高俊俠，王君楷，易 忠

（1.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124；2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)對(duì)水下目標(biāo)異常體的探測(cè)越來(lái)越重視，探測(cè)目標(biāo)由導(dǎo)電體逐漸向絕緣體轉(zhuǎn)變。由于水下環(huán)境干擾嚴(yán)重、可視范圍較小，對(duì)于小尺度目標(biāo)的探測(cè)一直是水下檢測(cè)領(lǐng)域的難題之一。例如聲吶法，由于淺海強(qiáng)噪聲、強(qiáng)混響和強(qiáng)雜波背景的影響，其對(duì)于小目標(biāo)檢測(cè)分辨率較低，很難保證正確跟蹤。電磁勘探技術(shù)可有效應(yīng)用于水下目標(biāo)的探測(cè)，從而有助于維護(hù)我國(guó)海洋主權(quán)和權(quán)益；但該技術(shù)之前主要用于對(duì)潛艇等水下大型目標(biāo)或金屬目標(biāo)的探測(cè)，對(duì)如蛙人和玻璃承壓球等水下小型非導(dǎo)電異常體（也稱絕緣體小目標(biāo)）的探測(cè)鮮有涉及。

要實(shí)現(xiàn)對(duì)水下絕緣體小目標(biāo)的探測(cè)，首先要確定電磁探測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分——電磁信號(hào)發(fā)射源的參數(shù)，包括發(fā)射電流、發(fā)射頻率以及排列方式等。因?qū)嶋H探測(cè)條件有限，故考慮先進(jìn)行仿真分析以驗(yàn)證探測(cè)方法的有效性。電磁場(chǎng)數(shù)值仿真軟件有許多種，如美國(guó)Zeland 公司開(kāi)發(fā)的基于矩量法（MoM）的集成全波電磁仿真優(yōu)化包（IE3D），德國(guó)Recom 公司開(kāi)發(fā)的基于時(shí)域有限差分法（FDTD）的三維全波電磁場(chǎng)仿真軟件，丹麥奧胡斯大學(xué)Hydro Geophysics Group 開(kāi)發(fā)的電磁模型分析軟件Electro Magnetic Model Analysis（EMMA），美國(guó)Ansoft 公司基于FEM的電磁場(chǎng)仿真工具（HFFS）等：這些軟件多數(shù)只適用于高頻電磁波及電機(jī)模型，不適用于海洋模型。電磁場(chǎng)仿真軟件ANSYS Maxwell具有靈活的建模能力，采用有限元方法計(jì)算分析，可保證良好的計(jì)算精度，常被用于穩(wěn)態(tài)電磁場(chǎng)的分析求解。

本文嘗試將ANSYS Maxwell 軟件引入水下小目標(biāo)磁場(chǎng)探測(cè)方法的分析，以有限元法為基礎(chǔ)，采用理論分析和仿真計(jì)算，研究通過(guò)布置“激勵(lì)—響應(yīng)”設(shè)施探測(cè)有限海域內(nèi)絕緣體小目標(biāo)的有效方法。首先，采用該軟件分別對(duì)350m×35m 和350m×350m×35m 的海域建立二維和三維仿真模型；然后利用有限元離散形式將模擬的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為矩陣計(jì)算，量化處理水下有無(wú)絕緣體小目標(biāo)時(shí)的磁場(chǎng)數(shù)值；通過(guò)比較不同電流及不同水面高度/水下深度有無(wú)絕緣體小目標(biāo)的磁感應(yīng)強(qiáng)度差值來(lái)判斷有無(wú)絕緣體小目標(biāo)通過(guò)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

