岳瑞永 ,姜楷娜 ,鄔遠(yuǎn)哲 ,趙 哲
(1.水下測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連,116013;2.大連測(cè)控技術(shù)研究所,遼寧 大連,116013)
按照無(wú)線電頻率劃分標(biāo)準(zhǔn),極低頻磁場(chǎng)狹義上是指頻率范圍為3~30 Hz 的交變磁場(chǎng)信號(hào),海洋電磁學(xué)中通常將0.3~30 Hz 的磁場(chǎng)信號(hào)統(tǒng)稱為極低頻磁場(chǎng)。艦船極低頻水下磁場(chǎng)主要來(lái)源于艦船艉部軸系旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的內(nèi)外調(diào)制效應(yīng)。其中內(nèi)調(diào)制效應(yīng)磁場(chǎng)來(lái)源于艦船軸系旋轉(zhuǎn)過(guò)程中,軸與船體之間接觸電阻周期性變化對(duì)流經(jīng)主軸的腐蝕防腐電流調(diào)制作用,其磁場(chǎng)基頻與螺旋槳主軸轉(zhuǎn)速基本一致,通過(guò)頻譜特征可以提取艦船基頻。外調(diào)制極低頻磁場(chǎng)是由磁性主軸、螺旋槳在地磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)引起磁通量的變化感應(yīng)產(chǎn)生的,其信號(hào)頻率與艦船主軸和螺旋槳葉片轉(zhuǎn)速相關(guān),可用于提取船舶軸頻和葉頻信息。內(nèi)外調(diào)制效應(yīng)產(chǎn)生的極低頻磁場(chǎng)頻率與艦船主軸轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng),因此可稱為軸頻磁場(chǎng)。軸頻磁場(chǎng)頻率范圍為0.5~7 Hz,并存在明顯的倍頻及高階諧波信號(hào),最高頻率可達(dá)40 Hz 以上。上述磁場(chǎng)信號(hào)線譜特征明顯,在淺海環(huán)境中衰減率小、攜帶信息豐富、易于檢測(cè)、可跨介質(zhì)傳播,是水下探測(cè)、識(shí)別、攻擊的信息源。隨著艦船聲隱身技術(shù)和消磁技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的聲、磁探測(cè)裝備面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),極低頻水下磁場(chǎng)特征與艦船螺旋槳和航速等屬性密切關(guān)聯(lián),在高混響、高背景噪聲的近岸淺水海域具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì),可作為水聲探測(cè)識(shí)別的有效補(bǔ)充。
國(guó)內(nèi)外積極發(fā)展了包括特征分析、高靈敏度傳感器、信號(hào)處理和環(huán)境干擾抑制在內(nèi)的極低頻磁場(chǎng)探測(cè)技術(shù),廣泛應(yīng)用于目標(biāo)探測(cè)識(shí)別[1-3]。在軸頻磁場(chǎng)建模與特征分析方面,張朔寧[4]等基于時(shí)諧垂直電偶極子等效源模型,仿真了空氣-海水-海床淺海條件下,不同觀測(cè)角度下等效電性源空中磁場(chǎng)分量的空間分布特征。賈定宇等[5]基于埋藏電流源在全空間產(chǎn)生的電磁場(chǎng)一般表達(dá)式,對(duì)海洋環(huán)境水平電偶極子產(chǎn)生的電磁場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值仿真分析。毛林等[6]通過(guò)求解兩層介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的水平時(shí)諧偶極子在固定場(chǎng)點(diǎn)產(chǎn)生的電磁場(chǎng),對(duì)深海中低速運(yùn)動(dòng)的極低頻水平時(shí)諧電偶極子產(chǎn)生的電磁場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。