潜艇电场的空间分布特性测量方法研究

张安明，张海鹏

潜艇电场的空间分布特性测量方法研究

张安明1，张海鹏2

（1. 海军驻大连地区第一军事代表室，辽宁大连 116005；2.海军潜艇学院动力操纵系，山东青岛 266042;）

针对电场测量设备不能移动、测量数据不完整的问题，分析了现有电场测量方法的不足，提出并设计了潜艇电场的三维空间分布特性测量方案。理论分析结果表明提出的潜艇电场空间分布特性测量方法是可行的，能够有效地测量三维空间潜艇辐射电场的物理特性，为潜艇电场的抑制和防护提供有益的思路和有效的手段。

电场测量 传感器 潜艇 电场特性

0 引言

潜艇的腐蚀和它的阴极保护系统会形成潜艇电场[1]。潜艇容易被噪声暴露行踪，减震降噪技术取得了长足发展；当噪声降低后，潜艇磁场成为新的暴露源，使得消磁技术的应用日益广泛。目前潜艇电场研究备受关注，成为探测潜艇的显著特征信号。对电场的研究成果已经在水下通讯、电场扫雷具、舰艇电场隐身系统、电场探测装置、电场引信水中兵器等领域得到了较为广泛的应用[2-3]。潜艇电场及其相关技术的研究迫切需要准确测量电场并获取完整的数据，只有采用有效的电场测量手段，才能够准确获取潜艇电场特性并开展相关研究。

电场研究需要测得它在空间的三维整体特性。本研究提出了电场空间三维整体特性测量技术的原理、方法和实现技术。

1 现有潜艇电场测量方法分析

现有的电场测量方法，都需要将传感器和它的配套系统安放在一个固定的测量点上。其中，由英国研制的Transmag Plus多感应场站和由法国设计的Thomson Marconi Sonar Mir 2000 多感应场站均采用Ag/AgCl作为电场传感器的电极，而瑞典供给海军的电场测量传感器则是高性能碳纤维电极。这些电极都可以满足远至几百米的距离进行电场定点探测的要求[4-6]。

常用潜艇电场测量包括四种测量方法：机动式测量、固定站测量、静态测量和动态测量。

1.1 机动式测量特点分析

机动式测量方法需要潜艇配合，会在一定程度上影响潜艇原有的训练和任务。该方法在测量工作之前，先把传感器布放在事前设置好的测量海域。潜艇按照浮标、标竿等指示标识，停泊或者经过传感器的上方，由传感器敏感电场数据，并输出记录。当整个测量完成之后，驾驶潜艇离开测量区域，将传感器及测量系统回收。该方式适合快速测量潜艇电场特性。

1.2 固定站测量特点分析

与上述的机动式测量方法相比，固定站一般建立在一块测量条件较好的固定海域，测量功能比较完善，通常配备多种传感器获取各种有益信息，比如可利用海流计、温深仪、海水电导率计等测得环境参数，还可以利用适宜的传感器获取位置、距离、速度等参数。此外，固定式测量站的测量环境参数一般比较稳定，可以定量补偿测量数据，提高测量精度。

1.3 舷侧静态测量特点分析

如图1所示，舷侧静态测量时，需要把测量传感器悬挂在潜艇侧面，传感器下面采用重物下压，以便于稳定电极。这种测量方法受到海流、波浪以及载体的影响较大，使得电极很难保持在一个固定点上。为了校准测量电场的位置和姿态，通常需要配备深度仪、磁罗盘等传感器，提供位置和姿态信息。

1.4 动态测量方法分析

潜艇电场动态测量方法的主要思路是：把电场测量传感器放置在海底，让被测舰船从传感器上方通过，从而测量被测舰船的电场特性。在该测量过程中，需要实时利用DGPS测量被测载体的位置和姿态，以确定测量的电场数据与被测船只的相对位置。测量的电场数据一般传送到一艘测量船上，测量船最好采用不易产生电场的玻璃钢船，在测量舰船电场过程中需要同时测得海水深度、流向、盐度、温度、流速、测量传感器的姿态、位置等必要参数。潜艇电场强度矢量测量方法如图2所示，测量传感器具有三个电极对，三个电极对分别对应测试舰船电场强度在三维空间的三个分量，每个电极对上的两个电极之间的距离不应大于1 m。

图1 为舷侧静态测试电势测量示意图

1.5 现有测量方法的缺陷分析

现有的测量方法有一个共同的特点，就是潜艇电场作为一个矢量，在其测量时，电场传感器需要始终放置在一个固定的位置上，否则就会引起测量位置和方向的混乱。因此，现有测量方法获得的电场数据不能够反映出电场完整的空间分布特性，缺陷如下：

1）测量点固定，测量数据分布远远不能满足测量完整性的要求

电场传感器在固定点布放，对于停泊的潜艇，只可以测试到固定方向和距离上的单点电场矢量值。对于航行状态的潜艇，也只能够测试到潜艇电场中某条特定路线上分布的电场矢量，却不能测得该路线上下左右前后方位其它点上的电场矢量。

