基于遠場等效磁矩的潛艇磁防護技術

張朝陽，虞偉喬，陸鵬飛

(1.海軍裝備技術研究所，上海 200083； 2.中國人民解放軍91656部隊，上海 200080)

基于遠場等效磁矩的潛艇磁防護技術

張朝陽1，虞偉喬2，陸鵬飛2

(1.海軍裝備技術研究所，上海 200083； 2.中國人民解放軍91656部隊，上海 200080)

摘要：從控制潛艇磁性的源頭出發，根據潛艇高空磁場與磁偶極子磁場的等效性，以及磁偶極子磁場與電流環磁場分布的一致性，提出一種基于遠場等效磁矩的磁防護方法。通過布設簡單補償繞組，直接補償潛艇等效磁矩，從而降低潛艇遠場磁場。仿真實驗結果表明，該方法可有效降低潛艇的遠場磁場，提高潛艇對抗航空磁探的能力，為實際潛艇的遠場磁防護提供了一種新的思路和技術手段。

關鍵詞：潛艇；磁防護；等效磁矩；航空磁探；磁偶極子

0引言

潛艇最主要的優勢是隱身性，而潛艇本身產生的磁場對其隱身性能卻構成了巨大威脅。隨著潛艇磁探測(航空磁探)技術的發展[1-3]，活動在大洋中的潛艇越來越容易被發現，為充分發揮潛艇的戰略作用，采取必要有效的磁防護手段，增強其磁隱身能力，顯得非常重要。在消磁站消除固定磁場和利用艦載消磁系統抵消感應磁場是目前艦艇消磁的主要手段，若采取這2種防護手段，則潛艇的磁防護能力可大大增強，能有效對抗航空磁探[4-5]。但對于很多潛艇，一方面由于現有消磁系統的重量和功率比較大，潛艇承載能力有限，消磁系統安裝條件受限；另一方面，由于潛艇的空間狹小，消磁系統的安裝空間受限。因此，很多潛艇無法安裝現有消磁系統，磁防護性能大大降低，必須采用新的防護技術手段。

對潛艇而言，對抗航空磁探的遠場磁防護要比對抗磁性水雷的近場磁防護重要的多，另外，現有消磁系統一般都針對近場磁場而言，其最終目標是用通電繞組磁場補償掉近場磁場，達到防磁性水雷的目的。若采用現有消磁系統補償近場磁場的方法去抵消遠場磁場，則需要測量遠場磁場來對繞組電流進行調整，而這在實際中非常困難，很難實施。

針對上述問題，有必要研究一種專門針對潛艇遠場磁場的磁防護方法，使之能夠方便、較好的補償遠場磁場(消除固定磁性后的潛艇感應磁場)，并且能夠較快應用到潛艇上，提高潛艇對抗航空磁探的能力。本文試圖從潛艇的遠場等效磁矩出發，利用圓形線圈(矩形線圈)遠場磁場與磁偶極子磁場等效的原理，設計簡易遠場磁防護系統，對基于等效磁矩的潛艇遠場磁防護方法進行仿真分析，為提高實際潛艇的防磁探能力提供一種技術手段。

1理論分析

1.1　潛艇遠場等效磁矩

磁矩是磁場產生的源。根據文獻[6]可知，在潛艇上方高空(距離潛艇2.5倍艇長以上)中，潛艇的磁場可以用一個等效磁偶極子產生的磁場代替。該磁偶極子具有三分量的磁矩，即為潛艇的遠場等效磁矩，潛艇高空任意位置的磁場均可由此等效磁矩計算得到。潛艇的等效磁矩理論上可以由文獻[7]的方法測量得到，但由于實際潛艇的遠場磁場難以測量，因而難以應用于工程實踐。

由于本文主要討論潛艇消除固定磁性后感應磁場的補償方法，因此等效磁矩一般為等效感應磁矩。等效磁偶極子等效磁矩的3個分量可記為：縱向等效磁矩Mx、橫向等效磁矩My、垂向等效磁矩Mz(未完全消除的部分固定磁性、垂向固定磁性可與感應磁性合在一起討論)。潛艇遠場等效磁矩可以按照下述方法求得：1)測量得到2個相反航向的潛艇近場磁場；2)利用高空磁場換算方法[8-9]計算得到2個航向的高空磁場；3)計算得到2個航向的等效磁矩；4)利用磁矩分解得到潛艇的遠場等效磁矩三分量。

1.2　磁偶極子磁場與電流環磁場的等效

根據文獻[10]，對于磁矩沿x軸方向的磁偶極子，當場點與磁偶極子距離遠大于磁偶極子尺度時，其磁場表達式為：

(1)

根據“分子電流”觀點，微小環電流(或與場點、源點間的距離相比可視為微小電流環的通電繞組)的作用相當于磁偶極子，該環電流的作用可用磁矩表示為：

M=ISn。

(2)

