淺海中影響運(yùn)動(dòng)艦船軸頻電磁場(chǎng)的因素

朱武兵，嵇斗，王向軍，柳懿

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

0 引言

文獻(xiàn)[1]通過(guò)研究表明淺海環(huán)境下艦船軸頻電磁場(chǎng)可以通過(guò)運(yùn)動(dòng)的垂直時(shí)諧偶極子模擬。與世界其他地區(qū)的海洋相比，我國(guó)大部分海域的陸架都具有寬淺的特點(diǎn)，符合淺海的范疇。在淺海中不同的水文條件（海水的電導(dǎo)率、海水的深度、海水的磁導(dǎo)率）以及偶極子的運(yùn)動(dòng)速度、偶極子強(qiáng)度、偶極子頻率以及傳播距離會(huì)對(duì)軸頻電磁場(chǎng)產(chǎn)生不同的影響。本文通過(guò)淺海中運(yùn)動(dòng)垂直時(shí)諧偶極子在固定點(diǎn)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的表達(dá)式，運(yùn)用基于漢克爾變換式的FFT變換算法對(duì)偶極子所得到的電磁場(chǎng)解析式進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬得到了不同影響因素下艦船軸頻電磁場(chǎng)的仿真結(jié)果。從而分析了不同影響因子下的艦船軸頻電磁場(chǎng)。

1 淺海中運(yùn)動(dòng)垂直時(shí)諧偶極子電磁場(chǎng)表達(dá)式

根據(jù)文獻(xiàn)[1]推導(dǎo)出淺海中軸頻電磁場(chǎng)的表達(dá)式(1) ～式(8)。式（1）～式（8）中的相關(guān)參數(shù)及物理意義與文獻(xiàn)一致。

2 不同的水文條件對(duì)軸頻電磁場(chǎng)的影響

海水電導(dǎo)率是由溫度和含鹽度決定。本文通過(guò)計(jì)算海水分別取4 s/m，6 s/m，8 s/m時(shí)的電磁場(chǎng)。其他的參數(shù)如下：μ=4π*10^(-7) H/m，d=100 m，ε0=10^(-9)/(36*π) F/m，ε1=80ε0，ε2=80ε1，海底電導(dǎo)率為σ2為 0.04 s/m。偶極子的頻率為 1 Hz/m，大小為1000 Am（由于軸頻電磁場(chǎng)值很小，這里偶極子強(qiáng)度較大并不影響分析因子對(duì)軸頻電磁場(chǎng)的影響），初始坐標(biāo)為（-1000 m，0 m，10 m），終點(diǎn)坐標(biāo)為（-1000 m，0 m，10 m），測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)（0，100 m，5 m）。

運(yùn)用基于漢克爾變換式的FFT變換算法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。仿真結(jié)果見圖1。計(jì)算結(jié)果表明海水電導(dǎo)率是十分重要的參數(shù)，電場(chǎng)三分量幅值隨電導(dǎo)率的增大而減小（由于篇幅所限，給出Ex，Bx的仿真結(jié)果圖）。海水導(dǎo)電能力越強(qiáng)。軸頻電場(chǎng)衰減越快，而海水電導(dǎo)率對(duì)軸頻磁場(chǎng)影響不明顯。海底電導(dǎo)率對(duì)軸頻電磁場(chǎng)的影響與海水電導(dǎo)率對(duì)電磁場(chǎng)的影響趨勢(shì)相同。海底電導(dǎo)率的影響沒(méi)有海水電導(dǎo)率明顯。在圖2中給出了不同海底電導(dǎo)率對(duì)軸頻電磁場(chǎng)的影響。從圖2可以看出，海底電導(dǎo)率對(duì)電磁場(chǎng)的影響并不明顯，文中在為了說(shuō)明其它的影響因子對(duì)電磁場(chǎng)的影響時(shí)也采取了類似的處理辦法。

海水深度是淺海水文條件下的一個(gè)重要參數(shù)。取海水電導(dǎo)率4 s/m，海底電導(dǎo)率為0.04 s/m。海水深度分別為50 m、100 m、200 m、500 m。深度對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的影響類似，x軸電場(chǎng)分量仿真結(jié)果如圖 3，表明海水越淺，軸頻電磁場(chǎng)值越大。

3 偶極子參數(shù)對(duì)軸頻電磁場(chǎng)的影響

不同船艦、不同工況都會(huì)使得艦船產(chǎn)生的軸頻電磁場(chǎng)發(fā)生改變。因此可以用不同參數(shù)的偶極子模擬不同的軸頻電磁場(chǎng)。偶極子參數(shù)主要有偶極子的強(qiáng)度，偶極子的頻率以及偶極子的運(yùn)動(dòng)速度。在其他參數(shù)和前述相同。運(yùn)用基于漢克爾變換式的FFT變換算法，分別對(duì)v=5 m/s（7 m/s，10 m/s）、f= 1 Hz（2 Hz，4 Hz），偶極子強(qiáng)度分別為1 A*m，10 A*m，100 A*m時(shí)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。仿真計(jì)算結(jié)果見圖4～圖7。艦船最高航速一般不超過(guò)40節(jié)，對(duì)于低速運(yùn)動(dòng)的偶極子，速度并不影響電磁場(chǎng)的幅值，但是速度增大時(shí)，幅值曲線整體向x正方向移動(dòng)。當(dāng)偶極子頻率增大時(shí)，Ex、Ey減小，Ez、Bx、By增加。偶極子強(qiáng)度是影響軸頻電磁場(chǎng)幅值的主要因素，電磁場(chǎng)幅值隨偶極子強(qiáng)度增加而增加。（為了節(jié)省篇幅，當(dāng)影響因子對(duì)各電磁場(chǎng)分量趨勢(shì)相同時(shí)，只用某個(gè)分量的仿真結(jié)果圖說(shuō)明）。

4 電磁場(chǎng)衰減和傳播距離

電磁場(chǎng)三分量隨距離增大的衰減關(guān)系是不同的，圖8給出了電導(dǎo)率4 s/m，深度為100 m，偶極子強(qiáng)度為1000 A*m的情況下，運(yùn)動(dòng)時(shí)諧偶極子在觀察點(diǎn)（0，100 m，5 m）處的電磁場(chǎng)三分量變化情況，由圖可以看出，偶極子的 Ex、Ey分量在數(shù)值上小于 Ez分量，電場(chǎng)三分量在距離較近時(shí)衰減迅速，距離較遠(yuǎn)時(shí)衰減緩慢。偶極子的Bx、By大于Bz分量。在距離較近時(shí)衰減迅速，距離較遠(yuǎn)時(shí)衰減緩慢。

5 結(jié)論

由于文獻(xiàn)得到的運(yùn)動(dòng)垂直時(shí)諧偶極子含有復(fù)雜的索莫非積分，從式（1～8）不能明確各個(gè)參數(shù)對(duì)電磁場(chǎng)幅值的影響。本文通過(guò)漢克爾變換式的 FFT變換算法對(duì)電磁場(chǎng)的解析式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，對(duì)涉及的參數(shù)進(jìn)行仿真對(duì)比，得到各參數(shù)對(duì)電磁場(chǎng)幅值的影響。由于艦船軸頻電磁場(chǎng)值可以通過(guò)垂直時(shí)諧偶極子進(jìn)行模擬。通過(guò)仿真分析明確了不同水文條件及不同工況對(duì)軸頻電磁場(chǎng)幅值的影響，對(duì)艦船軸頻電磁場(chǎng)目標(biāo)信號(hào)特性有了進(jìn)一步的研究。

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