艦船電場及國外電場掃雷技術研究現狀

王 進

（海軍裝備部裝備審價中心，北京 100071）

0 引言

艦船電場是除聲場、磁場、水壓場外最重要的水中軍用目標特性之一，已成為水中兵器追蹤的重要特征信號，對艦船自身生命力和戰斗力構成了嚴重的威脅，對艦船非聲隱身性能和水中兵器的引信設計具有重要影響，研究艦船電場及其相關技術，對海軍裝備建設有著極為重要的意義[1]。由于特殊建造金屬材料、結構布局、推進系統、腐蝕和防腐、能源供給、機電設備等因素，艦船在海水中航行時，會產生明顯的水下電場，成為可以被用于對艦船的探測、定位、水中兵器引信的新目標特征[2]。國外已在積極開展目標電場特性的研究，尋求利用艦船的電場特性來探測目標的存在和識別目標類型。隨著水下電場傳感器技術和信號處理方法的發展，這項工作取得了較大成就，目標艦船電場研究概述目標電場特性已成為探測設備和引信裝置新的“信息源”。所以，現階段的水中兵器引信和艦船設計中，電場特性都是必須考慮的因素。

1 艦船電場概述

艦船是具備復雜設計和采用多技術設備的綜合體，不論是運動還是靜止，在其所處的環境中均會產生電場。艦船在海洋環境中引起的電場叫做艦船電場，通常可分為靜電場和極低頻交變電場，是艦船重要的軍用目標特性[3]。

艦船水下電場信號為極低頻信號，主要可分為l Hz以下的直流分量（靜電場）和1～1 000 Hz的交流分量（極低頻電場）2個部分。按照艦船電場的來源，可將艦船電場概括為以下6類[4-5]：

1）艦船船體結構中不同金屬材料在海水中的電化學腐蝕作用產生的靜電場。

2）船體上施加的各種防腐措施產生的電場，即犧牲陽極的陰極保護系統（SCP）和外加電流的陰極保護系統（ICCP）在艦船周圍的海水中產生的靜電場，如一艘中型艦船的防腐電流就高達幾百安培，因而會在海水中產生很強的靜電場。

3）主軸轉動時的螺旋槳-軸承-船體回路中的電阻變化對腐蝕或防腐電流的內調制，輔助陽極和槳葉之間的電阻隨著螺旋槳的轉動而發生變化，對腐蝕或防腐電流的外調制產生以軸頻和葉頻為基頻的極低頻電場。

4）船體內部電力系統接地不良時，漏電流及船體內部大電流設備對外的電磁輻射也會產生以50 Hz（60 Hz）和400 Hz為基頻的交變電場；消磁裝置中的電流脈動也產生交變電場。

5）艦船航行時，船體、繞船體運動的海水切割地磁場產生電場；螺旋槳轉動切割地磁場產生渦流電場；尾流區海水在地磁場中運動產生電場；艦船在地磁場中振蕩產生電場。

6）艦船航行時，鐵磁性船體引起周圍空間磁通量的變化，從而產生感應電場；船體的運動以及尾流氣泡浮起時與海水之間的摩擦也會產生電場。

國外軍事大國都非常注重艦船電場特性的研究，并且已經形成了一系列的艦船電場裝備。蘇聯在20世紀50年代末就開展了水下電磁場測試以及裝備標準等的研究工作，并裝備了利用潛艇電場信號的非觸發反潛錨雷（KCM）。美國、英國等西方國家有大量科研機構從事艦船電場研究，如美國水下戰中心電磁實驗室、加拿大防御研究與發展中心水下電磁分部、英國超電公司、法國泰雷斯公司、法國海軍電磁實驗室以及日本防御廳第 5研究所等。

艦船電場特性作為一種重要的目標特性，在水中兵器引信、艦船隱身、探測方面都具有重大的軍事應用前景。對艦船電場特征的深入了解，將為各種水雷和反水雷兵器的設計提供依據；對艦船的電場隱身性能的測試和評估，將為艦船電場防護裝置設計、防腐設計、艦船動力系統設計等提供保障。

2 國外在艦船電場探測技術研究概況

艦船電場的探測技術主要包括水下艦船電場探測裝置的研制和艦船電場的信號處理方法的研究。艦船電場信號由于受海水的衰減作用，傳播一定距離后將變的十分微弱，所以低噪聲電場傳感器和測量電路對艦船電場的探測至關重要[6-7]。

隨著對艦船水下電場研究的深入，利用目標水下電場進行探測也開始引起人們的關注。20世紀50年代末，前蘇聯就已經開始研究艦船水下電場，60年代開始在水雷上應用電場引信。還有報道美國和加拿大 60年代就利用冰山設置電場探測浮標，配合衛星定位系統對白令海峽的前蘇聯潛艇進行聯合搜索。目前，俄羅斯和烏克蘭都在研究利用水下電場的目標探測技術。瑞典國防研究局科研人員也指出淺水環境中在距離目標數公里遠處仍可以探測到其輻射的0.3～3 000 Hz電場信號。

