深海中四桨运动舰船产生的轴频电磁场研究

任立刚， 朱武兵， 高中峰，周茜

（1．海军92925部队，山西长治046011; 2．海军工程大学电气工程学院，武汉 430033;3．海军91446部队, 河北诼州 072750）

0 引 言

随着现代信息处理技术、微电子技术和传感器技术的发展，对舰船目标特性的研究进一步深入，舰船轴频电磁场已经成为重要的水下信号。文献[1]通过研究表明深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，但是只研究了舰船是单个螺旋桨的情形下的建模与仿真。现役的中型、大型舰艇都可能采用多桨的推进方式，因此只研究单桨舰艇的轴频电磁场显然是不够的。对于四桨的大型舰船，在采用多桨的推进方式时，四个桨经常是不同步的，这样就会导致四个螺旋桨旋转时各自产生的轴频电磁场具有不同的相位、幅值、频率。因此研究四桨运动舰船产生的轴频电磁场具有十分重要的实际意义。对轴频电磁场的实际应用需要对这种四桨的舰船的电磁场进行建模。并为未来轴频电磁场用于舰艇的远程探测提供了基础。本文采用四个运动垂直时谐电偶极子在固定场点产生的电磁场对深海中运动四桨舰船的电磁场进行模拟。

1 深海中运动垂直时谐偶极子电磁场表达式

根据文献[1]推导出深海中运动垂直时谐电偶极子电磁场的表达式：

式（1）～式（8）中的相关参数及物理意义与文献[1]一致。运用基于汉克尔变换的 FFT算法[9]得到了电磁场三分量的频域曲线和时域曲线。那么就可以得到任意时刻t电磁场的频域值和时域值记t时刻的电磁场三分量的频域值和时域值为：

2 四个运动垂直时谐电偶极子电磁场表达式

这里假设采用4个处于同一位置的运动垂直时谐偶极子对轴频电磁场进行建模。时谐电偶极子与单个电偶的极子表示方法类似。可推导出四个运动垂直时谐电偶极子在固定场点产生的电磁场的表达式如下：对于电场x分量：

对于磁场x分量：

以上给出固定点电场x分量、磁场x分量的电磁场的表达式，其他电磁场分量的公式与之类似。在这里为了节省篇幅，不作赘述。

3 相位不同步的四桨舰船的轴频电磁场仿真

对于4桨的运动舰船在航行的过程中，假设四个桨的转速相同，但是四个桨的相位不同，舰船的运行速度为5 m/s。这里可以用四个频率相同的运动垂直时谐偶极子对舰船的轴频电磁场进行建模。建立文献[1]的洛伦兹模型，空气、海水、海床的介质参数同文献[1]。各时谐运动的垂直电偶极子的频率为 1 Hz，各电偶极子的初始坐标（x=-1000 m，y=0，z=10 m），终点坐标（x=-1000 m，y=0，z=10 m），强度均为1 A*m。 本文主要给出x分量的仿真图（一方面已经可以说明问题、另一方面节省篇幅）。

通过分析仿真结果图，可以知道：

1）分析图 1(a)、(c)可知，相角的变化并不影响频域的幅值。

2） 通过分析四个桨相位均为0时的仿真结果图与单桨相位为0时的仿真结果图1(a)、(b)、(e)、(f)。可以发现四个相同的电偶极子的强度产生的电磁场的时域值是单个同参数的电偶极子的4倍。由此可以说明这四个1 A*m电偶极子可以等效为强度为4 A*m的电偶极子。

3） 对比两组不同相位的仿真结果，可以发现当四个电偶极子的相位均为0时产生的电磁场最大，图1(c)、(d)所示的情况产生的电磁场的数量级非常小，以现在的电磁场探测水平可以把这种情况产生的电磁场视为零。基本上可以认为实现了轴频电磁场的抵消。说明了轴频电磁场由于相位不同而存在抵消效应。

4 转速不同的四桨舰船轴频电磁场仿真

通过分析仿真结果，可以知道：

1）分析仿真结果的频域图2(b)（频率越高，电场值越大），发现在电场z方向由于频率的不同导致有较大的幅值差异。在频域图 2(a)中发现有的没有明显变化，这是因为频率对轴频电磁场的影向并不明显。

2）从图2(c)轴频电磁场时域图可以发现，电磁场的包络线没有频率相同时光滑，这说明频率对轴频电磁场的时域值有较大的影响。

3）分析仿真结果图1(a)、(b)（相角为0，频率均为1 Hz），图2(a)、(b)，提出当频率不同时的轴频电磁场的建模思路：首先求出两个桨产生的不同的轴频电磁场频率，然后采用具有这两个频率不同的两个虚拟时谐偶极子对轴频电磁场进行建模。

5 结论

本文通过仿真运动垂直电偶极子产生的电磁场对轴频电磁场进行了模拟。模拟得到的结果不同相位和不同转速时四桨运动舰船产生的轴频电磁场，并对产生的轴频电磁场进行了分析。分析得到了四桨舰船产生的轴频电磁场特性以及为轴频电磁场的建模提供了思路。值得说明的是，可能实际舰船不会出现完全反相得情况，或者频率不会相差这么大。但是在理想情况进行的仿真，对舰船产生的轴频电磁场有了以上这些有价值的结论。

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