田 東，劉勝道，高俊吉

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消磁技術(shù)對(duì)艦船磁場(chǎng)特征的影響

田 東，劉勝道，高俊吉

(海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢430033)

介紹了艦船消磁技術(shù)的典型作用，分析了水雷磁引信技術(shù)的發(fā)展概況，針對(duì)水雷磁引信的工作原理探討了消磁技術(shù)對(duì)艦船磁場(chǎng)特征的影響效果和途徑。

消磁技術(shù) 磁引信 磁場(chǎng)特征 磁性對(duì)抗

0 引言

鋼鐵材質(zhì)的艦船在地磁場(chǎng)作用下被磁化產(chǎn)生固定磁場(chǎng)和感應(yīng)磁場(chǎng)等艦船磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)量級(jí)可觀且難以消除，是磁性水雷識(shí)別、定位和攻擊艦船的穩(wěn)定信號(hào)源[1]。為了與磁性水雷對(duì)抗，艦船消磁技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其采用現(xiàn)代電磁方法和控制技術(shù)將艦船磁場(chǎng)消除或補(bǔ)償?shù)揭欢ǚ秶鷥?nèi)[2]，保護(hù)艦船海上通行安全。隨著現(xiàn)代磁引信的發(fā)展，磁性水雷威脅逐步增大，消磁技術(shù)面臨更大的挑戰(zhàn)。本文結(jié)合艦船消磁技術(shù)作用效果和現(xiàn)代磁引信工作原理分析了消磁技術(shù)與磁性水雷的對(duì)抗能力，探討了消磁技術(shù)對(duì)艦船磁場(chǎng)特征的影響效果和途徑。

1 消磁技術(shù)的典型作用

艦船消磁技術(shù)主要包括固定磁性處理技術(shù)和感應(yīng)磁性補(bǔ)償技術(shù)，其中固定磁性處理主要是利用大功率脈沖電流使艦船呈現(xiàn)出磁中性狀態(tài)，而感應(yīng)磁場(chǎng)補(bǔ)償技術(shù)則是通過艦載消磁繞組產(chǎn)生與艦船磁場(chǎng)大小相等且方向相反的磁場(chǎng)來抵消艦船磁場(chǎng)。但是，由于艦船磁場(chǎng)成因復(fù)雜，航行中測(cè)量比較困難，且消磁系統(tǒng)性能受多種因素制約，目前消磁技術(shù)還很難將艦船磁場(chǎng)完全消除，只能將其消減到一定的范圍內(nèi)。消磁后艦船磁場(chǎng)量級(jí)顯著降低，艦船目標(biāo)被磁引信探測(cè)和發(fā)現(xiàn)的距離大幅減小，有效降低了艦船航行中的觸雷風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，為了探測(cè)消磁后較小的艦船磁信號(hào)，磁引信需要設(shè)置更高的靈敏度，在海洋背景噪聲和人為干擾磁場(chǎng)存在的情況下，艦船磁信號(hào)信噪比減小，甚至淹沒在噪聲中，磁引信進(jìn)行信號(hào)處理、識(shí)別和定位的難度增大，水雷打擊的準(zhǔn)確性和有效性也隨之降低。

2 消磁技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，水雷磁引信的能力不斷增強(qiáng)，艦船受到的威脅也越來越大。從現(xiàn)代磁性水雷的工作原理來看，磁引信能力增強(qiáng)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是水雷磁傳感器分辨率大幅提高，可檢測(cè)更低量級(jí)的磁信號(hào)。目前水雷磁引信適用的磁傳感器最高分辨率已達(dá)nT級(jí)，而結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、體積較大的光泵磁強(qiáng)計(jì)、質(zhì)子旋進(jìn)式磁強(qiáng)計(jì)和超導(dǎo)磁強(qiáng)計(jì)分辨率更是高達(dá)pT級(jí)[1,3]。由于航行中艦船磁場(chǎng)變化復(fù)雜，消磁系統(tǒng)受繞組數(shù)量、布設(shè)位置和電流等因素影響，要保證艦船在整個(gè)適合水雷布設(shè)的深度內(nèi)不被高靈敏度磁引信探測(cè)變得更加困難；二是水雷磁引信的信號(hào)處理和目標(biāo)識(shí)別定位技術(shù)取得了一定的進(jìn)步。由于自然干擾，人為干擾的存在，且磁場(chǎng)幅值、變化率受目標(biāo)大小、距離和速度等因素影響，探測(cè)到磁信號(hào)即爆炸的傻瓜模式水雷逐漸被淘汰，水雷磁引信朝著能夠識(shí)別目標(biāo)性質(zhì)和位置信息的智能化方向發(fā)展，其采用各種抗干擾、抗掃、目標(biāo)識(shí)別和定位技術(shù)來確保爆炸的有效性，其中包括艦船磁場(chǎng)直觀波形特征[1]（如變化率和脈沖特性）、三分量特性（如夾角余弦定位[1]，矢量橫向動(dòng)作區(qū)域控制[5]，矩特征估算速度[1]等）以及基于艦船磁場(chǎng)與橢球體磁場(chǎng)相似的模型化檢測(cè)方法[1,6]等，這些技術(shù)給艦船消磁技術(shù)提出了磁場(chǎng)特征控制的新要求。

