舰艇涡流磁场横摇磁变模拟检测方法研究

汪家骅 ， 祝小雨

（1. 91663部队，山东青岛 266012；2. 海军工程大学电气工程学院，武汉 430033）

0 引言

随着水中磁性武器的发展，对舰艇磁场补偿程度的要求越来越高。文献指出，在超低频段(ULF)[约零至3赫兹]，舰艇磁场有四个主要场源，其中舰艇上的所有导电材料(磁性及非磁性的)在地球磁场中摇摆产生的涡流磁场可以大到足以引爆水雷，它是第二重要的舰艇磁性产生源[1]。对于直接在雷区进行作业的猎雷舰艇、扫雷舰艇等非磁性或者低磁材料的舰船，磁性防护要求会高得多，船上尽可能采用非磁性或低磁性材料，这样，由涡流产生的磁场是极其重要的部分[2]。

舰艇涡流磁场的检测方法在通常情况下有两种：机械摇摆测定跟模拟摇摆测定，最早的机械摇摆测定方法是利用人在甲板上的来回奔跑运动，使舰艇产生摇摆，这种方法非常原始，会花费大量的人力物力；后来有在船坞测量站，利用柴油机作动力臂驱使舰船摇摆以及利用绞盘起绞舰船两舷的木筏迫使舰船产生摇摆等方法，这些原始的方法最后都被废除，英国的一些研究人员认为用大面积带电绕组在船下、舷边移动，空间磁场的摆动将产生和机械摇摆同样的涡流效应，然而，这种方法不能控制摇摆角度和周期[3]。

由此可知，机械式摇摆检测方法费时费力、自动化程度低、检测工程量大、效果不明显。另一方面，简单的模拟摇摆检测法又不能真实反映舰船的摇摆效应，为此，应研究新的模拟摇摆检测法[3]。

1 空间位置的模拟

如图1所示，在舰船正直位置，龙骨正下方某测量点A的磁场在舰船稳定时跟舰船发生α角度的摇摆时的测量情况是不一样的。产生这种差异的原因是：舰船摇摆后，作用在舰船上的磁场变化了，因而其的磁化状态也随之改变，加之摇摆后的涡流效应，使得A点测得的磁场值改变。

现在，我们再来研究摇摆的模拟规律。设舰船初始平衡状态如图1中位置cI，舰船的坐标轴系为Gxyz（图中， Gx轴与纸面垂直，c未标明，以下均同），船舶沿水线面横倾 α角后，舰船状态如图1中位置Ⅱ，舰船c坐标轴系为Gx’y’z’。如果我们选取 B点，使 B点相对于 Gx’y’z’坐标轴系的坐标等于A点相对于Gxyz坐标轴系的坐标，且B点与A点位于垂直于舰船纵剖面的同一平面Gyz上，则当舰船处于位置I时，A点相对于坐标轴系Gxyz的坐标为：B点相对于坐标轴系Gxyz的坐标轴为：

