一种水下磁场测量基阵的设计

张学斌

(1.中国船舶重工集团公司第七一○研究所; 2.国防科技工业弱磁一级计量站, 湖北 宜昌 443003)

0 引言

磁场测量系统是用于水下外场综合磁场测试的系统，可测量自航水雷、UUV等具有磁防护要求装备的三分量磁场特性，以判定装备磁防护能力。同时也可作为磁探测设备布放于重要水域，美国、日本、俄罗斯、英国等在港口、海峡和重要航道等建立起便携式磁性检测站，探测水下航行的潜航器，尤其是安静型常规潜航器、深潜器等[1-3]。磁场测量系统也可用于水下磁探测定位、高精度地磁辅助导航等[4-6]。

本文介绍的磁场测量系统包含多个测量单元组成阵列，每个测量单元包含三分量磁场测量传感器、姿态传感器、深度传感器、同步测距模块及实现数据采集记录和实时传输的数据采集模块等。系统内还包含有水声定位系统、无线数传电台通讯系统、回收系统等组成部分[7]。磁场测量系统功能庞大，组成复杂，根据系统的特点设计了一种用于测量系统准确可靠布放的基阵，并实现磁场数据的有效测量。

1 测量单元间隔设计

测量单元是集多种测量传感器于一体的基本测量结构，多个测量单元以线阵列的方式固定在无磁安装支架上，均布于水底，多段安装支架连接组成测量基阵。被测目标从测量基阵上方通过，测量单元采集被测目标的剩磁特性，测试示意图如图1所示。

初步设计将15个测量单元(依次编号1～15)安装在测量基阵上，测量单元之间间隔的选择非常重要。若测量间隔设置较小，则整个测量基阵的长度较短，当被测目标的航行精度不高时，难以保证其一次航行从测量基阵正上方通过，影响剩磁测量的准确性。若测量基阵间隔较大，虽能最大限度地保证被测目标从测量基阵正上方一次成功通过，但间隔较大，则测量基阵整体长度增大，这将给整个测量系统的布放和回收过程带来许多困难，同时可能导致被测目标剩磁值测量不准确，漏掉被测目标剩磁的最大值点。因此需要对测量单元之间的间隔的选取进行分析计算，给出一个合理的间距。

将被测目标作为一个单磁偶极子模型[8-9]，依据常用水下磁防护设备技术指标要求，其最大磁矩应小于80 A·m2，假设目标三轴方向磁矩大小分别为70 A·m2，20 A·m2，10 A·m2。假设测量单元之间间隔设置为0.5 m，被测目标在测量基阵正中8号测量单元正上方10 m处通过测量基阵，通过计算可得到1～8号测量单元中三分量磁传感器Z轴测得的目标磁场值如图2所示(图b为图a峰值放大部分)。测量单元目标总场数据如图3所示。由于安装位置的对称性，1～8号和8～15号测量单元磁传感器Z轴磁场值和磁场总场数据对应相同。

依据同样的计算原理，假设测量单元间距分别为0.75 m和1.0 m，计算出1～8号测量单元磁传感器Z轴磁场值和磁场总场数据，并得到1号测量单元与8号测量单元的峰值之差，如表1所示。

表1 不同测量单元间隔探测结果对比

由表1分析可得，当被测目标从测量基阵中央正上方垂直通过，目标磁场值差别随测量单元之间的间隔变大而增加，磁场差值增加的幅度随测量单元间隔的增大而变小。不同间距下系统的测量精度均能满足指标要求，被测目标的航行精度约为10 m，综合考虑测量系统的测量精度、被测目标的航行精度以及整个测量系统布放和回收的便利性，将测量单元之间的间隔设置为0.75 m。

2 测量基阵设计

测量单元的数量设置为16个，基阵由4段安装支架组装而成，每段支架上布置有4个间距0.75 m的测量单元，满足测量系统航行精度的要求。四段安装支架结构相同，接口一致，可互换使用，满足系统更高的使用灵活性。

安装支架采用无磁角铝结构件和铝管，结构上均匀分布整个基阵，因此整个基阵受到均布载荷。单段安装支架设置吊装位置，单段安装支架与基阵共用吊点，吊点位置设置在整个基阵长度的0.2处所受横向弯矩较小，受力最为合理，单段支架的位置也分布在总长的0.2处。如图4所示为基阵的起吊点位置设计。