圖1 現(xiàn)代水雷磁引信工作原理[1,4]

3 消磁技術(shù)對(duì)艦船磁場(chǎng)特征的影響

水雷打擊艦船的效果主要取決于識(shí)別和定位艦船目標(biāo)的準(zhǔn)確性，其與艦船磁場(chǎng)的特點(diǎn)和磁引信選取利用磁場(chǎng)特征的方法有關(guān)。因此，消磁技術(shù)與磁性水雷的對(duì)抗能力可以用消磁技術(shù)對(duì)艦船磁場(chǎng)特征的影響效果和途徑來衡量。

1）消磁技術(shù)對(duì)艦船磁場(chǎng)特征的消減?，F(xiàn)代磁性水雷的工作方式多樣，消磁后艦船磁場(chǎng)也比較復(fù)雜，消磁工程師開展了大量卓有成效的研究工作，最直接的辦法就是消除水雷磁引信工作的信號(hào)源，磁場(chǎng)幅值消減就是最常見的做法[7]，但磁引信還可以利用磁場(chǎng)變化率和梯度進(jìn)行工作，為此，文獻(xiàn)[8]和[9]利用進(jìn)化算法分別提出了同時(shí)減小幅值和梯度的消磁系統(tǒng)控制方法以應(yīng)對(duì)可能的多種磁引信水雷的威脅。又由于艦船磁性對(duì)抗能力不僅與艦船磁信號(hào)量級(jí)有關(guān)還受水雷工作機(jī)制影響，達(dá)到消磁標(biāo)準(zhǔn)時(shí)艦船磁場(chǎng)分布可能不同，其與水雷對(duì)抗的能力也可能不同，故文獻(xiàn)[10]提出了一種利用消磁后艦船磁場(chǎng)少數(shù)統(tǒng)計(jì)特征量預(yù)測(cè)艦船磁性對(duì)抗能力的方法，也由此可控制消磁系統(tǒng)使艦船磁場(chǎng)特征最大限度地接近最優(yōu)的標(biāo)準(zhǔn)。此外，考慮到各類艦船有著自身獨(dú)特的物理結(jié)構(gòu)和磁特性，文獻(xiàn)[11]提出了以水雷檢測(cè)概率為目標(biāo)提取艦船磁場(chǎng)特征來識(shí)別艦船的方法，這些特征既可能用于磁性水雷，也可指導(dǎo)消磁作業(yè)進(jìn)行有針對(duì)性地消減。

2）消磁技術(shù)對(duì)艦船磁場(chǎng)特征的破壞。消磁后艦船磁場(chǎng)在消磁標(biāo)準(zhǔn)深度上分布極不均勻，出現(xiàn)多個(gè)極值，而水雷關(guān)注的磁場(chǎng)特征則更多地集中在艦船消磁標(biāo)準(zhǔn)深度以外的區(qū)域。從物理上看，在自然磁化狀態(tài)下，雖然艦船鐵磁設(shè)備眾多，但整體上艦船與橢球體具有相似性，尤其是離開船體較遠(yuǎn)時(shí)，磁場(chǎng)局部的不均勻性退化，使得艦船磁場(chǎng)與橢球體磁場(chǎng)非常相似，在距離1.5倍船寬距離以上橢球體擬合精度達(dá)到85%以上[1]，也因此呈現(xiàn)出諸多與橢球體磁場(chǎng)相關(guān)的特性。但是艦船磁場(chǎng)模型的適用性不僅僅受距離影響，還與艦船的磁性狀態(tài)有關(guān)[12]。經(jīng)過固定磁性處理和內(nèi)消磁系統(tǒng)補(bǔ)償后，艦船磁疇的變化和線圈電流磁場(chǎng)的存在使得艦船磁場(chǎng)在消磁標(biāo)準(zhǔn)深度上類似于多個(gè)小橢球體或磁偶極子磁場(chǎng)的不規(guī)則組合，與單個(gè)橢球體或磁偶極子磁場(chǎng)的差別變大，艦船磁場(chǎng)單個(gè)橢球體和磁偶極子模型的精度和適用距離受到影響，在一定深度上影響基于此類模型識(shí)別和定位目標(biāo)的準(zhǔn)確性，而且某些磁場(chǎng)特征在更遠(yuǎn)的距離上才可能會(huì)顯現(xiàn)。

