一种舰船高精度感应磁场快速正演建模方法

何保委 孙兆龙 刘月林 周国华 唐烈峥

一种舰船高精度感应磁场快速正演建模方法

何保委 孙兆龙 刘月林 周国华 唐烈峥

（海军工程大学电气工程学院 武汉 430033）

为了解决矢量积分方程法计算舰船感应磁场时效率较低和计算量较大的问题，提出一种基于简化标量磁位的积分方程正演模型，并引入多层自适应交叉近似（MLACA）算法，不仅能够保证磁场计算精度，还能大幅减少计算机的内存需求和计算时间。数值仿真表明，使用基于MLACA的标量积分方程法能够快速获取高精度的铁磁物体感应磁场。针对舰船铁磁材料的磁性参数不易获取的问题，基于磁场实测值和正演耦合模型，以磁场拟合度、磁化率先验分布和光滑约束条件为目标函数建立磁化率反演模型，并采用模拟退火（SA）算法优化得到等效磁化率的空间分布。球壳数值仿真和船模试验结果表明，磁化率反演优化模型有效可行，其中球壳磁场的预测误差为2.2%，船模磁场的预测误差约为4.8%。

舰船磁场 简化标量磁位 多层自适应交叉近似 模拟退火法 等效磁化率

0 引言

大多数舰船由铁磁材料制成，在地磁场的磁化作用和其他因素的影响下会产生舰船磁场，成为被攻击或监视的信号源，因此，全面、准确地了解和掌握舰船磁场的空间分布特性是实施磁防护措施的重要前提，也是磁隐身技术的一项重要研究内容[1-2]。舰船磁场按照产生机理可以分为铁磁性磁场、涡流磁场、杂散磁场和极低频磁场等。而铁磁性磁场又包含了感应磁场和固定磁场两类[3]。获取舰船固定磁场和感应磁场的一般做法是利用舰船下方的磁传感器阵列直接测量舰船在不同外磁场作用下产生的磁场并进行分解计算[3]，但是该方法要求舰船左右大致对称，且在测量过程中舰船的位置不能出现较大偏移，测得的也仅为有限的磁场信息。若想得到舰船的空间磁场分布，还需要利用有限的测量点磁场值再次进行延拓和换算。针对测量法这一弊端和通用性不够的问题，需要研究数值建模方法来计算得到更加精确的舰船全空间磁场。舰船感应磁场与地磁场的大小、方向以及材料磁导率等因素有关，对于非规则的铁磁物体来说，可以使用等效源法[3-6]、边界元法[7]、有限元法[8]和积分方程法[9]等数值方法进行建模。因此，本文主要研究舰船感应磁场的建模和计算方法，进而为舰船磁性设备的位置选定、磁性处理、消磁系统设计等提供帮助。

舰船感应磁场的计算归结为开域问题，而对于开域的静磁场计算问题来说，由于积分方程法仅需对铁磁区进行离散，且不需要考虑边界条件和可以求解连续函数等的优点，受到广泛关注和应用。国内，Fan Mingwu等[10]提出了三维静磁场的矢量积分方程法；倪振群等[11]将该方法应用于舰船感应磁场的计算；周国华等[12]、郭成豹等[13]、朱武兵等[14]使用非规则体单元、面单元对舰船几何结构进行网格离散，研发了用于计算舰船感应磁场的工具包；何保委等[15]使用标量磁位建模提升了求解精度。针对在感应磁场求解过程中铁磁物体磁化率难以确定的问题，郭成豹等提出了利用试验样品的磁性参数替代的方法[16]，周国华等则提出一种利用粒子群算法对磁化率进行优化的模型[17]，为舰船感应磁场的正演计算奠定了基础。国外，C. W. Trowbridge等[18]早在1970年间就将积分方程法用于求解物体的电磁场；O. Chadebec等[19]首次将积分方程法引入薄壳体舰船模型的闭环消磁算法建模当中；S. Guerin[20]和Y. Vuillermet[21]研究对比了以磁化强度、点磁荷、切向磁偶极子为磁源的感应磁场建模方法。近年来，法国Grenoble Alpes大学的研究团队陆续提出了新的关于积分方程法的加速改进算法和耦合算法[22-24]，在减少网格数量的同时提升了磁场计算精度。总的来说，积分方程法已经广泛应用于磁场计算领域，但是求解时间过长和对计算机配置要求较高等问题还有待进一步改善。

