艦船軸頻電場的軸地有源補償技術

張安明，張海鵬，程崢華

1海軍駐大連船舶重工集團有限公司軍事代表室，遼寧大連116005

2海軍潛艇學院動力操縱系，山東青島266042

3中國人民解放軍92730部隊，海南三亞572016

艦船軸頻電場的軸地有源補償技術

張安明1，張海鵬2，程崢華3

1海軍駐大連船舶重工集團有限公司軍事代表室，遼寧大連116005

2海軍潛艇學院動力操縱系，山東青島266042

3中國人民解放軍92730部隊，海南三亞572016

為了有效減少艦船軸頻電場的影響，降低艦船的暴露率，在分析軸頻電場產生機理和相關電學特性的基礎上，提出艦船軸頻電場的軸地有源補償方法，分析軸地有源補償系統的原理，設計系統的控制框架和功能框架。研究艦船軸地微弱信號監測與調理技術以及電場抑制系統的判斷與控制技術，設計軸地有源補償系統的驅動和功率輸出模塊，開展軸頻電場抑制效果的模擬測試。試驗結果表明：除去環境電場的影響，該系統對軸頻電場的抑制能力超過75%，可以有效降低艦船軸頻電場對艦船隱蔽性的影響。

軸頻電場；電勢補償；電場抑制；艦船

0　引　言

艦船的腐蝕電場和陰極保護系統會在軸系中產生電流，軸系轉動時，其阻抗周期性變化，產生軸頻電場。軸頻電場已成為顯著的艦船特征信號［1］，俄、美、英、加等國已在軸頻電場抑制研究中取得相當成就，并已將消除艦船電場列入其艦船建造規范［2-4］。艦船軸頻電場衰減規律符合麥克斯韋電磁理論，它的傳播距離遠，易被敵方探測到，其特征信號容易被識別并用于對艦船的探測、跟蹤、定位和打擊［5-7］。所以，抑制艦船軸頻電場成為目前亟待解決的問題。

本文將在研究與軸頻電場相關的艦船電學等效模型和電學特性的基礎上，分析軸地有源補償系統的原理，設計軸地有源補償系統產生模塊，研制艦船軸頻電場的閉環實時抑制系統，并在實驗室模擬艦船電場實時抑制試驗，驗證該技術能否有效抑制艦船的軸頻電場強度，減小艦船軸頻電場的影響，削弱遠程探測艦船的特征信號，以增強艦船隱蔽性，提高艦船生命力。

1　艦船軸頻電場特性分析

組成現代艦船的不同金屬，在海水中會表現出不同的電極電位，形成腐蝕原電池，產生腐蝕電流。為提高防腐能力，艦船都會采用有源陰極保護系統［8］，而有源陰極保護系統提供的直流大電流和腐蝕電流卻是產生艦船電場的主要源頭。

要研究艦船軸頻電場特性，主要需要研究艦船軸系。艦船結構部件主要包括轉軸、支承軸承、中間軸承、推力軸承、螺旋槳、滑環、電刷和輪機系統。

在艦船軸系結構的電學分析中，海水是重要的組成部分，而輪機的影響則不大。轉軸上的滑環和電刷之間的接觸電阻對艦船軸頻電場相關結構電學特性的影響很大，是艦船電學特性的重要組成部分。

深入分析艦船軸系的電學特性可知，軸系變化電阻隨著艦船轉軸的周期性變化，會引起電路各處電流發生波動，其中海水電流的周期性變化，會輻射出軸頻電場。此外，艦船電刷接觸電阻使電刷兩端存在波動電壓，并與海水中的電流變化密切相關。

2　艦船軸頻電場抑制方法

2.1軸地有源補償方法的提出

在常規的艦船保養和維護方式下，艦船電刷接觸電阻總是很顯著，即便是采取嚴格的保養和維護制度，艦船電刷接觸電阻也無法避免，電刷兩端依然存在波動電壓。為此，本文提出在艦船電路的大軸與接地船殼之間加入一個軸地有源補償系統Ek，如圖1所示。該軸地有源補償電勢Ek可以由一個漸變可控的直流電動勢實現。引入合適的軸地有源補償系統可以抑制艦船的軸頻電場。

圖1　軸系電路加入軸地有源補償系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of shaft system with compensation circuit