式中：S為電流環所圍的面積；I為電流環的電流大小；n為S與電流環成右手螺旋關系的法向單位向量。

電流環在遠處場點產生的磁場表達式與式(1)相同[11]，表明電流環在遠處產生的磁場與磁偶極子在遠處產生的磁場等效。圖1為電流環與磁偶極子產生的磁場的對比圖，從圖中可以看出，在遠處二者產生的磁場分布一致。

圖1　電流環與磁偶極子產生磁場的比較Fig.1　Compare the field generated by circle current with the　field generated by magnetic dipole

1.3　潛艇遠場磁場的補償原理

因為潛艇高空磁場可用磁偶極子產生的磁場等效，同時，磁偶極子產生的磁場又與相應電流環產生的磁場相同，因此，可以考慮在潛艇位置處設計一個環電流(簡易通電繞組)，使得在高空產生與潛艇遠場磁場大小相等、方向相反的磁場，達到抵消潛艇遠場磁場的目的，實際上就是利用潛艇處的環電流產生一個與潛艇等效磁偶極子磁矩大小相等、方向相反的等效磁矩，從源頭上控制潛艇的高空磁場。

在得到潛艇的遠場等效磁矩后，可由下式計算環電流的大小：

I=M/S。

(3)

式中：M為潛艇某一方向的等效磁矩大小；S為電流環的環面積；I為電流大小。

可以根據潛艇3個方向的遠場等效磁矩構造3個環電流，在3個方向上產生反向磁矩對潛艇磁性進行補償，使得潛艇的遠場磁場降低到很小的水平。因此，用簡單的幾個環電流，就可以很好降低潛艇的遠場磁場，這就是基于遠場等效磁矩的磁防護技術的基本原理。該方法的補償原理如圖2所示。具體線圈布置示意如圖3所示，環電流Ix，Iy，Iz分別補償遠場等效磁矩Mx，My，Mz。

圖2　潛艇遠場磁場補償原理框圖Fig.2　The theory block diagram of compensating the far　magnetic field of submarine

該方法的新穎之處在于其補償原理是對潛艇等效磁性的直接補償，而非是傳統方法中對磁場的簡單擬合抵消，相比傳統意義上的防護原理更好理解，具體實施更為方便。

環電流的產生可以用傳統消磁系統補償中的通電繞組產生，對于潛艇而言，通電繞組可以選擇圓形線圈或矩形線圈[10](遠距離的高空均可視為微小電流環)。

2磁防護技術的仿真實驗分析

根據上述基于遠場等效磁矩的磁防護原理，可知理論上僅需一組繞組線圈(包括水平繞組線圈、縱向繞組線圈和橫向繞組線圈)即可將潛艇高空磁場補償。下面根據實驗室某潛艇模型的磁場測量數據，按照上述方法對防護效果進行仿真實驗分析。

在實驗室測量某潛艇模型(對模型進行了簡單消磁處理，還有部分固定磁性)北航向、南航向的近場包絡面磁場，用邊界元法[9]計算兩航向高空磁場和高空等效磁矩，然后得到北航向遠場等效磁矩(包括縱向磁矩和垂向磁矩，橫向磁矩為0)，由式(3)得到遠場補償安匝量(單匝電流大小和匝數的乘積)，考察加入補償電流后高空磁場的變化。

經計算得到該潛艇遠場等效磁矩為：

Mx=45 113 Am2，My=0，Mz=-3 868 Am2。

遠場補償繞組線圈設計如下，其中線圈電流方向按右手定則規定為：產生正向磁矩的電流方向為正向，相反為負向。

縱向補償繞組線圈：布放在潛艇中心位置，采用圓形線圈，半徑取R=3 m，安匝量大小為Mx/(πR2)=532安匝，電流方向取負向。

垂向補償繞組線圈：布放在潛艇中心位置，采用正方形矩形線圈，邊長為4 m，安匝量大小為Mz/42=121安匝，電流方向取正向。

由于北航向橫向磁矩為0，不用橫向補償繞組線圈。

實際中線圈可采用多匝纏繞以降低單匝線圈的電流大小。

采用上述參數通電后，考察高度為H的高空某平面(H>200 m)上潛艇磁場(對應到實艇)的補償效果。如圖4為潛艇北航向磁場補償前后的磁場對比情況，圖中給出了z分量磁場和總量磁場的變化情況，每列的前2個小圖為補償前和補償后的磁場曲面比較圖，第3個小圖為中間一條測量線的磁場比較曲線。從圖中可以看出，針對遠場等效磁矩，采用簡單的幾組通電繞組線圈，即可將高空磁場補償的很好。z分量磁場最大幅值由原來的1.6 nT變為了0.14 nT，總量磁場最大幅值由原來的1.8 nT變為了0.18 nT。對于分辨率為0.2 nT的磁探儀，沿北航向潛艇正上方探測時，補償前有效磁異常長度和有效磁異常面積[5]分別為1 020 m和656 800 m2，補償后，均變為0，磁探儀已經探測不到潛艇。