龐鑫等[7]基于水平時(shí)諧電偶極子仿真分析了不同水深和空中不同高度下的艦船軸頻磁場(chǎng)的分布特性,并通過(guò)海上試驗(yàn)驗(yàn)證了軸頻磁場(chǎng)模型的可行性。孫玉繪等[8]建立了淺海條件下電偶極子在空氣中的矢量磁位模型,推導(dǎo)了空氣中極低頻磁場(chǎng)的分布。張立琛等[9]將軸頻電磁場(chǎng)場(chǎng)源等效為由轉(zhuǎn)動(dòng)軸作弦與趨膚深度相關(guān)的曲線組成的閉合曲線,通過(guò)實(shí)驗(yàn)室水池實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電流環(huán)模型建模方法的可行性。林朋飛等[10]采用旋轉(zhuǎn)磁偶極子模型對(duì)軸頻磁場(chǎng)進(jìn)行建模并利用反演計(jì)算實(shí)現(xiàn)了磁性目標(biāo)的定位。徐震寰等[11]基于南黃海和南海海域?qū)崪y(cè)的軸頻電磁場(chǎng)數(shù)據(jù),對(duì)不同船速和水深時(shí)的艦船軸頻電磁信號(hào)的時(shí)頻特性進(jìn)行了分析。上述研究?jī)H限于海水或空氣單一路徑下的軸頻磁場(chǎng)特性分析,文中基于時(shí)諧偶極子模型,仿真分析了軸頻磁場(chǎng)的空間分布及多路徑傳播特性,為極低頻水下磁場(chǎng)探測(cè)應(yīng)用提供參考。
通過(guò)理論和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析,認(rèn)為主軸旋轉(zhuǎn)引起的軸地阻抗周期性變化對(duì)腐蝕電流調(diào)制產(chǎn)生的內(nèi)調(diào)制低頻磁場(chǎng)特征強(qiáng)于磁性螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的外調(diào)制磁場(chǎng),是極低頻磁場(chǎng)的主要組成部分。文中重點(diǎn)研究?jī)?nèi)調(diào)制軸頻磁場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型。
內(nèi)調(diào)制軸頻磁場(chǎng)場(chǎng)源可等效為一定長(zhǎng)度的線電流源。由電磁理論可知,當(dāng)線電流源長(zhǎng)度小于其中心到觀測(cè)點(diǎn)之間距離3~5 倍時(shí),觀測(cè)點(diǎn)處的磁場(chǎng)可近似認(rèn)為是偶極子場(chǎng),因此艦船軸頻磁場(chǎng)場(chǎng)源可用水平時(shí)諧電偶極子作為其數(shù)學(xué)模型,其場(chǎng)源強(qiáng)度為
式中:I為流向螺旋槳的腐蝕防腐電流強(qiáng)度;η為電流波動(dòng)系數(shù);l為軸接地點(diǎn)與螺旋槳之間的水平距離。
另外,艦船在實(shí)際海上航行過(guò)程中,艉部存在一定的傾斜狀態(tài),考慮到船體與主軸存在的高度差,在近場(chǎng)利用傾斜時(shí)諧偶極子來(lái)表征軸頻磁場(chǎng)場(chǎng)源更具有合理性,即軸頻磁場(chǎng)場(chǎng)源等效為水平電偶極子和垂直電偶極子的組合。
假定海洋環(huán)境為空氣-海水-海床3 層、線性、均勻、各向同性媒質(zhì)模型。設(shè)xOy平面與空氣-海水交界面重合,z軸垂直向下。如圖1 所示,時(shí)諧電偶極子沿x軸正向布于海水中,坐標(biāo)為(x′,y′,z′),測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)為(x,y,z),偶極子電偶矩為P,海水電導(dǎo)率為 σ1,海床電導(dǎo)率為 σ2,海水深度為D。假定諧變時(shí)間因子為eiωt,其中 ω為圓頻率,海水和海床媒質(zhì)磁導(dǎo)率與自由空間磁導(dǎo)率 μ0相同。
