艦船消磁控制設備現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

桂永勝

中國艦船研究設計中心軍事代表室，湖北武漢 430064

艦船消磁控制設備現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

桂永勝

中國艦船研究設計中心軍事代表室，湖北武漢 430064

在簡要論述艦船消磁系統(tǒng)控制原理，并綜合介紹艦船消磁控制設備現(xiàn)狀的基礎上，分析了不同艦船適用的最佳消磁控制方式和消磁控制新技術的研究方向。認為潛艇和大型水面艦艇適合選用地磁解算方式，獵掃雷艦適合選用三分量傳感器方式，中小型艦船既可選用混合式（可進行搖擺運動抗干擾調(diào)整），也可單獨選用地磁解算式。消磁控制設備應實現(xiàn)多信號融合、標準化、可擴展、可裁減和控制電源數(shù)量可設定等功能，重點加強分布式消磁系統(tǒng)、消磁系統(tǒng)智能監(jiān)控和閉環(huán)消磁控制技術的研究。

艦船消磁；電流控制；消磁控制設備

1 引言

在艦船上安裝消磁系統(tǒng)是艦船磁性防護的最有效手段，主要目的是預防敵方磁性武器攻擊和磁性探測，提高艦船的生命力。艦船消磁系統(tǒng)主要由艦內(nèi)消磁繞組、消磁控制設備和消磁電源3部分組成，如圖1所示。要求艦船消磁系統(tǒng)所產(chǎn)生的磁場能夠補償艦船的感應磁場和剩余固定磁場（以下簡稱艦船磁場）。

艦船消磁繞組布設在全艦范圍內(nèi)，要求所產(chǎn)生的磁場形狀應盡量與艦船磁場的形狀相同。

艦船消磁控制設備根據(jù)作用在軍艦上的地球磁場，向消磁電源實時提供消磁電流控制信號，顯示消磁系統(tǒng)工作狀態(tài)并進行不同工況轉(zhuǎn)換。

艦船消磁電源根據(jù)消磁控制設備提供的消磁電流控制信號，向消磁繞組輸出高質(zhì)量的消磁電流。目前存在旋轉(zhuǎn)電源和靜止電源2種類型，需滿足一定的響應速度和精度。

艦船消磁繞組、消磁控制設備和消磁電源對于不同類型軍艦有不同要求，其設計方法、技術要求、結構特征等都會有所不同。世界各國海軍對消磁系統(tǒng)的3個核心技術都在進行不斷研究，特別是針對獵掃雷艦、潛艇和特大型艦船等特殊艦船，如艦船磁場精確計算［1］、超導消磁繞組［2］、分布式消磁系統(tǒng)［3］、地磁解算控制設備［4］、閉環(huán)消磁技術［5］等。本文在簡要闡述消磁控制設備基本控制原理基礎上，根據(jù)所掌握的資料，介紹國內(nèi)外艦船消磁控制設備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，并提出我國艦船消磁控制設備發(fā)展方向和需要解決的技術問題。

2 消磁控制設備電流自動控制的基本原理

用于補償艦船剩余固定磁場的消磁電流值（在經(jīng)過磁性處理后設定）在航行中一般是不發(fā)生變化的，消磁控制設備只需給出穩(wěn)定控制信號而不進行大小和方向的調(diào)整 （閉環(huán)消磁技術可以針對固定磁性變化進行調(diào)整）。目前消磁電流控制設備主要是針對感應磁場的變化進行消磁電流自動調(diào)節(jié)。

理論和實驗證明，艦船的感應磁場與作用到艦船上的地球磁場成正比。根據(jù)地球磁場不同地點不同、同一地點基本不變的分布特征和磁場的矢量特性，當艦船的位置、航向和姿態(tài)（縱傾、橫搖）發(fā)生變化時，作用在艦船上的地磁場將發(fā)生變化。消磁控制設備必需根據(jù)這些變化實時調(diào)整消磁電流，以保證消磁系統(tǒng)產(chǎn)生的磁場與艦船感應磁場同步變化。

