基于偶极子方式的舰船磁场仿真技术研究

杨立健 刘天华

（1.海军驻昆明地区军事代表室昆明650051）（2.海军驻宜昌地区军事代表室宜昌443003）

基于偶极子方式的舰船磁场仿真技术研究

杨立健1刘天华2

（1.海军驻昆明地区军事代表室昆明650051）（2.海军驻宜昌地区军事代表室宜昌443003）

舰船的磁场与舰船所用的材料有关，同时也与舰船的消磁状况，所在地域的地磁场强度、舰船的航行方向有关，为较为真实地模拟现代舰船的磁场，在不考虑舰船运动过程中舰船因海浪的起伏而产生的横摇、纵摇、垂荡等运动状态的情况下，以偶极子方式建立舰船磁场模型，以北东系为参考坐标系建立舰船的运动模型，以舰船的实际尺寸作为划分偶极子数量的依据，建立了运动舰船的磁场模型。通过设置与实际舰船一致的舰船尺寸参数且选择合理的磁矩参数，不考虑地磁场影响，以数学仿真方式给出了舰船在在不同的方位、速度工况下，在指定深度位置处的磁场变化情况，并对相关数据结果进行了分析。最后结合半实物仿真试验的结果，给出了现代水雷磁引信系统对仿真磁场信号的响应情况及分析结果。

偶极子；舰船磁场；实时仿真；磁引信

Class NumberTP391.9

1 引言

现代舰船在建造过程中，在地磁场中会被磁化而形成舰船磁场，其总磁性可被分解为固定磁性及感应磁性，在一定时间内固定磁性可认为固定不变，而感应磁性则随着地磁场的变化而变化。舰船磁场是水雷磁引信的信号源，是电磁扫雷具的模拟对象，也是舰船消磁的目标。基于舰船磁场的重要性，一直以来，其成因及相应的应用是各方面研究的重点。水雷磁引信是利用舰船磁场参数来识别舰船并确定最佳攻击时间的智能化装置，是水雷的主要引信之一，它利用舰船磁场不受恶劣海况及涌流的影响，而有规律地分布在舰船周围，且区域性好的特征，实施对舰船的识别、定位及攻击。

水雷磁引信在研制过程中，重点关注如何有效识别舰船的磁引信特征，对其进行有效定位并在最佳时刻发动攻击。而舰船磁场在不同的工况，雷目之间不同的速度方位，甚至是形状不一样，其磁性特征都是千差万别的，这对水雷的磁引信算法是一个严峻的考验。为了有效降低研制成本，缩短研制周期，仿真技术现已融入了水雷研制的各个阶段。本文从舰船磁场仿真的角度，给出了基于偶极子方式的舰船磁场公式及舰船在北东系下的运动方程，分析了舰船磁场实时仿真的实现方法，给出了数学仿真的结果及有智能水雷磁引信参与的半实物仿真结果。

2 舰船磁场建模

从舰船的结构可以看出，舰船是由钢铁物质建造的，铁磁材料的内部磁踌整体合成了舰船磁场，根据磁场线性叠加原理，舰船磁场可以等效为若干位于舰船体内的磁偶极子磁场的叠加值。如果偶极子的数量足够多，布置合理，这种等效可以达到很高的精度。当然在工程应用领域，并不是追求无限制的精度，往往是采用一种近似或简化的方式来进行工程计算，在满足一定精度的前提下，确保工程实现的可能性。设舰船的偶极子排列示意图如图1所示。

把舰船看作一个长轴为L，短轴为W的椭球，磁偶级子纵向间距为3m～5m，横向间距可考虑按3列排列，如图1所示，从而可以算出每列偶极子的数量，为更加准确地仿真，偶极子的排列尾端取平，即尾部去掉中间一排偶极子比上边一排多的几个偶极子。

工程上常采用的磁偶极子阵列模型如下：

其中：

上式中Mxi，Myi，Mzi为固定磁矩，分别为第i个磁偶极子的X方向、Y方向和Z方向磁矩，是基本不变的模型参数。Bx，By，Bz为地磁场的北向、东向和垂直方向磁场强度。Hx，Hy，Hz为在水平坐标系下的x，y，z方向的磁场强度。

3 雷目坐标系

仿真过程所采用的雷目坐标系为北东系，符合右手定则，水雷位于水面下H处，其在海面上的投影为坐标系的原点，北向为X轴，东向为Y轴，垂直向下为Z轴，其示意图如图2所示。

