艦船電場探測系統(tǒng)的抗掃問題研究＊

羅 祎 伊米洛夫·瓦西里

（海軍工程大學(xué)兵器工程系1） 武漢 430033） （俄羅斯海軍學(xué)院2） 俄羅斯圣彼得堡 197183）

0 引 言

艦船電場和電場探測技術(shù)目前受到許多國家的關(guān)注.原蘇聯(lián)較早開展了這方面的研究，并裝備了電場引信水雷［1］.國內(nèi)在這方面也作了許多工作，由于起步相對較晚，主要集中于對艦船電場的探索［2－4］，對電場探測系統(tǒng)的抗掃問題涉及的很少.抗掃性關(guān)系到探測系統(tǒng)的存在價值.艦船電場是電場探測系統(tǒng)的動作信號，電極式電磁掃雷具雖被設(shè)計用于清掃磁引信水雷，由電磁理論知道，在對電極通電時，在其周圍空間除了產(chǎn)生磁場外還產(chǎn)生電場，因而也可能用于清掃電場探測系統(tǒng)如水雷等［5］.本文利用俄羅斯的有關(guān)研究結(jié)論，通過建立艦船及電極掃雷具在分層介質(zhì)下的線電極計算模型并對比分析，探討提高電場探測系統(tǒng)的抗掃性問題.

1 電場探測系統(tǒng)的工作原理簡介

從已有的資料可以知道，電場探測系統(tǒng)如水雷等利用傳感器測量艦船周圍某兩點電勢差，為實際應(yīng)用方便，一般測量垂直方向上不同深度點電勢差φ12（φ1－φ2），如圖1所示.靜態(tài)電場探測利用φ12為動作參數(shù)，動電場探測利用電勢隨時間的變化率為動作參數(shù)，還可以利用電場強(qiáng)度及其變化率為動作參數(shù)，直接感應(yīng)的一般是電勢差［6］.

由于艦船電場數(shù)值相對較小，電場探測必需借助高靈敏度的傳感器并且設(shè)定較小的動作參數(shù)，而電極式掃雷具工作時通電電流較大，電勢分布范圍較廣，這使得電場探測系統(tǒng)的抗掃問題比較突出.為了使探測系統(tǒng)在實現(xiàn)抗掃的同時不影響對目標(biāo)艦船的正常動作，需要對艦船電場及電極掃雷具電場進(jìn)行對比分析.

2 艦船電場和電極掃雷具電場對比

2.1 艦船電場

國內(nèi)外的研究都表明，艦船電場的產(chǎn)生機(jī)理和來源十分復(fù)雜.但俄羅斯的研究顯示，艦船電場90%的成分由腐蝕電流產(chǎn)生，據(jù)此來建立艦船電場的等效模型，不考慮其他來源成分.

同時考慮到艦艇的實際活動區(qū)域，空氣－海水－海底分層介質(zhì)對電場分布有一定影響，艦艇尺寸較大，不應(yīng)作為電偶極子來計算，把它等效為線電極處理.

以潛艇為例，根據(jù)艦船腐蝕原理，將螺旋槳等效為負(fù)的線電極，長度為L2，根據(jù)艇體腐蝕源的分布情況，將艇體等效為正的線電極，長度為L1，正負(fù)電極間距為a，設(shè)腐蝕電流強(qiáng)度為I，建立如圖1所示坐標(biāo)系，x軸位于海平面，指向潛艇縱向，z軸垂直向下通過正電極的一端點.

圖1 艇體及測量點在坐標(biāo)系的位置

首先分析點電極，設(shè)海水、空氣和海底的電導(dǎo)率分別為γ1，γ2和γ3，點電極位于海水中（x0，0，d）位置，根據(jù)電磁理論，在考慮海底和海面影響的情況下，利用鏡像法可得到點電極周圍電勢計算公式為

式中：r2＝（x－x0）2＋y2；I為點電極電流；h為海水深度

由電勢疊加原理，對點電極的電勢計算公式在x軸方向進(jìn)行區(qū)間積分，可以得到潛艇的等效線電極在海水中的電勢.由于空氣的電導(dǎo)率近似為0，海底的電導(dǎo)率γ3＜10－4S／m，海水電導(dǎo)率γ1一般?。?.0～4.5）S／m，故k12≈k13≈1，所以等效線電極電勢計算公式為

式中：φ1，φ2分別為正、負(fù)等效電極引起的電勢，由下式計算

φ2的計算公式與φ1類似，這里不再列出.利用電勢的計算公式還可以得到電場強(qiáng)度E.

2.2 電極式掃雷具的電場

文獻(xiàn)［6］給出了分層介質(zhì)下點電極的計算模型并指出電極掃雷具可能用于清掃電場水雷.但對于常見的兩電極掃雷具，由于其尺寸較大，并呈典型的細(xì)長型，作為點電極來計算時誤差較大，下面作為線電極來處理.設(shè)電極長度為l，兩電極中心間距為L，建立如圖2所示的坐標(biāo)系，電極與x軸重合，2電極的中間點與坐標(biāo)原點重合.

圖2 兩電極坐標(biāo)系

對比上述潛艇電場計算模型，可以得到在考慮邊界影響條件下，海水中任意點的電勢為

式中：φ2s，φ1s分別為掃雷具正、負(fù)電極引起的電勢，具體的公式比較繁雜，不再列出.

2.3 對比分析

分析一般中型潛艇和常見的電極掃雷具，對各參數(shù)的取值如下：共同參數(shù)h＝200m，γ1＝3.5 S／m，海底和空氣電導(dǎo)率為0；對潛艇L2＝2m，L1＝50m，a＝15m，d＝40m，I＝40A；對掃雷具d＝0，I＝3 000A；l＝75m，L＝200m.

利用matlab7.0根據(jù)式（2）、（4）分別計算潛艇下方10m平面上電勢分布（如圖3），和掃雷具下40m電勢分布，如圖4所示.

圖3 潛艇電勢分布

圖4 電極式掃雷電勢分布

由潛艇周圍電勢和電極式掃雷周圍電勢的計算模型和空間分布可知，它們都具有近似于雙脈沖異符號的形狀，都是極低頻信號，與電流強(qiáng)度線性相關(guān).雖然電極掃雷具電勢的雙脈沖相距較遠(yuǎn)，但通過調(diào)整輸入電流極性及時間間隔或者調(diào)整電極間距等可以克服.由于電極式掃雷具的通電電流可達(dá)到3 000A［7］，遠(yuǎn)大于艦船腐蝕電流，因此其周圍電勢將遠(yuǎn)大于潛艇周圍電勢，在未采取有效抗掃措施時，利用電極式掃雷具清掃電場探測系統(tǒng)如水雷等可以獲得非常理想的清掃寬度.

例如設(shè)水雷動作信號為雙脈沖異符號，設(shè)脈沖幅值｜Δφ｜＝0.01v，測量點1位于水面下40m深度，點1、2垂直間距15m（如圖1），由式（2）可以計算出，對上述例子中的潛艇，引信在水平方向的動作半徑約為13m；在掃雷具通以幅值3 000A的雙脈沖異符號電流時，通過公式（4）計算可知，清掃寬度約為320m，遠(yuǎn)大于引信動作范圍，這對水雷來說是非常不利的，必須提高抗掃性.

3 抗掃方法及仿真計算

3.1 抗掃方法及分析

進(jìn)一步的分析可以發(fā)現(xiàn)，利用電場信號的頻率和方向等特性都很難實現(xiàn)抗掃.但另一方面，對比分析可以發(fā)現(xiàn)，電極式掃雷具電勢在近距離時變化劇烈，遠(yuǎn)距離上分布較為均勻，而潛艇電勢衰減很快，遠(yuǎn)距離上十分微弱，也即兩者的信號梯度有差別.利用這一區(qū)別，在垂直方向增加測量點3和4，如圖1所示，當(dāng)φ12與φ34相差不大，而φ34幅值較大時認(rèn)為接收的是掃雷具信號，水雷引信進(jìn)入封閉狀態(tài).此外由于電極掃雷具工作時一般位于水面，當(dāng)測量點3，4間距等于1，2間距時必然滿足｜φ12｜＞｜φ34｜，也作為封閉的必要條件.