2.2軸地有源補償系統原理分析

以漁船JC的軸頻電場為例，其軸與軸承之間的接觸電阻發生變化引起電壓變化，產生周期性變化的電場（也就是說Rb是一個可變的電阻）。若在大軸轉動時，保證大軸和船殼之間等電位，即可保證軸地電壓的波動為0，從而達到減小軸頻電場的目的。在此思路的指導下，提出了軸地有源補償系統，圖2為該系統的原理示意圖。圖中：Rx為線路電阻值；Rb1為電刷或滑環的接觸電阻值；Rb為軸承和齒輪電阻值；Rw為螺旋槳到船體的電阻值；Ew為船殼和螺旋槳之間的腐蝕或防腐電位差。

圖2　軸地有源補償系統原理示意圖Fig.2　Schematic diagram of compensation circuit

根據基爾霍夫定律，若要使軸地電壓Vx為0，只需滿足Ew≈IwRw，而Iw=I1+I2，其中，I1為電化學腐蝕或防腐產生的電流，I2為補償系統的輸出電流。根據戴維南電路等效定律，則

從式（4）中可發現，Vx與 Iw建立了聯系，將Iw的表達式代入Vx=Ew-RwIw中，可計算出：

從式（5）中可發現，隨著補償增益k的增大，Vx逐漸減小，即若要求Vx為0，則k→∞。為了研究k值取多大時Vx可近似為0，利用俄羅斯文獻提供的參數進行模擬計算，計算條件為：Ew=0.7 V，Rw=0.07 Ω ，Rb=0.03 Ω ，假定Rb1=0.01 Ω，則Vx隨k的變化如圖3所示（縱坐標中，1 μV為0 dB）。從圖3可以發現，若要將Vx控制在100 μV范圍內，k應達到1 700以上。

圖3　軸地電壓與增益的關系曲線Fig.3　Relation curve of the shaft-ground votage and the gain

3　軸地有源補償系統設計

3.1控制框架

應用軸地有源補償系統的概念設計實際的艦船軸頻電場抑制系統，根據控制系統組成原理（圖2），需要考慮如下幾點：

1）控制器需要設計可靠的控制系統，使之能夠適時調節軸地有源補償系統Ek，使之自動適應電刷電壓UR的變化。

2）為實現軸地有源補償系統自動適應電刷電壓的變化，傳感器需要監測某一個能夠反映電刷電壓變化的物理量。本系統選擇監測艦船轉軸與艦船殼體之間的電壓，因電器外殼常作為電路的參考電位點（也叫接地點），所以通常將艦船轉軸與艦船殼體之間的電壓簡稱為軸地電壓。

軸地電壓通常在毫伏級左右，需要選用精度較高的監測電路。

3）對于執行機構，由于軸頻電場抑制系統要求軸地有源補償系統Ek提供一個反向的電動勢，故考慮由反接的可控直流電源作為執行模塊，實現軸地有源補償系統的自適應調節。

3.2功能框架

基于軸地有源補償系統的艦船軸頻電場抑制系統在實現過程中，需要結合具體的艦船軸系結構來完成。

按功能劃分，該軸頻電場抑制系統包括電壓監測、信號調理、判斷、控制、驅動、電源輸出等功能模塊。需要說明的是，因目前出現的許多電路模塊集成度高，功能強大，該系統的結構模塊不一定與功能模塊一一對應，有時一個電路結構模塊可能同時實現兩個或多個功能模塊。

該軸頻電場抑制系統的輸入接口，是艦船軸系結構中轉軸與艦船殼體之間的波動電壓，且電壓信號微弱，波動量更加微小，需要對微小的電壓波動敏感的電壓傳感器才能滿足要求。

對于軸地有源補償系統的輸出接口，需要設計為可控直流電源模塊。

4　基于軸地有源補償系統的軸頻電場抑制技術

4.1艦船軸地微弱信號監測與調理

目前，圖4（a）所示TMxxxxCP系列隔離變送器是性能優良的微弱信號監測器件，其前級采用毫伏級正負雙極性信號輸入的有源隔離模塊，后級采用正負雙極性信號輸出的有源隔離模塊。

軸頻電場抑制系統的軸地微弱信號監測與調理部分的核心部件選用TM1630CP芯片（圖4（b）），配合外圍輔助電路實現微弱信號的監測與調理功能。

圖4　軸地微弱信號監測與調理模塊Fig.4　Weak signal monitoring and control module

4.2軸頻電場抑制系統判斷與控制

圖5所示為實現軸頻電場抑制系統的邏輯判斷與信號控制電路。

圖中，Sout+為測得的艦船大軸與船體之間的軸地電壓，信號來自軸地微弱信號監測與調理模塊。如果Sout+電壓升高，電路電流值會因回路電阻的增大而減小。為保證海水電流恒定，需要經過邏輯判斷，控制Vsc輸出信號。驅動軸地有源補償系統的值反向增大。一方面，可以拉低軸承兩端的電壓Sout+回到平衡位置，另一方面，可以增大滑環支路的電流，補償總電路中因回路電阻增大而減小的電流量，從而維持海水中電流的恒定。反之，如果該Sout+電壓降低，電路就會按照相反的邏輯驅動軸地有源補償系統，控制Vsc輸出信號，維持海水中電流恒定。

