王 進(jìn)

（海軍裝備部裝備審價(jià)中心，北京 100071）

0 引言

艦船電場是除聲場、磁場、水壓場外最重要的水中軍用目標(biāo)特性之一，已成為水中兵器追蹤的重要特征信號(hào)，對(duì)艦船自身生命力和戰(zhàn)斗力構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅，對(duì)艦船非聲隱身性能和水中兵器的引信設(shè)計(jì)具有重要影響，研究艦船電場及其相關(guān)技術(shù)，對(duì)海軍裝備建設(shè)有著極為重要的意義[1]。由于特殊建造金屬材料、結(jié)構(gòu)布局、推進(jìn)系統(tǒng)、腐蝕和防腐、能源供給、機(jī)電設(shè)備等因素，艦船在海水中航行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生明顯的水下電場，成為可以被用于對(duì)艦船的探測、定位、水中兵器引信的新目標(biāo)特征[2]。國外已在積極開展目標(biāo)電場特性的研究，尋求利用艦船的電場特性來探測目標(biāo)的存在和識(shí)別目標(biāo)類型。隨著水下電場傳感器技術(shù)和信號(hào)處理方法的發(fā)展，這項(xiàng)工作取得了較大成就，目標(biāo)艦船電場研究概述目標(biāo)電場特性已成為探測設(shè)備和引信裝置新的“信息源”。所以，現(xiàn)階段的水中兵器引信和艦船設(shè)計(jì)中，電場特性都是必須考慮的因素。

1 艦船電場概述

艦船是具備復(fù)雜設(shè)計(jì)和采用多技術(shù)設(shè)備的綜合體，不論是運(yùn)動(dòng)還是靜止，在其所處的環(huán)境中均會(huì)產(chǎn)生電場。艦船在海洋環(huán)境中引起的電場叫做艦船電場，通?？煞譃殪o電場和極低頻交變電場，是艦船重要的軍用目標(biāo)特性[3]。

艦船水下電場信號(hào)為極低頻信號(hào)，主要可分為l Hz以下的直流分量（靜電場）和1～1 000 Hz的交流分量（極低頻電場）2個(gè)部分。按照艦船電場的來源，可將艦船電場概括為以下6類[4-5]：

1）艦船船體結(jié)構(gòu)中不同金屬材料在海水中的電化學(xué)腐蝕作用產(chǎn)生的靜電場。

2）船體上施加的各種防腐措施產(chǎn)生的電場，即犧牲陽極的陰極保護(hù)系統(tǒng)（SCP）和外加電流的陰極保護(hù)系統(tǒng)（ICCP）在艦船周圍的海水中產(chǎn)生的靜電場，如一艘中型艦船的防腐電流就高達(dá)幾百安培，因而會(huì)在海水中產(chǎn)生很強(qiáng)的靜電場。

3）主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的螺旋槳-軸承-船體回路中的電阻變化對(duì)腐蝕或防腐電流的內(nèi)調(diào)制，輔助陽極和槳葉之間的電阻隨著螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生變化，對(duì)腐蝕或防腐電流的外調(diào)制產(chǎn)生以軸頻和葉頻為基頻的極低頻電場。

4）船體內(nèi)部電力系統(tǒng)接地不良時(shí)，漏電流及船體內(nèi)部大電流設(shè)備對(duì)外的電磁輻射也會(huì)產(chǎn)生以50 Hz（60 Hz）和400 Hz為基頻的交變電場；消磁裝置中的電流脈動(dòng)也產(chǎn)生交變電場。

5）艦船航行時(shí)，船體、繞船體運(yùn)動(dòng)的海水切割地磁場產(chǎn)生電場；螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)切割地磁場產(chǎn)生渦流電場；尾流區(qū)海水在地磁場中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電場；艦船在地磁場中振蕩產(chǎn)生電場。

6）艦船航行時(shí)，鐵磁性船體引起周圍空間磁通量的變化，從而產(chǎn)生感應(yīng)電場；船體的運(yùn)動(dòng)以及尾流氣泡浮起時(shí)與海水之間的摩擦也會(huì)產(chǎn)生電場。

