李軍華，周美娟，成若義

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船體補償陽極電流計算

李軍華1，周美娟2，成若義1

（1.海軍工程大學(xué)科研部，武漢 430033；2. 92957部隊，浙江舟山 316100)）

由于船體腐蝕防護會在周圍海水中產(chǎn)生靜電場，有必要減少周圍海水中的電場，保證船體在海水中的安全。本文首先利用矢量疊加方法得到了船體補償陽極在海水中產(chǎn)生的電場解析式，再利用進化規(guī)劃算法優(yōu)化補償陽極電流大小，消除船體周圍海水中的電場。在有效保護船體的前提下，使船體周圍海水中的電場降至最低。從計算結(jié)果可以看到，船體周圍海水中電場明顯減少，有利于船體的安全。

船體腐蝕防護 補償陽極 進化規(guī)劃算法

0 引言

由于電場探測跟蹤技術(shù)的發(fā)展和電場引信水雷的存在，就需要盡量減少船體在其周圍海水中產(chǎn)生的電場，從而減少船體給自己帶來的威脅[1]。因此對船體周圍海水中電場進行消除已受到越來越多國家的重視。前蘇聯(lián)于20世紀(jì)70年代就已研制成了電場補償系統(tǒng)[2，3]。另外HUBBARD J.C（1996）[4]提到的FNREMUS軟件[5]以及英國開發(fā)的UEP-Toolkit軟件[6]，都能通過優(yōu)化電極的位置使得防護靜電場降至最低。

現(xiàn)有的減少船體周圍海水中電場的主要方法是通過補償陽極產(chǎn)生的反向電場對原始電場進行抵消。本文針對計算補償陽極電流的最優(yōu)值，利用進化規(guī)劃算法[7]進行多次搜索，得到補償后綜合靜電場最小時所需補償陽極電流最優(yōu)值。結(jié)果表明，通過補償船體周圍海水中的綜合靜電場明顯減小，從而達(dá)到減少自身威脅的效果。

1 單個補償陽極產(chǎn)生的電場強度

圖1 半無限大海水中點電極模型

將各個點電極的電場強度矢量相加，即可求得環(huán)形電流源的電場強度三個分量表達(dá)式如下：

2 實例計算

實驗中，我們測得某船體周圍海水中某路徑電場強度分布，將測量數(shù)據(jù)通過低通濾波器可以得到此路徑的靜電場分布如圖2所示。在海上測量中，由于使用的拖帶小船的噸位非常小，在海流的作用下，小船的航速始終不能保持穩(wěn)定，而且小船與被測船體之間的距離也不能保持穩(wěn)定。并且測量時正好趕上此海域漲潮，在湍急的海流下，測量系統(tǒng)的水下傳感器部分不停的受海流的沖擊，傳感器在不斷的小幅振蕩。而且在測量中，水流、海水各參數(shù)也在變化等這些因素會影響測量結(jié)果的精確度。在這里我們不考慮這些因素對測量值的影響。

在使用進化規(guī)劃算法對補償陽極電流進行優(yōu)化計算時設(shè)定變異尺度為1 A，對補償陽極電流進行粗略搜索。補償陽極電流分別為1-10 A時，對比補償電流為1-10 A時的綜合電場可以發(fā)現(xiàn)，補償電流的最佳值應(yīng)該出現(xiàn)在補償電流為6-7 A之間，因此改變進化的變異尺度為0.1 A，在6-7 A之間進行搜索。補償結(jié)果如圖3所示。

圖2 某船體周圍海水中某路徑的電場強度空間分布

圖3 補償后的電場強度分布

對比補償電流為6.1-6.9 A時的綜合靜電場可以發(fā)現(xiàn)，補償電流的最佳值出現(xiàn)在補償電流為6.7 A時。此時船體周圍海水的綜合靜電場最小，可知補償陽極的補償電流應(yīng)為6.7 A。從補償后的電場強度分布可以看出，船體周圍的靜電場明顯減小，基本達(dá)到了電場防護的要求。

3 結(jié)論

本文介紹了利用進化規(guī)劃算法計算抵消船體周圍的靜電場所需的補償陽極電流最優(yōu)值，并得到了補償后綜合靜電場的分布。從結(jié)果可以看出，通過補償陽極產(chǎn)生的反向電場能大大抵消船體周圍海水中的靜電場。但是在實際的船體電場防護系統(tǒng)中，補償陽極的數(shù)目和位置分布都是可變的，此時可將任意數(shù)目、分布的補償陽極電場疊加。對補償陽極的數(shù)目、位置和電流大小優(yōu)化可以將船體周圍海水中的電場抵消得更徹底。而且本文只對船體周圍海水中的靜電場進行了分析和研究，船體航行時還會產(chǎn)生低頻電場，而低頻電場的消除對船體安全也有重要的作用。對于這些問題，將在以后的工作中進行探討。

[1] 鄭軍林，陳新剛，鄭春軍，趙留平. 艦船電場隱身技術(shù). 中國艦船研究，2006: 48-51.

[2] 喻浩. 艦船電場和低頻電磁場防護措施[J]. 艦船科學(xué)技術(shù)，2000（3）：37-39.

[3] 盧新城，龔沈光，劉勝道，孫明. 艦船極低頻電場的產(chǎn)生機理及其防護. 海軍工程大學(xué)學(xué)報，2003: 70-74.

[4] Hubbard J C, Brooks S H, Torrance B C. Practical measures for reduction and management of the electromagenetic signatures of in-service surface ships and submarines UDT[C].1996: 64-65.

[5] Dymarkowski K, Ucziwek J. The extremely low frequency electromagnetic signature of the electric field of the ship UDT[C].2001: 1-6.

[6] Harriso A S, Hubbard J C. An underwater electric potential (static electric) signature management toolkit for the nonspecialist Conf proc, UDT, Europe[C]. 1994: 477~481.

[7] Schwefel H. P. Numerical optimization of computer models[M]. Chiches- ter: Wiley,1981.

[8] 劉忠樂，龔沈光. 海水中穩(wěn)恒電流電場的點電極計算模型. 海軍工程大學(xué)學(xué)報，2004：35-39.

Calculation of the Current Generated by Compensating Anticathode of Ship Hull

Li Junhua1, Zhou Meijuan2, Cheng Ruoyi1

(1.Department of Scientific Research, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China；2.Unit No.92957, Zhoushan 316100, Zhejiang, China)

TM153

A

1003-4862（2013）10-0023-03

2012-05-28

海軍工程大學(xué)自然科學(xué)基金資助項目（HGDQNJJ12031）

李軍華 (1972- )，男。研究方向：裝備綜合維修保障。