艦船電場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)的抗掃問(wèn)題研究＊

羅 祎 伊米洛夫·瓦西里

（海軍工程大學(xué)兵器工程系1） 武漢 430033） （俄羅斯海軍學(xué)院2） 俄羅斯圣彼得堡 197183）

0 引 言

艦船電場(chǎng)和電場(chǎng)探測(cè)技術(shù)目前受到許多國(guó)家的關(guān)注.原蘇聯(lián)較早開(kāi)展了這方面的研究，并裝備了電場(chǎng)引信水雷［1］.國(guó)內(nèi)在這方面也作了許多工作，由于起步相對(duì)較晚，主要集中于對(duì)艦船電場(chǎng)的探索［2－4］，對(duì)電場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)的抗掃問(wèn)題涉及的很少.抗掃性關(guān)系到探測(cè)系統(tǒng)的存在價(jià)值.艦船電場(chǎng)是電場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)作信號(hào)，電極式電磁掃雷具雖被設(shè)計(jì)用于清掃磁引信水雷，由電磁理論知道，在對(duì)電極通電時(shí)，在其周圍空間除了產(chǎn)生磁場(chǎng)外還產(chǎn)生電場(chǎng)，因而也可能用于清掃電場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)如水雷等［5］.本文利用俄羅斯的有關(guān)研究結(jié)論，通過(guò)建立艦船及電極掃雷具在分層介質(zhì)下的線電極計(jì)算模型并對(duì)比分析，探討提高電場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)的抗掃性問(wèn)題.

1 電場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)的工作原理簡(jiǎn)介

從已有的資料可以知道，電場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)如水雷等利用傳感器測(cè)量艦船周圍某兩點(diǎn)電勢(shì)差，為實(shí)際應(yīng)用方便，一般測(cè)量垂直方向上不同深度點(diǎn)電勢(shì)差φ12（φ1－φ2），如圖1所示.靜態(tài)電場(chǎng)探測(cè)利用φ12為動(dòng)作參數(shù)，動(dòng)電場(chǎng)探測(cè)利用電勢(shì)隨時(shí)間的變化率為動(dòng)作參數(shù)，還可以利用電場(chǎng)強(qiáng)度及其變化率為動(dòng)作參數(shù)，直接感應(yīng)的一般是電勢(shì)差［6］.

由于艦船電場(chǎng)數(shù)值相對(duì)較小，電場(chǎng)探測(cè)必需借助高靈敏度的傳感器并且設(shè)定較小的動(dòng)作參數(shù)，而電極式掃雷具工作時(shí)通電電流較大，電勢(shì)分布范圍較廣，這使得電場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)的抗掃問(wèn)題比較突出.為了使探測(cè)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)抗掃的同時(shí)不影響對(duì)目標(biāo)艦船的正常動(dòng)作，需要對(duì)艦船電場(chǎng)及電極掃雷具電場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析.

2 艦船電場(chǎng)和電極掃雷具電場(chǎng)對(duì)比

2.1 艦船電場(chǎng)

國(guó)內(nèi)外的研究都表明，艦船電場(chǎng)的產(chǎn)生機(jī)理和來(lái)源十分復(fù)雜.但俄羅斯的研究顯示，艦船電場(chǎng)90%的成分由腐蝕電流產(chǎn)生，據(jù)此來(lái)建立艦船電場(chǎng)的等效模型，不考慮其他來(lái)源成分.

同時(shí)考慮到艦艇的實(shí)際活動(dòng)區(qū)域，空氣－海水－海底分層介質(zhì)對(duì)電場(chǎng)分布有一定影響，艦艇尺寸較大，不應(yīng)作為電偶極子來(lái)計(jì)算，把它等效為線電極處理.

以潛艇為例，根據(jù)艦船腐蝕原理，將螺旋槳等效為負(fù)的線電極，長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，根據(jù)艇體腐蝕源的分布情況，將艇體等效為正的線電極，長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，正負(fù)電極間距為a，設(shè)腐蝕電流強(qiáng)度為I，建立如圖1所示坐標(biāo)系，x軸位于海平面，指向潛艇縱向，z軸垂直向下通過(guò)正電極的一端點(diǎn).

圖1 艇體及測(cè)量點(diǎn)在坐標(biāo)系的位置

首先分析點(diǎn)電極，設(shè)海水、空氣和海底的電導(dǎo)率分別為γ1，γ2和γ3，點(diǎn)電極位于海水中（x0，0，d）位置，根據(jù)電磁理論，在考慮海底和海面影響的情況下，利用鏡像法可得到點(diǎn)電極周圍電勢(shì)計(jì)算公式為

式中：r2＝（x－x0）2＋y2；I為點(diǎn)電極電流；h為海水深度

由電勢(shì)疊加原理，對(duì)點(diǎn)電極的電勢(shì)計(jì)算公式在x軸方向進(jìn)行區(qū)間積分，可以得到潛艇的等效線電極在海水中的電勢(shì).由于空氣的電導(dǎo)率近似為0，海底的電導(dǎo)率γ3＜10－4S／m，海水電導(dǎo)率γ1一般?。?.0～4.5）S／m，故k12≈k13≈1，所以等效線電極電勢(shì)計(jì)算公式為

式中：φ1，φ2分別為正、負(fù)等效電極引起的電勢(shì)，由下式計(jì)算

φ2的計(jì)算公式與φ1類似，這里不再列出.利用電勢(shì)的計(jì)算公式還可以得到電場(chǎng)強(qiáng)度E.

