深海中四槳運(yùn)動(dòng)艦船產(chǎn)生的軸頻電磁場(chǎng)研究

任立剛， 朱武兵， 高中峰，周茜

（1．海軍92925部隊(duì)，山西長(zhǎng)治046011; 2．海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033;3．海軍91446部隊(duì), 河北諑州 072750）

0 引 言

隨著現(xiàn)代信息處理技術(shù)、微電子技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，對(duì)艦船目標(biāo)特性的研究進(jìn)一步深入，艦船軸頻電磁場(chǎng)已經(jīng)成為重要的水下信號(hào)。文獻(xiàn)[1]通過(guò)研究表明深海環(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，但是只研究了艦船是單個(gè)螺旋槳的情形下的建模與仿真?，F(xiàn)役的中型、大型艦艇都可能采用多槳的推進(jìn)方式，因此只研究單槳艦艇的軸頻電磁場(chǎng)顯然是不夠的。對(duì)于四槳的大型艦船，在采用多槳的推進(jìn)方式時(shí)，四個(gè)槳經(jīng)常是不同步的，這樣就會(huì)導(dǎo)致四個(gè)螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)各自產(chǎn)生的軸頻電磁場(chǎng)具有不同的相位、幅值、頻率。因此研究四槳運(yùn)動(dòng)艦船產(chǎn)生的軸頻電磁場(chǎng)具有十分重要的實(shí)際意義。對(duì)軸頻電磁場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用需要對(duì)這種四槳的艦船的電磁場(chǎng)進(jìn)行建模。并為未來(lái)軸頻電磁場(chǎng)用于艦艇的遠(yuǎn)程探測(cè)提供了基礎(chǔ)。本文采用四個(gè)運(yùn)動(dòng)垂直時(shí)諧電偶極子在固定場(chǎng)點(diǎn)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)深海中運(yùn)動(dòng)四槳艦船的電磁場(chǎng)進(jìn)行模擬。

1 深海中運(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)出深海中運(yùn)動(dòng)垂直時(shí)諧電偶極子電磁場(chǎng)的表達(dá)式：

式（1）～式（8）中的相關(guān)參數(shù)及物理意義與文獻(xiàn)[1]一致。運(yùn)用基于漢克爾變換的 FFT算法[9]得到了電磁場(chǎng)三分量的頻域曲線和時(shí)域曲線。那么就可以得到任意時(shí)刻t電磁場(chǎng)的頻域值和時(shí)域值記t時(shí)刻的電磁場(chǎng)三分量的頻域值和時(shí)域值為：

2 四個(gè)運(yùn)動(dòng)垂直時(shí)諧電偶極子電磁場(chǎng)表達(dá)式

這里假設(shè)采用4個(gè)處于同一位置的運(yùn)動(dòng)垂直時(shí)諧偶極子對(duì)軸頻電磁場(chǎng)進(jìn)行建模。時(shí)諧電偶極子與單個(gè)電偶的極子表示方法類似?？赏茖?dǎo)出四個(gè)運(yùn)動(dòng)垂直時(shí)諧電偶極子在固定場(chǎng)點(diǎn)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的表達(dá)式如下：對(duì)于電場(chǎng)x分量：

對(duì)于磁場(chǎng)x分量：

以上給出固定點(diǎn)電場(chǎng)x分量、磁場(chǎng)x分量的電磁場(chǎng)的表達(dá)式，其他電磁場(chǎng)分量的公式與之類似。在這里為了節(jié)省篇幅，不作贅述。

3 相位不同步的四槳艦船的軸頻電磁場(chǎng)仿真

對(duì)于4槳的運(yùn)動(dòng)艦船在航行的過(guò)程中，假設(shè)四個(gè)槳的轉(zhuǎn)速相同，但是四個(gè)槳的相位不同，艦船的運(yùn)行速度為5 m/s。這里可以用四個(gè)頻率相同的運(yùn)動(dòng)垂直時(shí)諧偶極子對(duì)艦船的軸頻電磁場(chǎng)進(jìn)行建模。建立文獻(xiàn)[1]的洛倫茲模型，空氣、海水、海床的介質(zhì)參數(shù)同文獻(xiàn)[1]。各時(shí)諧運(yùn)動(dòng)的垂直電偶極子的頻率為 1 Hz，各電偶極子的初始坐標(biāo)（x=-1000 m，y=0，z=10 m），終點(diǎn)坐標(biāo)（x=-1000 m，y=0，z=10 m），強(qiáng)度均為1 A*m。 本文主要給出x分量的仿真圖（一方面已經(jīng)可以說(shuō)明問(wèn)題、另一方面節(jié)省篇幅）。