首先，本文利用等效原理，引入基于有限元分析方法的Maxwell3D 軟件電磁模擬方法對(duì)待分析水域進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，建立水下絕緣體小目標(biāo)電磁探測(cè)裝置3D 模型，模型中以導(dǎo)線中的電流作為激勵(lì)，以不同水深處電磁信號(hào)接收點(diǎn)測(cè)量的磁感應(yīng)強(qiáng)度作為響應(yīng)。將3D 建模結(jié)果導(dǎo)入電磁仿真軟件ANSYS Maxwell，進(jìn)行前處理；并使用ANSYS Maxwell 進(jìn)行仿真域內(nèi)模型的網(wǎng)格剖分，進(jìn)行電磁仿真后處理。繼而逐一改變激勵(lì)與電磁信號(hào)接收點(diǎn)的參數(shù)，分別對(duì)仿真模型進(jìn)行多次電磁數(shù)值模擬，以確定合適的電磁信號(hào)發(fā)射源參數(shù)和接收參數(shù)。根據(jù)多次磁場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果，研究有、無(wú)絕緣體小目標(biāo)時(shí)發(fā)射/接收信號(hào)的差異性，并對(duì)其進(jìn)行初步量化處理，判斷是否能夠?qū)λ陆^緣體小目標(biāo)進(jìn)行有效檢測(cè)。

應(yīng)用ANSYS Maxwell3D 軟件進(jìn)行建模仿真流程如圖1 所示，主要有以下幾個(gè)步驟：

圖1 ANSYS Maxwell 建模仿真流程Fig.1Flow chart of modeling simulation by using the ANSYS Maxwell software

1）模型分析。建模前需確定模型中如模型尺寸、材料屬性、建模維度、激勵(lì)源、邊界條件、求解區(qū)域和求解器類(lèi)型等參數(shù)。

2）建立模型。利用Maxwell3D 的Modeler 編輯器建立模型，按照模型分析時(shí)確定的參數(shù)進(jìn)行模型參數(shù)設(shè)定。

3）模型計(jì)算。對(duì)建立的模型和求解區(qū)域進(jìn)行初始網(wǎng)格剖分。ANSYS Maxwell 可根據(jù)提前設(shè)定好的誤差精度自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分，以便達(dá)到精度要求。

4）分析數(shù)據(jù)。計(jì)算完成后，可以得到磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的云圖、曲線圖及數(shù)值表等多種結(jié)果形式；還可以根據(jù)需求進(jìn)行數(shù)據(jù)再處理，求解出最終物理量。

2 海域模型的建立

2.1 二維模型

首先應(yīng)用ANSYS Maxwell 軟件建立海域二維模型，分析二維情況下海域中有無(wú)絕緣體小目標(biāo)時(shí)磁場(chǎng)的變化。以350m×35m 的海域建立二維模型，如圖2 所示，模型頂線代表水面；如果在水下導(dǎo)線中通交流電，則在海水中存在渦流損耗，因此選擇通直流電，即激勵(lì)源設(shè)定為直流源；邊界條件為零磁邊界；有限元計(jì)算場(chǎng)量為磁感應(yīng)強(qiáng)度；材料屬性為一根半徑10mm、縱深350m 的銅導(dǎo)線，經(jīng)研究分析，放置在水下35m 處中間位置；絕緣體小目標(biāo)設(shè)在水下17m 處，取普通人的身形尺寸，設(shè)其長(zhǎng)1.7m、寬0.4m、高0.15m，如圖2 所示。

圖2 海域二維模型描述Fig.2 Two-dimensional model of a rectangular sea area

2.2 三維模型

在二維模型的基礎(chǔ)上建立三維模型，分析三維情況下海域中有無(wú)絕緣體小目標(biāo)時(shí)磁場(chǎng)的變化。以350m×350m×35m 的海域建立三維模型，如圖3 所示，其中：仿真域高度70m；觀測(cè)面距離水面上方15m，橫向以10m 為間隔共設(shè)置36 條觀測(cè)線；激勵(lì)源距仿真邊界175m；參數(shù)設(shè)定同二維模型；絕緣體小目標(biāo)尺寸及設(shè)置不變。