本文以舰船感应磁场的计算为研究背景，提出一种改进型标量积分方程法。首先，通过选取三角形单元离散薄壳体，依据插值原理[25]将计算点由单元中心点转移至节点，推导得到了基于标量磁位的积分方程公式。其次，在求解稠密耦合系数矩阵的逆运算时，为减少计算机的内存需求和计算时间，引入了通用性较强的多层自适应交叉近似（Multi- Level Adaptive Cross Approximation, MLACA）算法和广义最小残差（Generalized Minimal Residual, GMRES）法，将源点和场点按照相对位置进行分组计算。由于感应磁场正演需要已知铁磁材料的磁性参数，考虑到临近单元的磁化率应当平滑过渡。然后，基于磁场实测值和正演耦合算法建立了等效磁化率的反演模型，以磁场拟合度、磁化率先验分布和光滑约束条件构建目标函数，采用模拟退火（Simulated Annealing, SA）算法对磁化率寻优求解，在具有磁场解析解的铁质球壳上进行数值仿真对比验证。最后，将本文所提出的高精度感应磁场建模方法应用于一艘磁性参数未知的缩比船模进行试验研究，通过将测量值和实测值进行比较，最后得出结论。

1 基于标量磁位的感应磁场正演建模方法

1.1 标量磁位积分公式

在舰船内部，假设船体铁磁材料各向同性，即

图1 地磁场作用下的舰船离散单元模型和感应磁场方向

基于叠加定理，空间任意一点的磁位为所有离散单元在该点产生的磁位的代数和。联立式（3）～式（6），可以得到

1.2 离散单元的选取

（1）从离散单元来看，使用面单元要比体单元更加适应薄壳体的剖分。

（2）对于同一艘舰船或者薄壳体，使用面单元离散后的单元数量相比较于体单元数量能够大幅减少，从而提高求解速度、降低计算机的内存需求。

不失一般性，采用如图2所示的三棱柱作为离散单元，此时式（8）仍然适用，并且可以转化为

图2 三棱柱离散单元

考虑到薄壳体结构的厚度e相比于长度和宽度都小得多，因此可以使用三角形面单元对舰船的薄壳体结构进行离散，从而得到

（12）

1.3 三角形线性插值

观察式（12）的被积函数，需要对未知的标量磁位求梯度，因此需要消去该梯度算子。基于三角形单元的线性插值原理[25]，可以将单元内部的标量磁位用插值函数和节点标量磁位来表示，即

联立式（12）～式（15），可以得到

式（5）和式（18）组成了基于面单元求解舰船感应磁场的标量磁位积分方程法公式。首先以地磁场作为左端的输入项，通过求解该代数方程组可以得到每个离散单元的标量磁位，然后再求解空间任意场点的磁场值。

1.4 计算耦合系数矩阵

式中，为局部坐标系的轴与全局坐标系的轴的夹角，=，=。全局坐标系和局部坐标系的位置关系如图4所示。

至此，基于标量磁位的薄壳体感应磁场正演建模方法和公式已经给出。为了体现标量建模方法相比于矢量建模方法的优越性，参照式（18），直接给出以磁感应强度为待求量的积分方程作为后续对比研究，其表达式为

2 基于MLACA的加速求解方法

2.1 MLACA算法原理

MLACA为一种矩阵压缩算法，它将离散单元划分为近场组和远场组两类，对于近场组的单元采用直接计算方法，对于远场组的单元采用两个满秩矩阵的乘积来近似表示，其原理为

为了使得近似矩阵尽量逼近精确矩阵，定义残差计算公式为

2.2 基于MLACA的感应磁场正演流程

MLACA算法的优点在于它是纯数学方法，不会涉及积分方程核函数的展开和变换，所以适用于各种不同核函数的积分方程组，通用性较强，直接给出MLACA算法应用于标量磁位积分方程法的磁场正演流程[29]。

1）网格离散。对铁磁目标进行几何建模和网格剖分，获取单元和节点的信息。

2）建立八叉树。将铁磁目标所占空间按照八叉树模式划分为多个小区域，以层数=2为例，铁磁区域空间一共划分成了64个小立方体，每个立方体包含了一组场点或源点的集合，若64组点的集合相互作用，得到的是一个64×64的矩阵块。在该矩阵中，近场区为位于对角线的矩阵块，是满秩矩阵；远场区为非对角线的矩阵块，是低秩矩阵。按照近场区和远场区的划分，分别采用直接求解方法和调用MLACA算法求解系数矩阵。