國外軍事大國都非常注重艦船電場特性的研究，并且已經(jīng)形成了一系列的艦船電場裝備。蘇聯(lián)在20世紀(jì)50年代末就開展了水下電磁場測試以及裝備標(biāo)準(zhǔn)等的研究工作，并裝備了利用潛艇電場信號(hào)的非觸發(fā)反潛錨雷（KCM）。美國、英國等西方國家有大量科研機(jī)構(gòu)從事艦船電場研究，如美國水下戰(zhàn)中心電磁實(shí)驗(yàn)室、加拿大防御研究與發(fā)展中心水下電磁分部、英國超電公司、法國泰雷斯公司、法國海軍電磁實(shí)驗(yàn)室以及日本防御廳第 5研究所等。

艦船電場特性作為一種重要的目標(biāo)特性，在水中兵器引信、艦船隱身、探測方面都具有重大的軍事應(yīng)用前景。對(duì)艦船電場特征的深入了解，將為各種水雷和反水雷兵器的設(shè)計(jì)提供依據(jù)；對(duì)艦船的電場隱身性能的測試和評(píng)估，將為艦船電場防護(hù)裝置設(shè)計(jì)、防腐設(shè)計(jì)、艦船動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)等提供保障。

2 國外在艦船電場探測技術(shù)研究概況

艦船電場的探測技術(shù)主要包括水下艦船電場探測裝置的研制和艦船電場的信號(hào)處理方法的研究。艦船電場信號(hào)由于受海水的衰減作用，傳播一定距離后將變的十分微弱，所以低噪聲電場傳感器和測量電路對(duì)艦船電場的探測至關(guān)重要[6-7]。

隨著對(duì)艦船水下電場研究的深入，利用目標(biāo)水下電場進(jìn)行探測也開始引起人們的關(guān)注。20世紀(jì)50年代末，前蘇聯(lián)就已經(jīng)開始研究艦船水下電場，60年代開始在水雷上應(yīng)用電場引信。還有報(bào)道美國和加拿大 60年代就利用冰山設(shè)置電場探測浮標(biāo)，配合衛(wèi)星定位系統(tǒng)對(duì)白令海峽的前蘇聯(lián)潛艇進(jìn)行聯(lián)合搜索。目前，俄羅斯和烏克蘭都在研究利用水下電場的目標(biāo)探測技術(shù)。瑞典國防研究局科研人員也指出淺水環(huán)境中在距離目標(biāo)數(shù)公里遠(yuǎn)處仍可以探測到其輻射的0.3～3 000 Hz電場信號(hào)。

國外在水下電磁場傳感器研制方面具有較高的技術(shù)水平，瑞典、英國和俄羅斯等國家都具備傳感器研制能力。瑞典Polyamp公司研制出采用碳纖維電機(jī)作為電場感應(yīng)元件的水下電場傳感器，頻率范圍為1 MHz～1 kHz，目前已開發(fā)出PA-3001和PA-3002共2種型號(hào)。英國Ultra公司研制的電場傳感器測量元件為 Ag/AgCl電極，頻率為 1 MHz～3 kHz，可用于艦船電場測試、電場遠(yuǎn)程探測、海洋學(xué)研究和海洋地球物理勘探等多種領(lǐng)域。英國Subspection公司生產(chǎn)了多型可用于電場遠(yuǎn)程測量的電場傳感器系統(tǒng)，如圖1所示，其適合于測量難度較大的瀕海地區(qū)，目前已用于電場測量、海岸預(yù)警系統(tǒng)、以及水雷觸發(fā)裝置。

圖1 Subspection公司的電場傳感器Fig.1 Electric field sensor of Subspection company

目前，國外電磁場探測系統(tǒng)研制技術(shù)也比較成熟，不再是孤立地對(duì)艦艇聲場、磁場、水壓場、電場等多種物理場進(jìn)行測量研究，而是將這些物理場作為一個(gè)整體來進(jìn)行同點(diǎn)同時(shí)測量。英國、西班牙、芬蘭、法國等國家研制了艦艇聲、磁、電、水壓等物理場綜合測試系統(tǒng)。

英國超級(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量陣系統(tǒng)，該系統(tǒng)能同時(shí)進(jìn)行磁場、電場、聲場和壓力場等多種艦艇特性的近岸水下測試。西班牙SAES公司90年代末開發(fā)了結(jié)合磁場、聲場、壓力、電場和地震波等的水下多感應(yīng)測試系統(tǒng)（UMIMS），應(yīng)用了 SAES公司自己設(shè)計(jì)生產(chǎn)的 SET-200/P電場傳感器以測量海水中的水下電場[8]。近年來，SAES公司在西班牙海軍支持下設(shè)計(jì)開發(fā)了裝備 SAES專有三軸電極陣列的組合引信水雷M1NEA。

