舰船电场及国外电场扫雷技术研究现状

王 进

（海军装备部装备审价中心，北京 100071）

0 引言

舰船电场是除声场、磁场、水压场外最重要的水中军用目标特性之一，已成为水中兵器追踪的重要特征信号，对舰船自身生命力和战斗力构成了严重的威胁，对舰船非声隐身性能和水中兵器的引信设计具有重要影响，研究舰船电场及其相关技术，对海军装备建设有着极为重要的意义[1]。由于特殊建造金属材料、结构布局、推进系统、腐蚀和防腐、能源供给、机电设备等因素，舰船在海水中航行时，会产生明显的水下电场，成为可以被用于对舰船的探测、定位、水中兵器引信的新目标特征[2]。国外已在积极开展目标电场特性的研究，寻求利用舰船的电场特性来探测目标的存在和识别目标类型。随着水下电场传感器技术和信号处理方法的发展，这项工作取得了较大成就，目标舰船电场研究概述目标电场特性已成为探测设备和引信装置新的“信息源”。所以，现阶段的水中兵器引信和舰船设计中，电场特性都是必须考虑的因素。

1 舰船电场概述

舰船是具备复杂设计和采用多技术设备的综合体，不论是运动还是静止，在其所处的环境中均会产生电场。舰船在海洋环境中引起的电场叫做舰船电场，通常可分为静电场和极低频交变电场，是舰船重要的军用目标特性[3]。

舰船水下电场信号为极低频信号，主要可分为l Hz以下的直流分量（静电场）和1～1 000 Hz的交流分量（极低频电场）2个部分。按照舰船电场的来源，可将舰船电场概括为以下6类[4-5]：

1）舰船船体结构中不同金属材料在海水中的电化学腐蚀作用产生的静电场。

2）船体上施加的各种防腐措施产生的电场，即牺牲阳极的阴极保护系统（SCP）和外加电流的阴极保护系统（ICCP）在舰船周围的海水中产生的静电场，如一艘中型舰船的防腐电流就高达几百安培，因而会在海水中产生很强的静电场。

3）主轴转动时的螺旋桨-轴承-船体回路中的电阻变化对腐蚀或防腐电流的内调制，辅助阳极和桨叶之间的电阻随着螺旋桨的转动而发生变化，对腐蚀或防腐电流的外调制产生以轴频和叶频为基频的极低频电场。

4）船体内部电力系统接地不良时，漏电流及船体内部大电流设备对外的电磁辐射也会产生以50 Hz（60 Hz）和400 Hz为基频的交变电场；消磁装置中的电流脉动也产生交变电场。

5）舰船航行时，船体、绕船体运动的海水切割地磁场产生电场；螺旋桨转动切割地磁场产生涡流电场；尾流区海水在地磁场中运动产生电场；舰船在地磁场中振荡产生电场。

6）舰船航行时，铁磁性船体引起周围空间磁通量的变化，从而产生感应电场；船体的运动以及尾流气泡浮起时与海水之间的摩擦也会产生电场。

国外军事大国都非常注重舰船电场特性的研究，并且已经形成了一系列的舰船电场装备。苏联在20世纪50年代末就开展了水下电磁场测试以及装备标准等的研究工作，并装备了利用潜艇电场信号的非触发反潜锚雷（KCM）。美国、英国等西方国家有大量科研机构从事舰船电场研究，如美国水下战中心电磁实验室、加拿大防御研究与发展中心水下电磁分部、英国超电公司、法国泰雷斯公司、法国海军电磁实验室以及日本防御厅第 5研究所等。

舰船电场特性作为一种重要的目标特性，在水中兵器引信、舰船隐身、探测方面都具有重大的军事应用前景。对舰船电场特征的深入了解，将为各种水雷和反水雷兵器的设计提供依据；对舰船的电场隐身性能的测试和评估，将为舰船电场防护装置设计、防腐设计、舰船动力系统设计等提供保障。

2 国外在舰船电场探测技术研究概况

舰船电场的探测技术主要包括水下舰船电场探测装置的研制和舰船电场的信号处理方法的研究。舰船电场信号由于受海水的衰减作用，传播一定距离后将变的十分微弱，所以低噪声电场传感器和测量电路对舰船电场的探测至关重要[6-7]。

随着对舰船水下电场研究的深入，利用目标水下电场进行探测也开始引起人们的关注。20世纪50年代末，前苏联就已经开始研究舰船水下电场，60年代开始在水雷上应用电场引信。还有报道美国和加拿大 60年代就利用冰山设置电场探测浮标，配合卫星定位系统对白令海峡的前苏联潜艇进行联合搜索。目前，俄罗斯和乌克兰都在研究利用水下电场的目标探测技术。瑞典国防研究局科研人员也指出浅水环境中在距离目标数公里远处仍可以探测到其辐射的0.3～3 000 Hz电场信号。