圖1 空氣-海水-海床3 層水平電偶極子模型示意圖Fig.1 Air-seawater-seabed three-layer horizontal electric dipole model
則水平時(shí)諧電偶極子在海水中產(chǎn)生的水下磁場(chǎng)數(shù)學(xué)表達(dá)式為
垂直時(shí)諧電偶極子在海水中產(chǎn)生磁場(chǎng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為
設(shè)定海水深度為100 m,海水電導(dǎo)率為3.7 S/m,海床電導(dǎo)率為1 S/m,偶極子源下潛深度為60 m,信號(hào)頻率為1 Hz,測(cè)點(diǎn)位于海床表面。圖2 給出了水平時(shí)諧電偶極子和傾斜10°電偶極子產(chǎn)生磁場(chǎng)在海底平面隨縱向距離衰減曲線。圖中,Bx、By和Bz分別為沿縱向、橫向和垂直方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度。由圖可發(fā)現(xiàn),當(dāng)測(cè)點(diǎn)與源點(diǎn)距離較近時(shí)(縱向距離小于100 m),兩者幅值具有較明顯的差異,但隨著距離的增大兩者偏差逐漸減小。因此在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域,可以采用水平時(shí)諧電偶極子來(lái)研究其分布和衰減特性。
圖2 水平時(shí)諧電偶極子與傾斜電偶極子產(chǎn)生磁場(chǎng)在海底平面衰減對(duì)比曲線Fig.2 Attenuation curves of magnetic field generated by horizontal time-harmonic electric dipole and tilted electric dipole in seafloor plane
圖3 給出了同一條件下,軸頻磁場(chǎng)三分量在海床平面分布圖,等值線對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)幅值為1 pT。由圖可發(fā)現(xiàn)軸頻磁場(chǎng)具有一定的指向性分布,軸頻磁場(chǎng)縱向分量最大值出現(xiàn)在艦船左右舷兩側(cè),龍骨下幅值為零;橫向分量最大值出現(xiàn)在龍骨下方;垂直分量極小值出現(xiàn)在龍骨下方,極大值出現(xiàn)在左右舷兩側(cè)。對(duì)于探測(cè)而言,利用單一分量進(jìn)行探測(cè)均存在一定的探測(cè)盲區(qū),而綜合利用水平分量和垂直分量進(jìn)行探測(cè)可有效彌補(bǔ)探測(cè)盲區(qū),如圖4 所示。
圖3 軸頻磁場(chǎng)在海底平面指向性分布Fig.3 Directivity distribution of shaft-rate magnetic field in seafloor plane
圖5 給出了典型信號(hào)頻率下,海床平面上軸頻磁場(chǎng)橫向分量隨縱向距離衰減曲線。由圖可知,在一定區(qū)間內(nèi)隨著頻率的增大,軸頻磁場(chǎng)衰減率逐漸增大;超過(guò)一定距離后,不同頻率軸頻磁場(chǎng)衰減曲線呈平行趨勢(shì),也說(shuō)明在該區(qū)間內(nèi)軸頻磁場(chǎng)的衰減率與信號(hào)頻率呈現(xiàn)不相關(guān)性。圖6 為海床平面上,軸頻磁場(chǎng)橫向分量相位隨縱向距離變化曲線。由圖可知,軸頻磁場(chǎng)相位φ在近區(qū)變化較為劇烈;當(dāng)測(cè)點(diǎn)與源點(diǎn)大于一定距離后,相位呈現(xiàn)穩(wěn)定值,不再隨距離增大而變化。
圖5 海床平面上軸頻磁場(chǎng)橫向分量幅度隨縱向距離變化曲線Fig.5 Variation of horizontal component amplitude of shaft-rate magnetic field with longitudinal distance in seafloor plane