用于補償艦船感應磁場的3組消磁電流的基本變化規(guī)律是：消磁系統(tǒng)電流Ix、Iy、Iz分別與作用在艦船上的地磁場分量hx、hy、hz成正比。

所以，要實現(xiàn)消磁系統(tǒng)電流的自動控制，艦船消磁控制設備必須首先獲得投影到艦船坐標系上的地球磁場分量，然后控制消磁電源向消磁繞組正確供電。分量一直是艦船消磁控制設備的難點，世界各海軍國家艦船消磁控制設備的專用控制技術基本上是圍繞這一核心展開的，其它技術的發(fā)展是隨電力電子技術和計算機技術水平的發(fā)展而不斷更新的。

3 三種不同類型消磁電流控制設備

盡管世界各國艦船消磁控制設備種類繁多，但從如何得到艦船坐標系下艦船磁場分量看，可以分為3類：查閱地磁圖方法（羅經(jīng)控制方式）、磁場傳感器方法（磁強計控制方式）和地磁場解算方法。

3.1 查閱地磁圖方法

所謂查閱地磁圖方法，就是根據(jù)地磁圖查閱不同地區(qū)地磁場參數(shù)，列成表格備查，當艦船航行到某區(qū)域時，根據(jù)當?shù)氐卮艌鰯?shù)據(jù)和艦船的航向，實施半自動消磁電流調(diào)節(jié)，即Z方向消磁電流，X、Y方向消磁電流最大幅值是手動調(diào)整，而X、Y方向消磁電流隨艦船航向變化是自動調(diào)節(jié) （其航向信號來自電羅經(jīng)，所以通常稱為羅經(jīng)控制方式）。

上述控制設備的優(yōu)點是性能可靠，缺點是不能實現(xiàn)全自動控制，且大多數(shù)設備不能隨艦船縱搖和橫搖姿態(tài)的變化進行電流調(diào)節(jié) （也出現(xiàn)過利用減搖鰭的姿態(tài)信號進行電流調(diào)節(jié)的控制設備，如美國海軍的 GM 型設備等［6］）。

基于這類方法的艦船消磁自動控制設備是最早出現(xiàn)的（以前均為手動控制）。1992年的資料顯示，美國和英國海軍仍然將該類設備作為鋼鐵艦船消磁控制設備的標準控制方式［6-7］。

3.2 磁場傳感器方法

磁場傳感器方法是在艦船桅桿上安裝三分量磁場傳感器，通過直接測量作用到艦船上的地球磁場，對3個方向的消磁電流進行控制。

該類控制設備的優(yōu)點是除能夠根據(jù)艦船不同位置、不同航向和不同姿態(tài)進行消磁電流自動調(diào)節(jié)外，還能對局部地磁異常區(qū)域和地磁變化進行調(diào)節(jié)，缺點是在鋼鐵艦船上抗干擾調(diào)整問題難以解決。

據(jù)有關資料介紹，美國海軍由于未解決消磁系統(tǒng)抗干擾問題，只在非磁性船殼的獵掃雷艦上安裝MDG型設備和在上層建筑為鋁合金的FFG7型巡邏護衛(wèi)艦上安裝MCD型設備。而將基于羅經(jīng)導航控制方式的SSM型消磁控制設備作為標準型安裝到各類鋼鐵艦船上。

3.3 地磁解算方法

地磁解算方法是根據(jù)艦船所在位置，利用“地磁模式組”數(shù)學方法計算當?shù)氐厍虼艌?。根?jù)艦船的航向和姿態(tài)計算投影到艦船坐標系上的地磁分量，實施對消磁系統(tǒng)電流的全自動控制。

