浅海中影响运动舰船轴频电磁场的因素

朱武兵，嵇斗，王向军，柳懿

（海军工程大学电气工程学院，武汉 430033）

0 引言

文献[1]通过研究表明浅海环境下舰船轴频电磁场可以通过运动的垂直时谐偶极子模拟。与世界其他地区的海洋相比，我国大部分海域的陆架都具有宽浅的特点，符合浅海的范畴。在浅海中不同的水文条件（海水的电导率、海水的深度、海水的磁导率）以及偶极子的运动速度、偶极子强度、偶极子频率以及传播距离会对轴频电磁场产生不同的影响。本文通过浅海中运动垂直时谐偶极子在固定点产生的电磁场的表达式，运用基于汉克尔变换式的FFT变换算法对偶极子所得到的电磁场解析式进行了数值模拟，模拟得到了不同影响因素下舰船轴频电磁场的仿真结果。从而分析了不同影响因子下的舰船轴频电磁场。

1 浅海中运动垂直时谐偶极子电磁场表达式

根据文献[1]推导出浅海中轴频电磁场的表达式(1) ～式(8)。式（1）～式（8）中的相关参数及物理意义与文献一致。

2 不同的水文条件对轴频电磁场的影响

海水电导率是由温度和含盐度决定。本文通过计算海水分别取4 s/m，6 s/m，8 s/m时的电磁场。其他的参数如下：μ=4π*10^(-7) H/m，d=100 m，ε0=10^(-9)/(36*π) F/m，ε1=80ε0，ε2=80ε1，海底电导率为σ2为 0.04 s/m。偶极子的频率为 1 Hz/m，大小为1000 Am（由于轴频电磁场值很小，这里偶极子强度较大并不影响分析因子对轴频电磁场的影响），初始坐标为（-1000 m，0 m，10 m），终点坐标为（-1000 m，0 m，10 m），测量点的坐标（0，100 m，5 m）。

运用基于汉克尔变换式的FFT变换算法进行数值计算。仿真结果见图1。计算结果表明海水电导率是十分重要的参数，电场三分量幅值随电导率的增大而减小（由于篇幅所限，给出Ex，Bx的仿真结果图）。海水导电能力越强。轴频电场衰减越快，而海水电导率对轴频磁场影响不明显。海底电导率对轴频电磁场的影响与海水电导率对电磁场的影响趋势相同。海底电导率的影响没有海水电导率明显。在图2中给出了不同海底电导率对轴频电磁场的影响。从图2可以看出，海底电导率对电磁场的影响并不明显，文中在为了说明其它的影响因子对电磁场的影响时也采取了类似的处理办法。

海水深度是浅海水文条件下的一个重要参数。取海水电导率4 s/m，海底电导率为0.04 s/m。海水深度分别为50 m、100 m、200 m、500 m。深度对电场和磁场的影响类似，x轴电场分量仿真结果如图 3，表明海水越浅，轴频电磁场值越大。

3 偶极子参数对轴频电磁场的影响

不同船舰、不同工况都会使得舰船产生的轴频电磁场发生改变。因此可以用不同参数的偶极子模拟不同的轴频电磁场。偶极子参数主要有偶极子的强度，偶极子的频率以及偶极子的运动速度。在其他参数和前述相同。运用基于汉克尔变换式的FFT变换算法，分别对v=5 m/s（7 m/s，10 m/s）、f= 1 Hz（2 Hz，4 Hz），偶极子强度分别为1 A*m，10 A*m，100 A*m时进行了数值计算。仿真计算结果见图4～图7。舰船最高航速一般不超过40节，对于低速运动的偶极子，速度并不影响电磁场的幅值，但是速度增大时，幅值曲线整体向x正方向移动。当偶极子频率增大时，Ex、Ey减小，Ez、Bx、By增加。偶极子强度是影响轴频电磁场幅值的主要因素，电磁场幅值随偶极子强度增加而增加。（为了节省篇幅，当影响因子对各电磁场分量趋势相同时，只用某个分量的仿真结果图说明）。

4 电磁场衰减和传播距离

电磁场三分量随距离增大的衰减关系是不同的，图8给出了电导率4 s/m，深度为100 m，偶极子强度为1000 A*m的情况下，运动时谐偶极子在观察点（0，100 m，5 m）处的电磁场三分量变化情况，由图可以看出，偶极子的 Ex、Ey分量在数值上小于 Ez分量，电场三分量在距离较近时衰减迅速，距离较远时衰减缓慢。偶极子的Bx、By大于Bz分量。在距离较近时衰减迅速，距离较远时衰减缓慢。

5 结论

由于文献得到的运动垂直时谐偶极子含有复杂的索莫非积分，从式（1～8）不能明确各个参数对电磁场幅值的影响。本文通过汉克尔变换式的 FFT变换算法对电磁场的解析式进行数值计算，对涉及的参数进行仿真对比，得到各参数对电磁场幅值的影响。由于舰船轴频电磁场值可以通过垂直时谐偶极子进行模拟。通过仿真分析明确了不同水文条件及不同工况对轴频电磁场幅值的影响，对舰船轴频电磁场目标信号特性有了进一步的研究。

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