国外舰船磁场特性研究及舰船防护技术综述

朱世才，牟 兰，刘志军，王德庆

(水下测控技术研究所，辽宁 大连116013)

0 引 言

由于特殊建造金属材料、结构布局、推进系统、腐蚀和防腐、能源供给、机电设备等因素，舰船在海水中航行时，会产生包括舰船磁场在内的各种舰船物理场(见图1)［1］。舰船磁场是除声特性外最重要的目标特性之一，只能减弱而不能完全消除，对舰船非声隐身性能和水中兵器的引信设计具有重要影响，已成为可以被用于舰船探测、定位、水中兵器引信的新目标特征，也是舰船水下超长波通信的干扰源［1-2］。以往单一的声引信使水雷等水中兵器极易被扫雷具等扫除，自二战以来，舰船磁场就被应用到水雷等水中兵器的引信中，不断发展了包括舰船静磁场、交变磁场等在内的各种组合式引信系统。随着磁场引信的不断改进，也出现了各种磁场扫雷具与之抗衡。同时，为了避免受到水雷等水中兵器的攻击，保护舰船自身的安全，采取各种措施以降低舰船自身的磁特性进行舰船磁防护也得到了一定的发展。

图1 目标特性物理场简图Fig.1 The physical fields of target characteristics

1 舰船磁场概述

舰船磁场是指处于海洋中的舰船对外呈现的磁场的总称，其频带范围为0 ～1 000 Hz 左右，可划分为0 ～1 Hz 静磁场和1 ～1 000 Hz 左右交变磁场2 部分［1-4］，如图2所示。舰船磁场不论频率如何，都来源于某种电流源或者金属和磁性材料及其运动，主要来源于舰船船体不同金属材料电化学效应产生的腐蚀电流、阴极保护系统产生的防腐电流、舰船机电设备对外电磁辐射、铁磁船体的固定和感应磁场等因素，可被用于舰船探测、定位、水中兵器引信，已经成为舰船重要的暴露源、识别源以及超长波通信的干扰源。

图2 舰船磁场信号的组成Fig.2 The components of warship′s magnetic field

根据形成舰船磁场的物理过程可将舰船磁场分为电性源磁场和磁性源磁场。电性源磁场是指源于舰船金属结构流经海水媒质构成的闭合电流激发的磁场，其存在的条件是舰船上有经过舰船周围水介质流过的沿着舰船的金属结构形成的闭合电流，主要包括以下3 种:

1)舰船船体自身不同金属材料间的电化学腐蚀电流以及外加电流阴极保护系统(ICCP)产生的腐蚀相关磁场(CRM);

2)金属船体运动切割地磁场产生的感应电流形成的运动感应磁场;

3)电源滤波不良和舰船机电设备各接地点之间电位差引起的泄漏到海水中的电流形成的工频磁场。

磁性源磁场是舰船金属船体的磁场以及内部金属结构中流动电流和磁性船体运动产生的感应电流激发的磁场，其存在的条件是舰船上有铁磁物质或者是沿着金属管线流动的电流，它们并不是直接通过电流回路向艇外辐射的，主要有以下3 种:

1)舰船铁磁性金属结构的剩磁场和感应磁场以及旋转的铁磁性机械组件产生的扰动磁场;

2)船用大电流电气设备通过流水孔、盖舱板等向水中辐射形成的时变辐射磁场;

3)旋转的螺旋桨及磁性船体运动导致的环境磁通量变化在海水中引起的感应电流产生的磁场。

图3 舰船磁场信号及铁磁场和CRM 场的衰减特性Fig.3 The magnetic fields of warship′s and the decay characteristic of ferromagnetic and CRM fields

