一种水下电磁场仿真的混合编程方法∗

嵇 斗 单潮龙 朱武兵（海军工程大学武汉430033）

一种水下电磁场仿真的混合编程方法∗

嵇 斗 单潮龙 朱武兵
（海军工程大学武汉430033）

船体腐蚀和防腐产生的水下轴频电磁场一般采用时谐偶极子建模。建立了多源轴频电场模型，给出了电磁场表达式。为了仿真分析需要，采用基于Matlab和Labview混合编程的方法并给出了编程步骤，混合编程方法兼顾了Matlab的计算性能和Labview界面表现能力，易于后续开发使用，最后给出了仿真结果。

电磁场；数学模型；混合编程；仿真分析

Class Num ber TP391

1 引言

水下电磁场是一种重要的舰船物理场［1~2］，其来源复杂，从产生机理来看，可以分为腐蚀相关电磁场、运动感应电磁场、辐射电磁场等，其中极低频舰船轴频电磁场传播距离远、信号衰减慢，能够被远程探测和利用［3］，具有较大的威胁。开展舰船水下电磁场理论研究和技术应用，常常通过仿真分析和试验分析等手段［4~5］。腐蚀相关电磁场可采用有限元或边界元法建模，比较适合于处理复杂界面情况，也能反映舰船参数变化对场的影响，但是需要了解舰船的参数设计细节、建模复杂、工作量大，对解题规模和实时性要求产生较大限制［6］。舰船电磁场的电偶极子模型建模简单、实用、计算量小，用于对目标探测、定位研究，文献［7］在轴频电场试验测定的基础，采用电偶极子模型对运动舰船的轴频电场进行建模与仿真，并通过Matlab软件环境编制的程序实现了仿真试验。Matlab软件带有功能齐全的函数库，在数值计算方面具有较强的优势，但是其操作性和可视化效果不强。文献［8］利用LabView软件设计了腐蚀相关静态电场及轴频电场的测量系统的人机界面，操作直观简便。本文根据水下电磁场仿真的实际要求，集成了Matlab的数值计算优势和LabView的界面的人性化设计，实现了良好的可视化效果和计算性能。

2 水下多源轴频电磁场模型

采用数学模型对舰船轴频电磁场进行建模，是研究轴频电磁场在海水中传播规律的基础。由于舰船轴频电磁场是与螺旋桨转动调制流经主轴的腐蚀和防腐电流有关，轴频电磁场的场源可看成是一个电流时谐变化的回路在海水中产生的，从较远范围来看，该场源与一个时谐偶极子电场分布相同［3］。在一定区域范围内，海水和海床环境可以看作是均匀、线性的导电媒质。因此，舰船在海水中固定场点产生的轴频电磁场可以通过在均匀、线性导电介质中运动的时谐偶极子产生的电磁场来模拟。在线性媒质中，媒质电磁参数不随时间变化，当场源随时间按照正弦规律变化时，产生时谐电磁场。在轴频电磁场建模过程中，通常把一支螺旋桨产生的轴频电场用一个时谐电偶极子进行建模；对于单船多桨或多个舰船的情况，可以看作是多源轴频电磁场，采用多个相互独立的时谐电偶极子来对舰船的轴频电磁场进行模拟，这些相互独立的时谐偶极子的角频率由各个螺旋桨的不同转速确定。

对运动时谐电偶极子产生的电磁场的求解一般可以采用两个步骤来进行［7］，第一步，以时谐电磁场的麦克斯韦方程为基础，建立两层/三层海水模型下的矢量磁位边值问题，把运动时谐偶极子视为某一时刻静止于某位置处，并求出该时谐偶极子在固定场点产生的电磁场；第二步，利用狭义相对论的洛仑兹变换得出运动时谐偶极子在固定场点处的电磁场。

假设在海水中A(x0，y0，z0)处存在单个水平时谐电偶极子，其在水下某点R(x1，y1，z1)处产生的电磁场频域值水平分量可以写为［9~10］

式（1）~（2）中，μ为磁导率，ω为角频率，Il为偶极子的极矩，σ为介质的电导率，θ为r在xoy平面上的投影与x轴的夹角，r=(x1-x0)2+(y1-y0)2，=-jωμσi+ω2μεi，(i=0，1)为传播常数，J0，J1为零阶和1阶第一类Bessel函数，