国外在水下电磁场传感器研制方面具有较高的技术水平，瑞典、英国和俄罗斯等国家都具备传感器研制能力。瑞典Polyamp公司研制出采用碳纤维电机作为电场感应元件的水下电场传感器，频率范围为1 MHz～1 kHz，目前已开发出PA-3001和PA-3002共2种型号。英国Ultra公司研制的电场传感器测量元件为 Ag/AgCl电极，频率为 1 MHz～3 kHz，可用于舰船电场测试、电场远程探测、海洋学研究和海洋地球物理勘探等多种领域。英国Subspection公司生产了多型可用于电场远程测量的电场传感器系统，如图1所示，其适合于测量难度较大的濒海地区，目前已用于电场测量、海岸预警系统、以及水雷触发装置。

图1 Subspection公司的电场传感器Fig.1 Electric field sensor of Subspection company

目前，国外电磁场探测系统研制技术也比较成熟，不再是孤立地对舰艇声场、磁场、水压场、电场等多种物理场进行测量研究，而是将这些物理场作为一个整体来进行同点同时测量。英国、西班牙、芬兰、法国等国家研制了舰艇声、磁、电、水压等物理场综合测试系统。

英国超级电子公司磁分部提出了一个由复合型多种传感器组成的水下测量阵系统，该系统能同时进行磁场、电场、声场和压力场等多种舰艇特性的近岸水下测试。西班牙SAES公司90年代末开发了结合磁场、声场、压力、电场和地震波等的水下多感应测试系统（UMIMS），应用了 SAES公司自己设计生产的 SET-200/P电场传感器以测量海水中的水下电场[8]。近年来，SAES公司在西班牙海军支持下设计开发了装备 SAES专有三轴电极阵列的组合引信水雷M1NEA。

芬兰研制了先进的水下多场测试系统MGS-900系列，该系统最新型号能测量声场、磁场、水压场和电场等物理场，该系统采用光纤和网络传输技术，能远距离和高数据率传输测得的信号和数据，并已交付芬兰海军使用。法国研制的MIR2000多场测试系统可同时进行静磁场、静电磁场、交变电磁场、声场、水压场、地震波场和磁场梯度的测量，既可用于固定式的综合试验场地，也可用于便携式的测试环境下。

3 国外在舰船电场建模方面的研究概况

舰船水下电磁场建模技术在舰船水下电磁场预测、特征控制以及隐身测试方面具有很高的应用价值，国外多家单位进行了研究，取得了大量的成果[9]。

英国开发了商业建模软件 BEASY，该软件综合考虑了舰船材料组成、尺度、结构、涂层破损、阴极保护以及海洋环境参数等多种因素，计算内核采用精度较高的边界元算法，计算结果具有较高可信度，广泛应用于舰船阴极保护系统的优化设计中。加拿大国防部和英国Ultra Electronics公司研制的电磁场预测软件还包含了轴频电磁场和电源纹波的模拟计算。加拿大Davis工程公司则利用偶极子模型进行舰船电磁场分布模拟，其提供的ShipEM软件，可以通过输入舰船尺寸结构和阴极保护系统阳极位置，来预测电磁场矢量的空间分布特性。

英国 Aish科技公司开发了基于有限元法（FEM）的舰船腐蚀相关电磁场数值计算软件CPMaster，该软件考虑了舰船阳极和阴极材料在海水中的非线性极化现象，可以对舰船外加电流阴极保护系统和牺牲阳极阴极保护系统进行优化设计，降低与腐蚀相关水下电磁场特征。该公司设计的低特征外加电流阴极保护系统已经装备英国“先锋”级、美国“海狼”级和“弗吉尼亚”级核潜艇。

基于大、中型舰船产生的静电场，西班牙SEAS公司利用各种具体软件和模拟模式对探测距离进行了多项研究，并将研究结果与海上测试结果进行了比较。此外，SEAS 公司还对系统本身、海底以及电场传播中的海水导电性效应进行了扩展的分析。

舰船电场的有限元和边界元方法主要针对于舰船的阴极保护系统，需要较多的先验信息，理论和算法较为复杂，不能满足工程上电场实时预报的要求。对舰船电场建模的另一途径是电偶极子建模方法，虽然它的建模精度不如有限元和边界元方法，但是能够根据测量装置测量到的结果实时计算，对敌方和己方的舰船均能建立模型，克服了有限元和边界元方法只能对己方舰船建模的缺点。对于舰船轴频电场，用时谐电偶极子进行建模更加合适。

