舰船水下电磁场国外研究现状

杨国义

(大连测控技术研究所，辽宁 大连 116013)

舰船水下电磁场国外研究现状

杨国义

(大连测控技术研究所，辽宁 大连 116013)

介绍了国外在舰船水下电磁场研究现状，重点介绍国外在测试系统研制、传感器技术、实船测试、数据获取、建模分析、海洋环境和目标特性等研究方面的进展情况;列举了电磁场特性在舰船隐身控制和水中兵器上应用，以及在舰船电磁场研究方面积累的手段和经验;讨论了国外对舰船水下电磁场研究的特点。

舰船电磁场;传感器;建模分析;海洋环境;水中兵器

0 引言

随着信号检测技术的快速发展和传感器能力的不断提高，舰船水下电磁场的测量水平已有大幅度提高，舰船水下电磁场信号已经成为水中兵器攻击的信号源，因此世界各海军大国对舰船水下电磁场的研究投入大量的人力物力，取得了卓越的成绩。

由此可见，水下电磁场已经成为舰船目标在海洋环境中又一重要的暴露源，以水下电磁场为特征信号源的水中兵器和水下探测系统给舰船的生命力和战斗力带来严重威胁。对舰船水下电磁场特征进行控制，提高舰船水下电磁场隐身能力已经成为各国海军的迫切需求。

1 国外研究现状

由于舰艇声隐身和水声对抗技术的进展，目标的声特征检测和估计越来越困难，国外积极开展目标电磁场等非声特性研究，寻求利用非声手段探测目标的存在和识别目标类型。随着水下传感器技术和信号处理方法的发展，这项工作取得巨大成就，目标水下电磁场特性已成为探测设备和引信装置新的信号源。

国外军事大国非常注重舰船水下电磁场特性研究，研究历史长，基础工作扎实。前苏联、美国、英国、法国和加拿大等国家有大量科研机构从事舰船水下电磁场研究，这些机构在测量设备研制、实船测量、建模与预报等方面取得大量成果。

从国外发展来看，舰船水下电磁场研究具有以下几个特点:

1)水下电磁场测试技术成熟、先进，特别是传感器研制技术比较先进，研制了电磁场探测系统，用于舰船电磁场数据的获取。

国外在水下电磁场传感器研制方面具有很高的技术水平，瑞典、英国和俄罗斯等国家都具备传感器研制能力。瑞典研制的水下电场传感器［1］如图1所示，采用碳纤维电极作为电场感应元件，测量频率为1 mHz～1 kHz，系统噪声为 1 nV·Hz-1/2。

究其原因，既有历史遗留问题，也有体制机制问题，但最重要的是人的问题，而人的问题关键在干部。因为政治路线确定以后，干部就是决定性因素。院领导班子经过反复讨论，决定从干部抓起，加强干部培训，以解决干部队伍在医院管理各方面的不足和短板问题。

图1 瑞典研制的电场传感器Fig.1 Electric field sensors was developed by Sweden

英国Ultra公司研制的电场传感器［2］如图2所示，测量元件为银/氯化银电极，频率为1 mHz～3 kHz，其中1 Hz～3 kHz频段自噪声为1 nV/m·Hz-1/2，可用于舰船电场测试、电场远程探测、海洋学研究和海洋地球物理勘探等多种领域。英国的Bartington公司研制系列磁场传感器，该传感器具有X，Y和Z3个正交分量，量程为 ±70 ～100 μT，测量频段为0 ～3 kHz，具有高分辨率和工作稳定性，可用于海洋学研究等领域。

目前，国外电磁场探测系统研制技术也比较成熟，不再是孤立地对舰艇声场、磁场、水压场、电场等多种物理场进行测量研究，而更为关注的是将这些物理场作为一个整体来进行同点同时测量。英国、芬兰、瑞典、法国等国家研制了舰艇声、磁、电、水压等物理场综合测试系统。例如英国超级电子公司磁分部提出了一个由复合型多种传感器组成的水下测量阵系统，该系统能同时进行磁场、电场、声场和压力场等多种舰艇特性的近岸水下测试［3］，如图3所示。

图2 英国Ultra公司研制的电场传感器Fig.2 Electric field sensors was developed by Ultra Co.of England

图3 英国水下多场测试系统布放图Fig.3 Underwater multi-influence testing system distributed at England

芬兰研制了先进的水下多场测试系统MGS-900系列型号，如图4所示。该系统最新型号能测量声场、磁场、水压场和电场等物理场［4］。该系统采用光纤和网络传输技术，能远距离和高数据率传输测得的信号和数据，并已交付芬兰海军使用。

