楊立健 劉天華

（1.海軍駐昆明地區(qū)軍事代表室昆明650051）（2.海軍駐宜昌地區(qū)軍事代表室宜昌443003）

基于偶極子方式的艦船磁場仿真技術(shù)研究

楊立健1劉天華2

（1.海軍駐昆明地區(qū)軍事代表室昆明650051）（2.海軍駐宜昌地區(qū)軍事代表室宜昌443003）

艦船的磁場與艦船所用的材料有關(guān)，同時(shí)也與艦船的消磁狀況，所在地域的地磁場強(qiáng)度、艦船的航行方向有關(guān)，為較為真實(shí)地模擬現(xiàn)代艦船的磁場，在不考慮艦船運(yùn)動過程中艦船因海浪的起伏而產(chǎn)生的橫搖、縱搖、垂蕩等運(yùn)動狀態(tài)的情況下，以偶極子方式建立艦船磁場模型，以北東系為參考坐標(biāo)系建立艦船的運(yùn)動模型，以艦船的實(shí)際尺寸作為劃分偶極子數(shù)量的依據(jù)，建立了運(yùn)動艦船的磁場模型。通過設(shè)置與實(shí)際艦船一致的艦船尺寸參數(shù)且選擇合理的磁矩參數(shù)，不考慮地磁場影響，以數(shù)學(xué)仿真方式給出了艦船在在不同的方位、速度工況下，在指定深度位置處的磁場變化情況，并對相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行了分析。最后結(jié)合半實(shí)物仿真試驗(yàn)的結(jié)果，給出了現(xiàn)代水雷磁引信系統(tǒng)對仿真磁場信號的響應(yīng)情況及分析結(jié)果。

偶極子；艦船磁場；實(shí)時(shí)仿真；磁引信

Class NumberTP391.9

1 引言

現(xiàn)代艦船在建造過程中，在地磁場中會被磁化而形成艦船磁場，其總磁性可被分解為固定磁性及感應(yīng)磁性，在一定時(shí)間內(nèi)固定磁性可認(rèn)為固定不變，而感應(yīng)磁性則隨著地磁場的變化而變化。艦船磁場是水雷磁引信的信號源，是電磁掃雷具的模擬對象，也是艦船消磁的目標(biāo)?；谂灤艌龅闹匾裕恢币詠?，其成因及相應(yīng)的應(yīng)用是各方面研究的重點(diǎn)。水雷磁引信是利用艦船磁場參數(shù)來識別艦船并確定最佳攻擊時(shí)間的智能化裝置，是水雷的主要引信之一，它利用艦船磁場不受惡劣海況及涌流的影響，而有規(guī)律地分布在艦船周圍，且區(qū)域性好的特征，實(shí)施對艦船的識別、定位及攻擊。

水雷磁引信在研制過程中，重點(diǎn)關(guān)注如何有效識別艦船的磁引信特征，對其進(jìn)行有效定位并在最佳時(shí)刻發(fā)動攻擊。而艦船磁場在不同的工況，雷目之間不同的速度方位，甚至是形狀不一樣，其磁性特征都是千差萬別的，這對水雷的磁引信算法是一個嚴(yán)峻的考驗(yàn)。為了有效降低研制成本，縮短研制周期，仿真技術(shù)現(xiàn)已融入了水雷研制的各個階段。本文從艦船磁場仿真的角度，給出了基于偶極子方式的艦船磁場公式及艦船在北東系下的運(yùn)動方程，分析了艦船磁場實(shí)時(shí)仿真的實(shí)現(xiàn)方法，給出了數(shù)學(xué)仿真的結(jié)果及有智能水雷磁引信參與的半實(shí)物仿真結(jié)果。

2 艦船磁場建模

從艦船的結(jié)構(gòu)可以看出，艦船是由鋼鐵物質(zhì)建造的，鐵磁材料的內(nèi)部磁躊整體合成了艦船磁場，根據(jù)磁場線性疊加原理，艦船磁場可以等效為若干位于艦船體內(nèi)的磁偶極子磁場的疊加值。如果偶極子的數(shù)量足夠多，布置合理，這種等效可以達(dá)到很高的精度。當(dāng)然在工程應(yīng)用領(lǐng)域，并不是追求無限制的精度，往往是采用一種近似或簡化的方式來進(jìn)行工程計(jì)算，在滿足一定精度的前提下，確保工程實(shí)現(xiàn)的可能性。設(shè)艦船的偶極子排列示意圖如圖1所示。

把艦船看作一個長軸為L，短軸為W的橢球，磁偶級子縱向間距為3m～5m，橫向間距可考慮按3列排列，如圖1所示，從而可以算出每列偶極子的數(shù)量，為更加準(zhǔn)確地仿真，偶極子的排列尾端取平，即尾部去掉中間一排偶極子比上邊一排多的幾個偶極子。