圖3 海域三維模型Fig.3 Three-dimensional model of a cubed sea area

3 磁場(chǎng)數(shù)值模擬

在二維模型中，為了確定能夠探測(cè)出有無(wú)絕緣體小目標(biāo)的導(dǎo)線通電電流，首先逐一改變磁場(chǎng)信號(hào)發(fā)射源與磁場(chǎng)信號(hào)接收點(diǎn)的參數(shù)，電流分別取直流20A、40A、60A、100A 和200A，分別模擬水面、水下15m 和水下35m 處有無(wú)絕緣體小目標(biāo)時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)值；然后將模擬出的有無(wú)絕緣體小目標(biāo)時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)做差值（由于篇幅原因，二維模型的仿真結(jié)果在此不列舉）。結(jié)果表明，當(dāng)水下導(dǎo)線電流為200A 時(shí)，差值大于0.3nT（磁場(chǎng)接收器能夠測(cè)量的數(shù)值），即可探測(cè)到有無(wú)絕緣體小目標(biāo)通過(guò)。

根據(jù)二維模型的磁場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果，在三維模型中只需模擬水下導(dǎo)線電流為200A 的情況即可。分別對(duì)水上10m、水面，以及水下10m、20m 和35m 處有無(wú)絕緣體小目標(biāo)的的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)值進(jìn)行模擬，生成了磁感應(yīng)強(qiáng)度標(biāo)量圖、矢量圖和分布圖。由于篇幅原因在此只列舉有絕緣體小目標(biāo)時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖（如圖4 所示）。

圖4 不同水面高度/水下深度有絕緣體小目標(biāo)時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布Fig.4 Magnetic induction intensity distribution at different water heights and depths of the insulator small target

將模擬出的不同高度/深度下有無(wú)絕緣體小目標(biāo)時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分別做差值，結(jié)果分別如圖5(a)～(e)所示。

圖5 不同水上高度和水下深度有無(wú)絕緣體小目標(biāo)時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化差值Fig.5 Difference values of magnetic induction intensity at different water height and depth with/without target

從上面的仿真結(jié)果可以看出：當(dāng)水下導(dǎo)線中通200A 電流時(shí)，從水下35m 處至水面上10m 處均可測(cè)出有無(wú)絕緣體小目標(biāo)時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度的差值，且差值大于0.3nT；絕緣體小目標(biāo)越接近導(dǎo)線，磁感應(yīng)強(qiáng)度差值越大，測(cè)量效果越好。

4 結(jié)束語(yǔ)

水下絕緣體小目標(biāo)探測(cè)是目前的研究熱點(diǎn)，為此本文提出一種電磁場(chǎng)探測(cè)方法，即布置“激勵(lì)—響應(yīng)”設(shè)施，用大功率發(fā)電機(jī)為導(dǎo)線提供直流電作為激勵(lì)，采用磁力儀作為探測(cè)器，通過(guò)多點(diǎn)布局探測(cè)器來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)變化，以探測(cè)是否有目標(biāo)通過(guò)。為驗(yàn)證該方法的可行性和有效性，本文對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證。首先利用ANSYS Maxwell 軟件進(jìn)行了模擬仿真，并利用有限元法將計(jì)算區(qū)域剖分，將模擬的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為矩陣計(jì)算，量化處理水下有無(wú)絕緣體小目標(biāo)時(shí)的磁場(chǎng)數(shù)值。仿真結(jié)果表明：本文所提出的電磁場(chǎng)探測(cè)方法不受海洋背景噪聲的影響，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水下絕緣體小目標(biāo)的有效檢測(cè)；根據(jù)仿真結(jié)果可以得出實(shí)際測(cè)量時(shí)的所需的激勵(lì)電流值、導(dǎo)線布置位置和探測(cè)器布置位置等，為實(shí)際條件下的探測(cè)打下了基礎(chǔ)。

對(duì)于本文提出的水下絕緣體小目標(biāo)的電磁場(chǎng)探測(cè)方法，后續(xù)還有許多問(wèn)題待深入研究，其中主要涉及各種因素對(duì)磁場(chǎng)的影響以及對(duì)多目標(biāo)情況的判斷處理等。本文研究成果可為后續(xù)水下小型非導(dǎo)電異常體的探測(cè)以及我國(guó)海域勘探開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐。