余定峰，耿攀，楊勇，徐正喜，陳濤

?

基于時(shí)諧偶極子模型的艦船軸頻電場(chǎng)特性分析

余定峰，耿攀，楊勇，徐正喜，陳濤

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430064）

基于電磁建模方法，通過(guò)時(shí)諧偶極子模型在深海環(huán)境下產(chǎn)生的交變電場(chǎng)信號(hào)，對(duì)艦船的水下軸頻電場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬?？疾炝伺灤诓煌瑴y(cè)量深度上的電場(chǎng)分布特性，并對(duì)多種影響因素進(jìn)行對(duì)比分析，為基于水下電場(chǎng)特征控制的艦船隱身提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。

艦船 軸頻電場(chǎng) 時(shí)諧偶極子

0 引言

“被發(fā)現(xiàn)等于被消滅”，這已成為現(xiàn)代隱身裝備研制領(lǐng)域的箴言。艦船作為軍事戰(zhàn)略中不可或缺的威懾力量，隱蔽性是其最重要的戰(zhàn)技指標(biāo)之一，決定著艦船的戰(zhàn)斗力和生命力。艦船處于海洋環(huán)境中，由于腐蝕電位的不同以及外加電流陰極保護(hù)裝置的使用，無(wú)論是處于靜止還是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，都會(huì)在其周?chē)Ｋ屑ぐl(fā)電場(chǎng)信號(hào)，其中軸頻電場(chǎng)因具有明顯的頻譜特征而受到廣泛關(guān)注?；谒码妶?chǎng)信號(hào)的探測(cè)攻擊武器給艦船的生存帶來(lái)愈來(lái)愈大的威脅，迫切需要掌握艦船的水下電場(chǎng)信號(hào)分布及傳播特性，從而為實(shí)現(xiàn)艦船電場(chǎng)隱身能力的不斷提升提供技術(shù)支撐。

文獻(xiàn)[1]～[3]通過(guò)研究表明，深海環(huán)境下艦船軸頻電磁場(chǎng)可以通過(guò)空氣-海水兩層模型中時(shí)諧偶極子來(lái)模擬。文獻(xiàn)[4]通過(guò)運(yùn)動(dòng)垂直時(shí)諧偶極子在淺海環(huán)境下產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的研究分析了不同影響因素對(duì)艦船軸頻電磁場(chǎng)的影響。本文通過(guò)兩層模型中水平和垂直時(shí)諧偶極子在水下產(chǎn)生的交變電場(chǎng)對(duì)艦船軸頻電場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，考察了海水電導(dǎo)率、偶極子位置、偶極子強(qiáng)度、偶極子頻率以及傳播距離等條件的不同，對(duì)軸頻電場(chǎng)特性帶來(lái)的影響。通過(guò)電磁建模仿真，掌握艦船軸頻電場(chǎng)分布特性，為基于電場(chǎng)特征的艦船電場(chǎng)隱身技術(shù)研究提供理論和數(shù)據(jù)支撐。

1 深海中時(shí)諧電偶極子產(chǎn)生的交變電場(chǎng)

對(duì)于低速運(yùn)動(dòng)的偶極子，速度并不影響低頻電場(chǎng)的幅值及其分布特性，因此這里以靜止時(shí)諧偶極子產(chǎn)生的交變電場(chǎng)對(duì)艦船的軸頻電場(chǎng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖1 深海中水平和垂直時(shí)諧電偶極子

式中相關(guān)參數(shù)及物理意義與文獻(xiàn)[1]～[3]一致。

2 軸頻電場(chǎng)影響因素分析

通過(guò)空氣-深海兩層模型中水平和垂直時(shí)諧偶極子在水下產(chǎn)生的交變電場(chǎng)對(duì)艦船軸頻電場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，考察海水電導(dǎo)率、偶極子位置、偶極子強(qiáng)度、偶極子頻率以及傳播距離等條件的不同，對(duì)軸頻電場(chǎng)特性帶來(lái)的影響。

