張安明，張海鵬，程崢華

1海軍駐大連船舶重工集團(tuán)有限公司軍事代表室，遼寧大連116005

2海軍潛艇學(xué)院動(dòng)力操縱系，山東青島266042

3中國(guó)人民解放軍92730部隊(duì)，海南三亞572016

艦船軸頻電場(chǎng)的軸地有源補(bǔ)償技術(shù)

張安明1，張海鵬2，程崢華3

1海軍駐大連船舶重工集團(tuán)有限公司軍事代表室，遼寧大連116005

2海軍潛艇學(xué)院動(dòng)力操縱系，山東青島266042

3中國(guó)人民解放軍92730部隊(duì)，海南三亞572016

為了有效減少艦船軸頻電場(chǎng)的影響，降低艦船的暴露率，在分析軸頻電場(chǎng)產(chǎn)生機(jī)理和相關(guān)電學(xué)特性的基礎(chǔ)上，提出艦船軸頻電場(chǎng)的軸地有源補(bǔ)償方法，分析軸地有源補(bǔ)償系統(tǒng)的原理，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制框架和功能框架。研究艦船軸地微弱信號(hào)監(jiān)測(cè)與調(diào)理技術(shù)以及電場(chǎng)抑制系統(tǒng)的判斷與控制技術(shù)，設(shè)計(jì)軸地有源補(bǔ)償系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)和功率輸出模塊，開(kāi)展軸頻電場(chǎng)抑制效果的模擬測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明：除去環(huán)境電場(chǎng)的影響，該系統(tǒng)對(duì)軸頻電場(chǎng)的抑制能力超過(guò)75%，可以有效降低艦船軸頻電場(chǎng)對(duì)艦船隱蔽性的影響。

軸頻電場(chǎng)；電勢(shì)補(bǔ)償；電場(chǎng)抑制；艦船

0　引　言

艦船的腐蝕電場(chǎng)和陰極保護(hù)系統(tǒng)會(huì)在軸系中產(chǎn)生電流，軸系轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其阻抗周期性變化，產(chǎn)生軸頻電場(chǎng)。軸頻電場(chǎng)已成為顯著的艦船特征信號(hào)［1］，俄、美、英、加等國(guó)已在軸頻電場(chǎng)抑制研究中取得相當(dāng)成就，并已將消除艦船電場(chǎng)列入其艦船建造規(guī)范［2-4］。艦船軸頻電場(chǎng)衰減規(guī)律符合麥克斯韋電磁理論，它的傳播距離遠(yuǎn)，易被敵方探測(cè)到，其特征信號(hào)容易被識(shí)別并用于對(duì)艦船的探測(cè)、跟蹤、定位和打擊［5-7］。所以，抑制艦船軸頻電場(chǎng)成為目前亟待解決的問(wèn)題。

本文將在研究與軸頻電場(chǎng)相關(guān)的艦船電學(xué)等效模型和電學(xué)特性的基礎(chǔ)上，分析軸地有源補(bǔ)償系統(tǒng)的原理，設(shè)計(jì)軸地有源補(bǔ)償系統(tǒng)產(chǎn)生模塊，研制艦船軸頻電場(chǎng)的閉環(huán)實(shí)時(shí)抑制系統(tǒng)，并在實(shí)驗(yàn)室模擬艦船電場(chǎng)實(shí)時(shí)抑制試驗(yàn)，驗(yàn)證該技術(shù)能否有效抑制艦船的軸頻電場(chǎng)強(qiáng)度，減小艦船軸頻電場(chǎng)的影響，削弱遠(yuǎn)程探測(cè)艦船的特征信號(hào)，以增強(qiáng)艦船隱蔽性，提高艦船生命力。

1　艦船軸頻電場(chǎng)特性分析

組成現(xiàn)代艦船的不同金屬，在海水中會(huì)表現(xiàn)出不同的電極電位，形成腐蝕原電池，產(chǎn)生腐蝕電流。為提高防腐能力，艦船都會(huì)采用有源陰極保護(hù)系統(tǒng)［8］，而有源陰極保護(hù)系統(tǒng)提供的直流大電流和腐蝕電流卻是產(chǎn)生艦船電場(chǎng)的主要源頭。

要研究艦船軸頻電場(chǎng)特性，主要需要研究艦船軸系。艦船結(jié)構(gòu)部件主要包括轉(zhuǎn)軸、支承軸承、中間軸承、推力軸承、螺旋槳、滑環(huán)、電刷和輪機(jī)系統(tǒng)。