2.2 電極式掃雷具的電場(chǎng)

文獻(xiàn)［6］給出了分層介質(zhì)下點(diǎn)電極的計(jì)算模型并指出電極掃雷具可能用于清掃電場(chǎng)水雷.但對(duì)于常見(jiàn)的兩電極掃雷具，由于其尺寸較大，并呈典型的細(xì)長(zhǎng)型，作為點(diǎn)電極來(lái)計(jì)算時(shí)誤差較大，下面作為線電極來(lái)處理.設(shè)電極長(zhǎng)度為l，兩電極中心間距為L(zhǎng)，建立如圖2所示的坐標(biāo)系，電極與x軸重合，2電極的中間點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)重合.

圖2 兩電極坐標(biāo)系

對(duì)比上述潛艇電場(chǎng)計(jì)算模型，可以得到在考慮邊界影響條件下，海水中任意點(diǎn)的電勢(shì)為

式中：φ2s，φ1s分別為掃雷具正、負(fù)電極引起的電勢(shì)，具體的公式比較繁雜，不再列出.

2.3 對(duì)比分析

分析一般中型潛艇和常見(jiàn)的電極掃雷具，對(duì)各參數(shù)的取值如下：共同參數(shù)h＝200m，γ1＝3.5 S／m，海底和空氣電導(dǎo)率為0；對(duì)潛艇L2＝2m，L1＝50m，a＝15m，d＝40m，I＝40A；對(duì)掃雷具d＝0，I＝3 000A；l＝75m，L＝200m.

利用matlab7.0根據(jù)式（2）、（4）分別計(jì)算潛艇下方10m平面上電勢(shì)分布（如圖3），和掃雷具下40m電勢(shì)分布，如圖4所示.

圖3 潛艇電勢(shì)分布

圖4 電極式掃雷電勢(shì)分布

由潛艇周圍電勢(shì)和電極式掃雷周圍電勢(shì)的計(jì)算模型和空間分布可知，它們都具有近似于雙脈沖異符號(hào)的形狀，都是極低頻信號(hào)，與電流強(qiáng)度線性相關(guān).雖然電極掃雷具電勢(shì)的雙脈沖相距較遠(yuǎn)，但通過(guò)調(diào)整輸入電流極性及時(shí)間間隔或者調(diào)整電極間距等可以克服.由于電極式掃雷具的通電電流可達(dá)到3 000A［7］，遠(yuǎn)大于艦船腐蝕電流，因此其周圍電勢(shì)將遠(yuǎn)大于潛艇周圍電勢(shì)，在未采取有效抗掃措施時(shí)，利用電極式掃雷具清掃電場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)如水雷等可以獲得非常理想的清掃寬度.

例如設(shè)水雷動(dòng)作信號(hào)為雙脈沖異符號(hào)，設(shè)脈沖幅值｜Δφ｜＝0.01v，測(cè)量點(diǎn)1位于水面下40m深度，點(diǎn)1、2垂直間距15m（如圖1），由式（2）可以計(jì)算出，對(duì)上述例子中的潛艇，引信在水平方向的動(dòng)作半徑約為13m；在掃雷具通以幅值3 000A的雙脈沖異符號(hào)電流時(shí)，通過(guò)公式（4）計(jì)算可知，清掃寬度約為320m，遠(yuǎn)大于引信動(dòng)作范圍，這對(duì)水雷來(lái)說(shuō)是非常不利的，必須提高抗掃性.

3 抗掃方法及仿真計(jì)算

3.1 抗掃方法及分析

進(jìn)一步的分析可以發(fā)現(xiàn)，利用電場(chǎng)信號(hào)的頻率和方向等特性都很難實(shí)現(xiàn)抗掃.但另一方面，對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，電極式掃雷具電勢(shì)在近距離時(shí)變化劇烈，遠(yuǎn)距離上分布較為均勻，而潛艇電勢(shì)衰減很快，遠(yuǎn)距離上十分微弱，也即兩者的信號(hào)梯度有差別.利用這一區(qū)別，在垂直方向增加測(cè)量點(diǎn)3和4，如圖1所示，當(dāng)φ12與φ34相差不大，而φ34幅值較大時(shí)認(rèn)為接收的是掃雷具信號(hào)，水雷引信進(jìn)入封閉狀態(tài).此外由于電極掃雷具工作時(shí)一般位于水面，當(dāng)測(cè)量點(diǎn)3，4間距等于1，2間距時(shí)必然滿足｜φ12｜＞｜φ34｜，也作為封閉的必要條件.

