德国海军消磁系统发展现状及应用

韦春健，史振宇

（1. 海军驻桂林地区军事代表室，广西桂林541002； 2. 海军驻武汉四三八厂军事代表室，武汉 430060）

0 引言

随着水雷磁引信技术[1-2]的飞速发展，消磁系统在舰船研制中的地位愈发重要。在舰船上配备消磁系统是对抗水雷最为有效的一种方法。通过消磁可有效降低舰船的磁场特征信号水平，从而满足在布设水雷的情况下安全执行任务的需要，如图1。德国海军作为世界上最早将磁引信水雷应用于实战的国家，其在消磁领域上的技术一直处于世界先进水平。从传统的集中式消磁系统已发展到目前的分布式消磁系统，主要有“DEGROT”、“DEG－STAT”、“DEG－COMP”等型号。其中“DEG－COMP MOD 1”是其中最先进的，该系统由SAM电子公司研制，是一种模块化、分布式、集中控制的通用型消磁系统，通过采取差异化的配置模式可部署于不同类型的海军舰船。目前装备该消磁系统的舰船有德国海军的F124型护卫舰、212型潜艇、702特遣部队供应船和韩国海军的LPX直升机母舰、KDX-II(III)驱逐舰以及意大利、印度、马来西亚、南非、土耳其的海军舰船[3]。

图1 消磁后舰船磁场的降低

1 “DEG－COMP MOD 1”消磁系统

1.1 系统功能

系统中心单元接受来自三个方面的输入信息：舰艇导航系统提供的经纬度、倾斜、摇摆，罗经提供的航向，布置在桅杆处的三分量磁强计所测量的地磁场信息。当舰船的航行方向及地区发生变化时，中心单元根据实时输入的上述信息对本舰所产生的磁场量进行解算，给出相应的控制信号输出到各功率放大器中。与各功率放大器对应的消磁线圈中的电流跟随控制信号的变化进行自动调整，对舰船的固定磁场、感应磁场及涡流磁场进行相应的补偿，达到降低舰船磁场特征信号的目的[4]。具体的功能实现流程如图2所示。

1.2 系统结构

系统由消磁控制单元（DCU）、消磁电源、远程控制单元（BCU）、磁探测系统、消磁线圈等功能模块单元组成，可根据不同类型的舰船选择不同的模块进行组合配置。在潜艇上由于三分量磁强计安装的不可行性，所以在潜艇消磁系统中不包含磁探测系统模块。

1.2.1 消磁控制单元（Degaussing Control Unit）

消磁控制单元中的计算机是整个消磁系统的核心，它提供与导航系统和消磁系统其他主要设备（包括消磁电源、磁探测系统等）的接口，并通过附带键盘和热键功能的液晶显示屏提供良好的人机工程界面，使用者可通过计算机软件的控制菜单对系统的运行情况进行监视和控制。

图2 消磁功能实现流程

系统的工作模式分为自动和手动两种情况。在自动模式下，计算机自动接受两路相互独立的数据信息，并随机选择一路作为主数据源，另一路作为从数据源，采取两种方式分别对舰船所处位置的地磁场进行解算。以磁探测系统数据为输入的解算方式：通过三分量磁强计测出作用在舰船纵向、横向和垂向三个方向上的总磁场数据，并采取措施消除其中的干扰磁场信号，得到舰船所处位置的地磁场数据。根据导航系统给出的舰船位置信息即可查出该位置的地磁场信息。在消磁系统运行的过程中，计算机程序会对从不同途径得出的地磁场信息进行监控和比较，以保证地磁场数据输入的正确性。当二者之间的差异超过程序的规定值时，程序立即启动自检模块对上述输入进行检查，然后选择正确的一路输入作为系统的主数据源。在磁探测系统和导航系统与DCU计算机失去通信联系的情况下，可采取手动模式通过键盘手动输入舰船的位置和航向信息。

DCU中的计算机根据所获得舰船所处位置的地磁场信息和罗经给出的舰船航向，得到舰船的磁场值。经过处理输出相应的控制信号到各功率放大器。各功率放大器的输出电压、电流等实时工作信息均被实时监测，并上传至DCU中。这些数据会与计算机的输出控制信号进行比较，当其偏差超过系统的规定值时，在DCU和BCU的计算机程序中会发出报警指示。

1.2.2 消磁电源（Degaussing Power Supply）

根据不同型号的舰船，消磁系统提供两种不同的线圈供电模式：针对单位线圈功率消耗较低的舰船采取集中式，例如扫雷舰、潜艇，对应于各消磁线圈的功率放大器可整合至一个集中式的机柜中；针对单位线圈功率消耗较高的舰船采取分布式，像登陆舰、运输船，通过使用相互独立的消磁功率放大模块为不同部位的消磁线圈供电示。上述供电模式所使用的功率放大器属于同一系列，可根据需要设计成不同的结构和额定功率。功率消耗在60－500 W之间的，由于功率较低各功率放大器设计成模块化的组件，布置在一个集中式供电的消磁电源机柜中为全船的消磁线圈提供电源；分布式供电的消磁功率放大模块其输出功率为3－5 kW,最大可达到9 kW，最大输出电压为440 V，全船所有的消磁功率放大模块通过变压器获得合适的输入电压并与主电网隔离。各DPU均连接至DCU上，接受DCU的控制命令，并将本地的实时电压电流信号值上传至DCU。

