舰船电场探测系统的抗扫问题研究＊

罗 祎 伊米洛夫·瓦西里

（海军工程大学兵器工程系1） 武汉 430033） （俄罗斯海军学院2） 俄罗斯圣彼得堡 197183）

0 引 言

舰船电场和电场探测技术目前受到许多国家的关注.原苏联较早开展了这方面的研究，并装备了电场引信水雷［1］.国内在这方面也作了许多工作，由于起步相对较晚，主要集中于对舰船电场的探索［2－4］，对电场探测系统的抗扫问题涉及的很少.抗扫性关系到探测系统的存在价值.舰船电场是电场探测系统的动作信号，电极式电磁扫雷具虽被设计用于清扫磁引信水雷，由电磁理论知道，在对电极通电时，在其周围空间除了产生磁场外还产生电场，因而也可能用于清扫电场探测系统如水雷等［5］.本文利用俄罗斯的有关研究结论，通过建立舰船及电极扫雷具在分层介质下的线电极计算模型并对比分析，探讨提高电场探测系统的抗扫性问题.

1 电场探测系统的工作原理简介

从已有的资料可以知道，电场探测系统如水雷等利用传感器测量舰船周围某两点电势差，为实际应用方便，一般测量垂直方向上不同深度点电势差φ12（φ1－φ2），如图1所示.静态电场探测利用φ12为动作参数，动电场探测利用电势随时间的变化率为动作参数，还可以利用电场强度及其变化率为动作参数，直接感应的一般是电势差［6］.

由于舰船电场数值相对较小，电场探测必需借助高灵敏度的传感器并且设定较小的动作参数，而电极式扫雷具工作时通电电流较大，电势分布范围较广，这使得电场探测系统的抗扫问题比较突出.为了使探测系统在实现抗扫的同时不影响对目标舰船的正常动作，需要对舰船电场及电极扫雷具电场进行对比分析.

2 舰船电场和电极扫雷具电场对比

2.1 舰船电场

国内外的研究都表明，舰船电场的产生机理和来源十分复杂.但俄罗斯的研究显示，舰船电场90%的成分由腐蚀电流产生，据此来建立舰船电场的等效模型，不考虑其他来源成分.

同时考虑到舰艇的实际活动区域，空气－海水－海底分层介质对电场分布有一定影响，舰艇尺寸较大，不应作为电偶极子来计算，把它等效为线电极处理.

以潜艇为例，根据舰船腐蚀原理，将螺旋桨等效为负的线电极，长度为L2，根据艇体腐蚀源的分布情况，将艇体等效为正的线电极，长度为L1，正负电极间距为a，设腐蚀电流强度为I，建立如图1所示坐标系，x轴位于海平面，指向潜艇纵向，z轴垂直向下通过正电极的一端点.

图1 艇体及测量点在坐标系的位置

首先分析点电极，设海水、空气和海底的电导率分别为γ1，γ2和γ3，点电极位于海水中（x0，0，d）位置，根据电磁理论，在考虑海底和海面影响的情况下，利用镜像法可得到点电极周围电势计算公式为

式中：r2＝（x－x0）2＋y2；I为点电极电流；h为海水深度

由电势叠加原理，对点电极的电势计算公式在x轴方向进行区间积分，可以得到潜艇的等效线电极在海水中的电势.由于空气的电导率近似为0，海底的电导率γ3＜10－4S／m，海水电导率γ1一般取（3.0～4.5）S／m，故k12≈k13≈1，所以等效线电极电势计算公式为

式中：φ1，φ2分别为正、负等效电极引起的电势，由下式计算

φ2的计算公式与φ1类似，这里不再列出.利用电势的计算公式还可以得到电场强度E.

2.2 电极式扫雷具的电场

文献［6］给出了分层介质下点电极的计算模型并指出电极扫雷具可能用于清扫电场水雷.但对于常见的两电极扫雷具，由于其尺寸较大，并呈典型的细长型，作为点电极来计算时误差较大，下面作为线电极来处理.设电极长度为l，两电极中心间距为L，建立如图2所示的坐标系，电极与x轴重合，2电极的中间点与坐标原点重合.

图2 两电极坐标系

对比上述潜艇电场计算模型，可以得到在考虑边界影响条件下，海水中任意点的电势为

式中：φ2s，φ1s分别为扫雷具正、负电极引起的电势，具体的公式比较繁杂，不再列出.

2.3 对比分析

分析一般中型潜艇和常见的电极扫雷具，对各参数的取值如下：共同参数h＝200m，γ1＝3.5 S／m，海底和空气电导率为0；对潜艇L2＝2m，L1＝50m，a＝15m，d＝40m，I＝40A；对扫雷具d＝0，I＝3 000A；l＝75m，L＝200m.

利用matlab7.0根据式（2）、（4）分别计算潜艇下方10m平面上电势分布（如图3），和扫雷具下40m电势分布，如图4所示.

图3 潜艇电势分布

图4 电极式扫雷电势分布

由潜艇周围电势和电极式扫雷周围电势的计算模型和空间分布可知，它们都具有近似于双脉冲异符号的形状，都是极低频信号，与电流强度线性相关.虽然电极扫雷具电势的双脉冲相距较远，但通过调整输入电流极性及时间间隔或者调整电极间距等可以克服.由于电极式扫雷具的通电电流可达到3 000A［7］，远大于舰船腐蚀电流，因此其周围电势将远大于潜艇周围电势，在未采取有效抗扫措施时，利用电极式扫雷具清扫电场探测系统如水雷等可以获得非常理想的清扫宽度.

