朱世才，牟 蘭，劉志軍，王德慶

(水下測控技術(shù)研究所，遼寧 大連116013)

0 引 言

由于特殊建造金屬材料、結(jié)構(gòu)布局、推進系統(tǒng)、腐蝕和防腐、能源供給、機電設(shè)備等因素，艦船在海水中航行時，會產(chǎn)生包括艦船磁場在內(nèi)的各種艦船物理場(見圖1)［1］。艦船磁場是除聲特性外最重要的目標(biāo)特性之一，只能減弱而不能完全消除，對艦船非聲隱身性能和水中兵器的引信設(shè)計具有重要影響，已成為可以被用于艦船探測、定位、水中兵器引信的新目標(biāo)特征，也是艦船水下超長波通信的干擾源［1-2］。以往單一的聲引信使水雷等水中兵器極易被掃雷具等掃除，自二戰(zhàn)以來，艦船磁場就被應(yīng)用到水雷等水中兵器的引信中，不斷發(fā)展了包括艦船靜磁場、交變磁場等在內(nèi)的各種組合式引信系統(tǒng)。隨著磁場引信的不斷改進，也出現(xiàn)了各種磁場掃雷具與之抗衡。同時，為了避免受到水雷等水中兵器的攻擊，保護艦船自身的安全，采取各種措施以降低艦船自身的磁特性進行艦船磁防護也得到了一定的發(fā)展。

圖1 目標(biāo)特性物理場簡圖Fig.1 The physical fields of target characteristics

1 艦船磁場概述

艦船磁場是指處于海洋中的艦船對外呈現(xiàn)的磁場的總稱，其頻帶范圍為0 ～1 000 Hz 左右，可劃分為0 ～1 Hz 靜磁場和1 ～1 000 Hz 左右交變磁場2 部分［1-4］，如圖2所示。艦船磁場不論頻率如何，都來源于某種電流源或者金屬和磁性材料及其運動，主要來源于艦船船體不同金屬材料電化學(xué)效應(yīng)產(chǎn)生的腐蝕電流、陰極保護系統(tǒng)產(chǎn)生的防腐電流、艦船機電設(shè)備對外電磁輻射、鐵磁船體的固定和感應(yīng)磁場等因素，可被用于艦船探測、定位、水中兵器引信，已經(jīng)成為艦船重要的暴露源、識別源以及超長波通信的干擾源。

圖2 艦船磁場信號的組成Fig.2 The components of warship′s magnetic field

根據(jù)形成艦船磁場的物理過程可將艦船磁場分為電性源磁場和磁性源磁場。電性源磁場是指源于艦船金屬結(jié)構(gòu)流經(jīng)海水媒質(zhì)構(gòu)成的閉合電流激發(fā)的磁場，其存在的條件是艦船上有經(jīng)過艦船周圍水介質(zhì)流過的沿著艦船的金屬結(jié)構(gòu)形成的閉合電流，主要包括以下3 種:

1)艦船船體自身不同金屬材料間的電化學(xué)腐蝕電流以及外加電流陰極保護系統(tǒng)(ICCP)產(chǎn)生的腐蝕相關(guān)磁場(CRM);

2)金屬船體運動切割地磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電流形成的運動感應(yīng)磁場;

3)電源濾波不良和艦船機電設(shè)備各接地點之間電位差引起的泄漏到海水中的電流形成的工頻磁場。

磁性源磁場是艦船金屬船體的磁場以及內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)中流動電流和磁性船體運動產(chǎn)生的感應(yīng)電流激發(fā)的磁場，其存在的條件是艦船上有鐵磁物質(zhì)或者是沿著金屬管線流動的電流，它們并不是直接通過電流回路向艇外輻射的，主要有以下3 種:

1)艦船鐵磁性金屬結(jié)構(gòu)的剩磁場和感應(yīng)磁場以及旋轉(zhuǎn)的鐵磁性機械組件產(chǎn)生的擾動磁場;

2)船用大電流電氣設(shè)備通過流水孔、蓋艙板等向水中輻射形成的時變輻射磁場;