在艦船軸系結(jié)構(gòu)的電學(xué)分析中，海水是重要的組成部分，而輪機(jī)的影響則不大。轉(zhuǎn)軸上的滑環(huán)和電刷之間的接觸電阻對(duì)艦船軸頻電場(chǎng)相關(guān)結(jié)構(gòu)電學(xué)特性的影響很大，是艦船電學(xué)特性的重要組成部分。

深入分析艦船軸系的電學(xué)特性可知，軸系變化電阻隨著艦船轉(zhuǎn)軸的周期性變化，會(huì)引起電路各處電流發(fā)生波動(dòng)，其中海水電流的周期性變化，會(huì)輻射出軸頻電場(chǎng)。此外，艦船電刷接觸電阻使電刷兩端存在波動(dòng)電壓，并與海水中的電流變化密切相關(guān)。

2　艦船軸頻電場(chǎng)抑制方法

2.1軸地有源補(bǔ)償方法的提出

在常規(guī)的艦船保養(yǎng)和維護(hù)方式下，艦船電刷接觸電阻總是很顯著，即便是采取嚴(yán)格的保養(yǎng)和維護(hù)制度，艦船電刷接觸電阻也無(wú)法避免，電刷兩端依然存在波動(dòng)電壓。為此，本文提出在艦船電路的大軸與接地船殼之間加入一個(gè)軸地有源補(bǔ)償系統(tǒng)Ek，如圖1所示。該軸地有源補(bǔ)償電勢(shì)Ek可以由一個(gè)漸變可控的直流電動(dòng)勢(shì)實(shí)現(xiàn)。引入合適的軸地有源補(bǔ)償系統(tǒng)可以抑制艦船的軸頻電場(chǎng)。

圖1　軸系電路加入軸地有源補(bǔ)償系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of shaft system with compensation circuit

2.2軸地有源補(bǔ)償系統(tǒng)原理分析

以漁船JC的軸頻電場(chǎng)為例，其軸與軸承之間的接觸電阻發(fā)生變化引起電壓變化，產(chǎn)生周期性變化的電場(chǎng)（也就是說(shuō)Rb是一個(gè)可變的電阻）。若在大軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，保證大軸和船殼之間等電位，即可保證軸地電壓的波動(dòng)為0，從而達(dá)到減小軸頻電場(chǎng)的目的。在此思路的指導(dǎo)下，提出了軸地有源補(bǔ)償系統(tǒng)，圖2為該系統(tǒng)的原理示意圖。圖中：Rx為線(xiàn)路電阻值；Rb1為電刷或滑環(huán)的接觸電阻值；Rb為軸承和齒輪電阻值；Rw為螺旋槳到船體的電阻值；Ew為船殼和螺旋槳之間的腐蝕或防腐電位差。

圖2　軸地有源補(bǔ)償系統(tǒng)原理示意圖Fig.2　Schematic diagram of compensation circuit

根據(jù)基爾霍夫定律，若要使軸地電壓Vx為0，只需滿(mǎn)足Ew≈IwRw，而Iw=I1+I2，其中，I1為電化學(xué)腐蝕或防腐產(chǎn)生的電流，I2為補(bǔ)償系統(tǒng)的輸出電流。根據(jù)戴維南電路等效定律，則

從式（4）中可發(fā)現(xiàn)，Vx與 Iw建立了聯(lián)系，將Iw的表達(dá)式代入Vx=Ew-RwIw中，可計(jì)算出：

從式（5）中可發(fā)現(xiàn)，隨著補(bǔ)償增益k的增大，Vx逐漸減小，即若要求Vx為0，則k→∞。為了研究k值取多大時(shí)Vx可近似為0，利用俄羅斯文獻(xiàn)提供的參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算條件為：Ew=0.7 V，Rw=0.07 Ω ，Rb=0.03 Ω ，假定Rb1=0.01 Ω，則Vx隨k的變化如圖3所示（縱坐標(biāo)中，1 μV為0 dB）。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，若要將Vx控制在100 μV范圍內(nèi)，k應(yīng)達(dá)到1 700以上。

圖3　軸地電壓與增益的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.3　Relation curve of the shaft-ground votage and the gain

3　軸地有源補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1控制框架

應(yīng)用軸地有源補(bǔ)償系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)實(shí)際的艦船軸頻電場(chǎng)抑制系統(tǒng)，根據(jù)控制系統(tǒng)組成原理（圖2），需要考慮如下幾點(diǎn)：

1）控制器需要設(shè)計(jì)可靠的控制系統(tǒng)，使之能夠適時(shí)調(diào)節(jié)軸地有源補(bǔ)償系統(tǒng)Ek，使之自動(dòng)適應(yīng)電刷電壓UR的變化。

