水下电磁波频率变化特性实验研究

孙常存, 袁 鹏, 任志良, 谭思炜



水下电磁波频率变化特性实验研究

孙常存1, 袁 鹏2, 任志良3, 谭思炜3

(1. 中国人民解放军 91439 部队, 辽宁 旅顺, 116041; 2. 海军装备部驻西安地区军事代表局, 陕西 西安, 710054; 3. 海军工程大学 兵器工程系, 湖北 武汉, 430033)

基于对电磁波传播特性实验原理和实验内容的分析, 设计了一套水下电磁波频率变化特性实验方案, 并进行了水池实验。经数据处理后, 给出了电磁波传播过程中频率变化特性水池实验结果, 并与理论仿真结果作了对比, 结果表明, 实测数据与理论值存在一定误差, 但实测数据拟合曲线与理论曲线的变化趋势基本一致, 验证了本套实验方案的可行性。最后指出了存在的问题及下一步研究方向, 为水下主动变频电磁探测系统的研制提供理论和实验依据。

水下电磁波; 传播特性; 频率变化

0 引言

水下主动式电磁探测系统通常利用谐变磁偶极子作为电磁辐射装置, 向周围空间辐射一定强度的电磁探测场。在作为主动探测源的同时, 磁偶极子辐射源也成为被探测的信号源, 文献[1]和[2]均利用这一原理实现了对水下主动式电磁探测系统安装平台的被动定位, 加之采用单一频率的连续波工作方式, 一旦主动式电磁探测系统的电磁辐射场被截获, 必将增大系统受到敌方电磁干扰的威胁[3-4]。采用变频工作方式是提高水下主动式电磁探测系统抗干扰能力的可行途径之一, 因此, 研制水下主动式变频电磁探测系统势在必行。由于水下电磁波传播特性与频率有关, 变频必将引起电磁波传播特性的变化。鉴于此, 本文针对水下电磁波传播过程中的频率变化特征, 开展实验研究, 给出了水池实验方案、实验数据记录、数据处理和分析结果, 为研制水下主动式变频电磁探测系统提供了理论和实验依据。

1 电磁波传播特性数学模型

根据水下交变磁偶极子场的分布特性[5-7],柱坐标系下水下磁偶极子场的数学模型为

由式(2)得出, 水下磁偶极子场径向分量和轴向分量的幅值表达式为

对应静磁偶极子场径向分量和轴向分量的幅值为

则径向分量与轴向分量的幅值衰减系数和相移系数分别为

2 基本原理与实验内容

水下电磁波传播过程中频率变化特性的实验原理如图2所示。通过由DDS信号源提供指定参数的发射信号, 经功率放大后激励引电磁耦合装置以恒定磁矩产生变频辐射场。考虑到电磁辐射和接收均具有一定的方向性, 如果采用1D或2D电磁接收传感器直接对辐射场的径向分量和轴向分量进行测量, 将为水下接收传感器方位的精确调整带来困难, 这里利用3D电磁传感器阵来测量电磁耦合装置产生辐射场的3个分量。经滤波放大后, 通过数字示波器观察接收信号的波形, 利用交流毫伏表读出相应磁场分量的电压值, 利用相位计测得各分量的传播相移。最后, 对测量数据做曲线拟合, 与式(5)和式(6)的仿真结果作对比分析。

图2 水下电磁波频率变化特性实验原理图

3 水下电磁波频率变化特性水池实验设计

3.1 实验设备的基本组成

根据水下电磁波频率变化特性实验原理图可知, 实验中所用到的仪器设备及其完整的配置方法, 下面对水下电磁发射与接收装置、DDS信号源以及相关的信号处理部分作详细说明。

图3为水密的电磁耦合器和3D电磁传感器阵的内部结构图, 电磁耦合器即为1根棒形辐射器, 辐射磁矩沿轴正方向; 3D电磁传感器阵由3个小尺寸带铁芯的线圈组成, 实现空间电磁场的三分量接收。

基于DSP的信号发射与处理系统框图如图4所示, 其中包含DDS信号源模块和接收信号预处理模块, 电路板的主要构成与功能如下:

1) 前置放大: 将3D电磁传感器阵输出的信号进行放大;

3) 自动增益调整: 对信号幅度进行调整;

4) FPGA电路: 完成DDS信号的产生、控制逻辑以及与DSP之间的总线通信;

5) 波形重构电路: 完成参数可调正弦波的重构与滤波, 再输出至功率放大器。

图3 水密的电磁发射和接收装置内部结构图

Fig. 3 Internal structure diagram of water-sealed electromagnetic radiating and receiving device

图4 基于DSP信号发射与处理系统框图

3.2 实验方案

2) 设定DDS信号源的频率, 考虑到选频滤波的频率范围有限, 初始频率设定为1;

图5 电磁耦合器与3D电磁传感器阵布放示意图

3) 调节信号源的幅值和配谐电容器, 运行DSP程序使DDS信号源输出发射信号, 待稳定后观察电流表的读数是否达到规定值, 如果有偏差, 则通过改变DDS信号源的幅值进行调节, 直至电流表读数稳定在规定值, 表明电磁耦合器的辐射磁矩已达到规定值;