這類控制設備的優(yōu)點是既能實現(xiàn)全自動調(diào)整，又不需要進行復雜的抗干擾調(diào)整，且由于使用了計算機技術，能方便地實現(xiàn)分布式消磁電源控制和消磁系統(tǒng)的智能調(diào)整和監(jiān)控，缺點是不能對變化的地磁場和局部異常地磁場作出反應，電流控制精度主要決定于“地磁模式組”的計算精度。在經(jīng)過多年地球物理研究和測量數(shù)據(jù)基礎上，“地磁模式組”精度已經(jīng)能夠滿足艦船消磁系統(tǒng)控制要求。這種控制方式只是最近幾年才開始出現(xiàn)，目前歐美各國都將其稱為現(xiàn)代消磁控制設備［8］。

4 艦船消磁控制設備國外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

上述3種控制方式是基于不同時代技術發(fā)展起來的，最早為羅經(jīng)控制方式（基于電羅經(jīng)提供控制信號），其次為磁傳感器方式（基于上世紀60年代出現(xiàn)的磁通門磁強計提供控制信號），最晚為地磁解算式（基于現(xiàn)代綜合導航信號、計算機技術和地磁數(shù)學模型），各國海軍艦船消磁控制設備也是沿著該主線發(fā)展的。

4.1 美國海軍消磁控制設備情況

1992年美軍資料顯示，美海軍在此之前共使用了9種型號的消磁電流控制設備。如前所述，由于未能解決鋼鐵艦船磁傳感器消磁控制設備的抗干擾問題，此時美海軍只推薦其中3種儀器：MDG用于低磁船殼的獵掃雷艦；MCD用于鋁合金上層建筑的護衛(wèi)艦；一般鋼鐵艦船則使用SSM控制設備。

最近美國雷聲公司關于為美海軍“圣·安東尼奧”級船塢登陸艦（LPD－17）提供的技術服務資料顯示，該艦采用了分布式消磁系統(tǒng)，采用多區(qū)段獨立供電方式，裝備的是地磁解算式消磁控制系統(tǒng)，由瑞典樸力安普公司提供。

4.2 俄國海軍消磁控制設備情況

俄國“現(xiàn)代”級驅(qū)逐艦采用混合式消磁控制設備，由2套控制裝置組成，分別是半自動的羅經(jīng)控制方式和全自動的磁傳感器控制方式，但從提供的資料看，一方面抗干擾方法非常復雜，而且并沒有發(fā)揮磁傳感器控制方式的優(yōu)勢［9］。

最近，俄國克雷洛夫艦船研究院資料顯示［10］，對于鋼鐵艦艇和潛艇，發(fā)展了以地磁解算式為主的多用途混合式消磁控制設備（圖2），包括KDS－701和KDS－703控制模塊，前者利用地磁解算得到的地磁場，結合分布于全船的磁傳感器，實施對潛艇的自動閉環(huán)消磁控制，后者利用得到的磁場數(shù)據(jù)用手動方式進行消磁電流調(diào)節(jié)。

4.3 德國海軍消磁控制設備

以德國SAM電子公司為例，可以看到德國及其它先進國家海軍艦船消磁控制設備的發(fā)展情況。從該公司提供給德國海軍的86艘軍艦消磁控制設備分析，DEG－ROT是羅經(jīng)或地磁解算控制方式，安裝在鋼鐵艦船上，而DEG－STAT是磁傳感器控制方式，只安裝在獵掃雷艦上，又一次說明西方海軍國家在鋼鐵艦船上不使用磁傳感器方式的消磁控制設備。

該公司新近研制的DEG－COMP型儀器為混合式艦船消磁控制設備，如圖3所示，其控制信號接口既可來自地磁解算方式，又可來自磁場傳感器方式。我們認為，該型設備的出現(xiàn)主要是從標準化、系列化方面考慮的，在具體配置時可以靈活裁減，因為文獻［3］中明確指出，“在不適合安裝磁傳感器的地方，比如潛艇，可以去掉磁傳感器控制方式”。

DEG－COMP消磁控制設備在電源配置和通信方式上也是可以靈活使用的，如可以實現(xiàn)對小功率電源（一般為獵掃雷艦）的集中控制，也可以對大功率消磁電源實施分布式控制。