4 国外电场扫雷技术发展概况

4.1 国外在电场引信水雷方面的研究概况

在舰船声、磁隐身技术不断提高的今天，浅海水域声呐已不能有效发挥作用，电场探测将作为有效的补充手段，电场引信水雷在国外早已装备部队。苏联在20世纪50年代装备了非触发电场引信反潜锚雷KCM，该雷适用水深700 m，采用双脉冲制电引信，布放水深50～700 m，定深10～210 m，是目前已知的应用电场引信的最早装备。美国也开发了装有声、磁和电三场传感器的LSM智能滨海水雷，该水雷可通过3种传感器实现互补工作来可靠地探测目标。

近年来，SAES公司在西班牙海军支持下设计开发出了装备 SAES专有电极三轴电极阵列的组合引信水雷 M1NEA。MINEA是先进的多感应练习雷，水雷逻辑算法缜密精炼，带有探测声呐，还装备有磁场、声场、地震波和压力等传感器，共开发了3种适应不同条件的水雷：薄断面沉底雷、球形锚雷和圆柱沉底雷。

其他国家在电场引信水雷方面的研究虽未见报道，但从其对舰船电场测量的研究（如英国、法国、加拿大、瑞典等）以及如澳大利亚、瑞典等国家的电场扫雷具的研制情况来看，电场引信水雷应该已经形成装备。

4.2 国外在电场扫雷技术方面的研究概况

电场引信水雷的出现，带动了与其对抗的电场扫雷技术的研究，目前已出现了多种高性能的电场扫雷具。法国90年代后期装备法海军的STERNE-I联合扫雷具和MB电磁扫雷具，可模拟不同类型舰艇的声场、磁场、水下电位场和极低频电场。挪威在其“阿尔塔”级扫雷艇上配用的“埃尔玛（ELMa）”电极式电磁扫雷具，根据电极的不同配置，可以进行水雷设定方式扫雷，也可以按目标设定方式扫雷。芬兰Elesco Oy公司生产的轻型多物理场扫雷系统（MISS）是模块化的轻型扫雷系统，用以模拟舰船的电场，通过改变电流大小、电流方向和扫雷模块的数量来模拟不同的舰艇。

21世纪初，澳大利亚国防工业公司和澳大利亚防御科学技术组织成功地试验了一种“夹接式”电场扫雷具—AMAS-UEP/ELFE扫雷具，在空间上可以准确地模拟航行状态下的目标舰船电场。UEP/ELFE电场扫雷系统展开阵列长93 m，包含沿扫雷具全长精确分布的 8个钛电极和 1个参考电极，这8个主动电极与扫雷阵平行，且与舰船产生电场的相对位置相同，每个电极都可输出直流电流或交流电流，或者是同时输出直流和交流电流[10]。

1993年，瑞典和美国联合研制了SAM 2型气垫扫雷艇，装备了由瑞典卡尔斯克罗纳船厂研制的水下电势（UEP）装置。近年来，瑞典又研制出了SAM 3型扫雷具，如图2所示。SAM 3是近来发展的最现代化的遥控感应扫雷具，可产生类舰船的磁场、声场和电场信号，且可以任意组合，能够模拟不同类型和尺度的舰船[11-12]。

2014年，欧洲防务署（EDA）主导完成模块化轻量化扫雷项目（MLM），配置了由挪威国防研究院（FFI）研制的轻型水下电场（UEP）扫雷具，系统由1对铝电极及其附属电缆组成，安装在无人艇的龙骨附近，如图3所示，2艘无人艇即可较为准确地模拟出舰船电场。

图2 瑞典的SAM 3型扫雷具Fig.2 SAM3 minesweeper of Sweden

图3 EDA模块化轻量化扫雷Fig.3 Modular lightweight mine-sweeping of EDA

5 结束语

舰船电场是舰船的一种重要的军用目标特性之一，已经成为舰船重要的暴露源和识别源，对于促进武器装备、舰船隐身、水下通信的发展都具有十分重要的意义。美、英、俄、芬兰、瑞典、西班牙、加拿大和澳大利亚等欧美军事大国在舰船电场研究和应用方面都极为重视，并在舰船电场研究和应用方面已经达到较高的水平，而且已形成了电场水雷、反水雷系统等一系列的装备。随着电场传感器性能的提高和对舰船电场的不断深入研究，利用舰船电场综合特性的更加先进智能的水雷和反水雷手段必将不断出现和完善，为国内电场引信水雷、电场扫雷及电场防护装备技术的发展提供借鉴和促进。