2）為實(shí)現(xiàn)軸地有源補(bǔ)償系統(tǒng)自動(dòng)適應(yīng)電刷電壓的變化，傳感器需要監(jiān)測(cè)某一個(gè)能夠反映電刷電壓變化的物理量。本系統(tǒng)選擇監(jiān)測(cè)艦船轉(zhuǎn)軸與艦船殼體之間的電壓，因電器外殼常作為電路的參考電位點(diǎn)（也叫接地點(diǎn)），所以通常將艦船轉(zhuǎn)軸與艦船殼體之間的電壓簡(jiǎn)稱(chēng)為軸地電壓。

軸地電壓通常在毫伏級(jí)左右，需要選用精度較高的監(jiān)測(cè)電路。

3）對(duì)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由于軸頻電場(chǎng)抑制系統(tǒng)要求軸地有源補(bǔ)償系統(tǒng)Ek提供一個(gè)反向的電動(dòng)勢(shì)，故考慮由反接的可控直流電源作為執(zhí)行模塊，實(shí)現(xiàn)軸地有源補(bǔ)償系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

3.2功能框架

基于軸地有源補(bǔ)償系統(tǒng)的艦船軸頻電場(chǎng)抑制系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，需要結(jié)合具體的艦船軸系結(jié)構(gòu)來(lái)完成。

按功能劃分，該軸頻電場(chǎng)抑制系統(tǒng)包括電壓監(jiān)測(cè)、信號(hào)調(diào)理、判斷、控制、驅(qū)動(dòng)、電源輸出等功能模塊。需要說(shuō)明的是，因目前出現(xiàn)的許多電路模塊集成度高，功能強(qiáng)大，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模塊不一定與功能模塊一一對(duì)應(yīng)，有時(shí)一個(gè)電路結(jié)構(gòu)模塊可能同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)功能模塊。

該軸頻電場(chǎng)抑制系統(tǒng)的輸入接口，是艦船軸系結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)軸與艦船殼體之間的波動(dòng)電壓，且電壓信號(hào)微弱，波動(dòng)量更加微小，需要對(duì)微小的電壓波動(dòng)敏感的電壓傳感器才能滿(mǎn)足要求。

對(duì)于軸地有源補(bǔ)償系統(tǒng)的輸出接口，需要設(shè)計(jì)為可控直流電源模塊。

4　基于軸地有源補(bǔ)償系統(tǒng)的軸頻電場(chǎng)抑制技術(shù)

4.1艦船軸地微弱信號(hào)監(jiān)測(cè)與調(diào)理

目前，圖4（a）所示TMxxxxCP系列隔離變送器是性能優(yōu)良的微弱信號(hào)監(jiān)測(cè)器件，其前級(jí)采用毫伏級(jí)正負(fù)雙極性信號(hào)輸入的有源隔離模塊，后級(jí)采用正負(fù)雙極性信號(hào)輸出的有源隔離模塊。

軸頻電場(chǎng)抑制系統(tǒng)的軸地微弱信號(hào)監(jiān)測(cè)與調(diào)理部分的核心部件選用TM1630CP芯片（圖4（b）），配合外圍輔助電路實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的監(jiān)測(cè)與調(diào)理功能。

圖4　軸地微弱信號(hào)監(jiān)測(cè)與調(diào)理模塊Fig.4　Weak signal monitoring and control module

4.2軸頻電場(chǎng)抑制系統(tǒng)判斷與控制

圖5所示為實(shí)現(xiàn)軸頻電場(chǎng)抑制系統(tǒng)的邏輯判斷與信號(hào)控制電路。

圖中，Sout+為測(cè)得的艦船大軸與船體之間的軸地電壓，信號(hào)來(lái)自軸地微弱信號(hào)監(jiān)測(cè)與調(diào)理模塊。如果Sout+電壓升高，電路電流值會(huì)因回路電阻的增大而減小。為保證海水電流恒定，需要經(jīng)過(guò)邏輯判斷，控制Vsc輸出信號(hào)。驅(qū)動(dòng)軸地有源補(bǔ)償系統(tǒng)的值反向增大。一方面，可以拉低軸承兩端的電壓Sout+回到平衡位置，另一方面，可以增大滑環(huán)支路的電流，補(bǔ)償總電路中因回路電阻增大而減小的電流量，從而維持海水中電流的恒定。反之，如果該Sout+電壓降低，電路就會(huì)按照相反的邏輯驅(qū)動(dòng)軸地有源補(bǔ)償系統(tǒng)，控制Vsc輸出信號(hào)，維持海水中電流恒定。

