基于时谐偶极子模型的舰船轴频电场特性分析

余定峰，耿攀，杨勇，徐正喜，陈涛



基于时谐偶极子模型的舰船轴频电场特性分析

余定峰，耿攀，杨勇，徐正喜，陈涛

（武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064）

基于电磁建模方法，通过时谐偶极子模型在深海环境下产生的交变电场信号，对舰船的水下轴频电场进行仿真模拟。考察了舰船在不同测量深度上的电场分布特性，并对多种影响因素进行对比分析，为基于水下电场特征控制的舰船隐身提供理论基础和数据支撑。

舰船 轴频电场 时谐偶极子

0 引言

“被发现等于被消灭”，这已成为现代隐身装备研制领域的箴言。舰船作为军事战略中不可或缺的威慑力量，隐蔽性是其最重要的战技指标之一，决定着舰船的战斗力和生命力。舰船处于海洋环境中，由于腐蚀电位的不同以及外加电流阴极保护装置的使用，无论是处于静止还是运动状态，都会在其周围海水中激发电场信号，其中轴频电场因具有明显的频谱特征而受到广泛关注。基于水下电场信号的探测攻击武器给舰船的生存带来愈来愈大的威胁，迫切需要掌握舰船的水下电场信号分布及传播特性，从而为实现舰船电场隐身能力的不断提升提供技术支撑。

文献[1]～[3]通过研究表明，深海环境下舰船轴频电磁场可以通过空气-海水两层模型中时谐偶极子来模拟。文献[4]通过运动垂直时谐偶极子在浅海环境下产生的电磁场的研究分析了不同影响因素对舰船轴频电磁场的影响。本文通过两层模型中水平和垂直时谐偶极子在水下产生的交变电场对舰船轴频电场进行数值模拟，考察了海水电导率、偶极子位置、偶极子强度、偶极子频率以及传播距离等条件的不同，对轴频电场特性带来的影响。通过电磁建模仿真，掌握舰船轴频电场分布特性，为基于电场特征的舰船电场隐身技术研究提供理论和数据支撑。

1 深海中时谐电偶极子产生的交变电场

对于低速运动的偶极子，速度并不影响低频电场的幅值及其分布特性，因此这里以静止时谐偶极子产生的交变电场对舰船的轴频电场特性进行数值模拟。

图1 深海中水平和垂直时谐电偶极子

式中相关参数及物理意义与文献[1]～[3]一致。

2 轴频电场影响因素分析

通过空气-深海两层模型中水平和垂直时谐偶极子在水下产生的交变电场对舰船轴频电场进行数值模拟，考察海水电导率、偶极子位置、偶极子强度、偶极子频率以及传播距离等条件的不同，对轴频电场特性带来的影响。

1）海水电导率影响

当舰船航行于不同海域、不同深度的海洋中时，由于温度和盐度不同，导致海水电导率有差异。取海水介电常数1=800，偶极子频率为1 Hz，偶极子强度为1 A·m，偶极子位置为（0, 0, 100 m），测量线起点为（-1000 m, 0, 200 m），终点为（1000 m, 0, 200 m），考察海水电导率1分别取2 S/m、3 S/m和4 S/m三种情形，通过仿真计算得到水平时谐偶极子和垂直时谐偶极子在下方测量线上产生的轴频电场，如图2所示。

图2 海水电导率对轴频电场的影响

由计算结果分析可知，海水电导率是影响舰船水下轴频电场特性的重要参数，电场强度随海水电导率增大而减小（限于篇幅，给出电场分量曲线）。显然，海水导电能力越强，舰船产生的极低频电场衰减越快。

