一种舰船垂向磁场换算成矢量磁场的方法

徐 杰

(海军驻桂林地区军事代表室，广西 桂林 541002)

一种舰船垂向磁场换算成矢量磁场的方法

徐 杰

(海军驻桂林地区军事代表室，广西 桂林 541002)

获得舰船磁场的最简单、经济的方法是，当舰船通过其下方某一深度(正交于舰首方向)的垂向磁传感器阵列平面的时候，测量舰船垂向磁场分量。采用数学方法处理垂向磁场数据，推算出舰船的矢量磁场(3个方向的磁场)。该方法非常容易在计算机上实现，它具有在数秒内获得精确结果的优点，并且既省钱又省力。同时仅需要少量磁传感器，便能得到任何方向的磁场。

垂向磁场;矢量磁场;磁场换算

0 引言

一些水下装置移动的时候产生干扰磁场，威胁水面舰船。舰船甲板上安装由电流源和电缆线组成的装置，产生磁场，通过减少磁场干扰来保护自身安全。舰船磁场和电缆线产生的磁场的空间变化不同，因而必须掌握舰船下方任何有效位置的垂向磁场，从而使舰船具有良好的防护性能。往往运用静磁学理论计算电缆线产生的磁场。

测量舰船磁场通常需要昂贵的设备，包括水下磁传感器和数据处理系统。为了既省钱又省力，可测量舰船下方某一深度平面上的垂向磁场。但这样不能完全掌握舰船矢量磁场。

目前有1种获得舰船矢量磁场的新方法，即通过测量舰船附近某一位置的磁场，计算产生测量磁场的磁矩［1］(该磁矩并不精确)，然后，应用静磁学规律计算磁矩，推算出任何位置磁场。

本文介绍一种基于电压理论通过测量舰船下方某一平面的垂向磁场Hz，再计算出舰船的全部磁场的方法。

1 磁场换算

由电磁场基本理论知识，则有

式中：H为矢量磁场值;U为电压标量。

假设1个磁源(磁性物体)，位于平面Z0，深度为d0=0上，以及其下方的1个平面Z1，深度为d1，测量磁源引起的垂向磁场(见图1)。

应用格林公式于平面Z1上测量磁场，运用式(1)和式(2)，当平面Z2，深度d2≥d1时，其垂向分量为［2］：

式中：Hz(ξ，η，d1)为平面Z1上点P(ξ，η)的z分量磁场测量值;Hz(r)为平面Z2上点Q(x，y，z)的z分量磁场计算值，并且

图1 磁源与测量垂向磁场的测量平面Fig.1 Source of magnetic field and a plane where we have measured the vertical component of the field

2 依据垂向磁场推算矢量磁场

运用式(2)可以得到电压U*(r)和全部3个分量磁场H(r)，假如将式(3)乘以dz'，从z'=∞ 积分到z'=z，则有

纵向磁场分量为：

横向磁场分量为：

3 z=d0平面以上的磁场

基于平面Z1的测量数据，计算平面以上的某个位置的磁场。由于平面Z1的磁场测量数据由平面Z0的磁场产生，因而必须获得平面Z0磁源的磁矩。因此，需要通过数学技巧，解算积分方程Hx，Hy和Hz［3］。虽然计算结果不精确，但能满足舰船磁防护要求。当接近舰船时，误差会增加。

4 应用于舰船磁场的技术

观察式(3)、(5)和(6)，其积分区域为 －∞ ～+∞。通过平面上方垂向磁场，获得精确的纵向磁场和横向磁场。

当舰船以一定的恒定速度，通过舰船下方水深为d的磁传感器阵列的时候，通常测量舰船的垂向磁场。图2显示本文试验的典型物理尺寸。当舰船移动的时候，数据采集系统实时记录每个磁传感器的数据。测量结束后，得到一个矩阵，该矩阵每行为相应磁传感器阵列的数据，每列为舰船相应位置。

图2 测量舰船磁场的设备图Fig.2 Sketch of the facility that measures the magnetic field of the ships

b为舰船的最大宽度，l为舰船的最大长度。运用式(3)、(5)和(6)，当d1=1.5b时，阵列中2个传感器之间的最大距离为4b，最小距离为0．3b。鉴于磁偶极子理论，测量阵列最大长度为2l，最大宽度为8b，如图3所示。

实例：如图4所示，测量舰船垂向磁场的平面Z1，深度d1=1.5b，沿着龙骨方向(y=0)。图5为沿着龙骨方向，平面 Z2，深度d2=3b，运用式(3)、(5)和(6)，计算 Hx，Hy和 Hz的值。

5 结语

通过测量舰船下方某一平面的垂向磁场，运用数学方法，推算出舰船下方任何位置的矢量磁场值。这将避免运用大量的三轴向磁传感器测量舰船磁场，并且只需要几秒钟，便可以计算出磁场值。此外，该方法还将有利于改进舰船磁防护能力。

［1］PEJAS S．Approximation of ship's magnetic field with utilization of model：ellipsoid+N local sources［A］．Undersea Defence Technology-Conference Proceedings［C］，1993．488 －490．

［2］GRANT F S，WEST G F．Interpretation theory in applied geophysics［M］．New York：M Graw-Hill，1965．216 －221．

［3］PETERS L J．The direct approach to magnetic interpretation and its practical application［J］．Geophysics，1949，14(3)：290－320．

［4］周国华，刘大明．基于逐步回归法的潜艇高空磁场仿真与研究［J］．海军工程大学学报，2005，(5)：86 －89．

ZHOU Guo-hua，LIU Da-ming．Simulation for magnetic field ofsubmarine high attitude based on stepwise regression technique［J］．Journal of Naval University of Engineering，2005，(5)：86 －89．

［5］周国华，肖昌汉，刘胜道．磁性目标磁矩反演Hopfield网络方法研究［C］．舰艇测磁消磁新技术讨论会交流集，2006．

［6］周耀忠，张国友．舰船磁场分析与计算［M］．北京：国防工业出版社，2004．

［7］叶平贤，龚沈光．舰船物理场［M］．北京：兵器工业出版社，1992．

Vectorial magnetic field of a vessel from the vertical field

XU Jie
(Military Representative Room of Guilin of Navy，Guilin 541002，China)

The easiest and cheapest way to get the magnetic field of a vessel is to measure the vertical component of the fleld while the vessel moves over an array of vertical magnetic sensors located in a horizontal line(perpendicular to the bow-stern direction)at a particular depth．In order to obtain the vectorial field of the vessel(three-component fleld)，the method have used mathematical technique based on the potential theory，applying it to the data of the vertical fleld．The technique is easy to be implemented as a software in micro-computer．It has the advantage of producing exact results(it is not a mathematical modeling)in few seconds of processing，and of saving money and avoiding efforts，since it processes the data that can be measured by a small number of magnetometers and produces data of an inflnite number of them 10-cated everywhere oriented in any spatial direction．

vertical field;vectorial field;continuation of magnetic field

TM153+．1

A

1672－7649(2012)05－0101－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.05.024

2011－05－10;

2012－02－27

徐杰(1982－)，男，硕士研究生，工程师，研究方向为电磁环境及防护工程。