针对于舰船磁场的测试测量、建模预报、设备研制、水下兵器的引信设计和舰船防护等都建立在对舰船磁特性深入了解的基础上。国外军事大国都非常注重舰船磁场特性的研究，研究历史长，具有坚实的理论基础。苏联在20世纪50年代末开展了水下磁场测试以及装备标准等的研究工作，美国、英国等西方国家有大量科研机构从事舰船磁场研究，如美国水下战中心电磁实验室、加拿大防御研究与发展中心水下电磁分部、英国超级电子公司、法国泰利斯公司、法国海军电磁实验室以及日本防御厅第5 研究所等。通过对铁磁场和CRM 场衰减特性的研究可以看出，舰船铁磁场分量随着距离的立方衰减，而CRM 场随着距离的平方衰减，相对来说衰减较慢(见图3)，分布距离更远，更具应用价值。

图4 舰船CRM 场三分量功率谱Fig.4 The three axes′ power spectrum of warship′s CRM field

英国超级电子公司对轴频磁场信号特征与舰艇航速、航向等的关系进行了研究［2］。图4 是舰船CRM 磁场信号功率谱估计，从图中可以清楚地看到，螺旋桨产生的轴频磁场线谱。被测量舰船航速6.4 m/s，磁场x 分量线谱基频为5.7 Hz，并带有11.7 Hz 等高阶线谱，y 分量有明显高次谐波。当航速变为5.3 m/s 时，x 分量线谱基频则变为4.7 Hz，带有9.4 Hz 等高阶线谱。由于轴频是舰船不变的物理量，深入研究轴频磁场将对目标探测和水中兵器引信的发展带来巨大的推动作用。

图5 舰船尾流磁场(水深30 m)Fig.5 Warship wake magnetic field(deep 30 m)

舰船尾流磁场可以说是对舰船自身磁场研究的扩展。以色列对运动舰船的尾流导致的磁场进行理论分析和模拟验证，验证了通过尾流磁场探测航行舰船的可行性［5］。舰船尾流会产生导电海水的速度场，在地磁场中将导致扰动。通过数学计算，在有限深度内将可获得舰船运动的尾流导致的磁场的闭合解。图5 为以色列通过理论计算获得的水下30 m处得到的舰船尾流磁场分布。

2 舰船磁隐身防护

舰船隐身性能是舰船的生存和作战能力的重要体现，磁场探测技术和磁场引信水雷的发展对舰船生存能力提出了新的更大的挑战。尽管各种反水雷措施的出现在一定程度上降低了这种威胁，但还是极大地制约了舰船的机动范围，降低了舰船执行任务的效率。现今不断发展的磁异常探测(MAD)技术利用目标的磁特性探测水下目标进而实施毁灭性的打击，对水下目标也构成了极大的威胁。如在磁异常探测(MAD)系统的设计、制造和集成方面处于世界领导地位的CAE 公司，其先进的一体化MAD 系统(AIMS)就主要被安装在反潜飞机上以探测潜艇［6］(见图6)。对于舰船来说，有效地降低或消除自身的磁场特性才能降低被敌方磁性探测器探测到的概率，也只有这样才能降低舰船自身受到敌方磁引信水中兵器攻击的风险。用于降低舰船磁场水平的一系列技术设备、组织保障以及设计工艺方法被统称为舰船的磁防护。所以，进行良好的舰船磁防护才是应对磁性威胁最好的方法，对舰船磁场特征进行控制，提高舰船磁场隐身能力已经成为各国海军的迫切需求。

图6 附近存在目标时MAD 系统的界面显示Fig.6 The display of MAD interface when target in the vicinity

国外在研究舰船磁场探测技术的同时，非常重视对舰船磁场隐身技术的研究，以降低敌方磁场引信水中兵器和磁场探测系统对己方舰船的威胁。如加拿大Davis公司在进行舰船设计的初期就把舰船磁场特性的控制问题考虑到了设计当中［7］(见图7)。舰船磁场不论频率如何，都来源于某种电流源或者金属和磁性材料及其运动。舰船磁场赖以存在的条件是由于舰船上存在铁磁性物质、流过舰船内部金属结构和管线的电流(稳恒的和交变的)以及在舰船周围水介质中存在的电流，这些电流沿着舰船的金属结构流动并且在海水中达到最大值。进行舰船磁场防护主要是针对于舰船磁场源和舰船磁场赖以存在的条件而采取的控制措施，可采取的措施有:消磁系统消磁;采用非铁磁体船壳;取消阴极保护系统;主动阴极保护电源滤波器;主轴接地;改进电磁设计和屏蔽;消磁系统修正;优化阳极配置。