假设单个时谐电偶极子的初相位为φ1，t时刻的频域值的相角用ψ表示，则t时刻在某点产生的时谐电磁场水平分量的时域值为

式（3）~（4）中，ψE1x、ψB1x分别为水平分量电、磁场频域值的相位角。

对于多源轴频电磁场的n个时谐电偶极子，其频率、相位分别为ωi、φi，（i=0，1，2，…，n）。在某点产生的电磁场水平分量的时域表达式为

这里以时谐电偶极子的水平分量为例说明了多源轴频电磁场的建模方法，其他分量情况可参考文献［3，7］按相同方法写出相应的表达形式，这里不再赘述。

3 水下轴频电磁场仿真混合编程方法

3.1 多源偶极子的时谐电磁场数值计算

水下多源轴频电磁场模型建立了在t时刻单个时谐偶极子在固定场点产生的电磁场频域值和时域值、多个时谐电偶极子在固定场点产生的电磁场频域值和时域值等表达式，为求解多源水下电磁场的数值解提供依据，图1给出了水下多源轴频电磁场数值仿真的计算过程，本文采用了Matlab语言编制了计算程序。

3.2 仿真计算的混合编程方法

为了编程过程中方便地利用Matlab强大的数值计算功能，LabView提供了与Matlab进行通信的Matlab Script节点［11］。文献［12］对Matlab和LabView混合编程的方法进行了综述，比较和分析了几种混合编程方法，直接调用Matlab Script脚本节点的方法，编程简便易实现，但执行的速度较慢，且不能脱离Matlab环境，影响了程序的效率和适用范围；利用COM组件技术进行电磁场计算，提高了仿真程序的执行效率，并可直接生成执行文件从而脱离LabView环境，提高了程序的使用范围。

这里通过调用COM组件，把仿真需要的相关参数赋给Matlab Script节点，通过Matlab的后台程序运行计算时谐电磁场的时域值［13］，实现了基于Matlab和LabView的混合编程的方法，见图2所示。

通过COM组件技术实现轴频电磁场的仿真的具体步骤如下：

1）根据计算表达式，编制多源偶极子的时谐电磁场数值计算程序，生成“.m”文件；

2）采用的合适的编译器，用Function关键字定义声明所要生成COM组件的“.m”文件，并进行调试和编译；

3）添加应用程序所需包含的用户和系统文件生成文件包，并完成组件注册，生成ActiveX客户端可调用的COM组件；

4）利用LabView软件构建仿真主程序，引用定义好的COM组件，实现电场仿真计算功能。图3给出了时域仿真的结果。

4 结语

根据多源水下电磁场研究需要，首先建立了多源水下时谐电磁场的模型，根据模型中的电磁场表达式，编制计算程序。基于Matlab和LabView混合编程方法在可视化方面具有一定优势，本文通过调用Matlab Script节点和基于COM组件技术的混合编程方法，实现了多源电磁场计算仿真，程序可以作为水下轴频电磁场仿真程序的一部分，具有较好的扩展性。

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Sim u lation EF Field of Ship by Using of A Fixed Program M ethod

JIDou SHAN Chaolong ZHUW ubing
（Naval University of Engineering，Wuhan 430033）

Corrosion currentof ship produces EM field in sea water.ShipƳs shaft-rate（SR）electromagnetic（EM）field can be simulated bymoving time-harmonic electric dipole in seawater.Themodelof shipsƳSR EM field withmutiple propellers and a se⁃ries of general expressions of EM field is carried out.By using fixed program of LabView and Matlab，it realize the visualization of simulation.This fixed program can bea partof the program of SR field ofship.This indicates theeffectivenessof the simulation。

EM fields，model，fixed program method，simulation analysis

TP391 DO I：10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.017

2016年11月6日，

2016年12月11日

国家部委基金资助项目（编号：4010308020401）资助。

嵇斗，男，硕士，副教授，研究方向：电磁环境与防护技术。单潮龙，男，博士，教授，研究方向：电工理论与电磁兼容。朱武兵，男，博士研究生，研究方向：电磁场建模分析。