消磁技术对舰船磁场特征的影响

2017-10-13刘胜道高俊吉

船电技术 2017年3期

关键词：消磁水雷舰船

田东，刘胜道，高俊吉

消磁技术对舰船磁场特征的影响

田东，刘胜道，高俊吉

(海军工程大学电气工程学院，武汉430033)

介绍了舰船消磁技术的典型作用，分析了水雷磁引信技术的发展概况，针对水雷磁引信的工作原理探讨了消磁技术对舰船磁场特征的影响效果和途径。

消磁技术磁引信磁场特征磁性对抗

0 引言

钢铁材质的舰船在地磁场作用下被磁化产生固定磁场和感应磁场等舰船磁场，该磁场量级可观且难以消除，是磁性水雷识别、定位和攻击舰船的稳定信号源[1]。为了与磁性水雷对抗，舰船消磁技术应运而生，其采用现代电磁方法和控制技术将舰船磁场消除或补偿到一定范围内[2]，保护舰船海上通行安全。随着现代磁引信的发展，磁性水雷威胁逐步增大，消磁技术面临更大的挑战。本文结合舰船消磁技术作用效果和现代磁引信工作原理分析了消磁技术与磁性水雷的对抗能力，探讨了消磁技术对舰船磁场特征的影响效果和途径。

1 消磁技术的典型作用

舰船消磁技术主要包括固定磁性处理技术和感应磁性补偿技术，其中固定磁性处理主要是利用大功率脉冲电流使舰船呈现出磁中性状态，而感应磁场补偿技术则是通过舰载消磁绕组产生与舰船磁场大小相等且方向相反的磁场来抵消舰船磁场。但是，由于舰船磁场成因复杂，航行中测量比较困难，且消磁系统性能受多种因素制约，目前消磁技术还很难将舰船磁场完全消除，只能将其消减到一定的范围内。消磁后舰船磁场量级显著降低，舰船目标被磁引信探测和发现的距离大幅减小，有效降低了舰船航行中的触雷风险。同时，为了探测消磁后较小的舰船磁信号，磁引信需要设置更高的灵敏度，在海洋背景噪声和人为干扰磁场存在的情况下，舰船磁信号信噪比减小，甚至淹没在噪声中，磁引信进行信号处理、识别和定位的难度增大，水雷打击的准确性和有效性也随之降低。

2 消磁技术面临的挑战

随着科学技术的发展，水雷磁引信的能力不断增强，舰船受到的威胁也越来越大。从现代磁性水雷的工作原理来看，磁引信能力增强主要体现在两个方面：一是水雷磁传感器分辨率大幅提高，可检测更低量级的磁信号。目前水雷磁引信适用的磁传感器最高分辨率已达nT级，而结构更加复杂、体积较大的光泵磁强计、质子旋进式磁强计和超导磁强计分辨率更是高达pT级[1,3]。由于航行中舰船磁场变化复杂，消磁系统受绕组数量、布设位置和电流等因素影响，要保证舰船在整个适合水雷布设的深度内不被高灵敏度磁引信探测变得更加困难；二是水雷磁引信的信号处理和目标识别定位技术取得了一定的进步。由于自然干扰，人为干扰的存在，且磁场幅值、变化率受目标大小、距离和速度等因素影响，探测到磁信号即爆炸的傻瓜模式水雷逐渐被淘汰，水雷磁引信朝着能够识别目标性质和位置信息的智能化方向发展，其采用各种抗干扰、抗扫、目标识别和定位技术来确保爆炸的有效性，其中包括舰船磁场直观波形特征[1]（如变化率和脉冲特性）、三分量特性（如夹角余弦定位[1]，矢量横向动作区域控制[5]，矩特征估算速度[1]等）以及基于舰船磁场与椭球体磁场相似的模型化检测方法[1,6]等，这些技术给舰船消磁技术提出了磁场特征控制的新要求。

图1 现代水雷磁引信工作原理[1,4]

3 消磁技术对舰船磁场特征的影响

水雷打击舰船的效果主要取决于识别和定位舰船目标的准确性，其与舰船磁场的特点和磁引信选取利用磁场特征的方法有关。因此，消磁技术与磁性水雷的对抗能力可以用消磁技术对舰船磁场特征的影响效果和途径来衡量。