其中，DAC和FB_AD信號(hào)接口與DSP數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)連接，當(dāng)軸承電阻變化對(duì)軸頻電場(chǎng)的影響被消除到極低的程度時(shí)，由DSP系統(tǒng)通過(guò)先進(jìn)的算法，估算出艦船螺旋槳槳葉與電極間海水電阻的變化規(guī)律，由DAC接口與控制電路連接通信。

圖5　系統(tǒng)邏輯判斷與信號(hào)控制模塊Fig.5　System logic judgment and signal control module

4.3軸地有源補(bǔ)償系統(tǒng)模塊的驅(qū)動(dòng)與功率輸出

艦船軸頻電場(chǎng)抑制系統(tǒng)需求作為軸地有源補(bǔ)償系統(tǒng)的可控電源，具有電壓低、電流大、負(fù)載反應(yīng)速度高的特點(diǎn)，Vicor公司提出的分比式功率架構(gòu)（FPA）以及整合功率V·I晶片，可以滿(mǎn)足本系統(tǒng)的要求。如圖6所示，電壓轉(zhuǎn)換模塊（VTM）是分比式功率架構(gòu)的一個(gè)基本元件，而預(yù)穩(wěn)壓模塊（PRM）可將不穩(wěn)定的電壓輸入轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓的輸出，利用降壓—升壓穩(wěn)壓器的控制架構(gòu)，提供精確而穩(wěn)定的升壓、降壓電壓調(diào)節(jié)。

圖6　驅(qū)動(dòng)與功率輸出核心部件Fig.6　Drive core components and power output

PRM和VTM組合使用便可提供可隔離、穩(wěn)壓輸出的DC-DC轉(zhuǎn)換器。PRM只有穩(wěn)壓功能，VTM具有變壓和隔離功能。

本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)和電源模塊選用PRM_P045F048與VTM48EF012T130A00組成的高效率、低電壓、大電流、負(fù)載反應(yīng)速度快的可控電源，產(chǎn)生艦船電場(chǎng)抑制系統(tǒng)中的軸地有源補(bǔ)償系統(tǒng)。

5　軸頻電場(chǎng)抑制模擬測(cè)試試驗(yàn)

5.1試驗(yàn)設(shè)備

采用某型艦船的縮比模擬模型進(jìn)行試驗(yàn)，如圖7所示。該縮比模型模擬了實(shí)船中與軸頻電場(chǎng)關(guān)系最為密切的部件。軸承、電刷、滑環(huán)及軸系均按比例縮小，螺旋槳用銅質(zhì)金屬片代替，在螺旋槳端放置一個(gè)金屬容器，容器中裝有海水，海水與螺旋槳接觸。

圖7　某型艦船的縮比模型Fig.7　Scale model of ship shaft system

電場(chǎng)測(cè)量電極是一對(duì)Ag/AgCl電極，分別固定在2 m長(zhǎng)的木棍兩端，即測(cè)量電極的間距為2 m。在木棍兩端加上重物，使木棍保持水平并沉入水中。使電極距離水面1 m，測(cè)量電極與螺旋槳間隔3 m，參考電極距2個(gè)測(cè)量電極1 m。

電場(chǎng)測(cè)量裝置由信號(hào)調(diào)理電路、功率放大電路和USB-6216采集卡組成。信號(hào)調(diào)理電路包括濾波電路和電壓放大電路2部分，其中，濾波電路為由二階低通濾波器和六階高通濾波器級(jí)聯(lián)組成的帶通濾波器，通頻帶范圍1～7 Hz，放大電路對(duì)該頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)放大約5 000倍。USB-6216采集卡對(duì)信號(hào)調(diào)理電路輸出信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)則通過(guò)軟件控制數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)。

5.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中，利用小型電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳，轉(zhuǎn)速保持在150 r/min。先在未啟動(dòng)軸頻電場(chǎng)軸地有源補(bǔ)償系統(tǒng)的狀態(tài)下，測(cè)量軸頻電場(chǎng)信號(hào)，約10 min后，啟動(dòng)軸地有源補(bǔ)償系統(tǒng)，繼續(xù)對(duì)艦船軸頻電場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。

5.3數(shù)據(jù)分析

對(duì)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析。取啟動(dòng)軸地有源補(bǔ)償系統(tǒng)前后一段時(shí)間內(nèi)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其頻域分布如圖8所示。其中，圖8（a）為未啟動(dòng)軸頻電場(chǎng)抑制電路時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)的頻域分布，圖8（b）為啟動(dòng)軸頻電場(chǎng)抑制電路后測(cè)量數(shù)據(jù)的頻域分布。