3)旋轉(zhuǎn)的螺旋槳及磁性船體運動導(dǎo)致的環(huán)境磁通量變化在海水中引起的感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場。

圖3 艦船磁場信號及鐵磁場和CRM 場的衰減特性Fig.3 The magnetic fields of warship′s and the decay characteristic of ferromagnetic and CRM fields

針對于艦船磁場的測試測量、建模預(yù)報、設(shè)備研制、水下兵器的引信設(shè)計和艦船防護等都建立在對艦船磁特性深入了解的基礎(chǔ)上。國外軍事大國都非常注重艦船磁場特性的研究，研究歷史長，具有堅實的理論基礎(chǔ)。蘇聯(lián)在20世紀(jì)50年代末開展了水下磁場測試以及裝備標(biāo)準(zhǔn)等的研究工作，美國、英國等西方國家有大量科研機構(gòu)從事艦船磁場研究，如美國水下戰(zhàn)中心電磁實驗室、加拿大防御研究與發(fā)展中心水下電磁分部、英國超級電子公司、法國泰利斯公司、法國海軍電磁實驗室以及日本防御廳第5 研究所等。通過對鐵磁場和CRM 場衰減特性的研究可以看出，艦船鐵磁場分量隨著距離的立方衰減，而CRM 場隨著距離的平方衰減，相對來說衰減較慢(見圖3)，分布距離更遠，更具應(yīng)用價值。

圖4 艦船CRM 場三分量功率譜Fig.4 The three axes′ power spectrum of warship′s CRM field

英國超級電子公司對軸頻磁場信號特征與艦艇航速、航向等的關(guān)系進行了研究［2］。圖4 是艦船CRM 磁場信號功率譜估計，從圖中可以清楚地看到，螺旋槳產(chǎn)生的軸頻磁場線譜。被測量艦船航速6.4 m/s，磁場x 分量線譜基頻為5.7 Hz，并帶有11.7 Hz 等高階線譜，y 分量有明顯高次諧波。當(dāng)航速變?yōu)?.3 m/s 時，x 分量線譜基頻則變?yōu)?.7 Hz，帶有9.4 Hz 等高階線譜。由于軸頻是艦船不變的物理量，深入研究軸頻磁場將對目標(biāo)探測和水中兵器引信的發(fā)展帶來巨大的推動作用。

圖5 艦船尾流磁場(水深30 m)Fig.5 Warship wake magnetic field(deep 30 m)

艦船尾流磁場可以說是對艦船自身磁場研究的擴展。以色列對運動艦船的尾流導(dǎo)致的磁場進行理論分析和模擬驗證，驗證了通過尾流磁場探測航行艦船的可行性［5］。艦船尾流會產(chǎn)生導(dǎo)電海水的速度場，在地磁場中將導(dǎo)致擾動。通過數(shù)學(xué)計算，在有限深度內(nèi)將可獲得艦船運動的尾流導(dǎo)致的磁場的閉合解。圖5 為以色列通過理論計算獲得的水下30 m處得到的艦船尾流磁場分布。

2 艦船磁隱身防護

艦船隱身性能是艦船的生存和作戰(zhàn)能力的重要體現(xiàn)，磁場探測技術(shù)和磁場引信水雷的發(fā)展對艦船生存能力提出了新的更大的挑戰(zhàn)。盡管各種反水雷措施的出現(xiàn)在一定程度上降低了這種威脅，但還是極大地制約了艦船的機動范圍，降低了艦船執(zhí)行任務(wù)的效率?，F(xiàn)今不斷發(fā)展的磁異常探測(MAD)技術(shù)利用目標(biāo)的磁特性探測水下目標(biāo)進而實施毀滅性的打擊，對水下目標(biāo)也構(gòu)成了極大的威脅。如在磁異常探測(MAD)系統(tǒng)的設(shè)計、制造和集成方面處于世界領(lǐng)導(dǎo)地位的CAE 公司，其先進的一體化MAD 系統(tǒng)(AIMS)就主要被安裝在反潛飛機上以探測潛艇［6］(見圖6)。對于艦船來說，有效地降低或消除自身的磁場特性才能降低被敵方磁性探測器探測到的概率，也只有這樣才能降低艦船自身受到敵方磁引信水中兵器攻擊的風(fēng)險。用于降低艦船磁場水平的一系列技術(shù)設(shè)備、組織保障以及設(shè)計工藝方法被統(tǒng)稱為艦船的磁防護。所以，進行良好的艦船磁防護才是應(yīng)對磁性威脅最好的方法，對艦船磁場特征進行控制，提高艦船磁場隱身能力已經(jīng)成為各國海軍的迫切需求。

