消磁技術(shù)對艦船磁場特征的影響

田 東，劉勝道，高俊吉

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消磁技術(shù)對艦船磁場特征的影響

田 東，劉勝道，高俊吉

(海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢430033)

介紹了艦船消磁技術(shù)的典型作用，分析了水雷磁引信技術(shù)的發(fā)展概況，針對水雷磁引信的工作原理探討了消磁技術(shù)對艦船磁場特征的影響效果和途徑。

消磁技術(shù) 磁引信 磁場特征 磁性對抗

0 引言

鋼鐵材質(zhì)的艦船在地磁場作用下被磁化產(chǎn)生固定磁場和感應(yīng)磁場等艦船磁場，該磁場量級可觀且難以消除，是磁性水雷識別、定位和攻擊艦船的穩(wěn)定信號源[1]。為了與磁性水雷對抗，艦船消磁技術(shù)應(yīng)運而生，其采用現(xiàn)代電磁方法和控制技術(shù)將艦船磁場消除或補償?shù)揭欢ǚ秶鷥?nèi)[2]，保護(hù)艦船海上通行安全。隨著現(xiàn)代磁引信的發(fā)展，磁性水雷威脅逐步增大，消磁技術(shù)面臨更大的挑戰(zhàn)。本文結(jié)合艦船消磁技術(shù)作用效果和現(xiàn)代磁引信工作原理分析了消磁技術(shù)與磁性水雷的對抗能力，探討了消磁技術(shù)對艦船磁場特征的影響效果和途徑。

1 消磁技術(shù)的典型作用

艦船消磁技術(shù)主要包括固定磁性處理技術(shù)和感應(yīng)磁性補償技術(shù)，其中固定磁性處理主要是利用大功率脈沖電流使艦船呈現(xiàn)出磁中性狀態(tài)，而感應(yīng)磁場補償技術(shù)則是通過艦載消磁繞組產(chǎn)生與艦船磁場大小相等且方向相反的磁場來抵消艦船磁場。但是，由于艦船磁場成因復(fù)雜，航行中測量比較困難，且消磁系統(tǒng)性能受多種因素制約，目前消磁技術(shù)還很難將艦船磁場完全消除，只能將其消減到一定的范圍內(nèi)。消磁后艦船磁場量級顯著降低，艦船目標(biāo)被磁引信探測和發(fā)現(xiàn)的距離大幅減小，有效降低了艦船航行中的觸雷風(fēng)險。同時，為了探測消磁后較小的艦船磁信號，磁引信需要設(shè)置更高的靈敏度，在海洋背景噪聲和人為干擾磁場存在的情況下，艦船磁信號信噪比減小，甚至淹沒在噪聲中，磁引信進(jìn)行信號處理、識別和定位的難度增大，水雷打擊的準(zhǔn)確性和有效性也隨之降低。

2 消磁技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，水雷磁引信的能力不斷增強，艦船受到的威脅也越來越大。從現(xiàn)代磁性水雷的工作原理來看，磁引信能力增強主要體現(xiàn)在兩個方面：一是水雷磁傳感器分辨率大幅提高，可檢測更低量級的磁信號。目前水雷磁引信適用的磁傳感器最高分辨率已達(dá)nT級，而結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、體積較大的光泵磁強計、質(zhì)子旋進(jìn)式磁強計和超導(dǎo)磁強計分辨率更是高達(dá)pT級[1,3]。由于航行中艦船磁場變化復(fù)雜，消磁系統(tǒng)受繞組數(shù)量、布設(shè)位置和電流等因素影響，要保證艦船在整個適合水雷布設(shè)的深度內(nèi)不被高靈敏度磁引信探測變得更加困難；二是水雷磁引信的信號處理和目標(biāo)識別定位技術(shù)取得了一定的進(jìn)步。由于自然干擾，人為干擾的存在，且磁場幅值、變化率受目標(biāo)大小、距離和速度等因素影響，探測到磁信號即爆炸的傻瓜模式水雷逐漸被淘汰，水雷磁引信朝著能夠識別目標(biāo)性質(zhì)和位置信息的智能化方向發(fā)展，其采用各種抗干擾、抗掃、目標(biāo)識別和定位技術(shù)來確保爆炸的有效性，其中包括艦船磁場直觀波形特征[1]（如變化率和脈沖特性）、三分量特性（如夾角余弦定位[1]，矢量橫向動作區(qū)域控制[5]，矩特征估算速度[1]等）以及基于艦船磁場與橢球體磁場相似的模型化檢測方法[1,6]等，這些技術(shù)給艦船消磁技術(shù)提出了磁場特征控制的新要求。

圖1 現(xiàn)代水雷磁引信工作原理[1,4]

3 消磁技術(shù)對艦船磁場特征的影響

水雷打擊艦船的效果主要取決于識別和定位艦船目標(biāo)的準(zhǔn)確性，其與艦船磁場的特點和磁引信選取利用磁場特征的方法有關(guān)。因此，消磁技術(shù)與磁性水雷的對抗能力可以用消磁技術(shù)對艦船磁場特征的影響效果和途徑來衡量。

1）消磁技術(shù)對艦船磁場特征的消減?，F(xiàn)代磁性水雷的工作方式多樣，消磁后艦船磁場也比較復(fù)雜，消磁工程師開展了大量卓有成效的研究工作，最直接的辦法就是消除水雷磁引信工作的信號源，磁場幅值消減就是最常見的做法[7]，但磁引信還可以利用磁場變化率和梯度進(jìn)行工作，為此，文獻(xiàn)[8]和[9]利用進(jìn)化算法分別提出了同時減小幅值和梯度的消磁系統(tǒng)控制方法以應(yīng)對可能的多種磁引信水雷的威脅。又由于艦船磁性對抗能力不僅與艦船磁信號量級有關(guān)還受水雷工作機(jī)制影響，達(dá)到消磁標(biāo)準(zhǔn)時艦船磁場分布可能不同，其與水雷對抗的能力也可能不同，故文獻(xiàn)[10]提出了一種利用消磁后艦船磁場少數(shù)統(tǒng)計特征量預(yù)測艦船磁性對抗能力的方法，也由此可控制消磁系統(tǒng)使艦船磁場特征最大限度地接近最優(yōu)的標(biāo)準(zhǔn)。此外，考慮到各類艦船有著自身獨特的物理結(jié)構(gòu)和磁特性，文獻(xiàn)[11]提出了以水雷檢測概率為目標(biāo)提取艦船磁場特征來識別艦船的方法，這些特征既可能用于磁性水雷，也可指導(dǎo)消磁作業(yè)進(jìn)行有針對性地消減。

2）消磁技術(shù)對艦船磁場特征的破壞。消磁后艦船磁場在消磁標(biāo)準(zhǔn)深度上分布極不均勻，出現(xiàn)多個極值，而水雷關(guān)注的磁場特征則更多地集中在艦船消磁標(biāo)準(zhǔn)深度以外的區(qū)域。從物理上看，在自然磁化狀態(tài)下，雖然艦船鐵磁設(shè)備眾多，但整體上艦船與橢球體具有相似性，尤其是離開船體較遠(yuǎn)時，磁場局部的不均勻性退化，使得艦船磁場與橢球體磁場非常相似，在距離1.5倍船寬距離以上橢球體擬合精度達(dá)到85%以上[1]，也因此呈現(xiàn)出諸多與橢球體磁場相關(guān)的特性。但是艦船磁場模型的適用性不僅僅受距離影響，還與艦船的磁性狀態(tài)有關(guān)[12]。經(jīng)過固定磁性處理和內(nèi)消磁系統(tǒng)補償后，艦船磁疇的變化和線圈電流磁場的存在使得艦船磁場在消磁標(biāo)準(zhǔn)深度上類似于多個小橢球體或磁偶極子磁場的不規(guī)則組合，與單個橢球體或磁偶極子磁場的差別變大，艦船磁場單個橢球體和磁偶極子模型的精度和適用距離受到影響，在一定深度上影響基于此類模型識別和定位目標(biāo)的準(zhǔn)確性，而且某些磁場特征在更遠(yuǎn)的距離上才可能會顯現(xiàn)。

3）消磁技術(shù)對艦船磁場特征的干擾。掃雷具的存在迫使水雷增加了一定的抗掃技術(shù)，消磁技術(shù)與磁性水雷的對抗還應(yīng)該考慮和借鑒掃雷具的作用。其中，普通電極式掃雷具磁場與艦船磁場差別較大易被磁引信以特定的物理量鑒別[1]，因此各國海軍相繼研發(fā)了目標(biāo)設(shè)定式掃雷具，通過專門設(shè)計的可控磁體模擬目標(biāo)艦船的磁場特征，要求模擬出的磁場具有三分量結(jié)構(gòu)且比例恰當(dāng)，也不能是脈沖磁場[13-15]，否則可能會被水雷抗掃機(jī)制識別而進(jìn)入保護(hù)模式，譬如單軸磁體磁場易與三軸磁體磁場區(qū)別而被磁性水雷識破[16-18]。這可看作一種啟示，除去艦船自身磁場，消磁系統(tǒng)本身就可視作一套可控的三軸磁體組合，在減小磁場量級的同時可嘗試控制消磁系統(tǒng)使艦船最終顯現(xiàn)出不符合三分量結(jié)構(gòu)和比例的磁場，這可能迎合水雷磁引信的抗掃機(jī)制，也可能改變由于艦船長寬比造成的艦船縱向磁化大于橫向和垂向[4]而呈現(xiàn)出來的某些磁場特性。此外，文獻(xiàn)[19]提出了一種利用線電極式掃雷具伴隨被保護(hù)艦船的智能水雷的主動干擾方法，隨著分布式消磁系統(tǒng)和超導(dǎo)消磁技術(shù)的發(fā)展[20]，消磁系統(tǒng)繞組電流磁場的控制將更加靈活，借鑒該主動干擾方法并利用消磁系統(tǒng)產(chǎn)生脈沖磁場理論上也具有可行性。當(dāng)然，由于艦船本身磁場復(fù)雜且量級較大，消磁系統(tǒng)畢竟不是為模擬目標(biāo)而專門設(shè)計的可控磁體，且這類做法通常會犧牲信號量級的消減能力，能否實現(xiàn)并達(dá)到效果需要研究和論證。

4 結(jié)束語

從國內(nèi)外公開的研究情況來看，磁引信技術(shù)的發(fā)展給消磁技術(shù)帶來了更大的挑戰(zhàn)，但是消磁技術(shù)在現(xiàn)代磁性對抗中的價值不僅僅在于艦船磁信號強度的消減，還在于其改變艦船磁特性進(jìn)而影響磁引信識別、定位目標(biāo)準(zhǔn)確性的能力上。為了進(jìn)一步提高艦船磁性對抗能力，有必要將消磁技術(shù)與磁引信技術(shù)在整個布雷深度內(nèi)聯(lián)系起來，深入研究艦船磁場特征在消磁前后的變化，探索控制艦船磁場特征的新途徑。

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Influence of Degaussing Technology on Ship’s Magnetic Features

Tian Dong, Liu Shengdao, Gao Junji

（College of Electrical Engineering, Naval Univ.of Engineering, Wuhan 430033, China）

TM26

A

1003-4862（2017）03-0048-03

2016-11-15

田東（1984-），男，博士研究生。研究方向：電磁環(huán)境與防護(hù)技術(shù)。