國外在水下電磁場傳感器研制方面具有較高的技術水平，瑞典、英國和俄羅斯等國家都具備傳感器研制能力。瑞典Polyamp公司研制出采用碳纖維電機作為電場感應元件的水下電場傳感器，頻率范圍為1 MHz～1 kHz，目前已開發出PA-3001和PA-3002共2種型號。英國Ultra公司研制的電場傳感器測量元件為 Ag/AgCl電極，頻率為 1 MHz～3 kHz，可用于艦船電場測試、電場遠程探測、海洋學研究和海洋地球物理勘探等多種領域。英國Subspection公司生產了多型可用于電場遠程測量的電場傳感器系統，如圖1所示，其適合于測量難度較大的瀕海地區，目前已用于電場測量、海岸預警系統、以及水雷觸發裝置。

圖1 Subspection公司的電場傳感器Fig.1 Electric field sensor of Subspection company

目前，國外電磁場探測系統研制技術也比較成熟，不再是孤立地對艦艇聲場、磁場、水壓場、電場等多種物理場進行測量研究，而是將這些物理場作為一個整體來進行同點同時測量。英國、西班牙、芬蘭、法國等國家研制了艦艇聲、磁、電、水壓等物理場綜合測試系統。

英國超級電子公司磁分部提出了一個由復合型多種傳感器組成的水下測量陣系統，該系統能同時進行磁場、電場、聲場和壓力場等多種艦艇特性的近岸水下測試。西班牙SAES公司90年代末開發了結合磁場、聲場、壓力、電場和地震波等的水下多感應測試系統（UMIMS），應用了 SAES公司自己設計生產的 SET-200/P電場傳感器以測量海水中的水下電場[8]。近年來，SAES公司在西班牙海軍支持下設計開發了裝備 SAES專有三軸電極陣列的組合引信水雷M1NEA。

芬蘭研制了先進的水下多場測試系統MGS-900系列，該系統最新型號能測量聲場、磁場、水壓場和電場等物理場，該系統采用光纖和網絡傳輸技術，能遠距離和高數據率傳輸測得的信號和數據，并已交付芬蘭海軍使用。法國研制的MIR2000多場測試系統可同時進行靜磁場、靜電磁場、交變電磁場、聲場、水壓場、地震波場和磁場梯度的測量，既可用于固定式的綜合試驗場地，也可用于便攜式的測試環境下。

3 國外在艦船電場建模方面的研究概況

艦船水下電磁場建模技術在艦船水下電磁場預測、特征控制以及隱身測試方面具有很高的應用價值，國外多家單位進行了研究，取得了大量的成果[9]。

英國開發了商業建模軟件 BEASY，該軟件綜合考慮了艦船材料組成、尺度、結構、涂層破損、陰極保護以及海洋環境參數等多種因素，計算內核采用精度較高的邊界元算法，計算結果具有較高可信度，廣泛應用于艦船陰極保護系統的優化設計中。加拿大國防部和英國Ultra Electronics公司研制的電磁場預測軟件還包含了軸頻電磁場和電源紋波的模擬計算。加拿大Davis工程公司則利用偶極子模型進行艦船電磁場分布模擬，其提供的ShipEM軟件，可以通過輸入艦船尺寸結構和陰極保護系統陽極位置，來預測電磁場矢量的空間分布特性。

英國 Aish科技公司開發了基于有限元法（FEM）的艦船腐蝕相關電磁場數值計算軟件CPMaster，該軟件考慮了艦船陽極和陰極材料在海水中的非線性極化現象，可以對艦船外加電流陰極保護系統和犧牲陽極陰極保護系統進行優化設計，降低與腐蝕相關水下電磁場特征。該公司設計的低特征外加電流陰極保護系統已經裝備英國“先鋒”級、美國“海狼”級和“弗吉尼亞”級核潛艇。

基于大、中型艦船產生的靜電場，西班牙SEAS公司利用各種具體軟件和模擬模式對探測距離進行了多項研究，并將研究結果與海上測試結果進行了比較。此外，SEAS 公司還對系統本身、海底以及電場傳播中的海水導電性效應進行了擴展的分析。

艦船電場的有限元和邊界元方法主要針對于艦船的陰極保護系統，需要較多的先驗信息，理論和算法較為復雜，不能滿足工程上電場實時預報的要求。對艦船電場建模的另一途徑是電偶極子建模方法，雖然它的建模精度不如有限元和邊界元方法，但是能夠根據測量裝置測量到的結果實時計算，對敵方和己方的艦船均能建立模型，克服了有限元和邊界元方法只能對己方艦船建模的缺點。對于艦船軸頻電場，用時諧電偶極子進行建模更加合適。