因此利用｜φ12－φ34｜作為引信動作信號，φ34作為封閉信號，并設(shè)定相同的動作閥值Δφ，比較任意時刻的｜φ12｜與｜φ34｜，以及｜φ12－φ34｜與｜φ34｜.當(dāng)｜φ12｜＞｜φ34｜，且｜φ12－φ34｜＜｜φ34｜時引信將封閉；當(dāng)｜φ12｜＞｜φ34｜，｜φ12－φ34｜＞｜φ34｜，或者｜φ12｜＜｜φ34｜，｜φ12－φ34｜＞Δφ時引信正常動作.這樣在對抗電極式掃雷具時，只有在掃雷具位于近距離時，電勢變化劇烈，才能滿足水雷動作條件，可以顯著地降低掃雷具的清掃范圍.

而對于目標(biāo)潛艇，在遠(yuǎn)距離時電勢信號無法滿足動作閥值，近距離時會正常動作.

1）當(dāng)目標(biāo)潛艇位于測量點1上方附近時，φ12與φ34符號相同，但φ34幅值很小，引信將正常動作.

2）當(dāng)潛艇在垂直方向上位于測量點2、3之間時，φ12與φ34符號相反，所以｜φ12－φ34｜＝｜φ12｜＋｜φ34｜顯然大于｜φ34｜，引信將正常動作，且動作范圍將擴(kuò)大.

3）當(dāng)目標(biāo)潛艇位于測量點1，2以及3，4之間時，在正中位置會有極小的動作間隙.只選取兩個測量點時也存在這樣的情況.考慮到潛艇的實際尺寸和運動的不穩(wěn)定性，對垂直方向的動作范圍的影響不大.

4）當(dāng)目標(biāo)潛艇位于測量點4之下時，φ12與φ34符號相同，且φ34幅值大于φ12，所以引信正常動作.

3.2 仿真計算結(jié)果

對上述抗掃方法進(jìn)行計算驗證.測量點2，3間距取30m，測量點3，4間距取15m，其他參數(shù)選擇上述例子中相同的數(shù)值，通過計算可知：

1）此時上述掃雷具的掃寬為80m，而不采取抗掃措施時掃寬達(dá)320m，掃寬降為原來的1／4，抗掃效果十分明顯.

2）對目標(biāo)潛艇在水平方向的動作半徑不是固定值：目標(biāo)位于點2，3之間時大于18m；目標(biāo)位于測量點1，2以及3，4之間時約10m；目標(biāo)位于點1之上或點4之下時動作區(qū)域與選取兩個測量點時基本相同，約為13m.所以對水平方向的動作范圍也有所提高.

3）在垂直方向動作范圍擴(kuò)大為100m，未采取抗掃措施時垂直方向動作范圍僅為40m.因此這一方法還可以提高垂直方向動作范圍，這對打擊潛艇是很有意義的.

4）由計算知道，對動作參數(shù)較大的探測系統(tǒng)，可以適當(dāng)調(diào)整測量點位置，在滿足探測系統(tǒng)具有一定的動作范圍前提下進(jìn)一步降低電極掃雷具的清掃寬度.

4 結(jié)束語

通過以上分析表明，該方法能顯著提高電場探測系統(tǒng)與電極式掃雷具的對抗性能，并提高了探測系統(tǒng)動作范圍，對電場探測系統(tǒng)與其他工作方式的電場掃雷具對抗也有借鑒意義.

至于該方法與其它抗掃方法的對比研究還需進(jìn)一步討論.此外文中涉及到艦船電場的簡化模型，更精確的計算模型需進(jìn)一步分析.

［1］陳菊秋，陳 浩，朱國富.開口電極在海水中的電場特性研究［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報，2008，20（2）：61－66.

［2］陳 聰，李定國，龔沈光.艦船水下標(biāo)量電位的混合建模研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版，2010，34（6）：1 117－1 122.

［3］龔沈光，盧新城.艦船電場特性初步分析［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報，2008，20（2）：1－5.

［4］盧新城，龔沈光，孫 明.艦船軸頻電場空間分布特性的實驗測量與分析［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版，2004，28（4）：498－450.

［5］張 凡，龔沈光.海水中點電極對產(chǎn)生的電場研究［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報，2008，20（3）：88－92.

［6］СтарковЮ В.Теорияавтоматическогоуправления минногоипротивоминногооружия ［M］.СПб：ВМИ，2005.

［7］КорановA B.Теориятральногооружия［M］.СПб：ВМИ，2005.