当舰船处于位置Ⅱ时，A点相对于坐标轴系Gx’y’z’的坐标(假设无纵倾)为：

可得到：

B 点相对于坐标轴系 Gx’y’z’的坐标(假设无纵倾)为：

由式（1）~式（4）得到：

由式（5）和式（6）可得：

1）舰船横摇α角后的某点B之空间位置可以用舰船正直位置稳定状态下的A点之c空间位置来模拟；

2）舰船横摇α角后的某点A之空间位置，可以用舰船正直位置稳定状态下，以纵剖面为基准时，B点之镜像对称点来模拟。

2 地磁场的模拟

用以下三个坐标轴系确定摇摆舰船在空间的位置：

o1ξ1η1ζ1—固定在空间的坐标轴系；

Gξηζ—固定在舰船的重心而在运动的整个时间内保持和o1ξ1η1ζ1轴系平行的坐标轴系；

Gxyz—固定在舰船重心上的舰船坐标轴系；

这样一来，舰船的位置将由它的重心G的三个坐标——ξg、ηg、ζg和 3 个欧拉角α、β、γ来确定。欧拉角的选取如图3所示。

经过一系列推导可得到：

式中：DH—当地地磁水平分量（毫奥）

ZD—当地地磁垂直分量（毫奥）

以上即为在舰船摇摆情况下，舰船坐标系下地磁场各分量的磁变化计算公式。

舰船摇摆时，地球磁化舰船状态的变化称为“磁变”，舰船本身空间位置的变化称为“位变”。

如果只考虑横摇情况，令β=0，由式（7）得

当舰船处于南（北）航向时，φ=0°,180°，则有：

代入式（8），得：

3 横摇磁变模拟测量

舰船横摇运动方程为：

设初相0φ=，则

式中：f—横摇频率，T—横摇周期

设最大横摇角α=45°，下面我们来说明横摇检测的模拟方案。

按照前面的分析计算，我们可以设计一测磁行车，图4示出行车上探头基阵布置的示意图。测磁行车上设有13组26个三分量探头，布置在以o1（G1）为圆心的环形截面上，该环形截面位于 o1η1ζ1平面内。图 4示出第一组和第二组探头布置位置，每组探头由1Q和2Q两个探头组成。现以第i组为例说明探头左边的方位。

1Q[i]与 2Q[i]的 E1iX1i、E2i X2i轴与o1ξ1轴平行， E1iZ1i轴为通过o1(G1) 点的径向方向，与轴o1ζ1夹角为αi，各组αi值列出如表1所示。E1i Z1i轴与 E2iZ2i轴平行。E1iY1i（ E2iY2i）与 E1i Z1i（ E2iZ2i）组成 Yi-Zi平面并与 o1η1ζ1平面重合。

为了模拟磁变状态，须按公式（8）计算及控制摇摆磁变TiD（包括XiD、YiD、ZiD三个分量），另外还得实地校正各探头的补偿度。同时，为了模拟舰船位变，必须按照时间原则控制各探头扫描顺序。在每一个摇摆周期中，各探头扫描动作时间和地磁磁变对应关系如表2所示。

如果还要模拟舰船沿O1ξ1轴的航行运动，可按速度原则控制测磁行车沿着 O1ξ1轴方向平行滑动。

这样通过13组26条测量线，就可获得静态及摇摆时（包括舰船运动及不运动两种情况下的摇摆）舰船下方各测量点X、Y、Z三个方向的磁场变化。借助数据处理装置分析计算，将其结果记录、显示，可以逐点打印表格，也可以连续绘制曲线。

概括横摇磁变模拟检测方法的测量步骤是：

1）舰船静止情况下，测量其下方各点磁场；

2）舰船原地横摇运动情况下，测量其下方各点及原测量平面各点磁场；

3）舰船行驶无横摇情况下，测量其下方各点磁场;

4）舰船航行在周期横摇情况下，测量其下方各点磁场及原测量平面各点磁场。

4 结论

本文在分析舰艇空间位置模拟和地磁场模拟的基础上，提出了一种舰艇涡流磁场横摇磁变模拟检测方法，给出了该方法的模拟方案，包括测磁行车探头基阵布置、磁变状态模拟及舰艇位变模拟等，最后给出了横摇磁变模拟检测方法的测量步骤。

下一步的工作是在实验室实现本文提出的舰艇涡流磁场检测方法。

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[1]Holmes J J. Reduction of a ship’s magnetic field signatures [M]. Maryland: Morgan & Claypool Publishers, 2008.

[2]王军民，朱显桥．纵摇低磁舰船的涡流磁场计算[J]．舰船科学技术，2010，32(3)：49-53．

[3]夏春田.舰船摇摆磁场的磁变模拟[J].舰船科学技术，1982，(3)：10-28．

[4]吕正石，王锡坤．舰船壳体涡流磁场［J］．船舶，1994，(2): 47-57．