4) 运行DSP数据处理程序, 通过数字示波器观察接收信号的波形, 利用交流毫伏表读出辐射场各分量的电压值, 利用相位计测得辐射场各分量的相移, 并记录数据, 停止DSP程序运行;

7) 将测得的实验数据导入MATLAB做数据拟合, 与式5)和式6)的仿真结果作对比分析。

4 实验数据与分析

为了利用水下电磁波传播过程中的频率变化特性对所设计的实验方案进行验证, 在水中兵器实验室进行了水池实验测量, 并将两路水平分量转换为径向分量, 得到了定距变频和变距变频条件下, 电磁场径向分量和轴向分量的幅相测量结果, 其中某一频率范围内的实验数据见表1和表2。再利用实验数据得到对应的传播衰减系数和相移系数, 经二次多项式拟合后, 与理论仿真结果作对照分析, 结果如图6和图7所示。

表1 变频电磁场分量测量结果与理论数据(r=1.5 m)

图6 水下电磁波各分量传播特性的实测与理论曲线(r=1.5 m)

图7 水下电磁波各分量传播特性的实测与理论曲线(r=2 m)

表2 变频电磁场分量测量结果与理论数据(r=2 m)

由图6和图7可以看出, 与水下电磁波各分量传播特性随频率变化的理论曲线对比, 实验测量的数据存在一定误差, 但实测数据拟合曲线与理论曲线的变化趋势基本吻合, 且以轴向分量传播特性变化曲线与理论曲线吻合得最好。上述结论只是初步的, 还需要进行更深入的仿真分析和实验研究。

5 结束语

本文对水下电磁波传播过程中的频率变化特性进行了实验研究, 设计了一套变频电磁波传播特性实验方案, 并用此方案进行了水池实验。虽然实测数据拟合曲线与理论曲线的变化趋势基本吻合, 但由于各方面原因, 还是存在一些误差, 实验方案需要进一步精确。实验误差存在的原因有实验仪器设备自身的误差, 另外与水池内部空间的电磁干扰不能完全消除也有一定关系, 还需要进一步提高实验测量设备的性能, 并进行湖上或海上实验研究。

[1] 任志良, 陈泽茂, 李泽良. 鱼雷电磁引信定位方法研究[J]. 海军工程大学学报, 2000, 12(6): 41-44.

Ren Zhi-liang, Chen Ze-mao, Li Ze-liang. Research on Ranging and Position Method of Torpedo Electromagnetic Fuze[J]．Journal of Naval University of Engineering, 2000, 12(6): 41-44．

[2] 任志良, 黄玉盈. 磁偶极子天线方向性的边界元解法[J]．海军工程大学学报, 2003, 15(6): 37-48.Ren Zhi-liang, Huang Yu-ying．BEM of the Directivity of Magnetic Dipole Antenna[J]. Journal of Naval University of Engineering, 2003, 15(6): 37-48．

[3] 陈春玉, 张静远．反鱼雷技术[M]．北京: 国防工业出版社, 2006.

[4] 陈耀娟, 韩明连. 舰艇鱼雷防御技术现状及发展趋势[J]. 舰船科学技术, 2002, 24(z): 12-14.Chen Yao-juan, Han Ming-lian. State of the Art and Trend of Surface Ship Torpedo Defence Technology[J]．Ship Science and Technology, 2002, 24(z): 12-14.

[5] Stratton J A. Electromagnetic Theory[M]. New York: McGraw-Hill Book Company, 1941: 15-17.

[6] 楼仁海, 符果行, 袁敬闳．电磁理论[M]．西安: 电子科技大学出版社, 1996.

[7] Wong K T, Zoltowski M D. Closed-Form Direction- Finding with Aarbitrarily Spaced Electromagnetic Vector-Sensors at Unknown Location[C]//Acoustics, Speech and Signal Processing. Seattle: Proceedings of the 1998 IEEE International Conference, 1998(4): 1949-1952.

(责任编辑: 许妍)

Experimental Research for Exploring Frequency Variation Characteristics of Underwater Electromagnetic Wave

SUN Chang-cun,YUAN Peng,REN Zhi-liang,TAN Si-wei

(1. 91439thUnit, The People′s Liberation Army of China, Lüshun 116041, China; 2. Xi′an Representative Bureau, Naval Armament Department, Xi′an 710054, China; 3. Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

An experimental scheme was designed for exploring frequency variation characteristics of underwater electromagnetic wave based on the analyses of experimental principle and experiment items of electromagnetic wave propagation characteristics, and a water-tank experiment was performed. The results after data processing and quadratic polynomial fitting are given, and are compared with simulation ones. Conclusions are drawn that the theoretical values show some error to the measured data, but the fitting curve of the measured data show consistent trend with the theoretical curve, which verifies the feasibility of the proposed scheme. In addition, some existing problems and further research topics are presented.

underwater electromagnetic wave; propagation characteristics; frequency variation

TM154.3; TN011.6

A

1673-1948(2014)01-0072-06

2013-01-29;

2013-08-22.

国家自然基金(51109215).

孙常存(1983-), 男, 博士, 工程师, 研究方向为鱼雷制导与引信技术.