图7 Davis 公司为先进舰船设计进行的电磁信号模拟Fig.7 The electromagnetic signature modeling for advanced warship design by Davis

采用非铁磁体船壳是很不错的选择，对于降低或消除舰船的各种磁场分量非常有效。但是这样做的代价相当大，对舰船设计和建造带来巨大困难的同时费用也非常惊人，现阶段在某些小型特种舰船上应用还可以，并不适用于常规舰船。由此看来，现阶段还是要采用钢铁作为船壳材料，那么采用取消阴极保护系统以降低舰船磁场特性的方法也不可行。改进电磁设计和屏蔽是目前所有国家在进行舰船设计中都必然要考虑的问题，可有效降低舰船内部大电流用电设备向船外辐射磁场的强度。

舰船消磁是采用各种设备和装置，以一定的方法来减小舰船磁场的技术措施。目前的消磁系统一般采用2种方式:一是临时线圈，主要针对舰船自身固定磁性的消除;二是固定绕组，即船载消磁系统，主要是对舰船感应分量和剩余固定分量进行进一步抵消处理。

临时线圈消磁由专门的消磁站(船)在一定的场地进行。消磁时舰船开进预先敷设有消磁线圈的设施空间，消磁站(船)的供电设备向消磁线圈供电，用线圈产生的强大磁场改变舰船的固定磁性，使舰船的磁场减小，达到消磁的目的。临时线圈消磁能够减小舰船一般的永久磁场，但不能完全消除，而且这种方法对感应磁性磁场却无能为力。

图8 消磁系统模型Fig.8 The e model of degaussing system

而船载消磁系统既可以减少残余永久磁性，也可以减少感应磁场的影响。船载消磁系统［8］，如图8 是舰船内部安装的三轴固定消磁绕组以及供电和调整设备，当消磁绕组通电时，便会产生与舰船磁场方向相反、大小相等的绕组磁场，将舰船磁场补偿掉，但断电时，绕组磁场消失，舰船磁场依然存在。因此，装有固定消磁绕组的舰船航行时，可以随时调整绕组中的电流，以补偿随着航向和航行区不同而变化的舰船感应磁场，消磁效果较好。图9 显示了舰船在航行过程中关闭船载消磁系统前后的磁场变化情况。

以往，一般的消磁系统设计以桅顶磁力计测量的磁场强度作为背景场，调节所有消磁线圈中的电流，使由舰船引起的磁场与测得的背景场相同。该系统能够尽量减小舰船的电磁特征信号，并且均衡地磁场中的舰船磁场。进一步的设计则是以地磁场预测系统代替桅顶磁力计，建立一个闭环消磁系统，利用磁力计阵实时监测自身磁场并直接将磁性状态反馈给舰船，进而调整消磁线圈中的电流大小抵消自身磁场，保证动态磁场的稳定。目前，新一代军用舰船都安装有船载消磁系统，以消除舰船的残余永久磁性和由于地磁场造成的感应磁性的影响。

图9 消磁系统关闭前后舰船磁场的变化Fig.9 The variety of warship magnetic field when Degaussing System(DG)is closed

先进的消磁系统则进一步增加了船载消磁线圈的数量(20 ～80)，利用探测器阵列测量舰船各部分的磁场，主动将其消除。更多数量的消磁线圈装备到舰船上可以更好地控制磁特征信号，控制中心根据探测器阵列的实时探测结果为每一个消磁线圈单独供电，以更彻底地消除舰船的磁特征信号［9］(见图10)。例如加拿大的巡逻护卫舰(CPF)有23 个线圈，美国的两栖船坞运输舰LPD-17 有60 多个线圈，后续的LPD-18、LPD-19 同样会设计更多更合理的消除线圈配置。而未来的消磁系统则是一种综合控制系统，通过提高磁特征信号控制、航行特征信号分析、损害回复能力，减少电缆和改善安装灵活性等保证舰船磁特征信号被完全优化管理，增加舰船的隐蔽性。

