潛艇電場的空間分布特性測量方法研究

張安明，張海鵬

潛艇電場的空間分布特性測量方法研究

張安明1，張海鵬2

（1. 海軍駐大連地區第一軍事代表室，遼寧大連 116005；2.海軍潛艇學院動力操縱系，山東青島 266042;）

針對電場測量設備不能移動、測量數據不完整的問題，分析了現有電場測量方法的不足，提出并設計了潛艇電場的三維空間分布特性測量方案。理論分析結果表明提出的潛艇電場空間分布特性測量方法是可行的，能夠有效地測量三維空間潛艇輻射電場的物理特性，為潛艇電場的抑制和防護提供有益的思路和有效的手段。

電場測量 傳感器 潛艇 電場特性

0 引言

潛艇的腐蝕和它的陰極保護系統會形成潛艇電場[1]。潛艇容易被噪聲暴露行蹤，減震降噪技術取得了長足發展；當噪聲降低后，潛艇磁場成為新的暴露源，使得消磁技術的應用日益廣泛。目前潛艇電場研究備受關注，成為探測潛艇的顯著特征信號。對電場的研究成果已經在水下通訊、電場掃雷具、艦艇電場隱身系統、電場探測裝置、電場引信水中兵器等領域得到了較為廣泛的應用[2-3]。潛艇電場及其相關技術的研究迫切需要準確測量電場并獲取完整的數據，只有采用有效的電場測量手段，才能夠準確獲取潛艇電場特性并開展相關研究。

電場研究需要測得它在空間的三維整體特性。本研究提出了電場空間三維整體特性測量技術的原理、方法和實現技術。

1 現有潛艇電場測量方法分析

現有的電場測量方法，都需要將傳感器和它的配套系統安放在一個固定的測量點上。其中，由英國研制的Transmag Plus多感應場站和由法國設計的Thomson Marconi Sonar Mir 2000 多感應場站均采用Ag/AgCl作為電場傳感器的電極，而瑞典供給海軍的電場測量傳感器則是高性能碳纖維電極。這些電極都可以滿足遠至幾百米的距離進行電場定點探測的要求[4-6]。

常用潛艇電場測量包括四種測量方法：機動式測量、固定站測量、靜態測量和動態測量。

1.1 機動式測量特點分析

機動式測量方法需要潛艇配合，會在一定程度上影響潛艇原有的訓練和任務。該方法在測量工作之前，先把傳感器布放在事前設置好的測量海域。潛艇按照浮標、標竿等指示標識，停泊或者經過傳感器的上方，由傳感器敏感電場數據，并輸出記錄。當整個測量完成之后，駕駛潛艇離開測量區域，將傳感器及測量系統回收。該方式適合快速測量潛艇電場特性。

1.2 固定站測量特點分析

與上述的機動式測量方法相比，固定站一般建立在一塊測量條件較好的固定海域，測量功能比較完善，通常配備多種傳感器獲取各種有益信息，比如可利用海流計、溫深儀、海水電導率計等測得環境參數，還可以利用適宜的傳感器獲取位置、距離、速度等參數。此外，固定式測量站的測量環境參數一般比較穩定，可以定量補償測量數據，提高測量精度。

1.3 舷側靜態測量特點分析

如圖1所示，舷側靜態測量時，需要把測量傳感器懸掛在潛艇側面，傳感器下面采用重物下壓，以便于穩定電極。這種測量方法受到海流、波浪以及載體的影響較大，使得電極很難保持在一個固定點上。為了校準測量電場的位置和姿態，通常需要配備深度儀、磁羅盤等傳感器，提供位置和姿態信息。

1.4 動態測量方法分析

潛艇電場動態測量方法的主要思路是：把電場測量傳感器放置在海底，讓被測艦船從傳感器上方通過，從而測量被測艦船的電場特性。在該測量過程中，需要實時利用DGPS測量被測載體的位置和姿態，以確定測量的電場數據與被測船只的相對位置。測量的電場數據一般傳送到一艘測量船上，測量船最好采用不易產生電場的玻璃鋼船，在測量艦船電場過程中需要同時測得海水深度、流向、鹽度、溫度、流速、測量傳感器的姿態、位置等必要參數。潛艇電場強度矢量測量方法如圖2所示，測量傳感器具有三個電極對，三個電極對分別對應測試艦船電場強度在三維空間的三個分量，每個電極對上的兩個電極之間的距離不應大于1 m。

圖1 為舷側靜態測試電勢測量示意圖

1.5 現有測量方法的缺陷分析

現有的測量方法有一個共同的特點，就是潛艇電場作為一個矢量，在其測量時，電場傳感器需要始終放置在一個固定的位置上，否則就會引起測量位置和方向的混亂。因此，現有測量方法獲得的電場數據不能夠反映出電場完整的空間分布特性，缺陷如下：

1）測量點固定，測量數據分布遠遠不能滿足測量完整性的要求

電場傳感器在固定點布放，對于停泊的潛艇，只可以測試到固定方向和距離上的單點電場矢量值。對于航行狀態的潛艇，也只能夠測試到潛艇電場中某條特定路線上分布的電場矢量，卻不能測得該路線上下左右前后方位其它點上的電場矢量。