圖8　測(cè)量數(shù)據(jù)頻域分布Fig.8　Frequency distribution of measurement data

綜合分析數(shù)據(jù)時(shí)域和頻域特征可知，在啟動(dòng)軸地有源補(bǔ)償系統(tǒng)前，分布在1～7 Hz的艦船交變電場(chǎng)強(qiáng)度平均值約為2.86×10-4V/m，在啟動(dòng)軸地有源補(bǔ)償系統(tǒng)后，該頻域的交變電場(chǎng)強(qiáng)度值明顯降低，平均值約為0.72×10-4V/m。

圖8（a）的頻域分布顯示，未啟動(dòng)軸頻電場(chǎng)抑制電路時(shí)，艦船電場(chǎng)的測(cè)量數(shù)據(jù)中含有顯著頻率2.2 Hz的交流分量，很容易換算出該頻率對(duì)應(yīng)的艦船轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為132 r/min，而電機(jī)啟動(dòng)時(shí)我們期望的轉(zhuǎn)速是150 r/min。由于艦船模型存在的制作誤差、電機(jī)轉(zhuǎn)矩非零、系統(tǒng)摩擦力、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓誤差等影響，可以認(rèn)為電場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的頻率分量值2.2 Hz與實(shí)際電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速一致。此外，艦船電場(chǎng)的測(cè)量數(shù)據(jù)中還含有顯著頻率6.6 Hz的交流分量，該頻率為基頻2.2 Hz的倍頻，同樣有力地證明了艦船輻射電場(chǎng)與軸頻的密切關(guān)系。

圖8（b）的頻域分布顯示，啟動(dòng)軸頻電場(chǎng)抑制電路后，艦船電場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)中原有的顯著頻率2.2 Hz及其倍頻消失了，各頻率的能量相當(dāng)，不含顯著頻率。這表明啟動(dòng)抑制電路后，測(cè)得的艦船輻射電場(chǎng)基本都是頻率雜散的環(huán)境電場(chǎng)，而艦船軸頻電場(chǎng)基本被消除。

6　結(jié)　語(yǔ)

本文在研究艦船軸頻電場(chǎng)機(jī)理及其電學(xué)等效模型的基礎(chǔ)上，提出了一種基于軸地有源補(bǔ)償系統(tǒng)的軸頻電場(chǎng)抑制技術(shù)，分析了軸地有源補(bǔ)償系統(tǒng)的工作原理，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的信號(hào)處理模塊、邏輯控制模塊和功率驅(qū)動(dòng)模塊。并在實(shí)驗(yàn)室采用艦船縮比模型模擬了電場(chǎng)抑制試驗(yàn)。試驗(yàn)表明：本軸地有源補(bǔ)償系統(tǒng)可以抑制75%以上的艦船軸頻電場(chǎng)，是一種有效的艦船軸頻電場(chǎng)抑制技術(shù)。

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Shaft-ground active compensation technology of the ship shaft-rate electric field

ZHANG Anming1，ZHANG Haipeng2，CHENG Zhenghua3
1 Navy military Representative Office in Dalian Shipbuilding Industry Co.Ltd.，Dalian 116005，China
2 Department of Power Control，Navy Submarine Academy，Qingdao 266042，China
3 The 92730thUnit of PLA，Sanya 572016，China

In order to reduce marine shaft-rate electric field influence and the exposure rate of the ship，the mechanism of the electric field is analyzed in this paper，along with the principle of the active compen?sation system.Specifically，the electrical properties are studied based on the analysis of the mechanism of shaft-rate electric field of the ship.The ship shaft-rate electric field suppression is proposed according to the compensated negative potential.The framework and function framework of the system are designed.The weak signal monitoring and processing technology of ship shaft is investigated，and the judgment and con?trol technology of the system is studied.The driving and power output module of the negative potential is de?signed，where the simulation results show that the ship shaft-rate electric field can be suppressed effective?ly with the proposed system，and the stealth property of the ship is simultaneously enhanced.

shaft-rate electric field；potentials compensation；electric field suppression；naval ship

U674.7

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.02.017

2015-07-01網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-3-17 10:56

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51377169）

張安明（通信作者），男，1976年生，碩士，工程師。研究方向：電氣工程。

E-mail：zhanganming@tsinghua.org.cn

張海鵬，男，1977年生，博士，副教授。研究方向：精密儀器及機(jī)械。E-mail：fdrk@163.com