圖6 海床平面上軸頻磁場(chǎng)橫向分量相位隨縱向距離變化曲線Fig.6 Variation of horizontal component phase of shaftrate magnetic field with longitudinal distance in seafloor plane
上述信息表明,淺水環(huán)境中水平時(shí)諧電偶極子產(chǎn)生的軸頻磁場(chǎng)存在多路徑傳播特性,在近區(qū)以直達(dá)波和反射波為主,在遠(yuǎn)區(qū)以海面直達(dá)波為主。
1) 近區(qū)衰減特性
通過(guò)偶極子基本理論可知,當(dāng)|k1r|<<1時(shí),即r<<λ/(2π)時(shí)
由上式可以看出,當(dāng)r<<λ/(2π)時(shí),直達(dá)波呈現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)特性,磁場(chǎng)與頻率無(wú)關(guān),磁場(chǎng)強(qiáng)度Hφ隨距離呈2 次方衰減。
當(dāng)|k1r|>>1時(shí),即r>>λ/(2π)時(shí)
由上式可以看出,當(dāng)r>>λ/(2π)時(shí),直達(dá)波呈現(xiàn)輻射場(chǎng)特性,Hφ與距離r成反比,另外由于海水媒質(zhì)的導(dǎo)電性(波數(shù)k1為復(fù)數(shù)),還存在吸收損失,并隨距離r呈指數(shù)衰減。
直達(dá)波衰減特性為: 軸頻磁場(chǎng)直達(dá)波分量在海水中存在吸收損失和擴(kuò)散損失兩部分,當(dāng)源點(diǎn)和場(chǎng)點(diǎn)距離遠(yuǎn)小于λ/(2π)時(shí),擴(kuò)散損失項(xiàng)的衰減快于吸收損失,Hφ擴(kuò)散損失呈2 次方衰減規(guī)律;當(dāng)源點(diǎn)和場(chǎng)點(diǎn)距離遠(yuǎn)大于λ/(2π)時(shí),吸收損失所占比重急劇增大,Hφ擴(kuò)散損失呈1 次方衰減規(guī)律,吸收損失呈現(xiàn)指數(shù)衰減規(guī)律。
2) 遠(yuǎn)區(qū)衰減特性
水平時(shí)諧電偶極子海面?zhèn)让娌ù艌?chǎng)水平切向分量數(shù)學(xué)表達(dá)式為
通過(guò)分析可知,當(dāng)測(cè)點(diǎn)與遠(yuǎn)點(diǎn)距離大于3 倍波長(zhǎng)時(shí),軸頻磁場(chǎng)以海面?zhèn)让娌橹?即沿著空氣-海水界面進(jìn)行傳播,在空氣-海水界面上不存在吸收衰減,在相當(dāng)大的距離內(nèi)隨徑向距離呈3 次方衰減,在海水中沿垂直方向隨距離呈指數(shù)衰減。
1) 海底平面分布
圖7 給出了軸頻磁場(chǎng)三分量在海底二維平面分布圖。由圖可知,在文中計(jì)算條件下軸頻磁場(chǎng)縱向分量在海底平面最大值為50 pT,橫向分量最大值為400 pT,垂直分量最大值為210 pT。軸頻磁場(chǎng)橫向分量能量最大,垂直分量次之,縱向分量最小。因此,目標(biāo)軸頻磁場(chǎng)探測(cè)應(yīng)以橫向分量和垂直分量為主。磁場(chǎng)三分量沿目標(biāo)首尾中心線對(duì)稱分布,橫向分量最大值出現(xiàn)在龍骨下方,縱向分量和垂直分量最大值出現(xiàn)在船舷兩側(cè)。
圖7 軸頻磁場(chǎng)在海底平面分布圖Fig.7 Distribution of shaft-rate magnetic field in seafloor plane
圖8 給出了下潛深度60 m 的偶極子源產(chǎn)生磁場(chǎng)空間分布水平切片圖。由圖可發(fā)現(xiàn),磁場(chǎng)縱向分量隨著與源垂直距離增大而逐漸增大,海床平面和空氣-海水界面幅值明顯大于海水中。磁場(chǎng)橫向和垂直分量隨著與源垂直距離增大,呈現(xiàn)幅值逐漸減小和水平擴(kuò)散的特點(diǎn)。