通過(guò)分析仿真結(jié)果圖，可以知道：

1）分析圖 1(a)、(c)可知，相角的變化并不影響頻域的幅值。

2） 通過(guò)分析四個(gè)槳相位均為0時(shí)的仿真結(jié)果圖與單槳相位為0時(shí)的仿真結(jié)果圖1(a)、(b)、(e)、(f)。可以發(fā)現(xiàn)四個(gè)相同的電偶極子的強(qiáng)度產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的時(shí)域值是單個(gè)同參數(shù)的電偶極子的4倍。由此可以說(shuō)明這四個(gè)1 A*m電偶極子可以等效為強(qiáng)度為4 A*m的電偶極子。

3） 對(duì)比兩組不同相位的仿真結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)四個(gè)電偶極子的相位均為0時(shí)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)最大，圖1(c)、(d)所示的情況產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的數(shù)量級(jí)非常小，以現(xiàn)在的電磁場(chǎng)探測(cè)水平可以把這種情況產(chǎn)生的電磁場(chǎng)視為零?；旧峡梢哉J(rèn)為實(shí)現(xiàn)了軸頻電磁場(chǎng)的抵消。說(shuō)明了軸頻電磁場(chǎng)由于相位不同而存在抵消效應(yīng)。

4 轉(zhuǎn)速不同的四槳艦船軸頻電磁場(chǎng)仿真

通過(guò)分析仿真結(jié)果，可以知道：

1）分析仿真結(jié)果的頻域圖2(b)（頻率越高，電場(chǎng)值越大），發(fā)現(xiàn)在電場(chǎng)z方向由于頻率的不同導(dǎo)致有較大的幅值差異。在頻域圖 2(a)中發(fā)現(xiàn)有的沒有明顯變化，這是因?yàn)轭l率對(duì)軸頻電磁場(chǎng)的影向并不明顯。

2）從圖2(c)軸頻電磁場(chǎng)時(shí)域圖可以發(fā)現(xiàn)，電磁場(chǎng)的包絡(luò)線沒有頻率相同時(shí)光滑，這說(shuō)明頻率對(duì)軸頻電磁場(chǎng)的時(shí)域值有較大的影響。

3）分析仿真結(jié)果圖1(a)、(b)（相角為0，頻率均為1 Hz），圖2(a)、(b)，提出當(dāng)頻率不同時(shí)的軸頻電磁場(chǎng)的建模思路：首先求出兩個(gè)槳產(chǎn)生的不同的軸頻電磁場(chǎng)頻率，然后采用具有這兩個(gè)頻率不同的兩個(gè)虛擬時(shí)諧偶極子對(duì)軸頻電磁場(chǎng)進(jìn)行建模。

5 結(jié)論

本文通過(guò)仿真運(yùn)動(dòng)垂直電偶極子產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)軸頻電磁場(chǎng)進(jìn)行了模擬。模擬得到的結(jié)果不同相位和不同轉(zhuǎn)速時(shí)四槳運(yùn)動(dòng)艦船產(chǎn)生的軸頻電磁場(chǎng)，并對(duì)產(chǎn)生的軸頻電磁場(chǎng)進(jìn)行了分析。分析得到了四槳艦船產(chǎn)生的軸頻電磁場(chǎng)特性以及為軸頻電磁場(chǎng)的建模提供了思路。值得說(shuō)明的是，可能實(shí)際艦船不會(huì)出現(xiàn)完全反相得情況，或者頻率不會(huì)相差這么大。但是在理想情況進(jìn)行的仿真，對(duì)艦船產(chǎn)生的軸頻電磁場(chǎng)有了以上這些有價(jià)值的結(jié)論。

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