测量基阵采用两耳吊装时，两耳的最中间位置受到均布载荷的作用，将产生一定的挠度。将该段安装架独立考虑，根据简化结构分布载荷下的挠度计算公式，在安装架轴线中点处，挠度最大，最大挠度为

(1)

式中：q为分布载荷，N/m；l1为吊点间距，m；E为材料弹性模量，GPa；I为无磁支架横截面在吊耳安装处的惯性矩，cm4。

测量基阵总重量约为630 kg，根据所选材料的参数结构尺寸，得到I=662.21 cm4、E=70 GPa、q=525 N/m和l1=7.2 m。可求出双耳吊装时，安装架最大挠度为ωmax=0.040 m，起吊中的变形量满足安全使用要求。为了简化计算，密封铝管产生的刚度忽略不计。同时，由于吊耳位置位于无磁支架总长度的0.2l处，一定程度上减少无磁支架中点处的变形量。

在测量基阵安装架双耳起吊的过程中，弯曲正应力是控制安装架强度的主要因素。所以弯曲正应力的强度条件是安装架抗弯设计和校核的主要依据。安装架抗弯强度条件公式为

(2)

式中：Mmax为安装架的最大弯矩，N·m；W为安装架的抗弯截面系数，m3；[σ]为安装架的许用应力，MPa。

测量系统安装架总质量为m=630 kg，安装架总长度l=12 m，安装架的分布载荷q=mg/l=525 N/m，根据公式可求得安装架的最大弯矩为Mmax=1 890 N·m。安装架底部框架材料选用的是80 mm×80 mm×8 mm，角铝横截面重心处的抗弯截面系数为：W0=12.83 cm3。由于安装架底部框架由2根角铝组成，整个框架的抗弯截面系数为Wmin=2W0=25.66 cm3，此时根据公式(1)可求出最大的弯曲正应力为σmax=73.7 MPa。取安全系数S=1.5，安装架材料为防锈铝合金，其屈服强度σS=σP0.2=120 MPa，可根据许用应力公式[σ]=σS/S，求出安装架的许用应力[σ]=80 MPa。σmax≤[σ]满足弯曲强度要求。

3 安装支架结构设计

无磁安装支架主体结构采用角铝材料和铝管设计，角铝和铝管均为通用型材，角铝主要是支撑和安装的功能，铝管的作用主要是保护测量单元和调整浮心高度。如图5所示为无磁支架的截面结构，图6为单段安装支架结构。

单段无磁支架的重量约为72 kg，在水中能提供的浮力约为59 kg，单个测量单元的重量约为8 kg，可提供的浮力约为6.5 kg，因此单个安装架总重量为104 kg，可提供的浮力约为85 kg。为了获得系统布放时的稳定性参数，对系统的质量特性进行了初步分析和计算。单段安装架重心距离底部高度为74 mm，浮心距底部高度约为107 mm。

在整个布放过程中，首先通过将整个测量基阵水平吊放到海面，由基阵上的漂浮布放浮体保持其海面姿态。浮体释放后，测量基阵入水，要求基阵在入水过程中尽量保证姿态的稳定性和设备的安全，最终实现测量基阵的水平着底姿态。

4 布放试验验证

测量单元内安装有磁罗盘传感器测量其姿态信息，通过首尾两端的测量单元姿态可判断测量基阵的姿态。基阵从漂布于海面到着陆于海底，可通过观测深度和姿态分析其布放中的动作路径。测量单元数据通过水密电缆和无线通信浮标传输到上位机中，可实时观测。如下图7所示为布放时1号和16号测量单元随深度变化时的姿态变化曲线。

由曲线可知，测量基阵从海平面布放到45 m的海底，1号和16号测量单元的方位角、俯仰角、横滚角在最初和最终位置都基本相同，表明基阵在水面和水底位置都为稳定直线状态。测量单元俯仰角和横滚角在整个布放过程中变化较小，且接近于零，表明基阵基本以水平状态平稳下沉。方位角在布放中由于水流的作用发生了约27°的偏转，且在水深10～20 m之间偏转速度较快，基阵发生了大约5°的水平弯曲。通过基阵最终姿态信息规划被测目标的航迹。

5 结束语

本文针对设定被测目标的磁场测试要求，对磁场测量单元的间隔进行计算分析，确定出有利于测试和布防回收的方案。依据测量单元特点设计出磁场测量系统的安装基阵，通过布放试验验证，该测量基阵能实现较好的布放姿态，有效满足目标磁场测试需求，为水底航行目标磁场的评估提供了依据和方法。