SAM公司提出的消磁智能終端的設備［11］值得我們借鑒，該設備是在地磁解算式和應用計算機平臺基礎上提出的，如圖4所示。

圖4 SAM公司智能消磁系統(tǒng)終端

該智能終端既可與DEG－COMP消磁系統(tǒng)聯(lián)合使用，也可作為獨立設備使用，具有如下功能：

1）艦船磁性狀態(tài)預報。在特定地點和航向上預報本艦磁性狀態(tài)；

2）消磁系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整。在消磁繞組部分損壞時重新進行消磁電流優(yōu)化分配；

3）敵方水雷威脅分析。根據(jù)掌握的敵方水雷有關情況和本艦磁性狀態(tài)，分析水雷的威脅程度；

4）消磁系統(tǒng)遙控。作為消磁控制設備的控制備件，必要時起到控制消磁電流的作用。

4.4 英、法、意、瑞典等國海軍消磁控制設備情況

資料顯示，英、法、意、瑞典等國在艦船消磁系統(tǒng)及艦船消磁控制設備研制方面極其活躍，英國的馬可尼和阿爾特電器公司、意大利的愛分公司和瑞典的樸力安普公司，生產(chǎn)了大量的消磁控制設備安裝到各型軍艦上［12］。

1992年資料顯示，盡管磁傳感器控制方式有很多優(yōu)點，但由于艦船磁場的干擾，英國海軍艦船在此之前是不使用該類設備的，只在獵掃雷艦上使用。

意大利的愛分公司已經(jīng)為世界各國海軍提供了150多套消磁控制設備，其最有名的磁場傳感器控制方式MDG4系列設備裝備到多種獵掃雷艦上，也特別指出：“對于鋼殼艦船，將提供新一代的MDG5消磁控制系統(tǒng)［12］”?？梢娖滗撹F艦船的消磁設備控制方式是有別于獵掃雷艦消磁設備控制方式的。

瑞典的樸力安普公司網(wǎng)站上以前只介紹分離的消磁控制設備，2004年介紹了一種混合型分布式消磁控制設備。作為雷聲公司的分承包商，已將其地磁解算式消磁控制設備應用到美國的“圣·安東尼奧”級船塢登陸艦上，如圖5所示。

芬蘭Elesco公司的FDC－700消磁控制設備也是集成了多種信號（含磁傳感器、電羅經(jīng)、搖擺信號、導航信號）的混合控制方式，為基于計算機的多模塊結構，且特別提到地磁解算式。

4.5 國外艦船消磁控制設備發(fā)展趨勢

綜觀美、俄和歐洲國家消磁控制設備的發(fā)展情況，不難看出其特點為：早期全部使用的是羅經(jīng)式控制方式，盡管磁傳感器控制方式出現(xiàn)后，其自動控制程度和地磁場適應能力大大提高，但受鋼鐵艦船磁場干擾問題影響，這類設備只是使用在獵掃雷艦和輕型艦船上，大量鋼鐵艦船使用的仍然是羅經(jīng)控制（美、英、德）或者與羅經(jīng)控制方式聯(lián)合的控制方式（俄）。

最近出現(xiàn)的地磁解算控制設備控制精度已能與磁傳感器控制方式媲美，而且可以借助計算機技術實現(xiàn)一些新的功能，如分布式消磁系統(tǒng)、實現(xiàn)消磁系統(tǒng)智能監(jiān)測和調(diào)整等，已被世界各海軍國家接受并作為鋼鐵艦船的標準控制方式。

從標準化角度看，將來艦船消磁控制設備發(fā)展趨勢應該是基于計算機的多接口系統(tǒng)，以便部隊統(tǒng)一使用和維護保養(yǎng)。但在具體艦船配置時應有裁減：對于潛艇和特大型艦船只使用地磁解算式控制方式；獵掃雷艦只使用磁傳感器控制方式；輕型鋼殼艦船，既可以單獨使用地磁解算式控制方式，也可以同時使用地磁解算式和磁場傳感器控制方式。