圖6 附近存在目標(biāo)時MAD 系統(tǒng)的界面顯示Fig.6 The display of MAD interface when target in the vicinity

國外在研究艦船磁場探測技術(shù)的同時，非常重視對艦船磁場隱身技術(shù)的研究，以降低敵方磁場引信水中兵器和磁場探測系統(tǒng)對己方艦船的威脅。如加拿大Davis公司在進行艦船設(shè)計的初期就把艦船磁場特性的控制問題考慮到了設(shè)計當(dāng)中［7］(見圖7)。艦船磁場不論頻率如何，都來源于某種電流源或者金屬和磁性材料及其運動。艦船磁場賴以存在的條件是由于艦船上存在鐵磁性物質(zhì)、流過艦船內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)和管線的電流(穩(wěn)恒的和交變的)以及在艦船周圍水介質(zhì)中存在的電流，這些電流沿著艦船的金屬結(jié)構(gòu)流動并且在海水中達到最大值。進行艦船磁場防護主要是針對于艦船磁場源和艦船磁場賴以存在的條件而采取的控制措施，可采取的措施有:消磁系統(tǒng)消磁;采用非鐵磁體船殼;取消陰極保護系統(tǒng);主動陰極保護電源濾波器;主軸接地;改進電磁設(shè)計和屏蔽;消磁系統(tǒng)修正;優(yōu)化陽極配置。

圖7 Davis 公司為先進艦船設(shè)計進行的電磁信號模擬Fig.7 The electromagnetic signature modeling for advanced warship design by Davis

采用非鐵磁體船殼是很不錯的選擇，對于降低或消除艦船的各種磁場分量非常有效。但是這樣做的代價相當(dāng)大，對艦船設(shè)計和建造帶來巨大困難的同時費用也非常驚人，現(xiàn)階段在某些小型特種艦船上應(yīng)用還可以，并不適用于常規(guī)艦船。由此看來，現(xiàn)階段還是要采用鋼鐵作為船殼材料，那么采用取消陰極保護系統(tǒng)以降低艦船磁場特性的方法也不可行。改進電磁設(shè)計和屏蔽是目前所有國家在進行艦船設(shè)計中都必然要考慮的問題，可有效降低艦船內(nèi)部大電流用電設(shè)備向船外輻射磁場的強度。

艦船消磁是采用各種設(shè)備和裝置，以一定的方法來減小艦船磁場的技術(shù)措施。目前的消磁系統(tǒng)一般采用2種方式:一是臨時線圈，主要針對艦船自身固定磁性的消除;二是固定繞組，即船載消磁系統(tǒng)，主要是對艦船感應(yīng)分量和剩余固定分量進行進一步抵消處理。

臨時線圈消磁由專門的消磁站(船)在一定的場地進行。消磁時艦船開進預(yù)先敷設(shè)有消磁線圈的設(shè)施空間，消磁站(船)的供電設(shè)備向消磁線圈供電，用線圈產(chǎn)生的強大磁場改變艦船的固定磁性，使艦船的磁場減小，達到消磁的目的。臨時線圈消磁能夠減小艦船一般的永久磁場，但不能完全消除，而且這種方法對感應(yīng)磁性磁場卻無能為力。