2）偶极子位置影响

图3 偶极子位置对轴频电场的影响

由计算结果分析可知，偶极子位置不同，导致轴频电场分布特性随之产生较大变化，距离测量线越近，对应轴频电场强度越大，反之则越小，反映了该极低频电场随距离的衰减特性。

3）偶极子强度影响

舰船的腐蚀状态或阴极保护参数不同，导致轴上流过的微弱腐蚀或防腐电流的不同，对应时谐偶极子的强度差异。取海水介电常数1=800，海水电导率1为4 S/m，偶极子位置为（0, 0, 100 m），偶极子频率为1 Hz，测量线起点为（-1000 m, 0, 200 m），终点为（1000 m, 0, 200 m），考察偶极子强度分别取1 A·m、10 A·m和100 A·m三种情形，通过仿真计算得到水平时谐偶极子和垂直时谐偶极子在下方测量线上产生的轴频电场，如图4所示。

图4 偶极子强度对轴频电场的影响

由计算结果分析可知，偶极子强度是影响轴频电场幅值的主要因素，电场强度随偶极子强度的增大而增大（为节省篇幅，当影响因子对电场各分量的影响趋势相同时，以某个分量为例予以说明）。

4）偶极子频率影响

舰船航速不同，即轴转速不同，对应时谐偶极子的频率差异。取海水介电常数1=800，海水电导率1为4 S/m，偶极子位置为（0, 0, 100 m），偶极子强度为1 A·m，测量线起点为（-1000 m, 0, 200 m），终点为（1000 m, 0, 200 m）。考察偶极子频率分别取1 Hz、2 Hz和4 Hz三种情形。通过仿真计算得到水平时谐偶极子和垂直时谐偶极子在下方测量线上产生的轴频电场，如图5所示。

图5 偶极子频率对轴频电场的影响

由计算结果分析可知，当偶极子频率增大时，水平时谐偶极子产生的近区轴频电场随之增大，远区轴频电场随之减小，体现出频率越高衰减越快的特点。垂直时谐偶极子产生的轴频电场随着偶极子频率的增大而减小。

5）传播距离影响

取海水介电常数1=800，偶极子频率为1 Hz，偶极子强度为1 A·m，偶极子位置为（0, 0, 100 m），测量线起点为（-1000 m, 0, 200 m），终点为（1000 m, 0, 200 m），海水电导率为4 S/m，通过仿真计算得到水平时谐偶极子和垂直时谐偶极子在下方测量线上产生的轴频电场，考察电场的分量随传播距离的变化趋势，如图6所示。

由计算结果分析可知，电场各分量在距离场源较近时衰减迅速，距离较远时衰减缓慢。水平时谐偶极子对应电场水平分量峰值较大，垂直时谐偶极子对应电场垂直分量峰值较大。

3 结语

通过两层模型中水平和垂直时谐偶极子在水下产生的交变电场对舰船轴频电场进行数值模拟，考察了海水电导率、偶极子位置、偶极子强度、偶极子频率以及传播距离等条件的不同，对轴频电场特性带来的影响。基于电磁建模方法，对舰船轴频电场分布特性进行仿真分析，可为基于电场特征的舰船隐身技术研究提供必要的理论和数据支撑。

图6 轴频电场分量随传播距离变化曲线

[1] 卢新城, 龚沈光, 周骏等. 海水中极低频水平电偶极子电磁场的解析解[J]. 电波科学学报, 2004, 19(3): 290-295.

[2] 毛伟, 林春生. 两层介质中运动水平时谐偶极子产生的电磁场[J]. 兵工学报, 2009, 30(5): 555-560.

[3] 毛伟, 周萌, 余刃. 两层介质中运动垂直时谐偶极子产生的电磁场[J]. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版), 2011, 35(5): 1081-1085.

[4] 朱武兵, 嵇斗, 王向军等. 浅海中影响运动舰船轴频电磁场的因素[J]. 船电技术, 2013, 33(11): 41-44.

Analysis on Shaft-rate Electric Field of A Ship Based on Time Harmonic Dipole

Yu Dingfeng, Geng Pan, Yang Yong, Xu Zhengxi, Chen Tao

(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China)

TM153

A

1003-4862（2014）10-0011-04

2014-04-21

余定峰（1986-），男，工程师。研究方向：舰船电磁场应用及防护。