瑞典Polyamp公司研制的测试系统如图5所示。该系统可同时测量舰船电场、磁场和水压场等物理场，可用于便携式和固定式测量。

法国研制的MIR2000多场测试系统如图6所示。该系统可同时进行静磁场、静电磁场、交变电磁场、声场、水压场、地震波场和磁场梯度的测量［5］，既可用于固定式的综合试验场地，也可用于便携式的测试环境下使用。

2)高度重视舰船电磁场特性建模，在理论模型的支持下开展舰船电磁场设计与预报研究。

舰船水下电磁场建模技术在舰船水下电磁场预测、特征控制以及隐身测试方面具有很高的应用价值，因此一向是国外军事强国电磁场特性的研究重点。在舰船水下电磁场建模方面，目前主要有2种途径:由阴极保护系统参数计算船壳表面电势分布和利用电偶极子阵列拟和观测数据。

英国利用边界元法(BEM)对舰船腐蚀相关电磁场进行了计算，并开发了商业建模软件 Beasy［6］，如图7所示。该软件综合考虑了舰船材料组成、尺度、结构、涂层破损、阴极保护以及海洋环境参数等多种因素，计算内核采用精度较高的边界元算法，计算结果具有较高的可信度，已经广泛应用于舰船阴极保护系统的优化设计中。加拿大国防部和英国Ultra Electronics公司研制的电磁场预测软件甚至还包含了轴频电磁场和电源纹波的模拟计算。加拿大Davis工程公司则利用偶极子模型进行舰船电磁场分布模拟，其提供的ShipEM软件，可以通过输入舰船尺寸结构和阴极保护系统阳极位置，来预测电磁场矢量的空间分布特性。

英国Aish科技公司开发了基于有限元法(FEM)的舰船腐蚀相关电磁场数值计算软件 CPMaster［7］。该软件考虑了舰船阳极和阴极材料在海水中的非线性极化现象，可以对舰船外加电流阴极保护系统和牺牲阳极阴极保护系统进行优化设计，降低与腐蚀相关水下电磁场特征。该公司设计的低特征外加电流阴极保护系统已经装备英国“先锋”极、美国“海狼”级和“弗吉尼亚”级核潜艇，如图8所示。

图8 CPMaster软件建立的舰船腐蚀相关电磁场有限元模型Fig.8 FEM modeling of ships for corrosion related electromagnetic fields was established by CPMaster

等效源建模方法是基于惟一性定理，利用布置于船体上一系列的偶极子(或点电流源)产生水下电磁场的叠加来拟合舰船实际水下电磁场。等效源法可以根据实测数据现场建立舰船水下电磁场模型。该模型不仅可以用于实测数据的界面修正和空间换算，而且携带了舰船当前状态信息，便于测试人员对舰船水下电磁场量级进行科学评估和场源识别。

文献［8］利用电磁偶极子阵列对舰船静态电磁场进行了建模，取得了非常好的效果。在此基础上，提出了基于时谐偶极子阵列的舰船交变电磁场建模方法，并利用实船和校准源对模型进行了验证。该建模方法考虑不同区域和深度的海水、海床电导率参数等环境因素，可以通过某海域的实测数据对其他海域进行预报。

加拿大Davis工程公司联合加拿大大西洋防务研究所(DERA)［9］利用偶极子组合对加拿大现役海军舰艇水下电磁场进行了建模和预报，并利用实测数据对预测结果进行了验证。该公司科技人员指出，静态电磁场模型中最主要偶极子是由螺旋桨(负极)和阴极保护系统阳极(正极)组成，偶极子长度是阳极和螺旋桨之间的距离，偶极矩则是沿偶极子方向流动电流与其长度的乘积。

舰船水下电磁场物理建模是指在实验室环境内利用舰船电磁场缩比模型研究舰船电磁场特性。舰船电磁场物理建模相对于实船测量具有易控制、效率高、成本低的优点，因此也受到国外科研人员的重视，成为舰船电磁场特性研究的重要手段。图9为加拿大防御研究与发展中心建立的该国某护卫舰缩比模型。

图9 舰船电磁场缩比模型Fig.9 Electromagnetic field physical scale model for vessels

3)目标特性与环境特性研究结合紧密，非常重视海洋环境电磁特性测量与分析工作

国际上主要军事大国对海洋环境电磁特性的测量分析研究一直十分重视。前苏联科研人员采用各种方法研究了波罗的海固定试验场的海底底质参数、信号传播条件、噪声各向异性、电磁场等环境参数，大大提高了舰船电磁场测量的精度。