圖8 消磁系統(tǒng)模型Fig.8 The e model of degaussing system

而船載消磁系統(tǒng)既可以減少殘余永久磁性，也可以減少感應(yīng)磁場的影響。船載消磁系統(tǒng)［8］，如圖8 是艦船內(nèi)部安裝的三軸固定消磁繞組以及供電和調(diào)整設(shè)備，當(dāng)消磁繞組通電時，便會產(chǎn)生與艦船磁場方向相反、大小相等的繞組磁場，將艦船磁場補償?shù)?，但斷電時，繞組磁場消失，艦船磁場依然存在。因此，裝有固定消磁繞組的艦船航行時，可以隨時調(diào)整繞組中的電流，以補償隨著航向和航行區(qū)不同而變化的艦船感應(yīng)磁場，消磁效果較好。圖9 顯示了艦船在航行過程中關(guān)閉船載消磁系統(tǒng)前后的磁場變化情況。

以往，一般的消磁系統(tǒng)設(shè)計以桅頂磁力計測量的磁場強度作為背景場，調(diào)節(jié)所有消磁線圈中的電流，使由艦船引起的磁場與測得的背景場相同。該系統(tǒng)能夠盡量減小艦船的電磁特征信號，并且均衡地磁場中的艦船磁場。進一步的設(shè)計則是以地磁場預(yù)測系統(tǒng)代替桅頂磁力計，建立一個閉環(huán)消磁系統(tǒng)，利用磁力計陣實時監(jiān)測自身磁場并直接將磁性狀態(tài)反饋給艦船，進而調(diào)整消磁線圈中的電流大小抵消自身磁場，保證動態(tài)磁場的穩(wěn)定。目前，新一代軍用艦船都安裝有船載消磁系統(tǒng)，以消除艦船的殘余永久磁性和由于地磁場造成的感應(yīng)磁性的影響。

圖9 消磁系統(tǒng)關(guān)閉前后艦船磁場的變化Fig.9 The variety of warship magnetic field when Degaussing System(DG)is closed

先進的消磁系統(tǒng)則進一步增加了船載消磁線圈的數(shù)量(20 ～80)，利用探測器陣列測量艦船各部分的磁場，主動將其消除。更多數(shù)量的消磁線圈裝備到艦船上可以更好地控制磁特征信號，控制中心根據(jù)探測器陣列的實時探測結(jié)果為每一個消磁線圈單獨供電，以更徹底地消除艦船的磁特征信號［9］(見圖10)。例如加拿大的巡邏護衛(wèi)艦(CPF)有23 個線圈，美國的兩棲船塢運輸艦LPD-17 有60 多個線圈，后續(xù)的LPD-18、LPD-19 同樣會設(shè)計更多更合理的消除線圈配置。而未來的消磁系統(tǒng)則是一種綜合控制系統(tǒng)，通過提高磁特征信號控制、航行特征信號分析、損害回復(fù)能力，減少電纜和改善安裝靈活性等保證艦船磁特征信號被完全優(yōu)化管理，增加艦船的隱蔽性。

艦船防腐用的主、被動陰極保護系統(tǒng)產(chǎn)生的電流是艦船靜磁場的一個重要來源，而且是艦船交變磁場的主要來源。在陰極保護要求較高的情況下，還會有多個主動防護電源，且都與多個陽極相連，通過反饋系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)保護電壓，這樣就會產(chǎn)生包括CRM 在內(nèi)的較復(fù)雜的極低頻艦船磁場，而且在一定距離上顯著強于鐵磁場(見圖10)。這部分磁場的抑制要從陰極保護系統(tǒng)著手，通過優(yōu)化確定電極在船體上的最佳位置，盡量減小防腐電流而不影響陰極保護效果，同時降低艦船的磁場特性。也有人提出完全用電-化學(xué)平衡材料制造螺旋槳和其他主要部件，從根本上消除在異種金屬之間產(chǎn)生的電流，因而不再需要ICCP 系統(tǒng)進行艦船的電、磁防護。歐美等國家多采用被動軸接地系統(tǒng)和主動軸接地系統(tǒng)來減小軸系調(diào)制的極低頻電、磁場，主、被動軸接地系統(tǒng)，如圖11所示。

圖10 先進的消磁系統(tǒng)消除艦船磁場鐵磁性磁場Fig.10 The removing of warship′s ferromagnetic field by advanced Degaussing System(DG)