3）对远场区调用MLACA算法。

4）采用广义最小残差（GMRES）法求解式（18），输出值为单元节点的标量磁位。

2.3 铁质球壳模型数值仿真

为了检验标量磁位积分方程法结合MLACA算法的应用效果，本文给出了具有磁场解析解的铁质球壳算例进行验证。为了排除网格疏密带来的影响，分别采用不同的网格密度对球壳模型进行剖分，用于检验所提出算法的计算精度、运行速度以及对计算机所消耗内存的压缩程度。

铁质球壳模型及测量点示意图如图5所示，外径为10 m，厚度为0.01 m，材料磁导率为61。外磁场大小ez=36 000 nT，方向竖直向下。以球壳模型的中心点为原点建立三维直角坐标系（竖直向下为轴正方向），测量点的范围为∈[-30, 30 ] m，步长为1 m；∈[-10, 10] m，步长为10 m；=15 m。

球壳模型在垂向外磁场的作用下，三分量感应磁场的解析结果可以表示为

图5 铁质球壳模型及测量点示意图

根据式（18）和式（22），分别使用基于MLACA的标量积分方程法（Scalar Integral Equation Method, SIEM）和矢量积分方程法（Vector Integral Equation Method, VIEM）求解不同网格密度球壳下方测量点的感应磁场。以磁场解析解为理论值，评估不同方法计算得到的磁场的平均相对误差。

为保证使用不同算法进行比较的公平性，本文使用的编程软件统一为Matlab 2020，选用的计算机平台为搭载12核心的Core i7 10 750H型处理器，主频为2.6 GHz，RAM为32 GB的笔记本，计算结果见表1，当网格密度模式为3号时，球壳模型的磁场三分量结果如图6所示。

对于球壳模型来说，根据表1和图6的数据可以得出以下结论：

（1）网格密度越高，积分方程法的磁场计算误差越小，说明适当增加离散单元的数量可以得到高精度的铁磁物体感应磁场，但是当网格密度增加到一定程度时，计算精度提高的不明显。

表1 使用积分方程法计算不同网格密度球壳模型磁场的结果

Tab.1 The calculation results of spherical shell models with different mesh densities utilizing integral equation method

（2）本文使用了MLACA算法压缩内存（层数为6）和加速计算后，SIEM+MLACA相比较VIEM节省了内存消耗约97%，节省了计算时间约65%。

图6 铁质球壳磁场计算结果比较

（3）在相同网格密度的情况下，基于MLACA的SIEM在保证计算精度不变的前提下，能够大幅减少计算时间和降低计算机的内存需求，验证了MLACA算法的有效性。

3 等效磁化率反演优化方法

3.1 等效磁化率反演模型

根据积分方程法原理可知，计算物体感应磁场的前提是获得材料的磁化率（或磁导率）。对于一般的铁磁性材料来说，可以通过查阅磁化率曲线或者采取样品试验的方法来获取磁化率[17]，但由于舰船铁磁材料的多样性以及船体需要经过多次的高温锻造和冲击试验，意味着舰船磁化率不是一个常数，而是一个与空间位置相关的变量。

首先假设在某一磁化状态下个测量点获取的舰船三分量感应磁场为

在反演模型中，通常根据磁场计算值和测量值的拟合程度来寻找合适的磁化率分布，令拟合函数为

根据式（27）和式（28）可以得到众多符合截止条件的空间磁化率分布，然而对于物体“真实”的磁化率来说，该方法得到的解可能是众多局部最优解的其中一个。为确保得到拟合度和稳定性较好的等效磁化率，加入两个约束条件来减少解空间的维度，从而改善反演结果的质量。

（2）约束条件2：等效磁化率的分布应当符合物理客观规律和满足平滑性准则，即不允许某一单元的磁化率无限大，也不允许相邻单元的磁化率发生突变。具体实现办法是使用有限差分格式[30]使得相邻单元的磁化率过渡更加平滑，具体表达式为

