斜航向上舰船感应磁性磁场分离方法讨论

郭成豹,胡 松,王文井,殷琦琦

(海军工程大学 电气工程学院，湖北 武汉 430033)

现代舰船一般由钢铁建造，在地磁场作用下成为一个大磁体，在其周围空间产生了舰船磁场[1-3].舰船磁场可被水中磁性兵器探测到并用于对舰船进行定位和攻击[4-6].为了舰船的航行安全，需要对舰船磁性磁场分布进行测量和分析，采取主动和被动的消磁措施加以消除[7,8].舰船磁性磁场主要包括两个组成部分，即固定磁性磁场和感应磁性磁场.舰船固定磁性磁场短时间内一般不随舰船航向、姿态变化而变化，采用恒定电流的电磁线圈就可以进行补偿消除；而舰船感应磁性磁场则随着舰船航向、姿态变化而变化，需要采用相应变化电流的电磁线圈加以补偿消除.因此，需要采用一定的技术手段分离舰船固定磁性磁场和感应磁性磁场.考虑到时间和方便性，通常在主航向(磁北、磁南、磁西、磁东)上进行舰船磁性磁场的检查测量，然后根据磁北和磁南航向上的磁场测量数据可分离舰船纵向感应磁性磁场，而根据磁西和磁东航向上的磁场测量数据可分离舰船横行感应磁性磁场.然而，有些情况下受到场地限制，舰船磁场测量只能在斜航向上进行(例如磁北偏东45°角航向).对于斜航向上舰船感应磁性磁场的分离问题，鲜有文献进行详细描述[9,10].然而，斜航向上舰船感应磁性磁场的分离是必不可少的教学内容，更是一个重点和难点[8-10].在教学实施过程中发现，相对于主航向上的舰船感应磁性磁场分离，斜航向上的舰船磁性磁场分离教学工作则存在不少困难.教师教学和学生学习过程中面对貌似复杂的逻辑关系，往往会产生强烈的畏难情绪，影响了教学效果的提高.本文提出，针对舰船龙骨下典型测量点的特殊情形展开分析，首先分离出斜航向上舰船纵向和横向感应磁性磁场的总和，然后按照磁场三分量的来源实现舰船纵向和横向感应磁性磁场的分离.按照这种特殊情形展开分析，过程将会条理清晰，逻辑性强，有利于深入理解.

1 舰船磁性状态定义

为了便于描述舰船磁性和磁场，规定如下的舰船坐标系：以船体的几何中心为坐标原点；x轴平行于舰船艏艉线，以指向船首为正，称为纵向；y轴平行于甲板面且垂直于艏艉线，以指向右舷为正，称为横向；z轴垂直于甲板面，以向下为正，称为垂向方向，如图1所示.

在舰船坐标系中，可将地磁场进行分解.其中，地磁场作用在舰船上的垂向分量Zd就是地磁场垂向分量Z；地磁场水平分量H可以分解为沿舰船艏艉线方向的纵向分量Xd和沿舰船左舷到右舷方向的横向分量Yd.如图1所示，设舰船的磁航向角为φ(向东为正)，即舰船艏艉线方向(舰船航向)与磁北方向之间的夹角，那么可以知道地磁场在舰船坐标系中的分解关系为

图1 地磁场在舰船坐标系中的分解

这里所说的磁航向角φ与真航向角φz以及磁偏角D之间的关系为：φ=φz-D.

显然，在同一地点，舰船航向不同，Xd、Yd也就不同，而Zd不变.

根据舰船不同方向的磁化状态，可将舰船总磁性分解为3部分，如图2所示.

图2 舰船的磁化方向

舰船纵向磁性——地磁场纵向分量Xd作用于舰船而形成的磁性，以Mx表示.这时船首和船尾分别被磁化成两个磁极.

舰船横向磁性——地磁场横向分量Yd作用于舰船而形成的磁性，以My表示.这时舰船左右两舷分别被磁化成两个磁极.

舰船垂向磁性——地磁场垂向分量Zd作用于舰船而形成的磁性，以Mz表示.这时舰船的龙骨和甲板分别被磁化成两极.舰船在北半球时的垂向磁化状态，龙骨为N极，甲板为S极.

上述3种磁性都各自包括固定磁性和感应磁性2部分，分别以下脚标p和i表示.由此可得，舰船磁性可以看成是由纵向固定磁性Mpx、纵向感应磁性Mix、横向固定磁性Mpy、横向感应磁性Miy、垂向固定磁性Mpz和垂向感应磁性Miz，共计6种磁性所构成:

MΣ=Mx+My+Mz=
Mix+Mpx+Miy+Mpy+Miz+Mpz

其中，只有纵向感应磁性和横向感应磁性所产生的磁场能够通过检测舰船不同航向上的磁场，然后计算分离得到.