美国海军水下战实验室电磁环境与光学系统研究室在20世纪60年代对海洋中极低频电磁场观测技术进行了研究。美国海军大西洋水下站中心充分重视实验区水下电磁场环境的观测统计工作，自20世纪60年代起，就在试验区内建立了长期的观测和数据采集系统，完善了统计模型，从而为在该试验海区进行的鱼雷、水雷、舰艇等的相关试验提供了有效的数据支撑。

海水流动(波浪、涌浪和海流)产生的电磁场的研究得到了重视和发展。为了在进行磁探时消除海洋波浪运动产生的电磁效应，提高航空磁探的探测成功率，加拿大太平洋海军实验室的J.T.Weaver［10］计算了海洋波浪产生的磁场变化，计算结果是:周期20 s、幅度0.1 m的涌浪在水面下100 m处产生0.2 nT的磁场，在水面上50 m处产生0.1 nT的磁场。计算结果与航空磁探仪［11］和浮标磁探仪［12］的实测结果相符。文献［13］研究了大尺度低频海流在海洋、地壳和地幔中感应的电场和磁场。文献［14］给出了海洋波浪产生的电磁噪声场的理论推导，并测量了风速分别为10，20，30，40，50 kn时的波浪产生的电场和磁场，对测量数据进行了功率谱分析。海洋内波产生的电磁场也得到了很好的研究［15］。到90年代初，关于海水运动产生的电场和磁场的理论已基本成熟［16］，并与实验和观测结果相吻合［17-18］。此后，对运动海水的电磁场的研究依然深入进行，采用了更为先进的计算机有限元方法［19-20］。

图10 国外电磁场引信水雷Fig.10 Electromagnetic field fuze mine abroad

4)舰船水下电磁场特性广泛应用于海军武器装备，并推进了海军新型装备的发展。

国外对舰船电磁场的研究不仅局限在舰船本身的防腐性能，更重要的是将其成果应用在水雷电磁场引信、舰船隐身防护、对敌方舰船的探测、港口和海岸的警戒等方面，而且已经形成了军事装备。在水雷电磁场引信研究方面，60年代，苏联研制出电磁场引信的КСМ型反潜水雷［21］，并于70年代在此基础上开发出水下电势水雷，其新一代沉底水雷MDM-6也装备有电磁场引信。西班牙已开发出了装备电磁场传感器的组合引信水雷MINEA［22］。美国开发装有声、磁和电三场传感器的LSM智能滨海水雷［23］，该水雷通过3种传感器实现互补工作来可靠探测目标。图10所示分别为俄罗斯 MDM-6水雷、西班牙MINEA水雷和美国LSM水雷。在反水雷技术研究方面，澳大利亚已经研制出电磁场扫雷具，通过对电极阵列进行可编程式供电来模仿军舰的水下电势信号和极低频电磁场信号，进而触发水雷。

在电磁场探测方面，美国和加拿大海军早在60年代初就利用冰山布置电磁场探测系统作为警戒。

由于上述利用舰船水下电磁场特性作为信号源的探测设备和水中兵器的出现，舰船自身安全性受到严重威胁，为了保证舰船的生命力和战斗力，国外制定了严格的水下电磁场防护标准，采取了大量措施用于舰船水下电磁场特征控制，形成了一系列新型装备。如美国、英国、法国、前苏联等海军均装备了电磁场测试设备，定期或执行任务前必做测试。加拿大Davis公司生产的有源轴接地系统，能有效地降低舰船极低频电磁场，目前已装备于加拿大和英国海军舰船。前苏联研制的Каскад-э系统采用绝缘工艺和电磁场补偿手段极大地降低了舰船水下电磁场，如图11所示。此外Vickers造船工程技术有限公司也研制了用来抑制轴系极低频电磁场的主动轴接地系统。波兰海军技术研究发展中心同样研制了能有效减小轴系极低频电磁场的短路滑环装置。

图11 电磁场补偿系统原理图Fig.11 Principle diagram of compensation system for electromagnetic field

2 结语

综上所述，国外在舰船电磁场研究和应用方面都已经达到很高水平，积累丰富的经验，理论基础研究扎实，在海洋环境研究、建模与预报研究、测试系统研究、实船测试研究和水中兵器研究等方面均取得丰富的成果，且仍在不断研究中。

［1］http://systems.polyamp. com/products/uep-and-elfemeasurement-system.html.