2）測量傳感器的位置、姿態誤差嚴重影響了測量精度

布放電場測量傳感器的過程中，受海流、凹凸海底、操作手法等干擾，使得電場測量點的位置和姿態精度確定難以保證精度。有的場合會采用磁羅盤、深度傳感器等手段校正誤差，但精度有限，誤差消除效果不明顯，會嚴重影響測量精度和真實性。

3）需要復雜的輔助設備

為保證測量數據具有足夠的精度，要求采用輔助設備測量深度、鹽度、水流、流向、位置、溫度、姿態等輔助參數，以便校正誤差。

4）操作不便

現有電場測量方法中，電場傳感器放置在某一處固定的海底，測得的數據通過數據傳輸系統傳送給較遠處的測量和記錄裝置。特別是，測量行進狀態潛艇的電場時，會在很大程度上影響到潛艇的正常訓練和日常工作，并會在時間、能源、人工和運行成本方面產生較大的消耗。

2 三維空間潛艇電場整體分布測量方法

2.1 電場空間分布測量設備的結構設計

將電場空間分布測量設備的結構設計為三大部分：電場感知系統、參數校正系統和數據處理系統。

電場感知系統的結構設計如圖3所示，三個支架相互正交，每條支架上都安裝1個加速度計、1個陀螺儀、1個GPS接收機、2個電場測量電極。電場感知系統配有一個數據采集存儲設備。每對電場測量電極分別安裝在支架的兩端。加速度計的安裝盡量靠近三支架的交點，其敏感軸盡量與坐標軸重合。陀螺儀敏感軸則平行于坐標軸。

圖3 為電場感知系統中各傳感器安裝位置示意圖

將參數校正系統設計為含有4套DGPS及其數據采集存儲部件的系統，將其中的3套DGPS安裝在被測潛艇上，3個DGPS接收機呈三角形排列，剩下的1套DGPS安裝在岸上某已知固定點，作為參考站。

數據處理系統的設計思路為利用DGPS數據，對電場感知系統的數據進行校正，擬合獲得三維空間的潛艇電場分布特性。

2.2 測量潛艇電場空間分布的流程

設計潛艇電場空間分布的測量流程如下：

1）規劃運動路徑,使電場感知系統在被測船周圍起伏環行；

2）利用測量船或者水下潛航器，帶動電場感知系統依照事前規劃好的路徑進行測量，采集并存儲電場感知系統及其配備的各輔助設備生成的測量數據；采集并存儲校正系統中各DGPS的位置測量數據。

在數據處理系統中完成數據處理，其具體數據處理過程如下：

1）采集數據存儲設備中的數據，按照時間序列將數據同步形成數組，其列數據參數為時間，行數據則為某測量時刻各設備輸出的數據。

2）自初始時刻開始，根據DGPS數據確定電場感知系統位置與姿態，并利用DGPS數據計算被測潛艇的位置與姿態；

3）依據電場感知系統處的DGPS數據，設置慣性導航系統的初始位置Lang、姿態Sita及姿態轉換矩陣Fang的初始值；

4）將下一時刻的時間值替換為當前時刻，利用陀螺儀和加速度計在當前時刻的數據，基于當前慣性位置Lang、姿態Sita及姿態矩陣Fang，計算當前的慣性位置和姿態，并更新Lang、Sita及矩陣Fang的值；

5）依據當前與此前的時間值，判斷是否有新的DGPS信號：若否，就保持Lang和Sita值不變；若是，依據DGPS數據計算電場感知系統的位置與姿態，并校正Lang和Sita的值；

6）依據當前與此前的時間值，判斷是否有新的DGPS信號：若否，保持被測潛艇的位置值與姿態值不變；若有，計算該時刻新的被測潛艇位置與姿態；

7）依據當前被測潛艇的位置和姿態值校正由5）得到的Lang和Sita的值，計算電場感知系統與被測潛艇的相對Lang，與Sita，；

8）根據電極輸出的電場測量值，計算潛艇電場矢量，利用姿態Sita，，潛艇電場矢量轉換到潛艇載體坐標系并存儲，存儲位置變量Lang，，使它與其他數據保持時間上的同步；

9）判斷是否還有測量數據，若否，依據變量Lang，和電場矢量，逆向重構電場的三維空間分布整體特性；若是，返回步驟5）。

3 潛艇電場空間分布測量原理分析

3.1 電場空間分布測量方案設計

由運動載體攜帶的電場感知系統可以在北側潛艇周圍自由移動，進行電場測量之前，先對合理的運動路徑進行規劃，并確定采樣頻率。電場感知系統在運動時，采用較高的采樣頻率測量并存儲電場電極、陀螺儀、加速度計的輸出信號，同時記錄存儲DGPS數據，依據DGPS的時鐘信號對各項數據進行時間同步，并存儲同步后的數據。記錄被測潛艇上的3個DGPS觀測數據，并與電場數據保持同步。在后期數據處理過程中，計算出各個測量點處的電場矢量和位置值，利用校正系統校正誤差之后，擬合所有有效的電場矢量值，最終得出三維空間中電場的整體分布。