其中，DAC和FB_AD信號接口與DSP數字信號處理系統連接，當軸承電阻變化對軸頻電場的影響被消除到極低的程度時，由DSP系統通過先進的算法，估算出艦船螺旋槳槳葉與電極間海水電阻的變化規律，由DAC接口與控制電路連接通信。

圖5　系統邏輯判斷與信號控制模塊Fig.5　System logic judgment and signal control module

4.3軸地有源補償系統模塊的驅動與功率輸出

艦船軸頻電場抑制系統需求作為軸地有源補償系統的可控電源，具有電壓低、電流大、負載反應速度高的特點，Vicor公司提出的分比式功率架構（FPA）以及整合功率V·I晶片，可以滿足本系統的要求。如圖6所示，電壓轉換模塊（VTM）是分比式功率架構的一個基本元件，而預穩壓模塊（PRM）可將不穩定的電壓輸入轉換為穩壓的輸出，利用降壓—升壓穩壓器的控制架構，提供精確而穩定的升壓、降壓電壓調節。

圖6　驅動與功率輸出核心部件Fig.6　Drive core components and power output

PRM和VTM組合使用便可提供可隔離、穩壓輸出的DC-DC轉換器。PRM只有穩壓功能，VTM具有變壓和隔離功能。

本系統的驅動和電源模塊選用PRM_P045F048與VTM48EF012T130A00組成的高效率、低電壓、大電流、負載反應速度快的可控電源，產生艦船電場抑制系統中的軸地有源補償系統。

5　軸頻電場抑制模擬測試試驗

5.1試驗設備

采用某型艦船的縮比模擬模型進行試驗，如圖7所示。該縮比模型模擬了實船中與軸頻電場關系最為密切的部件。軸承、電刷、滑環及軸系均按比例縮小，螺旋槳用銅質金屬片代替，在螺旋槳端放置一個金屬容器，容器中裝有海水，海水與螺旋槳接觸。

圖7　某型艦船的縮比模型Fig.7　Scale model of ship shaft system

電場測量電極是一對Ag/AgCl電極，分別固定在2 m長的木棍兩端，即測量電極的間距為2 m。在木棍兩端加上重物，使木棍保持水平并沉入水中。使電極距離水面1 m，測量電極與螺旋槳間隔3 m，參考電極距2個測量電極1 m。

電場測量裝置由信號調理電路、功率放大電路和USB-6216采集卡組成。信號調理電路包括濾波電路和電壓放大電路2部分，其中，濾波電路為由二階低通濾波器和六階高通濾波器級聯組成的帶通濾波器，通頻帶范圍1～7 Hz，放大電路對該頻帶范圍內的信號放大約5 000倍。USB-6216采集卡對信號調理電路輸出信號進行A/D轉換，然后將轉換后的數字信號送至計算機，計算機則通過軟件控制數據采集與存儲。

5.2試驗方法

試驗中，利用小型電機驅動螺旋槳，轉速保持在150 r/min。先在未啟動軸頻電場軸地有源補償系統的狀態下，測量軸頻電場信號，約10 min后，啟動軸地有源補償系統，繼續對艦船軸頻電場信號進行測量。

5.3數據分析

對試驗測試數據進行頻譜分析。取啟動軸地有源補償系統前后一段時間內的測量數據進行分析，其頻域分布如圖8所示。其中，圖8（a）為未啟動軸頻電場抑制電路時測量數據的頻域分布，圖8（b）為啟動軸頻電場抑制電路后測量數據的頻域分布。

圖8　測量數據頻域分布Fig.8　Frequency distribution of measurement data

綜合分析數據時域和頻域特征可知，在啟動軸地有源補償系統前，分布在1～7 Hz的艦船交變電場強度平均值約為2.86×10-4V/m，在啟動軸地有源補償系統后，該頻域的交變電場強度值明顯降低，平均值約為0.72×10-4V/m。