舰船防腐用的主、被动阴极保护系统产生的电流是舰船静磁场的一个重要来源，而且是舰船交变磁场的主要来源。在阴极保护要求较高的情况下，还会有多个主动防护电源，且都与多个阳极相连，通过反馈系统自动调节保护电压，这样就会产生包括CRM 在内的较复杂的极低频舰船磁场，而且在一定距离上显著强于铁磁场(见图10)。这部分磁场的抑制要从阴极保护系统着手，通过优化确定电极在船体上的最佳位置，尽量减小防腐电流而不影响阴极保护效果，同时降低舰船的磁场特性。也有人提出完全用电-化学平衡材料制造螺旋桨和其他主要部件，从根本上消除在异种金属之间产生的电流，因而不再需要ICCP 系统进行舰船的电、磁防护。欧美等国家多采用被动轴接地系统和主动轴接地系统来减小轴系调制的极低频电、磁场，主、被动轴接地系统，如图11所示。

图10 先进的消磁系统消除舰船磁场铁磁性磁场Fig.10 The removing of warship′s ferromagnetic field by advanced Degaussing System(DG)

图11 主被动轴接地系统Fig.11 Active and passive Shaft Grounding(PSG)

轴接地系统可以减少电阻波动的影响而降低轴速率调制的极低频电、磁场［10-15］。很多国家在其防腐标准规范中就规定了造船时要安装被动轴接地系统(见图11(a))。该系统可以减小极低电、频磁场信号，但若维修保养不及时，被动轴接地系统会失效。主动轴接地(ASG)系统是更为有效地控制流经舰船主轴电流的系统，ASG 利用电子仪器补偿轴-船体间电阻的变化，从而消除轴电流的变化(见图11(b))。ASG 由于其反馈作用，对尾轴与船壳分流电阻的影响极小，与传统的被动轴接地系统相比，大大降低了电阻的波动，是更为有效的方法。由于腐蚀电流所产生的磁场比钢制船体产生的要小得多，因此这种控制措施不会明显改变舰船的直流磁场特性。主动轴接地系统是为减小由腐蚀和防腐电流产生的极低频特征信号波动而专门设计。图12是有、无ASG 系统2 种情况下在极低频频段进行测量获得的船外磁场的垂直分量时域图。由此可以看出，采用了主动轴接地系统后，极低频磁场信号明显减小。

图12 有无主动轴接地系统对舰船极低频磁场的影响Fig.12 The effect of ASG to warship′s magnetic ELFE

目前，加拿大和俄罗斯等国家已经具备了成熟的舰船水下电、磁场特征控制技术，并形成了军事装备。加拿大Davis 公司与加拿大国防部太平洋防卫研究所联合研制的“有源轴系接地系统”(ASGS)能有效抵消轴系极低频电、磁场(见图13)，早在1970年就由加拿大海军和美国海军组织过鉴定，已应用于多国新建造的舰船。Davis 公司已经为美海军“海狼”级SSN-21和SSN-22 核潜艇提供了200 A 的有源接地系统。

图13 加拿大主轴主动接地系统Fig.13 The ASGS of Canada

另外，Vickers 造船工程技术有限公司也研制了主动轴接地(ASG)系统来消除轴系极低频电、磁场。并且已经将100 A 有源接地系统装备于英海军的“特拉伏尔加”和“快速”级核潜艇上。波兰海军技术研究发展中心对轴系极低频电场进行了测试，并研究了一种短路滑环装置，可以有效减小轴系极低频电、磁场。

苏联采取了与欧美不同的技术路线，应用绝缘措施将轴与船体有效绝缘，研制了“Каскад-э”舰船电磁场补偿系统以抵消舰船电、磁场(见图14)。装备了“Каскад-э”系统的舰船对所有接触的异种金属进行了有效的电绝缘;利用磁性调制传感器测量轴频电流特征参数，通过尾部阳极施加反向电流消除轴频的电、磁场;通过数值模拟来计算保护电位分布和磁场分布，合理布置阳极和参比电极，使腐蚀电、磁场达到最小化。“Каскад-э”系统有3 种工作模式:模式Ⅰ—不限制使用条件的螺旋桨电流测量工作模式;模式Ⅱ—在执行任务航行时使用的电磁场补偿和螺旋桨船体水下部分局部防腐模式;模式Ⅲ—停靠码头或安全水域时使用的螺旋桨、轴和船体水下部分防腐模式。

