舰艇闭环消磁技术国内外研究现状

刘大明 刘胜道 肖昌汉 周国华 王昭

（海军工程大学电气与信息工程学院， 武汉 430033）

钢铁制成的舰艇在其周围会产生磁场，这些磁场成为了水中磁性武器攻击的信号源及反潜飞机进行空中磁探的探测源。舰艇磁场包括固定磁场和感应磁场，舰艇必须定期到消磁站进行退磁处理以消除其大部分固定磁场，由于感应磁场随舰艇的航向、纬度和姿态的改变而改变，因此，必须在舰艇上加装消磁系统进行实时补偿控制。

传统的“开环”消磁（open-loop degaussing，简称OLDG）系统通过直接测量或数学模型的计算得到作用在舰艇上的地球磁场，然后根据舰艇感应磁场与地球磁场的关系进行消磁系统电流的控制，因此它仅能实时补偿舰艇的感应磁场。对退磁处理后的剩余固定磁场，通过在固定补偿绕组中通一恒定的电流来补偿，因此不能补偿因舰艇“固定磁性”的改变而产生的异常磁场，而由于海浪的冲击、武器发射及地球磁场的缓慢作用等，舰艇的固定磁场必然要发生变化，这就导致了舰艇的磁暴露危险。

为了弥补这一缺陷，世界各主要海军国家纷纷研制或装备闭环消磁（closed-loop degaussing，简称CLDG）系统。所谓闭环消磁，就是在舰艇内部特征部位布置一定数量的传感器，利用磁场测量数据，建立舰艇外部空间磁场的数学模型并计算目标深度或高度上的磁场值，然后根据预先保存在计算机存储器中的消磁绕组效率，优化计算出在目标深度或高度上的磁性达到最小的消磁绕组中的电流值，并进行实时调整，使得舰艇外部目标深度或高度上的总磁场达到最小。其中如何从船上测得磁场数据并准确推算船外磁场是构建闭环消磁系统的核心技术。

1 闭环消磁国外研究现状

CLDG的研究始于二十世纪九十年代初，当时美国马里兰州的海军水面作战中心与法国GESMA合作研制反水雷舰艇闭环消磁系统[1]。法国采用其“Cybele”级扫雷舰作为闭环消磁系统的测试平台，美国则采用其“Avenger”级扫雷舰作为测试平台。对于法国海军来说，由于缺乏可用的磁场测量设施，他们选择使用有限元这种数字建模技术作为研究方法；美国海军则选择使用经验方法，即采用物理模型和传感器测量来建立闭环消磁算法[2]。1994年，美国查尔斯顿海军船厂在“Avenger”级十号舰，即“勇士”号(MCM-10)上安装了第一套闭环消磁系统样机，通过海上试验对该系统进行进一步的研究和开发[3]。后来，美国又将目光转向了钢壳舰艇闭环消磁系统的研制。1999年计划初步研制适用于钢壳战斗舰的CLDG系统，包括船上传感器套件和控制算法；详细说明并初步采购CLDG组件。2000年计划完成CLDG传感器研制和采购；实施全尺度CLDG站试验[4]。2001年5月美国将一份价值6,848,350美元的合同给了BAE系统公司，要求其为MDG1701系统加装闭环消磁部分[5]。钢壳舰艇闭环消磁系统的初始测试是在美国海军的一艘研究船上进行的，该研究船的前身是前东德的轻型导弹巡洋舰“Hiddensee”[2]。专利文献[6]中指出2艘美国海军舰艇上安装的闭环消磁系统在理论上的误差可达到10%，利用该专利中的改进算法，理论上的误差可减小到最大5%。最近在DDG 1000计划的先进技术演示中，安装在“Arleigh Burke(DDG 51)”级驱逐舰上的闭环消磁系统原型展示了如何在前线战区检测和补偿舰艇大的固定磁场变化[2]。美国最新的“VIRGINIA”级核潜艇安装了闭环消磁系统，从而使得其磁隐身性能优于“SEAWOLF”级等其它核潜艇[7]。