芬蘭研制了先進(jìn)的水下多場測試系統(tǒng)MGS-900系列，該系統(tǒng)最新型號(hào)能測量聲場、磁場、水壓場和電場等物理場，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)率傳輸測得的信號(hào)和數(shù)據(jù)，并已交付芬蘭海軍使用。法國研制的MIR2000多場測試系統(tǒng)可同時(shí)進(jìn)行靜磁場、靜電磁場、交變電磁場、聲場、水壓場、地震波場和磁場梯度的測量，既可用于固定式的綜合試驗(yàn)場地，也可用于便攜式的測試環(huán)境下。

3 國外在艦船電場建模方面的研究概況

艦船水下電磁場建模技術(shù)在艦船水下電磁場預(yù)測、特征控制以及隱身測試方面具有很高的應(yīng)用價(jià)值，國外多家單位進(jìn)行了研究，取得了大量的成果[9]。

英國開發(fā)了商業(yè)建模軟件 BEASY，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)果具有較高可信度，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。加拿大國防部和英國Ultra Electronics公司研制的電磁場預(yù)測軟件還包含了軸頻電磁場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)行艦船電磁場分布模擬，其提供的ShipEM軟件，可以通過輸入艦船尺寸結(jié)構(gòu)和陰極保護(hù)系統(tǒng)陽極位置，來預(yù)測電磁場矢量的空間分布特性。

英國 Aish科技公司開發(fā)了基于有限元法（FEM）的艦船腐蝕相關(guān)電磁場數(shù)值計(jì)算軟件CPMaster，該軟件考慮了艦船陽極和陰極材料在海水中的非線性極化現(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“先鋒”級(jí)、美國“海狼”級(jí)和“弗吉尼亞”級(jí)核潛艇。

基于大、中型艦船產(chǎn)生的靜電場，西班牙SEAS公司利用各種具體軟件和模擬模式對(duì)探測距離進(jìn)行了多項(xiàng)研究，并將研究結(jié)果與海上測試結(jié)果進(jìn)行了比較。此外，SEAS 公司還對(duì)系統(tǒng)本身、海底以及電場傳播中的海水導(dǎo)電性效應(yīng)進(jìn)行了擴(kuò)展的分析。

艦船電場的有限元和邊界元方法主要針對(duì)于艦船的陰極保護(hù)系統(tǒng)，需要較多的先驗(yàn)信息，理論和算法較為復(fù)雜，不能滿足工程上電場實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)的要求。對(duì)艦船電場建模的另一途徑是電偶極子建模方法，雖然它的建模精度不如有限元和邊界元方法，但是能夠根據(jù)測量裝置測量到的結(jié)果實(shí)時(shí)計(jì)算，對(duì)敵方和己方的艦船均能建立模型，克服了有限元和邊界元方法只能對(duì)己方艦船建模的缺點(diǎn)。對(duì)于艦船軸頻電場，用時(shí)諧電偶極子進(jìn)行建模更加合適。

4 國外電場掃雷技術(shù)發(fā)展概況

4.1 國外在電場引信水雷方面的研究概況

在艦船聲、磁隱身技術(shù)不斷提高的今天，淺海水域聲吶已不能有效發(fā)揮作用，電場探測將作為有效的補(bǔ)充手段，電場引信水雷在國外早已裝備部隊(duì)。蘇聯(lián)在20世紀(jì)50年代裝備了非觸發(fā)電場引信反潛錨雷KCM，該雷適用水深700 m，采用雙脈沖制電引信，布放水深50～700 m，定深10～210 m，是目前已知的應(yīng)用電場引信的最早裝備。美國也開發(fā)了裝有聲、磁和電三場傳感器的LSM智能濱海水雷，該水雷可通過3種傳感器實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)工作來可靠地探測目標(biāo)。

近年來，SAES公司在西班牙海軍支持下設(shè)計(jì)開發(fā)出了裝備 SAES專有電極三軸電極陣列的組合引信水雷 M1NEA。MINEA是先進(jìn)的多感應(yīng)練習(xí)雷，水雷邏輯算法縝密精煉，帶有探測聲吶，還裝備有磁場、聲場、地震波和壓力等傳感器，共開發(fā)了3種適應(yīng)不同條件的水雷：薄斷面沉底雷、球形錨雷和圓柱沉底雷。

