽(yáng)極(正極)組成，偶極子長(zhǎng)度是陽(yáng)極和螺旋槳之間的距離，偶極矩則是沿偶極子方向流動(dòng)電流與其長(zhǎng)度的乘積。

艦船水下電磁場(chǎng)物理建模是指在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)利用艦船電磁場(chǎng)縮比模型研究艦船電磁場(chǎng)特性。艦船電磁場(chǎng)物理建模相對(duì)于實(shí)船測(cè)量具有易控制、效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，因此也受到國(guó)外科研人員的重視，成為艦船電磁場(chǎng)特性研究的重要手段。圖9為加拿大防御研究與發(fā)展中心建立的該國(guó)某護(hù)衛(wèi)艦縮比模型。

圖9 艦船電磁場(chǎng)縮比模型Fig.9 Electromagnetic field physical scale model for vessels

3)目標(biāo)特性與環(huán)境特性研究結(jié)合緊密，非常重視海洋環(huán)境電磁特性測(cè)量與分析工作

國(guó)際上主要軍事大國(guó)對(duì)海洋環(huán)境電磁特性的測(cè)量分析研究一直十分重視。前蘇聯(lián)科研人員采用各種方法研究了波羅的海固定試驗(yàn)場(chǎng)的海底底質(zhì)參數(shù)、信號(hào)傳播條件、噪聲各向異性、電磁場(chǎng)等環(huán)境參數(shù)，大大提高了艦船電磁場(chǎng)測(cè)量的精度。

美國(guó)海軍水下戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)室電磁環(huán)境與光學(xué)系統(tǒng)研究室在20世紀(jì)60年代對(duì)海洋中極低頻電磁場(chǎng)觀(guān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究。美國(guó)海軍大西洋水下站中心充分重視實(shí)驗(yàn)區(qū)水下電磁場(chǎng)環(huán)境的觀(guān)測(cè)統(tǒng)計(jì)工作，自20世紀(jì)60年代起，就在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)建立了長(zhǎng)期的觀(guān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，完善了統(tǒng)計(jì)模型，從而為在該試驗(yàn)海區(qū)進(jìn)行的魚(yú)雷、水雷、艦艇等的相關(guān)試驗(yàn)提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。

海水流動(dòng)(波浪、涌浪和海流)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的研究得到了重視和發(fā)展。為了在進(jìn)行磁探時(shí)消除海洋波浪運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電磁效應(yīng)，提高航空磁探的探測(cè)成功率，加拿大太平洋海軍實(shí)驗(yàn)室的J.T.Weaver［10］計(jì)算了海洋波浪產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化，計(jì)算結(jié)果是:周期20 s、幅度0.1 m的涌浪在水面下100 m處產(chǎn)生0.2 nT的磁場(chǎng)，在水面上50 m處產(chǎn)生0.1 nT的磁場(chǎng)。計(jì)算結(jié)果與航空磁探儀［11］和浮標(biāo)磁探儀［12］的實(shí)測(cè)結(jié)果相符。文獻(xiàn)［13］研究了大尺度低頻海流在海洋、地殼和地幔中感應(yīng)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。文獻(xiàn)［14］給出了海洋波浪產(chǎn)生的電磁噪聲場(chǎng)的理論推導(dǎo)，并測(cè)量了風(fēng)速分別為10，20，30，40，50 kn時(shí)的波浪產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了功率譜分析。海洋內(nèi)波產(chǎn)生的電磁場(chǎng)也得到了很好的研究［15］。到90年代初，關(guān)于海水運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的理論已基本成熟［16］，并與實(shí)驗(yàn)和觀(guān)測(cè)結(jié)果相吻合［17-18］。此后，對(duì)運(yùn)動(dòng)海水的電磁場(chǎng)的研究依然深入進(jìn)行，采用了更為先進(jìn)的計(jì)算機(jī)有限元方法［19-20］。