2）测量传感器的位置、姿态误差严重影响了测量精度

布放电场测量传感器的过程中，受海流、凹凸海底、操作手法等干扰，使得电场测量点的位置和姿态精度确定难以保证精度。有的场合会采用磁罗盘、深度传感器等手段校正误差，但精度有限，误差消除效果不明显，会严重影响测量精度和真实性。

3）需要复杂的辅助设备

为保证测量数据具有足够的精度，要求采用辅助设备测量深度、盐度、水流、流向、位置、温度、姿态等辅助参数，以便校正误差。

4）操作不便

现有电场测量方法中，电场传感器放置在某一处固定的海底，测得的数据通过数据传输系统传送给较远处的测量和记录装置。特别是，测量行进状态潜艇的电场时，会在很大程度上影响到潜艇的正常训练和日常工作，并会在时间、能源、人工和运行成本方面产生较大的消耗。

2 三维空间潜艇电场整体分布测量方法

2.1 电场空间分布测量设备的结构设计

将电场空间分布测量设备的结构设计为三大部分：电场感知系统、参数校正系统和数据处理系统。

电场感知系统的结构设计如图3所示，三个支架相互正交，每条支架上都安装1个加速度计、1个陀螺仪、1个GPS接收机、2个电场测量电极。电场感知系统配有一个数据采集存储设备。每对电场测量电极分别安装在支架的两端。加速度计的安装尽量靠近三支架的交点，其敏感轴尽量与坐标轴重合。陀螺仪敏感轴则平行于坐标轴。

图3 为电场感知系统中各传感器安装位置示意图

将参数校正系统设计为含有4套DGPS及其数据采集存储部件的系统，将其中的3套DGPS安装在被测潜艇上，3个DGPS接收机呈三角形排列，剩下的1套DGPS安装在岸上某已知固定点，作为参考站。

数据处理系统的设计思路为利用DGPS数据，对电场感知系统的数据进行校正，拟合获得三维空间的潜艇电场分布特性。

2.2 测量潜艇电场空间分布的流程

设计潜艇电场空间分布的测量流程如下：

1）规划运动路径,使电场感知系统在被测船周围起伏环行；

2）利用测量船或者水下潜航器，带动电场感知系统依照事前规划好的路径进行测量，采集并存储电场感知系统及其配备的各辅助设备生成的测量数据；采集并存储校正系统中各DGPS的位置测量数据。

在数据处理系统中完成数据处理，其具体数据处理过程如下：

1）采集数据存储设备中的数据，按照时间序列将数据同步形成数组，其列数据参数为时间，行数据则为某测量时刻各设备输出的数据。

2）自初始时刻开始，根据DGPS数据确定电场感知系统位置与姿态，并利用DGPS数据计算被测潜艇的位置与姿态；

3）依据电场感知系统处的DGPS数据，设置惯性导航系统的初始位置Lang、姿态Sita及姿态转换矩阵Fang的初始值；

4）将下一时刻的时间值替换为当前时刻，利用陀螺仪和加速度计在当前时刻的数据，基于当前惯性位置Lang、姿态Sita及姿态矩阵Fang，计算当前的惯性位置和姿态，并更新Lang、Sita及矩阵Fang的值；

5）依据当前与此前的时间值，判断是否有新的DGPS信号：若否，就保持Lang和Sita值不变；若是，依据DGPS数据计算电场感知系统的位置与姿态，并校正Lang和Sita的值；

6）依据当前与此前的时间值，判断是否有新的DGPS信号：若否，保持被测潜艇的位置值与姿态值不变；若有，计算该时刻新的被测潜艇位置与姿态；

7）依据当前被测潜艇的位置和姿态值校正由5）得到的Lang和Sita的值，计算电场感知系统与被测潜艇的相对Lang，与Sita，；

8）根据电极输出的电场测量值，计算潜艇电场矢量，利用姿态Sita，，潜艇电场矢量转换到潜艇载体坐标系并存储，存储位置变量Lang，，使它与其他数据保持时间上的同步；

9）判断是否还有测量数据，若否，依据变量Lang，和电场矢量，逆向重构电场的三维空间分布整体特性；若是，返回步骤5）。

3 潜艇电场空间分布测量原理分析

3.1 电场空间分布测量方案设计

由运动载体携带的电场感知系统可以在北侧潜艇周围自由移动，进行电场测量之前，先对合理的运动路径进行规划，并确定采样频率。电场感知系统在运动时，采用较高的采样频率测量并存储电场电极、陀螺仪、加速度计的输出信号，同时记录存储DGPS数据，依据DGPS的时钟信号对各项数据进行时间同步，并存储同步后的数据。记录被测潜艇上的3个DGPS观测数据，并与电场数据保持同步。在后期数据处理过程中，计算出各个测量点处的电场矢量和位置值，利用校正系统校正误差之后，拟合所有有效的电场矢量值，最终得出三维空间中电场的整体分布。