3）消磁技術(shù)對(duì)艦船磁場(chǎng)特征的干擾。掃雷具的存在迫使水雷增加了一定的抗掃技術(shù)，消磁技術(shù)與磁性水雷的對(duì)抗還應(yīng)該考慮和借鑒掃雷具的作用。其中，普通電極式掃雷具磁場(chǎng)與艦船磁場(chǎng)差別較大易被磁引信以特定的物理量鑒別[1]，因此各國海軍相繼研發(fā)了目標(biāo)設(shè)定式掃雷具，通過專門設(shè)計(jì)的可控磁體模擬目標(biāo)艦船的磁場(chǎng)特征，要求模擬出的磁場(chǎng)具有三分量結(jié)構(gòu)且比例恰當(dāng)，也不能是脈沖磁場(chǎng)[13-15]，否則可能會(huì)被水雷抗掃機(jī)制識(shí)別而進(jìn)入保護(hù)模式，譬如單軸磁體磁場(chǎng)易與三軸磁體磁場(chǎng)區(qū)別而被磁性水雷識(shí)破[16-18]。這可看作一種啟示，除去艦船自身磁場(chǎng)，消磁系統(tǒng)本身就可視作一套可控的三軸磁體組合，在減小磁場(chǎng)量級(jí)的同時(shí)可嘗試控制消磁系統(tǒng)使艦船最終顯現(xiàn)出不符合三分量結(jié)構(gòu)和比例的磁場(chǎng)，這可能迎合水雷磁引信的抗掃機(jī)制，也可能改變由于艦船長寬比造成的艦船縱向磁化大于橫向和垂向[4]而呈現(xiàn)出來的某些磁場(chǎng)特性。此外，文獻(xiàn)[19]提出了一種利用線電極式掃雷具伴隨被保護(hù)艦船的智能水雷的主動(dòng)干擾方法，隨著分布式消磁系統(tǒng)和超導(dǎo)消磁技術(shù)的發(fā)展[20]，消磁系統(tǒng)繞組電流磁場(chǎng)的控制將更加靈活，借鑒該主動(dòng)干擾方法并利用消磁系統(tǒng)產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)理論上也具有可行性。當(dāng)然，由于艦船本身磁場(chǎng)復(fù)雜且量級(jí)較大，消磁系統(tǒng)畢竟不是為模擬目標(biāo)而專門設(shè)計(jì)的可控磁體，且這類做法通常會(huì)犧牲信號(hào)量級(jí)的消減能力，能否實(shí)現(xiàn)并達(dá)到效果需要研究和論證。

4 結(jié)束語

從國內(nèi)外公開的研究情況來看，磁引信技術(shù)的發(fā)展給消磁技術(shù)帶來了更大的挑戰(zhàn)，但是消磁技術(shù)在現(xiàn)代磁性對(duì)抗中的價(jià)值不僅僅在于艦船磁信號(hào)強(qiáng)度的消減，還在于其改變艦船磁特性進(jìn)而影響磁引信識(shí)別、定位目標(biāo)準(zhǔn)確性的能力上。為了進(jìn)一步提高艦船磁性對(duì)抗能力，有必要將消磁技術(shù)與磁引信技術(shù)在整個(gè)布雷深度內(nèi)聯(lián)系起來，深入研究艦船磁場(chǎng)特征在消磁前后的變化，探索控制艦船磁場(chǎng)特征的新途徑。

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Influence of Degaussing Technology on Ship’s Magnetic Features

Tian Dong, Liu Shengdao, Gao Junji

（College of Electrical Engineering, Naval Univ.of Engineering, Wuhan 430033, China）

TM26

A

1003-4862（2017）03-0048-03

2016-11-15

田東（1984-），男，博士研究生。研究方向：電磁環(huán)境與防護(hù)技術(shù)。