圖8 軸頻磁場(chǎng)在不同深度上的平面分布Fig.8 Plane distribution of shaft-rate magnetic fields at different depths
2) 垂直平面分布
圖9 給出了下潛深度60 m 的偶極子源產(chǎn)生磁場(chǎng)垂直分布剖面圖。仿真正橫距為0.1 m。由圖可知,磁場(chǎng)縱向分量在海面和海底出現(xiàn)極大值,磁場(chǎng)橫向和垂直分量極大值出現(xiàn)在源附近,隨著垂直和縱向距離的增大呈現(xiàn)擴(kuò)散和衰減趨勢(shì)。圖10 給出了下潛深度60 m 的偶極子源產(chǎn)生磁場(chǎng)空間分布垂直切片圖。
圖9 軸頻磁場(chǎng)垂直平面分布Fig.9 Distribution of shaft-rate magnetic field in vertical plane
圖10 軸頻磁場(chǎng)空間分布垂直切片圖Fig.10 Vertical slice of spatial distribution of shaft-rate magnetic field
文中采用海床基自持式測(cè)量裝置獲取的某海域可控模擬源數(shù)據(jù)對(duì)上述建立的偶極子模型進(jìn)行了驗(yàn)證。采用獲取的水面船磁場(chǎng)數(shù)據(jù)分析了軸頻磁場(chǎng)頻率特性與船舶槳軸屬性的關(guān)聯(lián)關(guān)系。
可控水下電磁信號(hào)源試驗(yàn)是利用可控場(chǎng)源模擬極低頻磁場(chǎng)特征目標(biāo),在海洋環(huán)境中激勵(lì)頻率、幅值可控的水下磁場(chǎng)信號(hào),對(duì)水下磁場(chǎng)分布特性進(jìn)行測(cè)試,信號(hào)源頻率為1 Hz 和3 Hz,源強(qiáng)度為20 Am,海水深度為50.8 m,海水存在一定的電導(dǎo)率分層,平均電導(dǎo)率為4 S/m。圖11 為頻率為1 Hz和3 Hz 信號(hào)源產(chǎn)生極低頻磁場(chǎng)與模型數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖。由圖可知,偶極子源產(chǎn)生的極低頻磁場(chǎng)理論計(jì)算曲線與實(shí)測(cè)曲線波形結(jié)構(gòu)基本一致,幅值基本吻合,驗(yàn)證了模型的正確性。
圖11 信號(hào)源產(chǎn)生的極低頻磁場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果與建模數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖Fig.11 Comparison of measured values of extremely low frequency magnetic field generated by signal source with numerical calculation of modeling
圖12 給出了某水面船的極低頻磁場(chǎng)時(shí)頻譜圖,由圖可知,該水面船磁場(chǎng)在頻域5~65 Hz 頻段內(nèi)存在明顯的線譜特征,基頻為6.35 Hz,與水面船軸頻頻率一致,應(yīng)是來(lái)源于主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的同源信號(hào),同時(shí)存在高階諧波,最高可達(dá)10 倍頻。磁場(chǎng)z分量在31 Hz 頻點(diǎn)附近存在2 個(gè)譜峰,分別是31.8 Hz 和32.08 Hz,31.8 Hz 與磁場(chǎng)5 倍頻基本一致,32.08 Hz與5 倍頻有所偏差,與同點(diǎn)觀測(cè)的噪聲頻率重合,經(jīng)分析應(yīng)為水面船葉頻信號(hào)。由此可見(jiàn),軸頻磁場(chǎng)頻率特性與船舶的轉(zhuǎn)速、槳葉數(shù)相關(guān)聯(lián),利用軸頻磁場(chǎng)數(shù)據(jù)可提取目標(biāo)的槳軸信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)不同目標(biāo)的辨識(shí)。