工程上常采用的磁偶極子陣列模型如下：

其中：

上式中Mxi，Myi，Mzi為固定磁矩，分別為第i個磁偶極子的X方向、Y方向和Z方向磁矩，是基本不變的模型參數(shù)。Bx，By，Bz為地磁場的北向、東向和垂直方向磁場強(qiáng)度。Hx，Hy，Hz為在水平坐標(biāo)系下的x，y，z方向的磁場強(qiáng)度。

3 雷目坐標(biāo)系

仿真過程所采用的雷目坐標(biāo)系為北東系，符合右手定則，水雷位于水面下H處，其在海面上的投影為坐標(biāo)系的原點(diǎn)，北向?yàn)閄軸，東向?yàn)閅軸，垂直向下為Z軸，其示意圖如圖2所示。

圖中α為水平面內(nèi)艦船速度與北向順時(shí)針的夾角，α∈[0，360)，θ為方位角，即艦船與O點(diǎn)連線與北向之間的夾角，θ∈[0，360)，?為俯仰角，為艦船與水雷之間的連線與Z軸之間的夾角，?∈[0，90)。

4 艦船運(yùn)動建模

按照建立的雷目坐標(biāo)系建立水面艦船的運(yùn)動模型，因現(xiàn)代艦船一般均進(jìn)行過消磁處理，其在運(yùn)動過程中對地磁場的擾動已大大減少，且磁場是一種近場，其幅值衰減很快，其對水雷作用的有效范圍只有幾百米，因此在對艦船的運(yùn)動進(jìn)行建模時(shí)，其起始的雷目距離不能太大，且一般假設(shè)為艦船朝向水雷方向運(yùn)動。艦船在實(shí)際海域航行時(shí)，受不同海況影響，會存在不同程度的橫搖、縱搖、垂蕩等運(yùn)動及姿態(tài)變化，會對艦船的磁場產(chǎn)生一定的影響，在未消磁及淺海情況下，這種影響較大，必須綜合考慮，但對經(jīng)過良好消磁艦船及較深水域（50m以上），這種影響相對較小，不會對仿真結(jié)果產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響，為降低建模的復(fù)雜性，在考慮艦船運(yùn)動模型時(shí)，不考慮艦船在運(yùn)動過程中的橫搖、縱搖及垂蕩等運(yùn)動過程，艦船運(yùn)動模型如下：

艦船起始位置坐標(biāo)：

其中H表示水雷所處深度，θ及?分別表示艦船相對水雷的方位角及俯仰角。

設(shè)艦船航行速度為V，α為速度方向，t(j)為時(shí)刻值，（x，y）坐標(biāo)對應(yīng)的變化量（Δx，Δy）具體如下：

5 數(shù)學(xué)仿真結(jié)果分析

設(shè)某型艦船長度153 m，艦船寬度16.5 m，艦船速度V=20*0.514m/s，水雷布放深度50m，俯仰角80°，方位角及速度方向按不同的角度設(shè)定，采樣頻率10Hz，固定磁矩Mxi=0.2e5，Myi=0.5e4，Mzi=0.5e3，偶極子縱向間距5 m，磁偶極子橫向數(shù)量3?？傮w來說，地磁場強(qiáng)的地方，艦船磁場也大。以我國海域?yàn)槔?，北海海域的艦船磁性最?qiáng)，南海海域的艦船磁性最弱。現(xiàn)代艦船采用標(biāo)準(zhǔn)的測量方法，在艦船龍骨下方水深等于1倍船寬的地方，磁場量值范圍為1000nT～15000nT。在進(jìn)行艦船磁場的仿真時(shí)，在指定的距離處，艦船磁場的量值隨距離的增加按近似偶極子的規(guī)律衰減（工程上一般可按1 r3近似估計(jì)）。本仿真過程也按這一規(guī)律進(jìn)行處理，即在艦船下方50m～60m水深下，通過調(diào)節(jié)磁矩的值，使艦船磁場的量值控制在20nT～300 nT，與當(dāng)前沉底水雷的磁場探測門限值相一致。采用Matlab軟件仿真艦船三分量磁場曲線圖如圖3所示。

從仿真結(jié)果可以看出，在同等的艦船參數(shù)及水深條件下，從不同的方位及速度方向運(yùn)行的艦船在水雷處產(chǎn)生的三分量磁場是不一樣的，當(dāng)艦船從水雷的正上方通過（正橫距離為0）時(shí)，若僅艦船的運(yùn)動方向相反，則艦船磁場X，Y方向的曲線為一種180°鏡像關(guān)系，如圖3中（a）與（d），（c）與（f），Z方向的磁場曲線基本保持不變。各方向磁場的仿真量值小于40 nT，與處于50 m水深的沉底水雷的磁探測引信的門限值一致，正常情況下應(yīng)能夠觸發(fā)水雷磁引信。

