浅海中四桨运动舰船产生的轴频电磁场

朱武兵，嵇 斗，王向军，刘德红

(海军工程大学电气工程学院，湖北 武汉 430033)

0 引言

随着现代信息处理技术、微电子技术和传感器技术的发展，对舰船目标特性的研究也进一步深入，舰船轴频电磁场已经成为重要的水下信号。研究表明，浅海环境下舰船轴频电磁场可以通过运动的垂直时谐偶极子模拟，但只研究了舰船是单个螺旋桨情形下的建模与仿真［1］。现役的中型、大型舰艇都可能采用多桨的推进方式，因此只研究单桨舰艇的轴频电磁场显然不够。对于四桨大型舰船，在采用多桨推进方式时，4个桨经常不同步，这样就会导致4个螺旋桨旋转时各自产生的轴频电磁场具有不同的相位、幅值、频率。因此研究四桨运动舰船产生的轴频电磁场具有十分重要的实际意义。对轴频电磁场的实际应用需要对这种四桨舰船的电磁场进行建模，并为未来轴频电磁场用于舰艇的远程探测提供基础。本文采用4个运动垂直时谐电偶极子在固定场点产生的电磁场对浅海中运动的四桨舰船的电磁场进行建模。

1 浅海中运动垂直时谐偶极子电磁场表达式

根据文献［1］推导出浅海中轴频电磁场的表达式:

式(1)～式(8)中的相关参数及物理意义与文献［1］一致。运用基于汉克尔变换的FFT算法［9］得到电磁场三分量的频域曲线和时域曲线，同时可以得到任意时刻t电磁场的频域值和时域值记t时刻的电磁场三分量的频域值和时域值为:Bx1t，By1t，Bz1t，Ex1t，Ey1t，Ez1t，Bx1tt，By1tt，Bz1tt，Ex1tt，Ey1tt，Ez1tt。

2 四个运动垂直时谐电偶极子电磁场表达式

这里假设采用4个处于同一位置的运动垂直时谐偶极子对轴频电磁场进行建模。时谐电偶极子与单个电偶的极子表示方法类似。可推导出4个运动垂直时谐电偶极子在固定场点产生的电磁场的表达式如下:

对于电场x分量:

以上给出固定点电场x分量、磁场x分量的电磁场表达式，其他电磁场分量的公式与之类似。

3 相位不同步的四桨舰船的轴频电磁场仿真

假设四桨运动舰船在航行过程中4个桨的转速相同，相位不同，舰船的运行速度为5 m/s。这里可以用4个频率相同的运动垂直时谐偶极子对舰船的轴频电磁场建立好文献［1］的洛伦兹模型，空气、海水、海床的介质参数同文献［1］。各时谐运动的垂直电偶极子的频率为2 Hz，各电偶极子的初始坐标和终点坐标均为 (－1000 m，0，10 m)，强度均为1 A·m。本文主要给出x分量的仿真图。

通过分析仿真结果图，可以知道:

1)分析图1(a)和图1(c)可知，相角的变化并不影响频域的幅值。

2)通过分析4个桨相位均为0时的仿真结果图与单桨相位为0时的仿真结果图1(a)、图1(b)、图1(e)、图1(f)可以发现，4个相同的电偶极子强度产生的电磁场时域值是单个同参数电偶极子的4倍。由此可以说明，这4个1 A·m电偶极子可以等效为强度为4 A·m的电偶极子。

3)对比2组不同相位的仿真结果可以发现，当4个电偶极子的相位均为0时产生的电磁场最大，图1(c)与图1(d)所示的情况产生的电磁场的数量级非常小，以现在的电磁场探测水平可以把这种情况产生的电磁场视为0。基本上可以认为实现了轴频通过电磁场的抵消。说明轴频电磁场由于相位不同而存在抵消效应。

图1 相位不同步时电场各分量的时域与频域图Fig.1 The time domain and frequency range graph of electric field's compoments in different phase

4 转速不同的四桨舰船的轴频电磁场仿真

分析仿真结果，可以知道:

1)分析仿真结果的频域图2(b)(频率越高，电场值越大)可发现，在电场Z方向由于频率的不同导致有较大的幅值差异。在频域图2(a)中发现，有的没有明显变化，这是因为频率对轴频电磁场的影向并不明显。

图2 相位不同步时电场各分量的时域与频域图Fig.2 The time domain and frequency range graph of electric field's compoments in different rotating speed

2)从图2(c)轴频电磁场时域图可以发现，电磁场的包络线没有频率相同时光滑，这说明频率对轴频电磁场的时域值有较大的影响。

3)分析仿真结果图1(a)与图1(b)(相角为0，频率均为2 Hz)和图2(a)与图2(b)，提出当频率不同时的轴频电磁场的建模思路:首先求出2个桨产生的不同的轴频电磁场频率，然后采用具有这2个频率不同的2个虚拟时谐偶极子对轴频电磁场进行建模。

5 结语

本文通过仿真运动垂直电偶极子产生的电磁场对轴频电磁场进行模拟。得到不同相位和不同转速时四桨运动舰船产生的轴频电磁场结果，并对产生的轴频电磁场进行分析。分析得到四桨舰船产生的轴频电磁场特性以及为轴频电磁场的建模提供了思路。值得说明的是，可能实际舰船不会出现完全反相的情况，或者频率不会相差这么大。但在理想情况下进行仿真，对舰船产生的轴频电磁场得出以上有价值的结论。

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