1）消磁技术对舰船磁场特征的消减。现代磁性水雷的工作方式多样，消磁后舰船磁场也比较复杂，消磁工程师开展了大量卓有成效的研究工作，最直接的办法就是消除水雷磁引信工作的信号源，磁场幅值消减就是最常见的做法[7]，但磁引信还可以利用磁场变化率和梯度进行工作，为此，文献[8]和[9]利用进化算法分别提出了同时减小幅值和梯度的消磁系统控制方法以应对可能的多种磁引信水雷的威胁。又由于舰船磁性对抗能力不仅与舰船磁信号量级有关还受水雷工作机制影响，达到消磁标准时舰船磁场分布可能不同，其与水雷对抗的能力也可能不同，故文献[10]提出了一种利用消磁后舰船磁场少数统计特征量预测舰船磁性对抗能力的方法，也由此可控制消磁系统使舰船磁场特征最大限度地接近最优的标准。此外，考虑到各类舰船有着自身独特的物理结构和磁特性，文献[11]提出了以水雷检测概率为目标提取舰船磁场特征来识别舰船的方法，这些特征既可能用于磁性水雷，也可指导消磁作业进行有针对性地消减。

2）消磁技术对舰船磁场特征的破坏。消磁后舰船磁场在消磁标准深度上分布极不均匀，出现多个极值，而水雷关注的磁场特征则更多地集中在舰船消磁标准深度以外的区域。从物理上看，在自然磁化状态下，虽然舰船铁磁设备众多，但整体上舰船与椭球体具有相似性，尤其是离开船体较远时，磁场局部的不均匀性退化，使得舰船磁场与椭球体磁场非常相似，在距离1.5倍船宽距离以上椭球体拟合精度达到85%以上[1]，也因此呈现出诸多与椭球体磁场相关的特性。但是舰船磁场模型的适用性不仅仅受距离影响，还与舰船的磁性状态有关[12]。经过固定磁性处理和内消磁系统补偿后，舰船磁畴的变化和线圈电流磁场的存在使得舰船磁场在消磁标准深度上类似于多个小椭球体或磁偶极子磁场的不规则组合，与单个椭球体或磁偶极子磁场的差别变大，舰船磁场单个椭球体和磁偶极子模型的精度和适用距离受到影响，在一定深度上影响基于此类模型识别和定位目标的准确性，而且某些磁场特征在更远的距离上才可能会显现。

3）消磁技术对舰船磁场特征的干扰。扫雷具的存在迫使水雷增加了一定的抗扫技术，消磁技术与磁性水雷的对抗还应该考虑和借鉴扫雷具的作用。其中，普通电极式扫雷具磁场与舰船磁场差别较大易被磁引信以特定的物理量鉴别[1]，因此各国海军相继研发了目标设定式扫雷具，通过专门设计的可控磁体模拟目标舰船的磁场特征，要求模拟出的磁场具有三分量结构且比例恰当，也不能是脉冲磁场[13-15]，否则可能会被水雷抗扫机制识别而进入保护模式，譬如单轴磁体磁场易与三轴磁体磁场区别而被磁性水雷识破[16-18]。这可看作一种启示，除去舰船自身磁场，消磁系统本身就可视作一套可控的三轴磁体组合，在减小磁场量级的同时可尝试控制消磁系统使舰船最终显现出不符合三分量结构和比例的磁场，这可能迎合水雷磁引信的抗扫机制，也可能改变由于舰船长宽比造成的舰船纵向磁化大于横向和垂向[4]而呈现出来的某些磁场特性。此外，文献[19]提出了一种利用线电极式扫雷具伴随被保护舰船的智能水雷的主动干扰方法，随着分布式消磁系统和超导消磁技术的发展[20]，消磁系统绕组电流磁场的控制将更加灵活，借鉴该主动干扰方法并利用消磁系统产生脉冲磁场理论上也具有可行性。当然，由于舰船本身磁场复杂且量级较大，消磁系统毕竟不是为模拟目标而专门设计的可控磁体，且这类做法通常会牺牲信号量级的消减能力，能否实现并达到效果需要研究和论证。

4 结束语

从国内外公开的研究情况来看，磁引信技术的发展给消磁技术带来了更大的挑战，但是消磁技术在现代磁性对抗中的价值不仅仅在于舰船磁信号强度的消减，还在于其改变舰船磁特性进而影响磁引信识别、定位目标准确性的能力上。为了进一步提高舰船磁性对抗能力，有必要将消磁技术与磁引信技术在整个布雷深度内联系起来，深入研究舰船磁场特征在消磁前后的变化，探索控制舰船磁场特征的新途径。

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