3.2 基于SA算法的等效磁化率求解方法

模拟退火算法借鉴于高温固体的退火过程，当固体的温度较高时，由于内能较大，固体内部的粒子处于快速且无序的运动状态[31]。在温度缓慢降低的过程中，由于内能减小，粒子缓慢趋于有序。最终，在固体处于常温时，内能达到最小，此时粒子状态最为稳定。SA算法由两层循环组成，内外层循环分别是同一温度下寻找局部最优解和温度冷却过程中寻找全局最优解，它是通过在内循环搜索解的过程中赋予一定的概率来跳出局部最优解从而达到全局寻优的目的[32]。下面直接给出由SA算法对磁化率进行反演建模的流程，如图7所示。

图7 模拟退火法用于反演磁化率的流程

将SIEM+MLACA方法获得的铁质球壳磁场三分量作为输入，使用SA算法对铁磁球壳的磁化率进行反演优化，使用和不使用约束条件前后的磁化率光滑度对比结果如图8所示。可以看出，增加了5%的光滑度约束之后，相邻单元的磁化率过渡更加平滑，说明了约束方程的作用。

图8 优化前后的磁化率曲线光滑度对比

基于反演优化得到的等效磁化率对球壳在25 m深度的五条测线的磁场进行预测，结果如图9所示。与“真实磁化率”计算得到的磁场解析值进行对比，预测磁场的平均相对误差仅为2.2%，证明所获取的等效磁化率是相对准确的。

图9 基于等效磁化率的球壳模型磁场预测值和解析值比较（左舷-龙骨-右舷）

4 船模试验研究

4.1 试验方案设计

为验证所提出的等效磁化率反演优化方法在工程上的实用，以一磁性参数未知的缩比船模（见图1）为试验研究对象，通过测量其感应磁场求解得到等效磁化率分布，并将其用于预测其他深度的感应磁场，从而验证等效磁化率的稳定性。

船模磁场测量示意图如图10所示，船模长度为=2.75 m，宽度为=0.5 m，厚度为=0.8 mm，在船模下方设置上层磁传感器阵列1和下层磁传感器阵列2，分别作为磁场测量平面和磁场预测平面。此外，为了排除环境磁场的影响，在远离船模的地方设置了单个传感器用于监测环境磁场的变化，所使用的传感器为高精度三分量磁通门传感器，测量分辨率为1 nT。船模所在试验环境的磁场水平分量为34 200 nT，垂向分量为35 000 nT，通过逐点测量法获取船模下方的垂向感应磁场，测量点的范围为∈[-,]，步长为/60；∈[-,]，步长为；1=1.3，2=2。

图10 磁性船模测量磁场测量示意图

4.2 船模试验结果

将船模在1平面测量的磁场值作为输入，通过反演优化模型求解得到其等效磁化率分布，根据磁场拟合值判断等效磁化率是否合理，然后将其用于预测2平面的船模磁场。船模在1平面的磁场拟合效果和2平面的磁场预测值和实测值的对比结果如图11所示。

由图11看出，磁场拟合值和预测值都和实测值比较吻合，其误差分别为5.1%和4.8%，表明本文所提出方法得到的等效磁化率是有效的，可用于舰船感应磁场的高精度建模。从整个测量和计算的过程来看，试验结果的误差主要来源以下方面：

（1）测量误差：主要包括测传感器自身的测量误差、使用逐点测量法测量船磁时的人为操作引入的误差以及试验环境变化带来的偶然误差。

（2）计算误差：考虑到计算时间不宜过长，船模的剖分单元不能无限多，但理论上只有离散单元足够小、足够多时，每个单元才可以被看作均匀磁化体，但是这种做法会导致计算量急剧增加。

（3）模型误差：船模受地磁场磁化时，实际磁化率仍会有微小变化，但是本文为了求解等效磁化率，认为磁化率在弱磁环境中基本不变，这种线性化处理方式引入了误差。

5 结论

本文首先提出了一种结合多层自适应交叉近似算法的改进型标量积分方程法，用于快速高效获取高精度的舰船感应磁场。其次通过建立以磁场拟合度、磁化率先验分布和平滑约束条件为目标函数的等效磁化率反演模型，并使用模拟退火算法进行优化求解，解决了工程中铁磁物体磁化率不易获取的难题，得出以下结论：

1）球壳数值仿真表明，所提出的铁磁物体感应磁场正演模型高效准确。当几何模型的网格密度较小时，基于MLACA法的标量积分方程法微弱提高了磁场计算精度；随着网格密度增大，该方法在保持计算精度的同时，大幅减少了计算时间和计算机的内存消耗。