圖8（a）的頻域分布顯示，未啟動軸頻電場抑制電路時，艦船電場的測量數據中含有顯著頻率2.2 Hz的交流分量，很容易換算出該頻率對應的艦船轉軸轉速為132 r/min，而電機啟動時我們期望的轉速是150 r/min。由于艦船模型存在的制作誤差、電機轉矩非零、系統摩擦力、電機驅動電壓誤差等影響，可以認為電場實測數據的頻率分量值2.2 Hz與實際電機驅動轉速一致。此外，艦船電場的測量數據中還含有顯著頻率6.6 Hz的交流分量，該頻率為基頻2.2 Hz的倍頻，同樣有力地證明了艦船輻射電場與軸頻的密切關系。

圖8（b）的頻域分布顯示，啟動軸頻電場抑制電路后，艦船電場測量數據中原有的顯著頻率2.2 Hz及其倍頻消失了，各頻率的能量相當，不含顯著頻率。這表明啟動抑制電路后，測得的艦船輻射電場基本都是頻率雜散的環境電場，而艦船軸頻電場基本被消除。

6　結　語

本文在研究艦船軸頻電場機理及其電學等效模型的基礎上，提出了一種基于軸地有源補償系統的軸頻電場抑制技術，分析了軸地有源補償系統的工作原理，設計了系統的信號處理模塊、邏輯控制模塊和功率驅動模塊。并在實驗室采用艦船縮比模型模擬了電場抑制試驗。試驗表明：本軸地有源補償系統可以抑制75%以上的艦船軸頻電場，是一種有效的艦船軸頻電場抑制技術。

［1］林春生，龔沈光.艦船物理場［M］.北京：兵器工業出版社，2007.

［2］張海鵬，陳新剛，敖晨陽，等.艦船軸頻電場的負電勢補償抑制方法研究［J］.電力電子技術，2015，49 （2）：24-27. ZHANG Haipeng，CHEN Xingang，AO Chenyang，et. al.Research on the cancellation method of compensat?ed negative potential for ship shaft-rate electric field ［J］.Power Electronics，2015，49（2）：24-27.

［3］李俊.艦船電場隱身技術研究［D］.武漢：海軍工程大學，2010.

［4］DYMARKOWSKI K，UCZCIWEK J.Ships detection based on measurement of electric field in disturbance existing region［C］//Proceeding of the Conference on UDT.London，UK，2000.

［5］張海鵬，陳新剛，敖晨陽，等.基于軸頻電場機理的船體結構電學特性分析［J］.電氣自動化，2015，37 （2）：24-26. ZHANG Haipeng，CHEN Xingang，AO Chenyang，et. al.An analysis on electrical properties of ship structure based on the mechanism of shaft-rate electric field ［J］.ElectricaI Automation，2015，37（2）：24-26.

［6］孫明.艦船感應電場和極低頻電場研究［D］.武漢：海軍工程大學，2003.

［7］ 周士弘，孫玉蘭，劉永志.水中目標非聲特性研究及其應用技術［C］//水中目標特性研究論文集.大連，2002.

［8］龔沈光，盧新城.艦船電場特性初步分析［J］.海軍工程大學學報，2008，20（2）：1-4，26. GONG Shenguang，LU Xincheng.Pilot study of elec?tric field characteristics of warship［J］.Journal of Na?val University of Engineering，2008，20（2）：1-4，26.

Shaft-ground active compensation technology of the ship shaft-rate electric field

ZHANG Anming1，ZHANG Haipeng2，CHENG Zhenghua3
1 Navy military Representative Office in Dalian Shipbuilding Industry Co.Ltd.，Dalian 116005，China
2 Department of Power Control，Navy Submarine Academy，Qingdao 266042，China
3 The 92730thUnit of PLA，Sanya 572016，China

In order to reduce marine shaft-rate electric field influence and the exposure rate of the ship，the mechanism of the electric field is analyzed in this paper，along with the principle of the active compen?sation system.Specifically，the electrical properties are studied based on the analysis of the mechanism of shaft-rate electric field of the ship.The ship shaft-rate electric field suppression is proposed according to the compensated negative potential.The framework and function framework of the system are designed.The weak signal monitoring and processing technology of ship shaft is investigated，and the judgment and con?trol technology of the system is studied.The driving and power output module of the negative potential is de?signed，where the simulation results show that the ship shaft-rate electric field can be suppressed effective?ly with the proposed system，and the stealth property of the ship is simultaneously enhanced.

shaft-rate electric field；potentials compensation；electric field suppression；naval ship

U674.7

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.02.017

2015-07-01網絡出版時間：2016-3-17 10:56

國家自然科學基金資助項目（51377169）

張安明（通信作者），男，1976年生，碩士，工程師。研究方向：電氣工程。

E-mail：zhanganming@tsinghua.org.cn

張海鵬，男，1977年生，博士，副教授。研究方向：精密儀器及機械。E-mail：fdrk@163.com