一种船舶轴频电场传播特性分析方法*

冯士民 ， 张伽伟 ， 王 娇

（1.海军工程大学 兵器工程学院，湖北 武汉 430033；2.解放军92941部队，辽宁 葫芦岛 125001；3.解放军91208部队，山东 青岛 266102）

0 引 言

国内外大量研究表明[1-5]，船舶电场是一种可以用来对目标进行探测和识别的信号源，是船舶除声场和磁场以外的另一类重要物理场。船舶电场主要包含静电场和交变电场。不同类型的电场之间产生机理和特性均存在差异，因而可以得到不同的应用。其中，静电场是舰船电场中强度最大且在海水中衰减最小的成分，可被用作水中兵器的目标信号源或被动制导系统的目标信号源。但是，当目标远离传感器时，静电场信号在时域和频域中均无明显的目标特征，且海洋环境电场也主要集中在该频段内，因而在远程探测中的应用难度较大。舰船交变电场中含有目标特征信息的频段主要是轴频和工频，其中工频电场虽然强度较大，但是由于频率较高，水下传播衰减较快。相比之下，主要由螺旋桨旋转调制腐蚀或防腐电流而产生的轴频电场信号，不仅具有明显的线谱特征和谐波成分，而且不易受海洋环境影响，可以作为理想的远程探测信号源。国外从20世纪50年代初开始了相关研究[6-12]，国内近些年也特别重视轴频电场的研究，在相应的数学模型和消除轴频电场装置的研究上取得了一定的成果。

1 船舶轴频电场产生机理

船舶使用防腐措施后，牺牲阳极（或辅助阳极）发出的电流经海水回流到船体，其中有相当一部分是通过舰船的螺旋桨、主轴再返回船体的，如图1所示。

图1 船舶水线下电流

由图1可知，螺旋桨—轴—轴承—船体（或辅助阳极）组成了电流回路，简化如图2所示。

图2 轴频电场产生的等效电路

图2 中，φ0a、φ0k分别为阳极、阴极电位，Rw为海水电阻，Rb分别轴和轴承之间的等效电阻（轴-地）。

回路电流为：

当螺旋桨转动时，轴和轴承之间的电阻也就是Rb会随着螺旋桨轴的旋转而发生周期变化，从而对海水中流经主轴的电流I产生周期性调制。经过调制的轴电流产生的电场即为船舶的轴频电场，该电场是以螺旋桨转动频率为基频的时变信号。

2 舰船轴频电场产生及测量系统

2.1 轴频电场产生

为了验证船舶轴频电场的产生，需要高精度的数字万用表对船模的轴地电阻进行测量，实验船模如图3所示。

图3 船模的轴系结构

船模内部轴上有多对碳刷和滑环，其中一对碳刷与船壳相连。测量其他未接船壳的碳刷与该碳刷之间的电阻变化情况，便可模拟轴和船壳之间的电阻波动情况。

2.2 轴频电场测量系统

为了分析轴频电场传播特性，在水池中利用船模拖动装置匀速拖动模型测量电场传感器，通过轴频电场测量系统实时记录电场传感器阵列输出的电场信号，如图4所示。

图4 测量过程

轴频电场测量系统的组成如图5所示。该测量电路主要由电源模块、传感器模块、信号调理模块、数据采集模块和存储模块组成，使用单片机作为整个测量系统的主控单元。

2.2.1 传感器模块

如上文所述，传感器模块是水下电场测量系统的关键。为了同时测量三个正交方向的电场信号，测量系统共使用4个Ag/AgCl电极，布放情况如图6所示。测量电极对（2-3）、（4-3）和（1-3），按右手螺旋法固定于测量体支架，分别测量x、y和z方向的电场信号。

图5 低噪声测量电路组成

图6 测量电极布放情况

2.2.2 电源模块

电源模块由锂电池组供电，通过电源转换芯片分别调整输出+15 V、-15 V、+5 V和3.3 V，提供给测量电路的各个模块。其中，+15 V和-15 V为信号调理模块供电，+5 V为A/D转换电路供电，+3.3 V为单片机及存储模块供电。

2.2.3 信号调理模块

信号调理模块包括RC滤波电路、前置放大电路、有源滤波电路、二次放大电路和电平转换电路等。为了防止测量电极对之间静差较大时引起的电路饱和，在前置放大器输入前，增加了高通滤波器，其高通截止频率为0.002 Hz。

2.2.4 数据采集模块

数据采集模块主要实现调理信号的A/D转换、控制系统采样、存储数据和时间信息等功能。为了保证三路信号的同步性且降低系统功耗（并行A/D转换芯片功耗普遍较大），采用3片24位低噪声A/D转换芯片AD7799（工作电流为380 μA，增益为1、转换频率为33.3 Hz时，其噪声有效值为2.3 μV），分别同时完成三路低通信号、三路带通信号和一路水压场信号的A/D转换。

经过进一步的测试分析，该测量系统的主要性能指标如下：

（1）供电电压：18～36 V；

（2）工作电流：≤100 mA；

（3）工作带宽：0.002～0.5 Hz，0.8～10 Hz；

（4）自噪声：峰-峰值不大于0.3 μV；

（5）放大倍数：0.5 Hz以下信号放大200倍，0.8～10 Hz放大2 000倍；

（6）采样频率：0.5 Hz以下的电场信号2 Hz采样；0.8～10 Hz电场信号40 Hz采样。

3 轴频电场传播特性分析

图7和图8分别给出了图3中船模螺旋桨在35 r/min和50 r/min时的轴—地电阻波动情况。从图7（b）和图8（b）中可以看出，35 r/min时基频约为0.6 Hz，50 r/min时基频约为0.8 Hz。由此可知，轴—地电阻波动变化与螺旋桨转动频率一致，不仅存在基频信号，而且伴有高次谐波，从而验证了船舶轴频电场的产生机理。

图7 转速为35 r/min时的电阻波动情况

图8 转速为50 r/min时的电阻波动情况

图9 给出了图3中模型在水下40 cm不同正横距离（40 cm和60 cm）时，利用图5所示的测量系统测得的船模轴频电场三轴通过特性。

由测量可知，船模在航行时，在时域上存在明显的轴频信号特征，轴频电场x轴分量在船模螺旋桨下方具有最大值，而y和z为最小值，且在螺旋桨前后各有一个峰值。可明显发现，垂直方向z的电场信号幅值相比于水平x和y分量要小得多，这是由于理论上垂直方向电场分量数值本身比x和y分量要小。

图9 轴频电场传播特性测量结果

4 结 语

本文设计的轴频电场测量系统和测量方法，对船模轴频电场的产生机理进行了原理验证，通过测量船模产生的轴频电场，分析轴频电场的传播特性。该轴频电场测量系统不仅可用于实验研究，还可以应用到海上对实际船舶产生的电场进行有效测量和分析。