图14 苏联“Каскад-э”系统Fig.14 The“Каскад-э”system of USSR

外加电流阴极保护(ICCP)系统电源滤波不良会产生极低频电、磁场。为了消除ICCP 系统中电源滤波不良产生的极低频电场，惠得尼·爱舍(WAL)公司已研制了线性电源和开关型电源(SMPS)，能有效消除海水中的电源纹波电场。也可在ICCP 装置电源上加装高性能滤波器以降低由于电源整流不好而产生的极低频电磁特性。

3 结 语

舰船磁场是舰船的一个重要的军用目标特性，已被用于舰船探测、定位、水中兵器引信等领域，也是舰船重要的暴露源、识别源。自二战以来，各国对舰船磁场的研究和应用都极为重视，美、英、俄、芬兰、瑞典、加拿大和澳大利亚等国都已形成了磁场水雷、反水雷系统以及舰船磁场防护系统等一系列的先进装备。随着磁场传感器性能和测试技术的提高以及对舰船磁场的不断深入研究，面对利用舰船磁场综合特性的先进智能水中兵器的巨大威胁，更加可靠的舰船磁场防护综合控制系统也将不断出现、不断完善，将极大地促进武器装备、舰船隐身等的发展。

［1］林春生，龚沈光.舰船物理场(第2 版)［M］.兵器工业出版社，2007:25-48.

LIN Chun-sheng，GONG Shen-guang.Ship physical field(Second Edition)［M］，2007:25-48.

［2］DAVIDSON S J，RAWLINS P G.A Multi-influence range with electromagnetic modelling［J］.Ultra Electronics Limited，2006.

［3］YU M.Zolotarevskii.Methods of measuring the low frequency electric and magnetic fields of ships［J］.Measurement Techniques，2005，48(11):1140-1144.

［4］Игорь П.Краснов.Становление и развитие методов расчёта магнитного поля судна.ЦНИИ имени академика А.Н.Крылова，Санкт Петербург，Россия.

［5］ODED Y，GREGORY Z，TOUVIA M.Detection of the electromagnetic field induced by the wake of a ship moving in a random sea of finite depth［Z］.Faculty of Engineering，Tel-Aviv University，Israel.

［6］Magnetic anomaly detection system［Z］.CAE.Canada.

［7］Electromagnetic signature modelling［Z］.Davis Engineering Limited.Canada.

［8］SYSTEMS D.Polyamp systems division［Z］.Sweden.

［9］PARLONGUE J，BORTELS L.A numerical modelling to evaluate and control the electromagnetic signature of naval vessels［C］.UDT Europe，2010，Germany.

［10］郑军林.舰船电场研究概况及其军事应用［J］.舰船工程研究，2007(2):29-33，40.

ZHENG Jun-lin.Development and military application of electric field technology in ship［J］.Ship Engineering Research，2007(2):29-33，40.

［11］JEFFREY I，BROOKING B.A survey of new electromagnetic stealth technologies［Z］.W.R.Davis Engineering Ltd.Canada.

［12］刘进，译.舰船极低频电磁特性的控制［J］.水雷战与舰船防护，1997(2):39-43.

［13］宋东安，译.舰船水下极低频电磁信号的控制［J］.国外舰船工程，1999(8):22-24，40.

［14］宋东安，译.舰船电磁特征信号的预测与抑制.国外舰船工程［J］，2002(1):11-15.

［15］郑群锁.舰船电磁特征信号及其控制［J］.舰船电子工程，2006，26(3):170-173.

ZHENG Qun-suo.Electromagnetic signature and its control of ships［J］.Ship Electronic Engineering，2006，26(3):170-173.