1）海水電導(dǎo)率影響

當(dāng)艦船航行于不同海域、不同深度的海洋中時(shí)，由于溫度和鹽度不同，導(dǎo)致海水電導(dǎo)率有差異。取海水介電常數(shù)1=800，偶極子頻率為1 Hz，偶極子強(qiáng)度為1 A·m，偶極子位置為（0, 0, 100 m），測(cè)量線起點(diǎn)為（-1000 m, 0, 200 m），終點(diǎn)為（1000 m, 0, 200 m），考察海水電導(dǎo)率1分別取2 S/m、3 S/m和4 S/m三種情形，通過(guò)仿真計(jì)算得到水平時(shí)諧偶極子和垂直時(shí)諧偶極子在下方測(cè)量線上產(chǎn)生的軸頻電場(chǎng)，如圖2所示。

圖2 海水電導(dǎo)率對(duì)軸頻電場(chǎng)的影響

由計(jì)算結(jié)果分析可知，海水電導(dǎo)率是影響艦船水下軸頻電場(chǎng)特性的重要參數(shù)，電場(chǎng)強(qiáng)度隨海水電導(dǎo)率增大而減小（限于篇幅，給出電場(chǎng)分量曲線）。顯然，海水導(dǎo)電能力越強(qiáng)，艦船產(chǎn)生的極低頻電場(chǎng)衰減越快。

2）偶極子位置影響

圖3 偶極子位置對(duì)軸頻電場(chǎng)的影響

由計(jì)算結(jié)果分析可知，偶極子位置不同，導(dǎo)致軸頻電場(chǎng)分布特性隨之產(chǎn)生較大變化，距離測(cè)量線越近，對(duì)應(yīng)軸頻電場(chǎng)強(qiáng)度越大，反之則越小，反映了該極低頻電場(chǎng)隨距離的衰減特性。

3）偶極子強(qiáng)度影響

艦船的腐蝕狀態(tài)或陰極保護(hù)參數(shù)不同，導(dǎo)致軸上流過(guò)的微弱腐蝕或防腐電流的不同，對(duì)應(yīng)時(shí)諧偶極子的強(qiáng)度差異。取海水介電常數(shù)1=800，海水電導(dǎo)率1為4 S/m，偶極子位置為（0, 0, 100 m），偶極子頻率為1 Hz，測(cè)量線起點(diǎn)為（-1000 m, 0, 200 m），終點(diǎn)為（1000 m, 0, 200 m），考察偶極子強(qiáng)度分別取1 A·m、10 A·m和100 A·m三種情形，通過(guò)仿真計(jì)算得到水平時(shí)諧偶極子和垂直時(shí)諧偶極子在下方測(cè)量線上產(chǎn)生的軸頻電場(chǎng)，如圖4所示。

圖4 偶極子強(qiáng)度對(duì)軸頻電場(chǎng)的影響

由計(jì)算結(jié)果分析可知，偶極子強(qiáng)度是影響軸頻電場(chǎng)幅值的主要因素，電場(chǎng)強(qiáng)度隨偶極子強(qiáng)度的增大而增大（為節(jié)省篇幅，當(dāng)影響因子對(duì)電場(chǎng)各分量的影響趨勢(shì)相同時(shí)，以某個(gè)分量為例予以說(shuō)明）。

4）偶極子頻率影響

艦船航速不同，即軸轉(zhuǎn)速不同，對(duì)應(yīng)時(shí)諧偶極子的頻率差異。取海水介電常數(shù)1=800，海水電導(dǎo)率1為4 S/m，偶極子位置為（0, 0, 100 m），偶極子強(qiáng)度為1 A·m，測(cè)量線起點(diǎn)為（-1000 m, 0, 200 m），終點(diǎn)為（1000 m, 0, 200 m）?？疾炫紭O子頻率分別取1 Hz、2 Hz和4 Hz三種情形。通過(guò)仿真計(jì)算得到水平時(shí)諧偶極子和垂直時(shí)諧偶極子在下方測(cè)量線上產(chǎn)生的軸頻電場(chǎng)，如圖5所示。