圖11 主被動軸接地系統(tǒng)Fig.11 Active and passive Shaft Grounding(PSG)

軸接地系統(tǒng)可以減少電阻波動的影響而降低軸速率調(diào)制的極低頻電、磁場［10-15］。很多國家在其防腐標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中就規(guī)定了造船時要安裝被動軸接地系統(tǒng)(見圖11(a))。該系統(tǒng)可以減小極低電、頻磁場信號，但若維修保養(yǎng)不及時，被動軸接地系統(tǒng)會失效。主動軸接地(ASG)系統(tǒng)是更為有效地控制流經(jīng)艦船主軸電流的系統(tǒng)，ASG 利用電子儀器補償軸-船體間電阻的變化，從而消除軸電流的變化(見圖11(b))。ASG 由于其反饋作用，對尾軸與船殼分流電阻的影響極小，與傳統(tǒng)的被動軸接地系統(tǒng)相比，大大降低了電阻的波動，是更為有效的方法。由于腐蝕電流所產(chǎn)生的磁場比鋼制船體產(chǎn)生的要小得多，因此這種控制措施不會明顯改變艦船的直流磁場特性。主動軸接地系統(tǒng)是為減小由腐蝕和防腐電流產(chǎn)生的極低頻特征信號波動而專門設(shè)計。圖12是有、無ASG 系統(tǒng)2 種情況下在極低頻頻段進行測量獲得的船外磁場的垂直分量時域圖。由此可以看出，采用了主動軸接地系統(tǒng)后，極低頻磁場信號明顯減小。

圖12 有無主動軸接地系統(tǒng)對艦船極低頻磁場的影響Fig.12 The effect of ASG to warship′s magnetic ELFE

目前，加拿大和俄羅斯等國家已經(jīng)具備了成熟的艦船水下電、磁場特征控制技術(shù)，并形成了軍事裝備。加拿大Davis 公司與加拿大國防部太平洋防衛(wèi)研究所聯(lián)合研制的“有源軸系接地系統(tǒng)”(ASGS)能有效抵消軸系極低頻電、磁場(見圖13)，早在1970年就由加拿大海軍和美國海軍組織過鑒定，已應(yīng)用于多國新建造的艦船。Davis 公司已經(jīng)為美海軍“海狼”級SSN-21和SSN-22 核潛艇提供了200 A 的有源接地系統(tǒng)。

圖13 加拿大主軸主動接地系統(tǒng)Fig.13 The ASGS of Canada

另外，Vickers 造船工程技術(shù)有限公司也研制了主動軸接地(ASG)系統(tǒng)來消除軸系極低頻電、磁場。并且已經(jīng)將100 A 有源接地系統(tǒng)裝備于英海軍的“特拉伏爾加”和“快速”級核潛艇上。波蘭海軍技術(shù)研究發(fā)展中心對軸系極低頻電場進行了測試，并研究了一種短路滑環(huán)裝置，可以有效減小軸系極低頻電、磁場。

蘇聯(lián)采取了與歐美不同的技術(shù)路線，應(yīng)用絕緣措施將軸與船體有效絕緣，研制了“Каскад-э”艦船電磁場補償系統(tǒng)以抵消艦船電、磁場(見圖14)。裝備了“Каскад-э”系統(tǒng)的艦船對所有接觸的異種金屬進行了有效的電絕緣;利用磁性調(diào)制傳感器測量軸頻電流特征參數(shù)，通過尾部陽極施加反向電流消除軸頻的電、磁場;通過數(shù)值模擬來計算保護電位分布和磁場分布，合理布置陽極和參比電極，使腐蝕電、磁場達到最小化?！哀学悃堙学?э”系統(tǒng)有3 種工作模式:模式Ⅰ—不限制使用條件的螺旋槳電流測量工作模式;模式Ⅱ—在執(zhí)行任務(wù)航行時使用的電磁場補償和螺旋槳船體水下部分局部防腐模式;模式Ⅲ—?？看a頭或安全水域時使用的螺旋槳、軸和船體水下部分防腐模式。