法国在“Circe”级反水雷舰（船壳为无磁材料）上安装了闭环消磁系统[8]，但在钢壳舰上的应用尚未见报道。然而，法国一直坚持采用数字建模技术进行闭环消磁系统研究，早在1991年X.Brunotte就在其博士论文中用有限元方法为舰艇磁场建模并计算舰艇的感应磁场[9]。1997年L.Ledorze的博士论文提出了一种跳跃势的方法来给舰艇消磁绕组建模，解决了消磁电缆离铁磁物质太近而导致的计算精度低的问题 。2001年，O.Chadebec的博士论文使得法国在闭环消磁系统数字建模技术上取得了重大突破，在论文中他提出将舰艇的薄壳体进行简化，并将感应磁场的计算矩阵和船内测量值矩阵合并在一起，然后采用积分方程法求解，从而使得船外磁场的测量值与预测值吻合得很好[11]。2005年，S.Guérin在其博士论文中研究了船内传感器位置优化方法及舰艇磁场反演算法的鲁棒性[12]，使闭环消磁技术向实用又迈进了一步。文献[13]研究了双层壳体潜艇上闭环消磁系统的应用问题。将磁场传感器敷设在两壳体之间，求解了从测量值得到壳体磁化状态的逆问题，并计算了潜艇的磁信号。文中还开发了一种特别的算法并通过测量进行了验证，验证实验采用了一个约3.5 m长的潜艇模型，模型内敷设了80个磁通门传感器。对给定的磁状态，通过逆问题求解得到了两层壳的磁化。预测的信号与测量的信号作了比较，两者吻合得非常好。从这些文献和报道可以看出，法国利用数字建模技术开展闭环消磁系统的研究已取得了突破性的进展，相信不久就会进入实用阶段。

意大利IFEN公司在其网站上宣布已研制成功闭环消磁系统，并在DGM-4型舰艇消磁系统的基础上进行改进，使该型仪器具备了闭环消磁功能[14]，该型仪器安装在了“Gaeta”级反水雷舰（船壳为无磁材料）上[8]。2010年美国对台军售武器清单中包括“Osprey”级扫雷舰，该舰上就安装有一套意大利生产的DGM-4型闭环消磁系统[15]。

英国Bartington仪表有限公司提供磁场测量仪器，其中Grad-03-12型号的梯度计专门设计用于闭环消磁系统[16]。英国Ultra Electronics公司在其网站上声称能制造海军舰艇上用于闭环消磁系统的磁场梯度计[17]。英国专利文献[18]中给出了一种用于闭环消磁系统的磁场计算技术，并以潜艇为例进行了详细的公式推导。英国国防部的国防标准“Guide to the Design of Ferro-magnetic Signature Control Systems and Degaussing”中9.6.3节专门谈到了闭环消磁控制系统[19]。该标准提到英国的“Vanguard”级弹道导弹核潜艇上已安装了闭环消磁系统。标准中指出，闭环消磁控制系统适合于补偿在永久磁性方面的持续和大的改变，例如潜艇下潜，也可应用于MCMV和钢壳水面舰艇。完整的闭环控制系统控制永久和感应消磁电流，裁减版的则只控制永久消磁电流的变化。后者中，感应消磁电流仍旧由开环消磁系统控制。裁减版的控制任务较为简单，因为永久磁场的变化相当缓慢。闭环控制系统的计算量非常大，一个周期的计算时间为几分钟，这远远慢于潜艇的运动速率。因此，潜艇的运动速率要求感应消磁电流由开环（如罗经消磁）控制系统控制，闭环系统只考虑固定磁场的变化，也就是说使用裁减版的闭环消磁控制系统。随着计算能力的提升，完整的闭环控制系统将成为可能。

2005年澳大利亚开展了一次有关闭环消磁的潜艇试验[20]。磁传感器安装在外壳和耐压壳体之间，试验的目的是为了找到合适的离消磁电缆足够远的位置安装磁传感器以避免其工作期间饱和，试验用2天完成。2010年3月，澳大利亚DSTO在其发布的规划中提出要消除将闭环消磁系统应用到后续潜艇SEA 1000上的风险[21]。

瑞典Polyamp公司、俄罗斯Krylov Shipbuilding研究院等均在其网站上提及闭环消磁，但具体进展情况不详。

综上所述，得到如下结论：美国已在低磁钢舰艇、钢壳水面舰和核潜艇上都成功应用了闭环消磁系统；英国则在核潜艇上进行了应用，其它舰艇是否应用不详；澳大利亚即将在潜艇上安装；法国和意大利在低磁钢舰艇上进行了成功应用。