3.2 慣性位置與姿態解算原理分析

前面已經介紹了電場感知系統的結構如圖3所示，其中的三個支架形成了三維正交坐標系，將此坐標系定義為測量坐標系，本研究的導航坐標系采用大地坐標系。當電場感知系統自由移動時，不同時刻，測量坐標系的姿態和速度不同，在導航坐標系中所處的位置也不同，此時的姿態值、速度值和位置值均由電場感知系統中的陀螺儀和加速度計輸出數據通過解算得出。陀螺儀是測量載體角速度值的常用元件，它的輸出數據乘以測量的時間間隔值可以得出角度的變化值，累加角度變化值便可得出運動載體的實時姿態。此外，依據該角度值可以進行位置與姿態解算，解算流程如圖4所示，依據角度值將運載體的運動加速度分解到相應坐標軸上，分解的加速度分量積分就可以得出平行坐標軸的運動速度分量，速度分量再積分便可得出位置。

圖4 為慣性位置與姿態解算流程圖

3.3 GPS位置與姿態解算原理分析

為保證足夠的測量精度，本系統需要采用載波相位差分GPS測量技術，DGPS參考基站安裝在岸站上，固定在電場感知系統中的DGPS和被測潛艇上的3個DGPS都是移動站。GPS定位技術建立在依據測距交會原理上[9]，載波相位測量原理需要檢測衛星載波信號從發射時刻到接收時刻的相位變化量，根據變化量的大小計算站星距離，再依據測距交會原理確定載體位置。差分GPS可以改善定位或授時性能，它利用已知的基準站，為終端定位數據提供校正信息、完好性檢測信息和其他一些輔助數據，可以進一步提高GPS的測量精度。

常用的DGPS運動測量精度一般為厘米級，靜止時測量精度可能提高到毫米級，能夠滿足潛艇電場空間測量的誤差要求。依據幾何原理，三點確定一個平面，再依據三個點的具體位置，可以計算出平面的姿態角度。因此，根據電場感知系統和被測潛艇上的DGPS位置值，可以計算出電場感知系統和被測潛艇相對于大地坐標系的姿態值。

3.4 參數校正原理分析

被測潛艇會受到海浪、海流、海風的影響而產生搖擺，潛艇電場也必然會隨之搖擺，這就需要利用DGPS實時測得潛艇的位置和姿態，以便校正潛艇電場的相對位置和姿態。采用被測潛艇上的3個DGPS輸出位置數據，計算出被測潛艇在大地坐標系中的實時姿態值，校正電場感知系統的位置和姿態，可以補償搖擺帶來的誤差，得到相對于被測潛艇的電場位置和電場姿態。

3.5 數據采集方法及其路徑規劃原理分析

在慣性位置與姿態解算過程中，測量誤差會隨著時間而積累，使得位置和姿態的測量精度發散。同時，GPS測量數據不是實時輸出，其輸出頻率一般為1 Hz～20Hz；而且，GPS受到遮擋或者在水下時無法接收到衛星信號，不能正常工作。因此，運動路徑規劃時要兼顧二者優勢，避免二者缺陷。當本設備在水下運動時，由陀螺儀和加速度計解算位置和姿態；當處于水上時，由DGPS輔助并校正陀螺儀和加速度計的解算位置和姿態。路徑規劃時，要注意不能長時間在水下工作，應該將一個長時間的水下任務分為多個短時間任務，與水上任務穿插進行。

3.6 逆向重構原理分析

電場感知系統空間運動測得的電場數據，不可避免的會產生大量的位置重疊數據。電場感知系統的姿態和位置是連續變化的，要求將測得的電場數據統一到大地坐標系中，該數據處理過程可以歸于多視數據定位對齊，也稱為多視點云的拼合。為了實現測量數據的對齊，可視情形選用直接對齊和基于圖形的對齊。數據對齊后，要進行數據擬合，采用數據點，先通過插值擬合成樣條曲線，再利用造型軟件完成曲面片的重構造型，獲得的曲面片經過過渡、混合、連接形成曲面模型，最終得出多面體實體模型。

4 結論

分析了現有電場測量方法的不足，對各測量方法的優缺點進行了比較分析；提出并設計了潛艇電場的空間分布特性測量設備，設計了數據測量流程；對潛艇電場的空間測量各項關鍵技術從原理上進行了詳細的論證，提出的潛艇電場空間分布特性測量方法是可行的，能夠有效的測量三維空間潛艇輻射電場的物理特性，克服目前測量技術的不足，填補電場三維測量的空白，為潛艇電場的抑制和防護提供了有效的技術手段。

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Research on the Characteristics Measurement Method of Submarine Electric Field

Zhang Anming1, Zhang Haipeng2

（1. The first office of Navy representative in Dalian district, Dalian 116005, Liaoning, China; 2. Power Control Department of Navy Submarine Academy, Qingdao 266042, Shandong, China）

TM154.2+1：

A

1003-4862（2019）08-0010-05

2019-01-23

張安明（1976-），男，高級工程師。研究方向：電氣工程。E-mail：fdrk03@163.com