3.2 惯性位置与姿态解算原理分析

前面已经介绍了电场感知系统的结构如图3所示，其中的三个支架形成了三维正交坐标系，将此坐标系定义为测量坐标系，本研究的导航坐标系采用大地坐标系。当电场感知系统自由移动时，不同时刻，测量坐标系的姿态和速度不同，在导航坐标系中所处的位置也不同，此时的姿态值、速度值和位置值均由电场感知系统中的陀螺仪和加速度计输出数据通过解算得出。陀螺仪是测量载体角速度值的常用元件，它的输出数据乘以测量的时间间隔值可以得出角度的变化值，累加角度变化值便可得出运动载体的实时姿态。此外，依据该角度值可以进行位置与姿态解算，解算流程如图4所示，依据角度值将运载体的运动加速度分解到相应坐标轴上，分解的加速度分量积分就可以得出平行坐标轴的运动速度分量，速度分量再积分便可得出位置。

图4 为惯性位置与姿态解算流程图

3.3 GPS位置与姿态解算原理分析

为保证足够的测量精度，本系统需要采用载波相位差分GPS测量技术，DGPS参考基站安装在岸站上，固定在电场感知系统中的DGPS和被测潜艇上的3个DGPS都是移动站。GPS定位技术建立在依据测距交会原理上[9]，载波相位测量原理需要检测卫星载波信号从发射时刻到接收时刻的相位变化量，根据变化量的大小计算站星距离，再依据测距交会原理确定载体位置。差分GPS可以改善定位或授时性能，它利用已知的基准站，为终端定位数据提供校正信息、完好性检测信息和其他一些辅助数据，可以进一步提高GPS的测量精度。

常用的DGPS运动测量精度一般为厘米级，静止时测量精度可能提高到毫米级，能够满足潜艇电场空间测量的误差要求。依据几何原理，三点确定一个平面，再依据三个点的具体位置，可以计算出平面的姿态角度。因此，根据电场感知系统和被测潜艇上的DGPS位置值，可以计算出电场感知系统和被测潜艇相对于大地坐标系的姿态值。

3.4 参数校正原理分析

被测潜艇会受到海浪、海流、海风的影响而产生摇摆，潜艇电场也必然会随之摇摆，这就需要利用DGPS实时测得潜艇的位置和姿态，以便校正潜艇电场的相对位置和姿态。采用被测潜艇上的3个DGPS输出位置数据，计算出被测潜艇在大地坐标系中的实时姿态值，校正电场感知系统的位置和姿态，可以补偿摇摆带来的误差，得到相对于被测潜艇的电场位置和电场姿态。

3.5 数据采集方法及其路径规划原理分析

在惯性位置与姿态解算过程中，测量误差会随着时间而积累，使得位置和姿态的测量精度发散。同时，GPS测量数据不是实时输出，其输出频率一般为1 Hz～20Hz；而且，GPS受到遮挡或者在水下时无法接收到卫星信号，不能正常工作。因此，运动路径规划时要兼顾二者优势，避免二者缺陷。当本设备在水下运动时，由陀螺仪和加速度计解算位置和姿态；当处于水上时，由DGPS辅助并校正陀螺仪和加速度计的解算位置和姿态。路径规划时，要注意不能长时间在水下工作，应该将一个长时间的水下任务分为多个短时间任务，与水上任务穿插进行。

3.6 逆向重构原理分析

电场感知系统空间运动测得的电场数据，不可避免的会产生大量的位置重叠数据。电场感知系统的姿态和位置是连续变化的，要求将测得的电场数据统一到大地坐标系中，该数据处理过程可以归于多视数据定位对齐，也称为多视点云的拼合。为了实现测量数据的对齐，可视情形选用直接对齐和基于图形的对齐。数据对齐后，要进行数据拟合，采用数据点，先通过插值拟合成样条曲线，再利用造型软件完成曲面片的重构造型，获得的曲面片经过过渡、混合、连接形成曲面模型，最终得出多面体实体模型。

4 结论

分析了现有电场测量方法的不足，对各测量方法的优缺点进行了比较分析；提出并设计了潜艇电场的空间分布特性测量设备，设计了数据测量流程；对潜艇电场的空间测量各项关键技术从原理上进行了详细的论证，提出的潜艇电场空间分布特性测量方法是可行的，能够有效的测量三维空间潜艇辐射电场的物理特性，克服目前测量技术的不足，填补电场三维测量的空白，为潜艇电场的抑制和防护提供了有效的技术手段。

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[9] 郭承军. 多源组合导航系统信息融合关键技术研究 [D]. 成都: 电子科技大学, 2018.

Research on the Characteristics Measurement Method of Submarine Electric Field

Zhang Anming1, Zhang Haipeng2

（1. The first office of Navy representative in Dalian district, Dalian 116005, Liaoning, China; 2. Power Control Department of Navy Submarine Academy, Qingdao 266042, Shandong, China）

TM154.2+1：

A

1003-4862（2019）08-0010-05

2019-01-23

张安明（1976-），男，高级工程师。研究方向：电气工程。E-mail：fdrk03@163.com