1.2.3 远程控制模块（Bridge Control Unit）

作为消磁系统不可缺少的一部分，担负着系统远程控制和监视的功能。同时是DCU的冗余设计，操作面板可手动输入舰船导航信息，在DCU丧失功能的情况下保证消磁系统仍能为舰船提供一定的磁防护能力。

1.2.4 磁探测系统

包括磁信号处理单元（安装在DCU中）和三分量磁强计。三分量磁强计通常安装在水面舰船的桅杆上，探测舰船所处位置纵向、横向和垂向三个方向的磁场信号。然后经过磁信号处理单元进行相应处理，从而得出真实的地磁场信号值。

2 系统设计理念分析

系统通过功能模块化、设备小型化以及灵活的电源配置原则，有效地提高了系统的集成度和通用性，使得该系统可装备于不同类型的舰船。除消磁电源外，消磁控制单元、远程控制单元、磁探测系统在不同的舰船上均可互换通用，降低了消磁系统的研制成本和装备保障的难度。采取了分布式消磁线圈的设计方法，即对应于舰船不同部位不同类型的消磁线圈，由于各消磁线圈独立供电，故可以采用调整绕组电流与区段匝数相结合的方式对消磁系统进行安匝调整，改变了以往只能采用反接绕组的方式进行跳跃式调整的做法，而且绕组变细，实现方便、快速、精细、高效调整的目标。由于各消磁线圈构成独立回路，当任一线圈发生故障时，不会影响其它线圈，方便故障维修；同时通过分区供电，减小了线圈电缆的需用截面积，从而降低线圈电流，使系统能耗降低，同时带来设备的小型化、发热量的下降等技术优势。同时减少了消磁电缆的使用数量和重量，降低了系统成本和提高了总体性能。在船厂建造方面，由于电缆截面变细，在船体上的开口减小，从而使得电缆开口对船体结构的影响程度下降，并降低了电缆的敷设难度和施工量。各消磁线圈均在船体各部位独立敷设，绕组回路独立，且各分区之间没有接口关系，可在各船体分段独立制作期间、或某些分段合拢后进行绕组电缆敷设，对于缩短建造周期、降低费用、提高质量都具有重要意义[5-6]。

系统在消磁控制方式上采取了 “磁强计式消磁控制”和“地磁解算式消磁控制”二者相结合的控制模式。“磁强计式消磁控制”是在距离艇体一定距离的位置安装三分量磁强计，根据探测结果调节消磁电流进行控制，其优点是可以实时测量舰船感应磁场，不受地域限制，其缺点是三分量磁强计容易受到艇体磁场干扰，需要进行抗干扰处理。“地磁解算式消磁控制”则采用地球磁场模式组进行地磁解算后得到磁场，根据磁场在舰船坐标的投影结果调节消磁电流，其优点是不需要安装三分量磁强计，而且精度不受时间影响，缺点是它的精度与地球磁场模式组密切相关，在远洋海域验证难度大。西方发达国家航海历史悠久，航迹遍布世界，多年来积累了丰富的海洋各处地磁实测值，并与IGRF（主要表征地磁正常场）相结合分析得到地磁异常数据库。我国海洋工作起步较晚，缺少世界其他大洋海区的三分量磁场实测数据。“地磁解算”式消磁设备的不足恰恰就是“磁强计控制”式消磁设备的优点，两种方式可以互为补充。在传统的消磁系统中通常在消磁控制方式上只采取一种控制模式，因此无法保证系统的消磁精度。系统通过采取不同的控制模式对舰船磁场进行结算并比较，当二者差异较大时按照系统的设定进行分析，然后选择正确的舰船磁场信号值控制消磁电流进行相应的调整，从而保证消磁系统工作的有效性。

3 结语

随着我国海军建设的发展，新入役的舰种日益繁多，吨位逐步大型化，这些舰船都需要配备相应的消磁系统，而传统的消磁系统对消磁电源的功率越来越大，需要投入相当多的精力解决消磁电源的电磁兼容、温升、电缆敷设等问题。因此，采用分布式消磁系统是未来舰船消磁系统发展的趋势，我国可借鉴德国海军消磁系统设计的先进理念，从而提高舰船的磁防护水平，为打赢现代化条件下的海上局部战争作出应有的贡献。

[1] 舰船物理场M]. [北京: 兵器工业出版社, 2007.

[2] 舰船消磁理论与方法[M]. 北京: 国防工业出版社,2011.

[3] NES304.Shafting systems and propulsions, part4,design requirements for repair of main propulsion shafting, issue 2,September,2002.

[4] Kalyanmoy Deb, Amrit Pratap, Sameer Agarwal,etal.A fast and elitist multiobjective genetic algorithm:NSGA-II.IEEE Trans Erol Comput 2002,6(2): 182-197.

[5] H.hirani, N.P.Suh. Journal bearing design using multiobjective genetic algorithm and axiomatic design approaches. Tribol Int, 2005,38(5): 423-451.

[6] HOITHAM P,JEFFREY I,BOOKING B,etal.Eletromagnetic signature modeling and reduction[C]//Conf Proc.UDT Europe,1997:97-100.