6 對抗驗(yàn)證結(jié)果分析

對抗仿真試驗(yàn)一般是結(jié)合聲磁組合引信水雷進(jìn)行，聲磁兩種信號在仿真信號頻率方面差距較大，現(xiàn)在艦船的聲場信號頻率一般集中在10 Hz～10 kHz，而磁場信號頻率高至1Hz，低至0.0 1Hz，要使兩種信號輸出相匹配，且能同步輸出，必須要對磁場信號采用插值處理。在試驗(yàn)過程中，D/A多通道同步信號輸出采樣率為50kHz，仿真周期40 ms，采用某智能組合引信水雷參與對抗仿真驗(yàn)證。水雷已拆掉磁引信的敏感元件磁探頭，采用電注入方式將實(shí)時(shí)仿真機(jī)生成的磁場信號注入水雷引信磁信號接收端，磁場信號按照磁引信的接收靈敏度進(jìn)行了相應(yīng)的換算，按上述數(shù)學(xué)仿真的相應(yīng)參數(shù)作為仿真初始參數(shù)進(jìn)行仿真模型解算，生成的磁場模擬信號及對抗驗(yàn)證結(jié)果如圖4所示（圖4中最上方的線為磁引信的動作線，三分量磁場信號線為水雷磁引信實(shí)際接收的經(jīng)過信號調(diào)理后的模擬信號）。

從對抗仿真結(jié)果來看，水雷磁引信對各種不同的仿真信號都能很好地識別且能正確地動作，在不同的工況下，磁引信動作的位置并不固定，但總的動作規(guī)律是在艦船通過水雷正橫位置之前或之后的某一時(shí)刻點(diǎn)，這應(yīng)該是與水雷磁引信的攻擊決策相一致的。即水雷對艦船的打擊位置解析得比較準(zhǔn)確，一般不會在艦船前方或艦船后方觸發(fā)。利用磁引信的這一特征，其往往與水雷聲引信組合使用，用于準(zhǔn)確判定聯(lián)合引信的觸發(fā)時(shí)刻，同時(shí)大幅提高組合引信水雷的抗掃性。

7 結(jié)語

在不考慮特定海況下的艦船的橫搖、縱搖及垂蕩等運(yùn)動對艦船磁場影響的情況下，采用磁偶極子方式建立艦船磁場仿真數(shù)學(xué)模型，以北東系建立艦船運(yùn)動模型，兩者結(jié)合可以建立較為精細(xì)的具有實(shí)際對抗價(jià)值的艦船磁場仿真數(shù)學(xué)模型，憑借高性能仿真計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度，完全可以實(shí)際艦船尺寸來劃分偶極子數(shù)量，在設(shè)定的仿真周期完成實(shí)際模擬信號的輸出，參與到對抗半實(shí)物仿真試驗(yàn)中。從實(shí)際對抗仿真試驗(yàn)結(jié)果來看，在水雷的打擊范圍內(nèi)，磁引信都能正常動作，表明以偶極子方式建立的艦船磁場模型實(shí)用性較強(qiáng)，可以作為考核水雷磁引信算法有效性的一種重要手段。

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Warship Magnetic Field Simulation Technology Based on Magnetic Dipoles

YANG LIJian1LIU Tianhua2
（1.Navy Representative Office in Kunming Area，Kunming650051）（2.Navy Representative Office in Yichang Area，Yichang443003）

The magnetic field of ship relates to the material，the degaussing status，the geomagnetic field intensity，and the course.For simulating the magnetic field of modern ship，on the condition that without regards to the rolling，the pitching，and the heaving produced by the ocean wave in the process of ship's motion，this paper establishes the magnetic field model of ship in dipoles mode，the motion model of ship making the northeast coordinate system as reference coordinates，and the magnetic field model of motion ship using the actual size of ship as the basis for dividing dipoles'quantity.Through setting parameters of ship's size in accordance with actual ship and choosing the reasonable magnetic moment parameters，without regards to the influence of the geomagnetic field，this paper presents the change status of the ship's magnetic field in deferent azimuths and velocities using the mathematical simulation，and analyzes correlative data results.Finally，the influence of the magnetic fuze system of modern mine on the simulation of magnetic field signal and its analysis results are given combing with the results of hardware-in-loop simulation test。

dipoles，warship magnetic field，real-time simulation，magnetic fuse

TP391.9

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.06.016

2016年12月5日，

2017年1月23日

楊立健，男，碩士，工程師，研究方向：水中兵器試驗(yàn)，質(zhì)量監(jiān)督。劉天華，男，博士，工程師，研究方向：武器

系統(tǒng)與運(yùn)用。