從上面的仿真分析可以看出，采用簡單的幾組繞組線圈(縱向，橫向和垂向)對潛艇遠場等效磁矩進行反向補償，即可較好地降低遠場磁場，提高潛艇對抗航空磁探的能力。

3結語

根據潛艇高空磁場與磁偶極子磁場的等效，以及磁偶極子與電流環產生磁場的一致性，采用簡單的補償繞組線圈，直接補償潛艇遠場等效磁矩，即可降低潛艇的遠場磁場，提高潛艇對抗航空磁探的能力，該研究為實際潛艇的遠場磁防護提供了一種思路和技術手段。另外，雖然在理論上可以把補償繞組線圈布放在一處，但由于較大的安匝量可能把線圈所環繞的設備磁化，因此在實際中繞組線圈的布設應盡量分散成螺線管狀(這樣不會影響遠場磁場的補償效果)，且盡量離開設備環繞，只要保證總的安匝量不變即可。

參考文獻：

[1]ALASTAIR D.Computerized model demonstrating magnetic submarine localization[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,1977,13-3(5):246-254.

[2]HIROTA M.Magnetic detection of a surface ship by an airborne LTS SOUID MAD[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity,2001,11-1(3)：884-887.

[3]KEVIN P H,THOMAS J H,MARK N K.Detection of mobile targets from a moving platform using an actively shielded,adaptively balanced SQUID gradiometer[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity,2005,15-2(6):753-756.

[4]徐杰.潛艇防磁探能力評估方法研究[J].艦船科學技術，2009，31(9)：64-68.

XU Jie.Evaluate the capability of preventing from magnetic detecting of submarines[J].Ship Science and Technology,2009,31(9):64-68.

[5]張朝陽.潛艇高空磁場特征分析研究[D].武漢：海軍工程大學，2006.

ZHANG Zhao-yang.Research on the analyses of the submarine′s aerial magnetic character[D].WUhan:Naval University of Engineering,2006.

[6]張朝陽，肖昌漢，高俊吉，等.磁性物體磁偶極子模型適用性的試驗研究[J].應用基礎與工程科學學報，2010，18(5)：862-868.

ZHANG Zhao-yang,XIAO Chang-han,GAO Jun-ji,et al.Experiment research of magnetic dipole model applicability for a magnetic object[J].Journal of Basic Science and Engineering,2010,18(5):862-868.

[7]翁行泰，曹梅芬，吳文福，等.磁異探潛中潛艇的數學模型[J].上海交通大學學報，1995，29(3)：27-32.

WENG Xing-tai,CAO Mei-fen,WU Wen-fu,et al.The mathematical model of a submarine in magnetic anomaly detection[J].Joural of Shanghai Jiaotong University,1995,29(3):27-32.

[8]張朝陽，肖昌漢，陳文濤.基于下方近場平面磁場的潛艇高空磁場計算方法[J].海軍工程大學學報，2011，23(5)：88-92.

ZHANG Zhao-yang,XIAO Chang-han,CHEN Wen-tao.Calculation method for aerial magnetic field of submarine based on near field of nether plane[J].Journal of Naval University of Engineering,2011,23(5):88-92.

[9]高俊吉，劉大明，姚瓊薈，等.用邊界元法進行潛艇空間磁場推算的實驗檢驗[J].兵工學報，2006，27(5)：869-872.

GAO Jun-ji，LIU Da-ming，YAO Qiong-hui,et al.Testing the submarine magnetic field extrapolation with boundary element method through experiment[J].Acta Armamentarii，2006，27(5)：869-872.

[10]周耀忠，張國友.艦船磁場分析計算[M].北京：國防工業出版社，2004：135-153.

[11]趙凱華，陳熙謀.電磁學[M].北京：高等教育出版社，2003.

Research on the submarine′s magnetic defense technology based on the far field equivalent magnetic moment

ZHANG Zhao-yang1, YU Wei-qiao2, LU Peng-fei2

(1.Navy Equipment Technology Institute,Shanghai 200083,China;

2.No. 91656 Unit of PLA,Shanghai 200083,China)

Abstract：Starting from controlling the magnetic source of the submarine, according to the equivalence of the submarine′s aerial field and the magnetic dipole′s field, as well as the coherence of the magnetic dipole′s field and the current loop′s field, one novel magnetic defense method based on the far field equivalent magnetic moment was founded. By laying simple compensation loops, the equivalent magnetic moment can be compensated directly, and the far field of the submarine can be reduced. The simulation experiment′s result showed that the method can reduce the far field of the submarine effectively, which can improve the ability of the submarine to resist the aerial magnetic detection and support a new idea and a novel technology means for the actual submarine′s far field′s magnetic defense.

Key words：submarine;magnetic defense;equivalent magnetic moment;aerial magnetic detection;magnetic dipole

作者簡介：張朝陽( 1981 - ) ，男，博士，工程師，主要從事艦船消磁和磁性目標定位等方面的研究。

收稿日期：2013-12-06； 修回日期： 2014-02-25

文章編號：1672-7649(2015)02-0097-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.020

中圖分類號：O441.2

文獻標識碼：A