圖5 偶極子頻率對(duì)軸頻電場(chǎng)的影響

由計(jì)算結(jié)果分析可知，當(dāng)偶極子頻率增大時(shí)，水平時(shí)諧偶極子產(chǎn)生的近區(qū)軸頻電場(chǎng)隨之增大，遠(yuǎn)區(qū)軸頻電場(chǎng)隨之減小，體現(xiàn)出頻率越高衰減越快的特點(diǎn)。垂直時(shí)諧偶極子產(chǎn)生的軸頻電場(chǎng)隨著偶極子頻率的增大而減小。

5）傳播距離影響

取海水介電常數(shù)1=800，偶極子頻率為1 Hz，偶極子強(qiáng)度為1 A·m，偶極子位置為（0, 0, 100 m），測(cè)量線起點(diǎn)為（-1000 m, 0, 200 m），終點(diǎn)為（1000 m, 0, 200 m），海水電導(dǎo)率為4 S/m，通過(guò)仿真計(jì)算得到水平時(shí)諧偶極子和垂直時(shí)諧偶極子在下方測(cè)量線上產(chǎn)生的軸頻電場(chǎng)，考察電場(chǎng)的分量隨傳播距離的變化趨勢(shì)，如圖6所示。

由計(jì)算結(jié)果分析可知，電場(chǎng)各分量在距離場(chǎng)源較近時(shí)衰減迅速，距離較遠(yuǎn)時(shí)衰減緩慢。水平時(shí)諧偶極子對(duì)應(yīng)電場(chǎng)水平分量峰值較大，垂直時(shí)諧偶極子對(duì)應(yīng)電場(chǎng)垂直分量峰值較大。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)兩層模型中水平和垂直時(shí)諧偶極子在水下產(chǎn)生的交變電場(chǎng)對(duì)艦船軸頻電場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，考察了海水電導(dǎo)率、偶極子位置、偶極子強(qiáng)度、偶極子頻率以及傳播距離等條件的不同，對(duì)軸頻電場(chǎng)特性帶來(lái)的影響?；陔姶沤７椒ǎ瑢?duì)艦船軸頻電場(chǎng)分布特性進(jìn)行仿真分析，可為基于電場(chǎng)特征的艦船隱身技術(shù)研究提供必要的理論和數(shù)據(jù)支撐。

圖6 軸頻電場(chǎng)分量隨傳播距離變化曲線

[1] 盧新城, 龔沈光, 周駿等. 海水中極低頻水平電偶極子電磁場(chǎng)的解析解[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 19(3): 290-295.

[2] 毛偉, 林春生. 兩層介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)水平時(shí)諧偶極子產(chǎn)生的電磁場(chǎng)[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2009, 30(5): 555-560.

[3] 毛偉, 周萌, 余刃. 兩層介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)垂直時(shí)諧偶極子產(chǎn)生的電磁場(chǎng)[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版), 2011, 35(5): 1081-1085.

[4] 朱武兵, 嵇斗, 王向軍等. 淺海中影響運(yùn)動(dòng)艦船軸頻電磁場(chǎng)的因素[J]. 船電技術(shù), 2013, 33(11): 41-44.

Analysis on Shaft-rate Electric Field of A Ship Based on Time Harmonic Dipole

Yu Dingfeng, Geng Pan, Yang Yong, Xu Zhengxi, Chen Tao

(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China)

TM153

A

1003-4862（2014）10-0011-04

2014-04-21

余定峰（1986-），男，工程師。研究方向：艦船電磁場(chǎng)應(yīng)用及防護(hù)。