2 闭环消磁关键技术

如前所述，构建闭环消磁系统的核心技术是如何从船上测得磁场数据并准确推算船外磁场。因此，闭环消磁的关键技术包含2个方面：推算船外磁场和船上磁场测量。

目前，在推算船外磁场方面，法国将舰艇壳体进行单元剖分，考虑铁磁材料的物理属性并将舰艇感应磁场和固定磁场联合建立求解方程，通过船上的部分磁场测量值就可预测船外磁场[22]。在船体结构发生变化或增减、移动磁性设备后，这种方法只需再次剖分并重新计算，因此可节约成本和时间。但由于实际舰艇形状非常复杂，且舰艇内部有大量设备，给剖分增加了很大难度，导致计算时间长，计算误差比较大。美国则将船上铁磁物质产生的磁性用虚拟磁源M来等效，通过一系列的推导得到使船外龙骨下某深度磁场为零的消磁电流表达式 I=-(ATkAk)-1ATkBk(BTHBH)-1BTH(H-AHI0)=G·Hoff，该表达式中已经不含虚拟磁源M，但需测量绕组信号矩阵A、磁性状态矩阵 B以及船上磁场值 H 。该方法属于经验法，须进行多次的船内、船外磁场测量，建立两者之间的关系矩阵。在人为产生舰艇磁性变化后，同步测量船内、船外磁场分布的变化，并将该组内外对应的磁场变化作为一组向量添加到矩阵，该矩阵作为基函数再现舰艇航行时磁性的任何改变[24]。要再现舰艇磁性的任何改变，必须使得基函数完备，因此如何人为控制舰艇磁性变化并筛选基函数以使得其完备，尚未见有文献报道。

在船上磁场测量方面，现有研究主要集中在优化传感器位置并减少传感器数量方面。文献[6]中将磁传感器围绕低磁钢舰艇内部设备敷设，文献[25]以薄钢板为研究对象，提出了三种位置优化方法，即信号优化法、条件数优化法与固体角优化法。该文献通过比较后，指出信号优化算法在推算精度上要明显优于另两种优化算法，但该算法存在计算时间长且位置随磁化状态改变而不固定的问题。

3 闭环消磁国内研究基础

在文献[25]的研究基础上提出一种依据磁场计算和剖分单元数进行测量点数优化的方法，并利用随机类微粒群优化算法确定相应的测量位置分布，有望解决测量位置优化问题，且该方法需要的测量点数较少、推算精度可望大为提高。

文献[26]提出一种基于磁场变化量的船外磁场推算方法，在实验室对船模内外固定磁场的变化量进行了测量，计算出的船外磁场12组数据与测量值比较，其相对均方根误差在10%以内。磁传感器的数量和位置优化问题中涉及磁场反演模型和逆问题的求解。近年来，随着电磁场应用领域的不断扩大，电磁场逆问题的研究也越来越受到关注。国内许多学者都针对各自应用背景对电磁场逆问题开展了深入研究，如谢德馨、倪光正、杨仕友等研究了用于电磁装置综合设计中的电磁场逆问题数值分析方法[27-28]，姚姚、王彦飞、徐果明等研究了地球物理反演理论[29-30]，Hansen、黄卡玛、赵翔等较系统研究了电磁场逆问题理论[31]，颜威利、徐桂芝等研究了脑电信号源、电阻抗成像等生物医学电磁场逆问题。上述应用领域中所取得的研究成果都为闭环消磁的研究提供了一定的技术基础。

4 结束语

由于闭环消磁系统能实时监测舰艇磁性变化，控制方式最为先进，可以达到最好的消磁效果，因此成为了国际上的研究热点，目前只有少数发达国家掌握并应用了该技术。在我国，闭环消磁的研究才刚刚起步，理论上的探索还处于初级阶段，与发达国家还存在不小的差距。因此，我国应加大资金投入和研发力度，攻克闭环消磁关键技术，从而全面提高我国舰艇的磁隐身性能。

[1]Wingo R A, Holmes J J, Lachey M H. Test of closed-loop degaussing algorithm on a minesweeper engine. Naval Engineer Journal, 1992, (5)：9-18.

[2]William Palmer. Closed-Loop Degaussing. Seaframe,2008, 4(2):16.

[3]http://www.defence.org.cn/article-1-62434.html.

[4]http://www.dtic.mil/descriptivesum/Y2005/Navy/0603 513N.pdf, 2010.7.30.

[5]http://www.fbodaily.com/cbd/archive/2001/05(May)/0 4-May-2001/20awd001.htm, 2010.7.30.

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[7]http://www.ussvirginiabase.org/VirginiaClass.htm.

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[13]Y. Vuillermet, Closed loop degaussing system applied to a double hull submarine mock-up, Marelec 2009.

[14]http://www.naval-technology.com/contractors/decoy_def ensive/IFEN Ing Amedeo Lia SpA-Degaussing Systems and Electrical Equipment.htm，2005.10.11.

[15]http://heathertan.0fees.net/archives/269, 2010.7.30.

[16]http://www.scintrexltd.com/downloads/Applications%20of%20three%20axis%20magnetic%20sensors.pdf.

[17]http://www.ultra-electronics.com/power_systems/sign ature_management.php, 2010.7.30.

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[19]http://www.dstan.mod.uk/standards/defstans/02/612/0 0000200.pdf.

[20]Magnetic mapping trial of a Collins Class submarine.Australian DEFENCE SCIENCE. 2005, 12(4): 13.

[21]http://www.engineersaustralia.org.au/shadomx/apps/f ms/fmsdownload.cfm?file_uuid=5FC48B54-9659-D0 48-E927-A0C8BA25D1E2&siteName=ieaust.

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