图中α为水平面内舰船速度与北向顺时针的夹角，α∈[0，360)，θ为方位角，即舰船与O点连线与北向之间的夹角，θ∈[0，360)，ϕ为俯仰角，为舰船与水雷之间的连线与Z轴之间的夹角，ϕ∈[0，90)。

4 舰船运动建模

按照建立的雷目坐标系建立水面舰船的运动模型，因现代舰船一般均进行过消磁处理，其在运动过程中对地磁场的扰动已大大减少，且磁场是一种近场，其幅值衰减很快，其对水雷作用的有效范围只有几百米，因此在对舰船的运动进行建模时，其起始的雷目距离不能太大，且一般假设为舰船朝向水雷方向运动。舰船在实际海域航行时，受不同海况影响，会存在不同程度的横摇、纵摇、垂荡等运动及姿态变化，会对舰船的磁场产生一定的影响，在未消磁及浅海情况下，这种影响较大，必须综合考虑，但对经过良好消磁舰船及较深水域（50m以上），这种影响相对较小，不会对仿真结果产生实质性影响，为降低建模的复杂性，在考虑舰船运动模型时，不考虑舰船在运动过程中的横摇、纵摇及垂荡等运动过程，舰船运动模型如下：

舰船起始位置坐标：

其中H表示水雷所处深度，θ及ϕ分别表示舰船相对水雷的方位角及俯仰角。

设舰船航行速度为V，α为速度方向，t(j)为时刻值，（x，y）坐标对应的变化量（Δx，Δy）具体如下：

5 数学仿真结果分析

设某型舰船长度153 m，舰船宽度16.5 m，舰船速度V=20*0.514m/s，水雷布放深度50m，俯仰角80°，方位角及速度方向按不同的角度设定，采样频率10Hz，固定磁矩Mxi=0.2e5，Myi=0.5e4，Mzi=0.5e3，偶极子纵向间距5 m，磁偶极子横向数量3。总体来说，地磁场强的地方，舰船磁场也大。以我国海域为例，北海海域的舰船磁性最强，南海海域的舰船磁性最弱。现代舰船采用标准的测量方法，在舰船龙骨下方水深等于1倍船宽的地方，磁场量值范围为1000nT～15000nT。在进行舰船磁场的仿真时，在指定的距离处，舰船磁场的量值随距离的增加按近似偶极子的规律衰减（工程上一般可按1 r3近似估计）。本仿真过程也按这一规律进行处理，即在舰船下方50m～60m水深下，通过调节磁矩的值，使舰船磁场的量值控制在20nT～300 nT，与当前沉底水雷的磁场探测门限值相一致。采用Matlab软件仿真舰船三分量磁场曲线图如图3所示。

从仿真结果可以看出，在同等的舰船参数及水深条件下，从不同的方位及速度方向运行的舰船在水雷处产生的三分量磁场是不一样的，当舰船从水雷的正上方通过（正横距离为0）时，若仅舰船的运动方向相反，则舰船磁场X，Y方向的曲线为一种180°镜像关系，如图3中（a）与（d），（c）与（f），Z方向的磁场曲线基本保持不变。各方向磁场的仿真量值小于40 nT，与处于50 m水深的沉底水雷的磁探测引信的门限值一致，正常情况下应能够触发水雷磁引信。

6 对抗验证结果分析

对抗仿真试验一般是结合声磁组合引信水雷进行，声磁两种信号在仿真信号频率方面差距较大，现在舰船的声场信号频率一般集中在10 Hz～10 kHz，而磁场信号频率高至1Hz，低至0.0 1Hz，要使两种信号输出相匹配，且能同步输出，必须要对磁场信号采用插值处理。在试验过程中，D/A多通道同步信号输出采样率为50kHz，仿真周期40 ms，采用某智能组合引信水雷参与对抗仿真验证。水雷已拆掉磁引信的敏感元件磁探头，采用电注入方式将实时仿真机生成的磁场信号注入水雷引信磁信号接收端，磁场信号按照磁引信的接收灵敏度进行了相应的换算，按上述数学仿真的相应参数作为仿真初始参数进行仿真模型解算，生成的磁场模拟信号及对抗验证结果如图4所示（图4中最上方的线为磁引信的动作线，三分量磁场信号线为水雷磁引信实际接收的经过信号调理后的模拟信号）。

从对抗仿真结果来看，水雷磁引信对各种不同的仿真信号都能很好地识别且能正确地动作，在不同的工况下，磁引信动作的位置并不固定，但总的动作规律是在舰船通过水雷正横位置之前或之后的某一时刻点，这应该是与水雷磁引信的攻击决策相一致的。即水雷对舰船的打击位置解析得比较准确，一般不会在舰船前方或舰船后方触发。利用磁引信的这一特征，其往往与水雷声引信组合使用，用于准确判定联合引信的触发时刻，同时大幅提高组合引信水雷的抗扫性。

7 结语

在不考虑特定海况下的舰船的横摇、纵摇及垂荡等运动对舰船磁场影响的情况下，采用磁偶极子方式建立舰船磁场仿真数学模型，以北东系建立舰船运动模型，两者结合可以建立较为精细的具有实际对抗价值的舰船磁场仿真数学模型，凭借高性能仿真计算机的计算速度，完全可以实际舰船尺寸来划分偶极子数量，在设定的仿真周期完成实际模拟信号的输出，参与到对抗半实物仿真试验中。从实际对抗仿真试验结果来看，在水雷的打击范围内，磁引信都能正常动作，表明以偶极子方式建立的舰船磁场模型实用性较强，可以作为考核水雷磁引信算法有效性的一种重要手段。

［1］温正雄，刘忠乐.非接触扫雷具设计原理［M］.北京：海潮出版社，2001.

［2］叶平贤，龚沈光.舰船物理场［M］.北京：兵器工业出版社，1992.

［3］陈孟君，赵治平，谭华.通电二电极对水雷的干扰性研究［J］.水雷战与舰船防护，2007（2）：10-15.

［4］蒋伟涛，邓伟，钟日华.舰船运动对舰船磁场特性的影响分析［J］.舰船科学技术，2009，31（9）：61-64.

［5］牛龙飞，李斌，张静.三磁偶极子磁体舰船磁场仿真［J］.计算机仿真，2009，26（3）：12-15.

［6］阎毓杰，樊友文，杨华荣.基于磁体模拟法的舰船磁场补偿技术［J］.舰船科学技术，2009，31（5）：82-84.

［7］刘旭东，郭东，白正勤.利用尺寸特性的水面目标性质识别［J］.计算机与数字工程，2011，12：33-35.

［8］李华，李庆民，刘君.两种舰船磁场模型结构的比较研究［J］.探测与控制学报，2007，29（增刊）：62-66.

［9］李大明，黄明哲.弱磁场测量技术进展［J］.物理，2002，21（5）：293-297.

［10］夏明耀，王均宏.电磁场理论与计算方法要论［M］.北京：北京大学出版社，2013.

［11］沈哲，肖素娟.鱼雷战斗部与引信技术［M］.北京：国防工业出版社，2009.

［12］章尧卿，王光源，林芳慧.反潜巡逻机磁探仪检查搜潜效能研究［J］.兵工自动化2002，31（6）：4-10.

Warship Magnetic Field Simulation Technology Based on Magnetic Dipoles

YANG LIJian1LIU Tianhua2
（1.Navy Representative Office in Kunming Area，Kunming650051）（2.Navy Representative Office in Yichang Area，Yichang443003）

The magnetic field of ship relates to the material，the degaussing status，the geomagnetic field intensity，and the course.For simulating the magnetic field of modern ship，on the condition that without regards to the rolling，the pitching，and the heaving produced by the ocean wave in the process of ship's motion，this paper establishes the magnetic field model of ship in dipoles mode，the motion model of ship making the northeast coordinate system as reference coordinates，and the magnetic field model of motion ship using the actual size of ship as the basis for dividing dipoles'quantity.Through setting parameters of ship's size in accordance with actual ship and choosing the reasonable magnetic moment parameters，without regards to the influence of the geomagnetic field，this paper presents the change status of the ship's magnetic field in deferent azimuths and velocities using the mathematical simulation，and analyzes correlative data results.Finally，the influence of the magnetic fuze system of modern mine on the simulation of magnetic field signal and its analysis results are given combing with the results of hardware-in-loop simulation test。

dipoles，warship magnetic field，real-time simulation，magnetic fuse

TP391.9

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.06.016

2016年12月5日，

2017年1月23日

杨立健，男，硕士，工程师，研究方向：水中兵器试验，质量监督。刘天华，男，博士，工程师，研究方向：武器

系统与运用。