4 國外電場掃雷技術發展概況

4.1 國外在電場引信水雷方面的研究概況

在艦船聲、磁隱身技術不斷提高的今天，淺海水域聲吶已不能有效發揮作用，電場探測將作為有效的補充手段，電場引信水雷在國外早已裝備部隊。蘇聯在20世紀50年代裝備了非觸發電場引信反潛錨雷KCM，該雷適用水深700 m，采用雙脈沖制電引信，布放水深50～700 m，定深10～210 m，是目前已知的應用電場引信的最早裝備。美國也開發了裝有聲、磁和電三場傳感器的LSM智能濱海水雷，該水雷可通過3種傳感器實現互補工作來可靠地探測目標。

近年來，SAES公司在西班牙海軍支持下設計開發出了裝備 SAES專有電極三軸電極陣列的組合引信水雷 M1NEA。MINEA是先進的多感應練習雷，水雷邏輯算法縝密精煉，帶有探測聲吶，還裝備有磁場、聲場、地震波和壓力等傳感器，共開發了3種適應不同條件的水雷：薄斷面沉底雷、球形錨雷和圓柱沉底雷。

其他國家在電場引信水雷方面的研究雖未見報道，但從其對艦船電場測量的研究（如英國、法國、加拿大、瑞典等）以及如澳大利亞、瑞典等國家的電場掃雷具的研制情況來看，電場引信水雷應該已經形成裝備。

4.2 國外在電場掃雷技術方面的研究概況

電場引信水雷的出現，帶動了與其對抗的電場掃雷技術的研究，目前已出現了多種高性能的電場掃雷具。法國90年代后期裝備法海軍的STERNE-I聯合掃雷具和MB電磁掃雷具，可模擬不同類型艦艇的聲場、磁場、水下電位場和極低頻電場。挪威在其“阿爾塔”級掃雷艇上配用的“埃爾瑪（ELMa）”電極式電磁掃雷具，根據電極的不同配置，可以進行水雷設定方式掃雷，也可以按目標設定方式掃雷。芬蘭Elesco Oy公司生產的輕型多物理場掃雷系統（MISS）是模塊化的輕型掃雷系統，用以模擬艦船的電場，通過改變電流大小、電流方向和掃雷模塊的數量來模擬不同的艦艇。

21世紀初，澳大利亞國防工業公司和澳大利亞防御科學技術組織成功地試驗了一種“夾接式”電場掃雷具—AMAS-UEP/ELFE掃雷具，在空間上可以準確地模擬航行狀態下的目標艦船電場。UEP/ELFE電場掃雷系統展開陣列長93 m，包含沿掃雷具全長精確分布的 8個鈦電極和 1個參考電極，這8個主動電極與掃雷陣平行，且與艦船產生電場的相對位置相同，每個電極都可輸出直流電流或交流電流，或者是同時輸出直流和交流電流[10]。

1993年，瑞典和美國聯合研制了SAM 2型氣墊掃雷艇，裝備了由瑞典卡爾斯克羅納船廠研制的水下電勢（UEP）裝置。近年來，瑞典又研制出了SAM 3型掃雷具，如圖2所示。SAM 3是近來發展的最現代化的遙控感應掃雷具，可產生類艦船的磁場、聲場和電場信號，且可以任意組合，能夠模擬不同類型和尺度的艦船[11-12]。

2014年，歐洲防務署（EDA）主導完成模塊化輕量化掃雷項目（MLM），配置了由挪威國防研究院（FFI）研制的輕型水下電場（UEP）掃雷具，系統由1對鋁電極及其附屬電纜組成，安裝在無人艇的龍骨附近，如圖3所示，2艘無人艇即可較為準確地模擬出艦船電場。

圖2 瑞典的SAM 3型掃雷具Fig.2 SAM3 minesweeper of Sweden

圖3 EDA模塊化輕量化掃雷Fig.3 Modular lightweight mine-sweeping of EDA

5 結束語

艦船電場是艦船的一種重要的軍用目標特性之一，已經成為艦船重要的暴露源和識別源，對于促進武器裝備、艦船隱身、水下通信的發展都具有十分重要的意義。美、英、俄、芬蘭、瑞典、西班牙、加拿大和澳大利亞等歐美軍事大國在艦船電場研究和應用方面都極為重視，并在艦船電場研究和應用方面已經達到較高的水平，而且已形成了電場水雷、反水雷系統等一系列的裝備。隨著電場傳感器性能的提高和對艦船電場的不斷深入研究，利用艦船電場綜合特性的更加先進智能的水雷和反水雷手段必將不斷出現和完善，為國內電場引信水雷、電場掃雷及電場防護裝備技術的發展提供借鑒和促進。