例如设水雷动作信号为双脉冲异符号，设脉冲幅值｜Δφ｜＝0.01v，测量点1位于水面下40m深度，点1、2垂直间距15m（如图1），由式（2）可以计算出，对上述例子中的潜艇，引信在水平方向的动作半径约为13m；在扫雷具通以幅值3 000A的双脉冲异符号电流时，通过公式（4）计算可知，清扫宽度约为320m，远大于引信动作范围，这对水雷来说是非常不利的，必须提高抗扫性.

3 抗扫方法及仿真计算

3.1 抗扫方法及分析

进一步的分析可以发现，利用电场信号的频率和方向等特性都很难实现抗扫.但另一方面，对比分析可以发现，电极式扫雷具电势在近距离时变化剧烈，远距离上分布较为均匀，而潜艇电势衰减很快，远距离上十分微弱，也即两者的信号梯度有差别.利用这一区别，在垂直方向增加测量点3和4，如图1所示，当φ12与φ34相差不大，而φ34幅值较大时认为接收的是扫雷具信号，水雷引信进入封闭状态.此外由于电极扫雷具工作时一般位于水面，当测量点3，4间距等于1，2间距时必然满足｜φ12｜＞｜φ34｜，也作为封闭的必要条件.

因此利用｜φ12－φ34｜作为引信动作信号，φ34作为封闭信号，并设定相同的动作阀值Δφ，比较任意时刻的｜φ12｜与｜φ34｜，以及｜φ12－φ34｜与｜φ34｜.当｜φ12｜＞｜φ34｜，且｜φ12－φ34｜＜｜φ34｜时引信将封闭；当｜φ12｜＞｜φ34｜，｜φ12－φ34｜＞｜φ34｜，或者｜φ12｜＜｜φ34｜，｜φ12－φ34｜＞Δφ时引信正常动作.这样在对抗电极式扫雷具时，只有在扫雷具位于近距离时，电势变化剧烈，才能满足水雷动作条件，可以显著地降低扫雷具的清扫范围.

而对于目标潜艇，在远距离时电势信号无法满足动作阀值，近距离时会正常动作.

1）当目标潜艇位于测量点1上方附近时，φ12与φ34符号相同，但φ34幅值很小，引信将正常动作.

2）当潜艇在垂直方向上位于测量点2、3之间时，φ12与φ34符号相反，所以｜φ12－φ34｜＝｜φ12｜＋｜φ34｜显然大于｜φ34｜，引信将正常动作，且动作范围将扩大.

3）当目标潜艇位于测量点1，2以及3，4之间时，在正中位置会有极小的动作间隙.只选取两个测量点时也存在这样的情况.考虑到潜艇的实际尺寸和运动的不稳定性，对垂直方向的动作范围的影响不大.

4）当目标潜艇位于测量点4之下时，φ12与φ34符号相同，且φ34幅值大于φ12，所以引信正常动作.

3.2 仿真计算结果

对上述抗扫方法进行计算验证.测量点2，3间距取30m，测量点3，4间距取15m，其他参数选择上述例子中相同的数值，通过计算可知：

1）此时上述扫雷具的扫宽为80m，而不采取抗扫措施时扫宽达320m，扫宽降为原来的1／4，抗扫效果十分明显.

2）对目标潜艇在水平方向的动作半径不是固定值：目标位于点2，3之间时大于18m；目标位于测量点1，2以及3，4之间时约10m；目标位于点1之上或点4之下时动作区域与选取两个测量点时基本相同，约为13m.所以对水平方向的动作范围也有所提高.

3）在垂直方向动作范围扩大为100m，未采取抗扫措施时垂直方向动作范围仅为40m.因此这一方法还可以提高垂直方向动作范围，这对打击潜艇是很有意义的.

4）由计算知道，对动作参数较大的探测系统，可以适当调整测量点位置，在满足探测系统具有一定的动作范围前提下进一步降低电极扫雷具的清扫宽度.

4 结束语

通过以上分析表明，该方法能显著提高电场探测系统与电极式扫雷具的对抗性能，并提高了探测系统动作范围，对电场探测系统与其他工作方式的电场扫雷具对抗也有借鉴意义.

至于该方法与其它抗扫方法的对比研究还需进一步讨论.此外文中涉及到舰船电场的简化模型，更精确的计算模型需进一步分析.

［1］陈菊秋，陈 浩，朱国富.开口电极在海水中的电场特性研究［J］.海军工程大学学报，2008，20（2）：61－66.

［2］陈 聪，李定国，龚沈光.舰船水下标量电位的混合建模研究［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2010，34（6）：1 117－1 122.

［3］龚沈光，卢新城.舰船电场特性初步分析［J］.海军工程大学学报，2008，20（2）：1－5.

［4］卢新城，龚沈光，孙 明.舰船轴频电场空间分布特性的实验测量与分析［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2004，28（4）：498－450.

［5］张 凡，龚沈光.海水中点电极对产生的电场研究［J］.海军工程大学学报，2008，20（3）：88－92.

［6］СтарковЮ В.Теорияавтоматическогоуправления минногоипротивоминногооружия ［M］.СПб：ВМИ，2005.

［7］КорановA B.Теориятральногооружия［M］.СПб：ВМИ，2005.