圖12 水面船極低頻磁場(chǎng)時(shí)頻譜圖Fig.12 Extremely low frequency magnetic field time spectra of surface ships
軸頻磁場(chǎng)目前廣泛應(yīng)用于水下目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別領(lǐng)域。一方面,軸頻磁場(chǎng)線譜特征明顯,在淺海環(huán)境中衰減小、易于檢測(cè),可作為傳統(tǒng)聲吶、航空磁探等探測(cè)方式的重要補(bǔ)充,基于海床基、浮標(biāo)等多種水下磁場(chǎng)探測(cè)裝備,利用軸頻磁場(chǎng)線譜特征實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè);另一方面,軸頻磁場(chǎng)的頻率特性與船舶的槳軸屬性相關(guān)聯(lián),利用軸頻磁場(chǎng)數(shù)據(jù)能夠提取船舶的轉(zhuǎn)速、槳葉數(shù)等信息,可用于不同目標(biāo)的辨識(shí)。
文中著重分析了內(nèi)調(diào)制效應(yīng)產(chǎn)生的軸頻磁場(chǎng),建立了時(shí)諧偶極子數(shù)學(xué)模型,通過(guò)仿真分析,初步給出了軸頻磁場(chǎng)的空間分布特性與傳播衰減特性,通過(guò)海上可控模擬源試驗(yàn)對(duì)偶極子模型進(jìn)行了驗(yàn)證。同時(shí),基于水面船海上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)軸頻磁場(chǎng)頻率特性與船舶槳軸屬性的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。主要結(jié)論有:
1) 艦船極低頻磁場(chǎng)包括由主軸旋轉(zhuǎn)引起的軸地阻抗周期性變化對(duì)腐蝕電流調(diào)制產(chǎn)生的內(nèi)調(diào)制磁場(chǎng)和磁性螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的外調(diào)制磁場(chǎng),其中內(nèi)調(diào)制低頻磁場(chǎng)特征強(qiáng)于外調(diào)制磁場(chǎng),是極低頻磁場(chǎng)的主要組成部分。艦船軸頻磁場(chǎng)近場(chǎng)場(chǎng)源可等效為水平電偶極子和垂直電偶極子的組合模型,遠(yuǎn)場(chǎng)可等效為水平時(shí)諧偶極子模型。
2) 根據(jù)軸頻磁場(chǎng)海底平面分布特征,橫向分量能量最大,垂直分量次之,縱向分量最小;軸頻磁場(chǎng)具有一定的指向性分布,橫向分量最大值出現(xiàn)在龍骨下方,縱向分量和垂直分量最大值出現(xiàn)在船舷兩側(cè);隨著與目標(biāo)垂直距離的增大,縱向分量呈逐漸增大的趨勢(shì),橫向和垂直分量呈現(xiàn)幅值逐漸減小和水平擴(kuò)散的特點(diǎn)。
3) 在淺水環(huán)境中,水平時(shí)諧電偶極子產(chǎn)生的軸頻磁場(chǎng)存在多路徑傳播特性,隨測(cè)點(diǎn)與源點(diǎn)距離呈現(xiàn)不同的衰減特性,在近區(qū)以直達(dá)波和反射波為主;在遠(yuǎn)區(qū)以海面?zhèn)让娌橹?即沿著空氣-海水界面進(jìn)行傳播。
4) 軸頻磁場(chǎng)頻率特性與船舶的轉(zhuǎn)速、槳葉數(shù)相關(guān)聯(lián),可作為目標(biāo)辨識(shí)的有效特征。
基于上述結(jié)論,下一步計(jì)劃開(kāi)展軸頻磁場(chǎng)信號(hào)提取、背景干擾抑制技術(shù)等研究,提升極低頻水下磁場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)識(shí)別能力。