磁強(qiáng)計式數(shù)控消磁系統(tǒng)電流控制技術(shù)

衣 軍，張朝陽

(中國人民解放軍91872部隊，上海 200083)

0 引言

在艦船磁性防護(hù)中，艦船磁性一般分為固定磁性和感應(yīng)磁性［1］，固定磁性一般變化較小且不隨艦船姿態(tài)變化，可以在消磁場站進(jìn)行磁性處理［2］，而感應(yīng)磁性則隨艦船航向和姿態(tài)變化，必須利用安裝在艦船上的消磁系統(tǒng)［3］進(jìn)行補(bǔ)償。消磁電流控制儀是艦船消磁系統(tǒng)的重要組成部分，它根據(jù)作用在艦船上的地球磁場，實時地向消磁電源提供消磁電流控制信號、顯示消磁繞組中的電流和消磁系統(tǒng)工作狀態(tài)，并進(jìn)行不同的工況轉(zhuǎn)換。消磁電流控制儀一般可分為羅經(jīng)式消磁電流控制儀、磁強(qiáng)計式消磁電流控制儀和地磁解算式消磁電流控制儀。羅經(jīng)式消磁電流控制儀無法根據(jù)艦船姿態(tài)變化對消磁電流進(jìn)行調(diào)整，目前應(yīng)用較少;地磁解算式消磁電流控制儀比較先進(jìn)［4］，但不能對變化的地磁場和局部異常地磁場作出反應(yīng);目前應(yīng)用最多的是磁強(qiáng)計式消磁電流控制儀。

對于磁強(qiáng)計式消磁電流控制儀 (如XC－4D型、XC－4(89)型等)，由于磁探頭安裝位置的限制，使得磁探測器在接收地球磁場的同時，還將接收包括船體磁場、繞組磁場等干擾量，直接影響了消磁系統(tǒng)的電流控制精度，因此需要對此類儀器進(jìn)行抗干擾調(diào)整［5］。由于需要專用設(shè)備和專業(yè)技術(shù)人員，并且過程復(fù)雜，抗干擾調(diào)整工作實施難度較大，為此相關(guān)部門對此類儀器的控制和調(diào)整技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)［6］，研制了4DJ型消磁電流控制儀，即所謂“磁強(qiáng)計式數(shù)控消磁系統(tǒng)”，實現(xiàn)了由普通技術(shù)人員對儀器進(jìn)行快速測量操作、儀器自動進(jìn)行地磁分量解算和電流控制參數(shù)調(diào)整，在艦船平穩(wěn)航行在同一緯度區(qū)的情況下，較好地改善了艦船的消磁質(zhì)量。但是，艦船在實際航行過程中，要求其一直處于平穩(wěn)航行狀態(tài)是很困難的，并且經(jīng)常要跨緯度區(qū)航行，因此必須對磁強(qiáng)計式消磁系統(tǒng)的電流控制技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，使之能實現(xiàn)對艦船在任意地區(qū)、任意狀態(tài)下磁探測器所接收的干擾磁場進(jìn)行測量和分離，改善消磁電流的控制精度，切實提高艦船的磁性防護(hù)能力。

1 磁強(qiáng)計式數(shù)控消磁系統(tǒng)控制模型

磁強(qiáng)計式數(shù)控消磁系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。對比傳統(tǒng)的三分量磁強(qiáng)計式消磁電流控制儀原理框圖 (如XC－4D)，可以發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)在硬件設(shè)計上作了一些重要改進(jìn)，例如:增加了測量磁場的顯示功能，去掉了磁探測器處的主反饋，去掉了交叉反饋和固定補(bǔ)償?shù)取?/p>

圖1 磁強(qiáng)計式數(shù)控消磁系統(tǒng)原理框圖Fig.1 The principle diagram of the magnetometer numerical control degaussing system

在任意地區(qū)、任意狀態(tài)下，地磁場在艦船坐標(biāo)系下的三分量HX，HY，HZ為:

式中:φ，θ，φ分別為艦船的縱傾、橫搖和航向角;HD和ZD分別為地磁水平與垂向分量。

如將艦船坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣記為A，則有:

根據(jù)圖1所示，對于磁強(qiáng)計式數(shù)控消磁系統(tǒng)，在任意狀態(tài)下，安裝在艦船桅桿上的磁探頭所接收到的磁場為［7］:

式中:E為單位矩陣;K為感應(yīng)磁化系數(shù)矩陣;η為消磁繞組反饋矩陣;IX，IY，IZ為消磁電流;hPX，hPY，hPZ為固定干擾量。

作為特例，在所有消磁繞組開路的情況下，式(2)可寫成:

在沒有干擾量的情況下，消磁電流(IX，IY，IZ)與地磁分量(HX，HY，HZ)的關(guān)系函數(shù)為

式中B為系統(tǒng)設(shè)計常數(shù):

代入式(3)，整理后得到:

式(7)即為磁強(qiáng)計式數(shù)控消磁系統(tǒng)電流控制模型。η，K及(hPX，hPY，hPZ)為常數(shù)矩陣，可在系統(tǒng)校準(zhǔn)期間測量獲得。

2 干擾量 (常數(shù)矩陣)的測量計算

2.1 矩陣K與固定干擾量hPX，hPY，hPZ的測量與計算

在艦船沒有縱傾和橫搖運動(φ=0°，θ=0°)、消磁繞組斷開情況下，在4個主航向進(jìn)行磁場測量［8］，并依據(jù)式(4)，可得到式(8)～式(11)。

北航向(φ =0°，θ=0°，φ =0°)時，磁場分量(hX，hY，hZ)的測量值為

東航向(φ =0°，θ=0°，φ =90°)時，磁場分量(hX，hY，hZ)的測量值為

南航向(φ =0°，θ=0°，φ =180°)時，磁場分量(hX，hY，hZ)的測量值為

西航向(φ =0°，θ=0°，φ =270°)時，磁場分量(hX，hY，hZ)的測量值為

在東航向上，對艦船進(jìn)行角度為+θ1，－θ1橫搖運動 (無縱傾，消磁繞組斷開)，測量艦船磁場，可以得到式(12)和式(13)。

搖擺角為+θ1時，磁場分量(hX，hY，hZ)測量值為

求出矩陣K之后，由式(15)可得到固定干擾量計算公式:

2.2 矩陣η的測量與計算

保持艦船處于無搖擺運動狀態(tài)，在一固定航向上，通過對不同繞組進(jìn)行通斷電，測量其相應(yīng)狀態(tài)下的磁場值，可計算得到η，具體步驟如下:

首先，斷開3個消磁繞組，測量艦船初始磁場值，并由式(3)可得

其次，將X分量繞組通以電流I1;Y和Z分量繞組保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，測量艦船磁場值，得到:

然后，將Y分量繞組通以電流I2;X和Z分量為斷開狀態(tài)，測量艦船磁場值，得到:

最后，對Z分量繞組通以電流I3;X和Y分量為斷開狀態(tài)，測量艦船磁場值，得到:

合并式(20)、式(21)和式(22)，整理后得到:

3 結(jié)語

在測量、計算得到了艦船的感應(yīng)磁化系數(shù)矩陣K、消磁繞組反饋矩陣η和固定干擾量，并已知測量地的地磁分量HD，ZD和系統(tǒng)設(shè)計常數(shù)矩陣B的情況下，利用本文所提出的消磁電流控制模型可以實現(xiàn)對艦船在任何地理位置、任意狀態(tài)下消磁電流的精確控制，克服了4DJ型儀器對艦船航行姿態(tài)及艦船航行到新的緯度區(qū)需要對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)的限制，降低了艦載消磁設(shè)備的維護(hù)、使用技術(shù)要求，對切實提高艦船的磁性防護(hù)能力具有重要的意義。

［1］HOLMES J J.Reduction of a ship's magnetic field signatures［M］.Maryland:Morgan ＆ Claypool Publishers，2008.

［2］張連魁.艦船磁場分析、臨時線圈消磁［M］.武漢:海軍工程大學(xué)，1991.

［3］張國友.艦船消磁系統(tǒng)［M］.武漢:海軍工程大學(xué)，1994.

［4］劉大明，何明，劉勝道.基于地磁模式組的艦船消磁電流調(diào)整器［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報，2001，13(4):18 －21.

［5］肖昌漢.艦船磁性防護(hù)系統(tǒng)及其抗干擾調(diào)整方法［D］.武漢:華中理工大學(xué)，1998.

［6］吳烏明.磁強(qiáng)計型消磁電流調(diào)整器改進(jìn)研究［J］.水中兵器，2004(1):37－41.

［7］肖昌漢，盧慶芳，王智勇.艦船任意姿態(tài)下消磁系統(tǒng)電流變化關(guān)系［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報，2002，14(1):14－18.

［8］閆輝，肖昌漢.一種海洋環(huán)境地磁場三分量測量方法［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報，2005，17(6):80 －83.