其他國家在電場引信水雷方面的研究雖未見報(bào)道，但從其對(duì)艦船電場測量的研究（如英國、法國、加拿大、瑞典等）以及如澳大利亞、瑞典等國家的電場掃雷具的研制情況來看，電場引信水雷應(yīng)該已經(jīng)形成裝備。

4.2 國外在電場掃雷技術(shù)方面的研究概況

電場引信水雷的出現(xiàn)，帶動(dòng)了與其對(duì)抗的電場掃雷技術(shù)的研究，目前已出現(xiàn)了多種高性能的電場掃雷具。法國90年代后期裝備法海軍的STERNE-I聯(lián)合掃雷具和MB電磁掃雷具，可模擬不同類型艦艇的聲場、磁場、水下電位場和極低頻電場。挪威在其“阿爾塔”級(jí)掃雷艇上配用的“埃爾瑪（ELMa）”電極式電磁掃雷具，根據(jù)電極的不同配置，可以進(jìn)行水雷設(shè)定方式掃雷，也可以按目標(biāo)設(shè)定方式掃雷。芬蘭Elesco Oy公司生產(chǎn)的輕型多物理場掃雷系統(tǒng)（MISS）是模塊化的輕型掃雷系統(tǒng)，用以模擬艦船的電場，通過改變電流大小、電流方向和掃雷模塊的數(shù)量來模擬不同的艦艇。

21世紀(jì)初，澳大利亞國防工業(yè)公司和澳大利亞防御科學(xué)技術(shù)組織成功地試驗(yàn)了一種“夾接式”電場掃雷具—AMAS-UEP/ELFE掃雷具，在空間上可以準(zhǔn)確地模擬航行狀態(tài)下的目標(biāo)艦船電場。UEP/ELFE電場掃雷系統(tǒng)展開陣列長93 m，包含沿掃雷具全長精確分布的 8個(gè)鈦電極和 1個(gè)參考電極，這8個(gè)主動(dòng)電極與掃雷陣平行，且與艦船產(chǎn)生電場的相對(duì)位置相同，每個(gè)電極都可輸出直流電流或交流電流，或者是同時(shí)輸出直流和交流電流[10]。

1993年，瑞典和美國聯(lián)合研制了SAM 2型氣墊掃雷艇，裝備了由瑞典卡爾斯克羅納船廠研制的水下電勢（UEP）裝置。近年來，瑞典又研制出了SAM 3型掃雷具，如圖2所示。SAM 3是近來發(fā)展的最現(xiàn)代化的遙控感應(yīng)掃雷具，可產(chǎn)生類艦船的磁場、聲場和電場信號(hào)，且可以任意組合，能夠模擬不同類型和尺度的艦船[11-12]。

2014年，歐洲防務(wù)署（EDA）主導(dǎo)完成模塊化輕量化掃雷項(xiàng)目（MLM），配置了由挪威國防研究院（FFI）研制的輕型水下電場（UEP）掃雷具，系統(tǒng)由1對(duì)鋁電極及其附屬電纜組成，安裝在無人艇的龍骨附近，如圖3所示，2艘無人艇即可較為準(zhǔn)確地模擬出艦船電場。

圖2 瑞典的SAM 3型掃雷具Fig.2 SAM3 minesweeper of Sweden

圖3 EDA模塊化輕量化掃雷Fig.3 Modular lightweight mine-sweeping of EDA

5 結(jié)束語

艦船電場是艦船的一種重要的軍用目標(biāo)特性之一，已經(jīng)成為艦船重要的暴露源和識(shí)別源，對(duì)于促進(jìn)武器裝備、艦船隱身、水下通信的發(fā)展都具有十分重要的意義。美、英、俄、芬蘭、瑞典、西班牙、加拿大和澳大利亞等歐美軍事大國在艦船電場研究和應(yīng)用方面都極為重視，并在艦船電場研究和應(yīng)用方面已經(jīng)達(dá)到較高的水平，而且已形成了電場水雷、反水雷系統(tǒng)等一系列的裝備。隨著電場傳感器性能的提高和對(duì)艦船電場的不斷深入研究，利用艦船電場綜合特性的更加先進(jìn)智能的水雷和反水雷手段必將不斷出現(xiàn)和完善，為國內(nèi)電場引信水雷、電場掃雷及電場防護(hù)裝備技術(shù)的發(fā)展提供借鑒和促進(jìn)。