圖14 蘇聯(lián)“Каскад-э”系統(tǒng)Fig.14 The“Каскад-э”system of USSR

外加電流陰極保護(ICCP)系統(tǒng)電源濾波不良會產(chǎn)生極低頻電、磁場。為了消除ICCP 系統(tǒng)中電源濾波不良產(chǎn)生的極低頻電場，惠得尼·愛舍(WAL)公司已研制了線性電源和開關(guān)型電源(SMPS)，能有效消除海水中的電源紋波電場。也可在ICCP 裝置電源上加裝高性能濾波器以降低由于電源整流不好而產(chǎn)生的極低頻電磁特性。

3 結(jié) 語

艦船磁場是艦船的一個重要的軍用目標(biāo)特性，已被用于艦船探測、定位、水中兵器引信等領(lǐng)域，也是艦船重要的暴露源、識別源。自二戰(zhàn)以來，各國對艦船磁場的研究和應(yīng)用都極為重視，美、英、俄、芬蘭、瑞典、加拿大和澳大利亞等國都已形成了磁場水雷、反水雷系統(tǒng)以及艦船磁場防護系統(tǒng)等一系列的先進裝備。隨著磁場傳感器性能和測試技術(shù)的提高以及對艦船磁場的不斷深入研究，面對利用艦船磁場綜合特性的先進智能水中兵器的巨大威脅，更加可靠的艦船磁場防護綜合控制系統(tǒng)也將不斷出現(xiàn)、不斷完善，將極大地促進武器裝備、艦船隱身等的發(fā)展。

［1］林春生，龔沈光.艦船物理場(第2 版)［M］.兵器工業(yè)出版社，2007:25-48.

LIN Chun-sheng，GONG Shen-guang.Ship physical field(Second Edition)［M］，2007:25-48.

［2］DAVIDSON S J，RAWLINS P G.A Multi-influence range with electromagnetic modelling［J］.Ultra Electronics Limited，2006.

［3］YU M.Zolotarevskii.Methods of measuring the low frequency electric and magnetic fields of ships［J］.Measurement Techniques，2005，48(11):1140-1144.

［4］Игорь П.Краснов.Становление и развитие методов расчёта магнитного поля судна.ЦНИИ имени академика А.Н.Крылова，Санкт Петербург，Россия.

［5］ODED Y，GREGORY Z，TOUVIA M.Detection of the electromagnetic field induced by the wake of a ship moving in a random sea of finite depth［Z］.Faculty of Engineering，Tel-Aviv University，Israel.

［6］Magnetic anomaly detection system［Z］.CAE.Canada.

［7］Electromagnetic signature modelling［Z］.Davis Engineering Limited.Canada.

［8］SYSTEMS D.Polyamp systems division［Z］.Sweden.

［9］PARLONGUE J，BORTELS L.A numerical modelling to evaluate and control the electromagnetic signature of naval vessels［C］.UDT Europe，2010，Germany.

［10］鄭軍林.艦船電場研究概況及其軍事應(yīng)用［J］.艦船工程研究，2007(2):29-33，40.

ZHENG Jun-lin.Development and military application of electric field technology in ship［J］.Ship Engineering Research，2007(2):29-33，40.

［11］JEFFREY I，BROOKING B.A survey of new electromagnetic stealth technologies［Z］.W.R.Davis Engineering Ltd.Canada.

［12］劉進，譯.艦船極低頻電磁特性的控制［J］.水雷戰(zhàn)與艦船防護，1997(2):39-43.

［13］宋東安，譯.艦船水下極低頻電磁信號的控制［J］.國外艦船工程，1999(8):22-24，40.

［14］宋東安，譯.艦船電磁特征信號的預(yù)測與抑制.國外艦船工程［J］，2002(1):11-15.

［15］鄭群鎖.艦船電磁特征信號及其控制［J］.艦船電子工程，2006，26(3):170-173.

ZHENG Qun-suo.Electromagnetic signature and its control of ships［J］.Ship Electronic Engineering，2006，26(3):170-173.