［2］http://www.ultra.demon.co.uk/products/sensor.html.

［3］RAWLINS P G，DAVIDSON S J，WEBB G J.Management of Multi-influence Signatures in littoral waters［Z］.Ultra Electronics Ltd. (Magnetics Division)， Cannock，Staffordshire，UK 1999.

［4］http:∥www.Janes.com/articles/Janes-Underwater-Warfare-System/MGS-900-Finland.html.

［5］QUELLEC N.Multi-Influence Range:MIR2000Concept，Electro-Magnetic Silencing Symposium，Brest 1999.

［6］ADEY R，BAYNHAM J. Predicting corrosion related electrical and magnetic fields using BEM［A］.Conf.Proc.UDT Europe［C］，2000，473.

［7］PARLONGUE J，BORTELS L.A numericalmodelling technique to evaluate and control the electromagnetic signature［A］.UDT Europe［C］.

［8］DAVIDSON S J，RAWLINS P G.A multi-influence range with electromagnetic modelling［Z］.Marelec 2006，Amsterdam，Netherlands，2006.

［9］HOITHAM P，et al.Electromagnetic signature modeling and reduction［C］.Conf.Proc.UDT Europe，1999，97-100.

［10］WEAVER J T.Magneticvariations associated with ocean waves and swell［J］.J.Geophys.Res，1965，70(8)，19-21.

［11］BAKER R，GRAEFE P W U.Oceanwaveprofileand spectra measurement using an airborne magnetometer［A］.paper presented at 5thSymposium on Romate Sensing of Environment，sponsored by U.S.Office of Naval Research，Contract NR 1224(44)，University of Michigan，Ann Arbor，1968.

［12］MACLURE K C，HAFER R A，WEAVER J T.Magnetic variations produced by ocean swell［J］.Nature，1964，204，1290.

［13］SANFORD T B.Motionally induced electric and magnetic fields in the sea［J］.J.Geophys.Res.，1971，76(15)，3476.

［14］BOSTICK F X，SMITH H W，BOEHL J E.The detection ofULF-ELF emissions from moving ships［R］.ADA037830，1977.

［15］CHAVE A D.On the electromagnetic fields induced by oceanic internal waves［J］.J.Geophys.Res.，1984，89(6)，10519.

［16］CHAVE A D，LUTHER D S.Low-frenquency，motionally induced electro-magnetic fields in the ocean—1.theory［J］.J.Geophys.Res.，1990，95(5)，7185.

［17］CHAVE A D，et al.Observations ofmotionalelectromagnetic fields during EMSLAB［J］.J.Geophys.Res.，1989，94(10)，14153.

［18］LUTHER D S，FILLOUXJH，CHAVEAD.Lowfrenquency，motionally induced electromagnetic fields in the ocean—2.electric field and eulerian current comparison［J］.J.Geophys.Res.，1991，96(7)，12797.

［19］CHAILLOUT J J，et al.Finite elementcalculation of electromagnetic fields due to moving sea water［J］.IEEE Transctions on magnetics，1995，31(3)，2178.

［20］刘胜道，龚沈光.舰船电场的国内外研究概况［A］.水中目标特性研究学术论文集［C］.2002.212-217.

［21］傅金祝.国外水雷战装备参考资料［M］.宜昌:710所，1994.

［22］MOLINA A，SáNCHEZ A，et al.The Spanish Advanced Multi-Influence Naval Mine Minea［Z］.UDT Europe，2007.

［23］傅金祝.LSM智能滨海自导水雷［J］.舰船知识，2001，(5):27-30.

Situation on underwater electromagnetic field researches of ships abroad

YANG Guo-yi
(Dalian Scientific Test and Control Technology of Institute，Dalian 116013，China)

This paper describes the present situation of underwater electromagnetic field researches of ships abroad，emphasis introduce researches situation about development of test systems，technology of sensors，fact ship test，obtain data，modeling and analysis，ocean environment，and characteristic of targets etc.Enumerate electromagnetic field characteristic apply on vessel stealth control and weapon in water，and accumulate methods and experiences on vessels electromagnetic field researches，discuss on vessel underwater electromagnetic field research trait.

vessel electromagnetic field;sensor;modeling and analysis;ocean environment;weapon in water

TB56

A

1672-7649(2011)12-0138-06

10.3404/j.issn.1672-7649.2011.12.033

2011-04-07;

2011-05-03

课题资助项目(513030303)

杨国义(1976-)，男，工程师，从事测试系统结构设计与研制工作。