圖10 國(guó)外電磁場(chǎng)引信水雷Fig.10 Electromagnetic field fuze mine abroad

4)艦船水下電磁場(chǎng)特性廣泛應(yīng)用于海軍武器裝備，并推進(jìn)了海軍新型裝備的發(fā)展。

國(guó)外對(duì)艦船電磁場(chǎng)的研究不僅局限在艦船本身的防腐性能，更重要的是將其成果應(yīng)用在水雷電磁場(chǎng)引信、艦船隱身防護(hù)、對(duì)敵方艦船的探測(cè)、港口和海岸的警戒等方面，而且已經(jīng)形成了軍事裝備。在水雷電磁場(chǎng)引信研究方面，60年代，蘇聯(lián)研制出電磁場(chǎng)引信的КСМ型反潛水雷［21］，并于70年代在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出水下電勢(shì)水雷，其新一代沉底水雷MDM-6也裝備有電磁場(chǎng)引信。西班牙已開(kāi)發(fā)出了裝備電磁場(chǎng)傳感器的組合引信水雷MINEA［22］。美國(guó)開(kāi)發(fā)裝有聲、磁和電三場(chǎng)傳感器的LSM智能濱海水雷［23］，該水雷通過(guò)3種傳感器實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)工作來(lái)可靠探測(cè)目標(biāo)。圖10所示分別為俄羅斯 MDM-6水雷、西班牙MINEA水雷和美國(guó)LSM水雷。在反水雷技術(shù)研究方面，澳大利亞已經(jīng)研制出電磁場(chǎng)掃雷具，通過(guò)對(duì)電極陣列進(jìn)行可編程式供電來(lái)模仿軍艦的水下電勢(shì)信號(hào)和極低頻電磁場(chǎng)信號(hào)，進(jìn)而觸發(fā)水雷。

在電磁場(chǎng)探測(cè)方面，美國(guó)和加拿大海軍早在60年代初就利用冰山布置電磁場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)作為警戒。

由于上述利用艦船水下電磁場(chǎng)特性作為信號(hào)源的探測(cè)設(shè)備和水中兵器的出現(xiàn)，艦船自身安全性受到嚴(yán)重威脅，為了保證艦船的生命力和戰(zhàn)斗力，國(guó)外制定了嚴(yán)格的水下電磁場(chǎng)防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，采取了大量措施用于艦船水下電磁場(chǎng)特征控制，形成了一系列新型裝備。如美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、前蘇聯(lián)等海軍均裝備了電磁場(chǎng)測(cè)試設(shè)備，定期或執(zhí)行任務(wù)前必做測(cè)試。加拿大Davis公司生產(chǎn)的有源軸接地系統(tǒng)，能有效地降低艦船極低頻電磁場(chǎng)，目前已裝備于加拿大和英國(guó)海軍艦船。前蘇聯(lián)研制的Каскад-э系統(tǒng)采用絕緣工藝和電磁場(chǎng)補(bǔ)償手段極大地降低了艦船水下電磁場(chǎng)，如圖11所示。此外Vickers造船工程技術(shù)有限公司也研制了用來(lái)抑制軸系極低頻電磁場(chǎng)的主動(dòng)軸接地系統(tǒng)。波蘭海軍技術(shù)研究發(fā)展中心同樣研制了能有效減小軸系極低頻電磁場(chǎng)的短路滑環(huán)裝置。

圖11 電磁場(chǎng)補(bǔ)償系統(tǒng)原理圖Fig.11 Principle diagram of compensation system for electromagnetic field

2 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，國(guó)外在艦船電磁場(chǎng)研究和應(yīng)用方面都已經(jīng)達(dá)到很高水平，積累豐富的經(jīng)驗(yàn)，理論基礎(chǔ)研究扎實(shí)，在海洋環(huán)境研究、建模與預(yù)報(bào)研究、測(cè)試系統(tǒng)研究、實(shí)船測(cè)試研究和水中兵器研究等方面均取得豐富的成果，且仍在不斷研究中。

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Situation on underwater electromagnetic field researches of ships abroad

YANG Guo-yi
(Dalian Scientific Test and Control Technology of Institute，Dalian 116013，China)

This paper describes the present situation of underwater electromagnetic field researches of ships abroad，emphasis introduce researches situation about development of test systems，technology of sensors，fact ship test，obtain data，modeling and analysis，ocean environment，and characteristic of targets etc.Enumerate electromagnetic field characteristic apply on vessel stealth control and weapon in water，and accumulate methods and experiences on vessels electromagnetic field researches，discuss on vessel underwater electromagnetic field research trait.

vessel electromagnetic field;sensor;modeling and analysis;ocean environment;weapon in water

TB56

A

1672-7649(2011)12-0138-06

10.3404/j.issn.1672-7649.2011.12.033

2011-04-07;

2011-05-03

課題資助項(xiàng)目(513030303)

楊國(guó)義(1976-)，男，工程師，從事測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研制工作。