2 斜航向上舰船磁性状态分析

对于建设在磁东北-磁西南方向航道上的舰船磁场检测设施，舰船只能以磁东北航向和磁西南航向航行通过磁传感器阵列上方，如图3所示.设舰船首先以磁航向角φ沿着磁东北方向航行通过磁传感器阵列，然后以沿着轨迹反向沿着磁西南方向航行通过磁传感器阵列，两个航向相差180°.

图3 舰船在磁东北-磁西南航向上进行磁场测量

在磁东北航向时，舰船上所作用的地磁场分量(如图3左下所示)和磁性状态可表述为下两式

+Mixcosφ+Mpx-Miysinφ+Mpy+Miz+Mpz

(1)

在磁西南航向时，舰船上所作用的地磁场分量(如图3右上所示)和磁性状态可表述为下两式：

-Mixcosφ+Mpx+Miysinφ+Mpy+Miz+Mpz

(2)

磁东北与磁西南航向的磁性状态进行对比，由式(1)和(2)相减，可得舰船纵向和横向感应磁性:

Mixcosφ-Miysinφ=(MNE-MWS)/2

3 舰船纵向感应磁性磁场特征分析

Mix所产生的磁力线从船首离开船体，然后从船尾回到船体.由于舰船具有良好的左右对称性，造成了舰船的纵向感应磁性磁场分布具有很大程度上的左右对称性，包括纵向分量Xix、横向分量Yix和垂向分量Zix皆为左右对称,如图4所示.

图4 舰船纵向感应磁性磁场特征分布

在舰船中剖面龙骨下方某深度的典型测量点上，Mix所产生的磁场分布仅有纵向分量Xix和垂向分量Zix，如图4、图5所示.Xix分量的纵向特性在舰船中剖面龙骨下方取得最大绝对值，向首尾逐渐减小至负值；Yix为零；Zix分量的纵向特性则以舰船中剖面形成反对称，最大值出现在首尾附近，在舰船中点附近为零.

图5 Mix在舰船龙骨下典型测量点产生的3分量磁场

4 舰船横向感应磁性磁场特征分析

同理，舰船具有良好的左右对称性，横向磁性磁场分布具有很大程度上的左右(反)对称性，包括纵向分量Xiy左右反对称；横向分量Yiy左右对称；而垂向分量Ziy左右反对称.

在舰船龙骨下的典型磁场测量点上，舰船横向感应磁性Miy所产生的磁场分布仅有纵向分量Yiy，如图6、图7所示.Yiy分量的纵向特性在舰船中剖面龙骨下方取得最大绝对值，向首尾逐渐减小至零；Xiy、Ziy为零.

图6 舰船横向磁性磁场特征分布

图7 Miy在舰船龙骨下所产生的三分量磁场

5 斜航向上舰船纵向和横向感应磁性磁场分离

根据磁东北与磁西南航向的舰船磁场测量值,可以得到舰船的纵向和横向感应磁性总和Mixcosφ-Miysinφ在舰船龙骨下典型测量点上所产生的磁场特征分布，如图8所示.所得到磁场纵向分量X[Mixcosφ-Miysinφ]和垂向分量Z[Mixcosφ-Miysinφ]是由Mixcosφ产生；横向分量Y[Mixcosφ-Miysinφ]是由-Miysinφ产生.

图8 Mixcos φ-Miysin φ舰船龙骨下产生的3分量磁场

所需要得到的舰船纵向感应磁性Mix在龙骨下测量点上的磁场3分量为

同理，舰船横向感应磁性Miy在龙骨下测量点上的磁场三分量为

至此，实现了斜航向上左右对称舰船纵向和横行感应磁性磁场的分离.

6 结语

为了解决斜航向上舰船感应磁性磁场分离的教学难点，提出了针对舰船龙骨下典型测量点上磁场特征特殊情形展开分析的方法.利用两个相差180°的斜航向上磁场测量数据，分离出舰船纵向和横向感应磁性磁场的总和.对于左右对称的舰船，在舰船龙骨下典型测量点上，舰船纵向和横向感应磁性的总和所产生磁场的纵向和垂向分量来源于纵向感应磁性，磁场的横向分量来源于横向感应磁性.利用上述特性，最终实现了斜航向上舰船纵向和横向感应磁性磁场的分离.针对这种特殊情形展开分析，过程条理清晰，逻辑性强，有利于理解和掌握．