對于磁性防護要求較高的獵掃雷艦和潛艇，閉環(huán)消磁系統(tǒng)的出現(xiàn)將會提高其磁性防護能力。所謂閉環(huán)消磁，就是利用在艦船上布置多個磁傳感器，直接測量艦艇內(nèi)部的磁場分布，并以此推算艦船外部空間的磁場，從而根據(jù)艦船外部磁性狀態(tài)控制消磁系統(tǒng)電流。

5 我國艦船消磁控制設備的發(fā)展方向建議

根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，對我國艦船消磁控制設備控制方式和應該研究的問題提出如下建議。

5.1 不同軍艦采用的消磁電流控制方式

對于現(xiàn)役一般軍艦，在改換裝時盡量統(tǒng)一型號并增加抗干擾專用接口，使其能方便地實施新的抗干擾調(diào)整方法；而對于新造軍艦，提出如下建議：

獵掃雷艦采用磁傳感器控制方式，并滿足多區(qū)段電流調(diào)節(jié)來調(diào)整繞組安匝數(shù)。每一路消磁電流實現(xiàn)固定、感應、甚至渦流磁場補償電流的混合控制；

1）潛艇采用地磁解算控制方式，并采用分布式消磁電源控制；

2）大型軍艦采用地磁解算控制方式，并實現(xiàn)控制信號遠程監(jiān)控；

3）一般中小型軍艦既可單獨采用地磁解算式控制方式，也可采用地磁解算與磁傳感器混合方式。

5.2 新型消磁控制設備的結構形式

考慮到艦船消磁控制儀器的標準化、系列化、模塊化和操作維護性能，無論對何種艦船，消磁控制設備的結構形式和操作步驟應保持一致，這就要求消磁控制設備具有結構一致性和多信號接口適應功能，并具有新型擴展功能的預留接口，如消磁系統(tǒng)智能終端、閉環(huán)消磁磁傳感器陣列接口等。建議采用專用嵌入式計算機方案。

5.3 消磁系統(tǒng)控制設備新技術研究

由于新型消磁控制設備采用計算機技術，可以利用這一軟硬件平臺增強消磁系統(tǒng)控制調(diào)整的智能化水平，進一步提高艦船磁性防護性能。這些新的功能主要包括分布式消磁系統(tǒng)、消磁系統(tǒng)智能檢測和閉環(huán)消磁控制技術。

5.3.1 分布式消磁系統(tǒng)技術研究

所謂分布式消磁系統(tǒng)是指對消磁繞組的單個線圈或幾個線圈實行獨立供電控制，且電源分布在艦船上的不同部位。

與消磁繞組各個線圈串聯(lián)集中供電控制方式調(diào)整各線圈匝數(shù)相比，分布式消磁系統(tǒng)是以調(diào)整各線圈電流幅值的方式來調(diào)整艦船消磁繞組安匝數(shù)的，所以磁場補償效果會調(diào)整的更加精確且適應自動化調(diào)整，更大的優(yōu)點是可以使用截面積較小的消磁電纜，不用設計備用匝數(shù)等，從而大量減輕消磁系統(tǒng)重量。特別是在戰(zhàn)時個別消磁線圈受損或個別電源故障時，通過自動重新調(diào)整各消磁電流幅值，得到最佳的磁性防護狀態(tài)。

實現(xiàn)分布式消磁系統(tǒng)需要研究的內(nèi)容主要是研究一套新的消磁系統(tǒng)磁電計算方法、分布式消磁電源的可靠性、電源的電磁兼容特性、消磁電源控制策略以及消磁系統(tǒng)受損時的重構決策等。

5.3.2 消磁系統(tǒng)智能監(jiān)測技術

利用計算機接口技術，研制消磁系統(tǒng)智能監(jiān)測，實現(xiàn)如下功能的智能化水平。

消磁繞組調(diào)整智能化。隨著艦船消磁繞組分區(qū)數(shù)量增加，繞組安匝數(shù)的調(diào)整越來越困難，借助專用智能化軟件技術，可以方便地實現(xiàn)消磁系統(tǒng)安匝數(shù)優(yōu)化調(diào)整，能及時進行安匝數(shù)的優(yōu)化重組，達到磁性防護的最優(yōu)水平。