因此利用｜φ12－φ34｜作為引信動(dòng)作信號(hào)，φ34作為封閉信號(hào)，并設(shè)定相同的動(dòng)作閥值Δφ，比較任意時(shí)刻的｜φ12｜與｜φ34｜，以及｜φ12－φ34｜與｜φ34｜.當(dāng)｜φ12｜＞｜φ34｜，且｜φ12－φ34｜＜｜φ34｜時(shí)引信將封閉；當(dāng)｜φ12｜＞｜φ34｜，｜φ12－φ34｜＞｜φ34｜，或者｜φ12｜＜｜φ34｜，｜φ12－φ34｜＞Δφ時(shí)引信正常動(dòng)作.這樣在對(duì)抗電極式掃雷具時(shí)，只有在掃雷具位于近距離時(shí)，電勢(shì)變化劇烈，才能滿足水雷動(dòng)作條件，可以顯著地降低掃雷具的清掃范圍.

而對(duì)于目標(biāo)潛艇，在遠(yuǎn)距離時(shí)電勢(shì)信號(hào)無(wú)法滿足動(dòng)作閥值，近距離時(shí)會(huì)正常動(dòng)作.

1）當(dāng)目標(biāo)潛艇位于測(cè)量點(diǎn)1上方附近時(shí)，φ12與φ34符號(hào)相同，但φ34幅值很小，引信將正常動(dòng)作.

2）當(dāng)潛艇在垂直方向上位于測(cè)量點(diǎn)2、3之間時(shí)，φ12與φ34符號(hào)相反，所以｜φ12－φ34｜＝｜φ12｜＋｜φ34｜顯然大于｜φ34｜，引信將正常動(dòng)作，且動(dòng)作范圍將擴(kuò)大.

3）當(dāng)目標(biāo)潛艇位于測(cè)量點(diǎn)1，2以及3，4之間時(shí)，在正中位置會(huì)有極小的動(dòng)作間隙.只選取兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)時(shí)也存在這樣的情況.考慮到潛艇的實(shí)際尺寸和運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定性，對(duì)垂直方向的動(dòng)作范圍的影響不大.

4）當(dāng)目標(biāo)潛艇位于測(cè)量點(diǎn)4之下時(shí)，φ12與φ34符號(hào)相同，且φ34幅值大于φ12，所以引信正常動(dòng)作.

3.2 仿真計(jì)算結(jié)果

對(duì)上述抗掃方法進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證.測(cè)量點(diǎn)2，3間距取30m，測(cè)量點(diǎn)3，4間距取15m，其他參數(shù)選擇上述例子中相同的數(shù)值，通過(guò)計(jì)算可知：

1）此時(shí)上述掃雷具的掃寬為80m，而不采取抗掃措施時(shí)掃寬達(dá)320m，掃寬降為原來(lái)的1／4，抗掃效果十分明顯.

2）對(duì)目標(biāo)潛艇在水平方向的動(dòng)作半徑不是固定值：目標(biāo)位于點(diǎn)2，3之間時(shí)大于18m；目標(biāo)位于測(cè)量點(diǎn)1，2以及3，4之間時(shí)約10m；目標(biāo)位于點(diǎn)1之上或點(diǎn)4之下時(shí)動(dòng)作區(qū)域與選取兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)時(shí)基本相同，約為13m.所以對(duì)水平方向的動(dòng)作范圍也有所提高.

3）在垂直方向動(dòng)作范圍擴(kuò)大為100m，未采取抗掃措施時(shí)垂直方向動(dòng)作范圍僅為40m.因此這一方法還可以提高垂直方向動(dòng)作范圍，這對(duì)打擊潛艇是很有意義的.

4）由計(jì)算知道，對(duì)動(dòng)作參數(shù)較大的探測(cè)系統(tǒng)，可以適當(dāng)調(diào)整測(cè)量點(diǎn)位置，在滿足探測(cè)系統(tǒng)具有一定的動(dòng)作范圍前提下進(jìn)一步降低電極掃雷具的清掃寬度.

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上分析表明，該方法能顯著提高電場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)與電極式掃雷具的對(duì)抗性能，并提高了探測(cè)系統(tǒng)動(dòng)作范圍，對(duì)電場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)與其他工作方式的電場(chǎng)掃雷具對(duì)抗也有借鑒意義.

至于該方法與其它抗掃方法的對(duì)比研究還需進(jìn)一步討論.此外文中涉及到艦船電場(chǎng)的簡(jiǎn)化模型，更精確的計(jì)算模型需進(jìn)一步分析.

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