2）球壳数值仿真和缩比船模试验研究结果表明，等效磁化率反演模型有效可行，其中船模试验结果的磁场拟合误差和预测误差约为5.0%，表明所提出的感应磁场正演模型和等效磁化率反演优化模型可以用于大型舰船的高精度磁场建模，能够为舰船铁磁设备安装位置的确定和消磁绕组的设计提供 依据。

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A Fast Forward Modeling Method for High Precision Induced Magnetic Field of Ships

（School of Electrical Engineering Naval University of Engineering Wuhan 430033 China）

Mastering the distribution of a ship’s induced magnetic field is an important issue for implementing magnetic stealth technology, and the integral equation method is one of the main methods to calculate the ship’s induced magnetic field. The integral equation method only needs to discretize the ferromagnetic region and does not need to consider the boundary conditions, so it has been widely concerned and applied. The traditional vector integral equation for modeling induced magnetic fields has the problems of low efficiency and an enormous computational burden. Considering that there are many discrete elements of large ferromagnetic objects such as ships, the coupling coefficient between elements forms a huge asymmetric dense matrix. As a result, the computing time and memory requirement will increase sharply with the increase of the number of elements. Therefore, a scalar magnetic potential integral equation method based on surface elements is proposed. Since the integral equation method needs to obtain the magnetic susceptibility of ferromagnetic materials, the equivalent magnetic susceptibility inversion model is established based on a multi-level adaptive cross approximation (MLACA) algorithm.

Firstly, the scalar magnetic potential integral formula based on triangular surface elements is derived. According to the principle of linear interpolation, the scalar magnetic potential of the center point of discrete elements is expressed by interpolation function and node scalar magnetic potential, and the elements’ coupling coefficient matrix is obtained by establishing a local coordinate system. Therefore, the scalar integral method of surface elements is obtained for solving the ship’s induced magnetic field. Secondly, the MLACA algorithm is introduced to guarantee the accuracy of magnetic field calculation and reduce the memory requirement and computing time of the computer. Finally, aiming at the problem that the magnetic parameters of ferromagnetic materials of ships are not easy to obtain, a magnetic susceptibility inversion model is established based on the measured magnetic field values and the forward coupling model. The magnetic field fitting degree, prior distribution of magnetic susceptibility, and smooth constraint are the objective function. The spatial distribution of equivalent magnetic susceptibility is optimized by simulated annealing (SA) algorithms.

A numerical simulation of the spherical iron shell shows that the proposed scalar magnetic potential coupling forward modeling method can efficiently obtain the ship’s induced magnetic field with high precision. For the same discrete elements, compared with the vector method, the scalar method can save about 97% of the memory consumption and 65% of the computing time, which verifies the effectiveness of the scalar magnetic potential integral equation method based on the MLACA algorithm. According to the inversion model, the equivalent magnetic susceptibility of the spherical iron shell is optimized by the SA algorithm, which is utilized to predict the spherical shell of other positions, and the average relative error is only 2.2%. After using of smooth constraint condition, the equivalent magnetic susceptibility obtained is smoother.

In order to verify the practicability of the proposed forward modeling method and magnetic susceptibility inversion method in engineering, an experimental scheme was designed for a reduced-scale ship model with unknown magnetic parameters. Firstly, the equivalent magnetic susceptibility distribution of the ship model is obtained by measuring the magnetic field of the ship model at the1 plane, and it is used to predict the induced magnetic field at the2 plane. The magnetic field fitting and prediction errors of the ship are about 5.0%, indicating that the proposed forward modeling model of induced magnetic field and the inverse optimization model of equivalent magnetic susceptibility can be used for induced magnetic field modeling of large ships with high precision and can provide support for the implementation of magnetic stealth technology on ships.

Ship magnetic field, reduced scalar magnetic potential, multi-level adaptive approximate cross, simulated annealing method, equivalent magnetic susceptibility

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.222204

TM153

国家自然科学基金资助项目（51377165, 52207020）。

2022-11-22

2022-12-29

何保委 男，1995年生，博士研究生，研究方向为电磁环境与防护技术。E-mail: hebaowei188@163.com

刘月林 女，1989年生，硕士，讲师，研究方向为电磁环境与防护技术。E-mail: mooncake1024@163.com（通信作者）

（编辑 陈 诚）