消磁電流自動設定。對于以電流設定為主的消磁系統(tǒng)安匝數(shù)調(diào)整，在對電源設備手動調(diào)整部分進行適當改進后，能在接受到艦船外部測量磁場情況下，實現(xiàn)安匝數(shù)的自動調(diào)整。對于分布式電源繞組供電，可在每個繞組中進行固定、感應和渦流磁場混合補償電流調(diào)整 （如獵掃雷艦和潛艇），該自動化的實現(xiàn)尤為重要，可以減少目前大量的調(diào)整時間。當具備與磁性檢測站的智能通信接口后，還能實現(xiàn)消磁系統(tǒng)的快速在線調(diào)整。

艦船消磁系統(tǒng)智能監(jiān)視?？梢栽谌我獾攸c、任意航向顯示不同區(qū)段和類型（固定、感應及渦流）消磁電流，并與理論值進行比較；可以在任意地點、任意航向顯示艦船的磁性狀態(tài)并根據(jù)敵方水雷等有關情報，預報水雷的威脅程度，為指揮員提供決策依據(jù)并依靠改變艦船航向等措施改變艦船的磁性狀態(tài)。

消磁控制設備遙控?？梢宰鳛橄趴刂圃O備主控制器的備份，在主控制器失效時直接發(fā)出信號對消磁電流實施控制。

5.3.3 艦船磁性閉環(huán)控制技術研究

如前所述，依據(jù)地球磁場進行消磁電流自動調(diào)節(jié)只是從原理上對艦船的感應磁場進行自動補償，而固定磁場補償電流在設定后保持不變。然而，固定磁場的“不變”只是相對的，當艦船經(jīng)過大的風浪沖擊、武器發(fā)射、潛艇的水下航行、動力設備運行等過程后，艦船的固定磁性將會發(fā)生變化。由于現(xiàn)有消磁系統(tǒng)沒有考慮這一部分磁場變化的自動補償，而且從艦船的磁性變化沒有參與到艦船磁性控制上講，這種系統(tǒng)是一種開環(huán)控制。

閉環(huán)消磁控制就是在船體上安裝若干磁場傳感器，實時檢測艦船磁性變化并實施控制。這種技術目前是國際上艦船消磁的研究熱門。主要技術涉及艦船磁場實時檢測、船體表面磁場與空間磁場變化關系、艦船內(nèi)外磁場換算關系、多點多信號融合分析等。

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Status Quo and Development Trend of Ship Degaussing Control Equipment

Gui Yong－sheng
Military Representative Office in China Ship Reseach and Design Center， Wuhan 430064， China

This paper reviews the control theory of ship degaussing system and the current developments of ship degaussing control equipments，and analyzes the optimum degaussing control modes available nowadays for ships as well as the next direction of technical research.For the submarines and large sized surface ships， the geomagnetic mode ismore suitable，while the three－component sensormode is adaptable tomine－h(huán)unter and mine－sweeper， hybrid mode （sway motion is achievable for interference－free adjustment）or the geomagneticmode is recommended for themedium and small sized ships.Suggestions are also provided that the functions of ship degaussing control equipmentmust have the features ofmultisignal fusion，standardization，expandability，reconfiguration and the ability to set the numbers of control power supply， etc.Particularly， more attentionsmustbe given to the researches of distributed degaussing system，smartmonitoring degaussing system and techn iques of closed loop degaussing control.

shi p degaussing； current control； degaussing control equipment

U665.18

A

1673－3185（2010）04－75－06

10.3969/j.issn.1673-3185.2010.04.017

2009－07-16

桂永勝（1970－），男，碩士，工程師。研究方向：艦船電氣工程。E-mail：07272＠163.com