艦艇閉環(huán)消磁技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

劉大明 劉勝道 肖昌漢 周國華 王昭

（海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院， 武漢 430033）

鋼鐵制成的艦艇在其周圍會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，這些磁場(chǎng)成為了水中磁性武器攻擊的信號(hào)源及反潛飛機(jī)進(jìn)行空中磁探的探測(cè)源。艦艇磁場(chǎng)包括固定磁場(chǎng)和感應(yīng)磁場(chǎng)，艦艇必須定期到消磁站進(jìn)行退磁處理以消除其大部分固定磁場(chǎng)，由于感應(yīng)磁場(chǎng)隨艦艇的航向、緯度和姿態(tài)的改變而改變，因此，必須在艦艇上加裝消磁系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制。

傳統(tǒng)的“開環(huán)”消磁（open-loop degaussing，簡(jiǎn)稱OLDG）系統(tǒng)通過直接測(cè)量或數(shù)學(xué)模型的計(jì)算得到作用在艦艇上的地球磁場(chǎng)，然后根據(jù)艦艇感應(yīng)磁場(chǎng)與地球磁場(chǎng)的關(guān)系進(jìn)行消磁系統(tǒng)電流的控制，因此它僅能實(shí)時(shí)補(bǔ)償艦艇的感應(yīng)磁場(chǎng)。對(duì)退磁處理后的剩余固定磁場(chǎng)，通過在固定補(bǔ)償繞組中通一恒定的電流來補(bǔ)償，因此不能補(bǔ)償因艦艇“固定磁性”的改變而產(chǎn)生的異常磁場(chǎng)，而由于海浪的沖擊、武器發(fā)射及地球磁場(chǎng)的緩慢作用等，艦艇的固定磁場(chǎng)必然要發(fā)生變化，這就導(dǎo)致了艦艇的磁暴露危險(xiǎn)。

為了彌補(bǔ)這一缺陷，世界各主要海軍國家紛紛研制或裝備閉環(huán)消磁（closed-loop degaussing，簡(jiǎn)稱CLDG）系統(tǒng)。所謂閉環(huán)消磁，就是在艦艇內(nèi)部特征部位布置一定數(shù)量的傳感器，利用磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)，建立艦艇外部空間磁場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型并計(jì)算目標(biāo)深度或高度上的磁場(chǎng)值，然后根據(jù)預(yù)先保存在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中的消磁繞組效率，優(yōu)化計(jì)算出在目標(biāo)深度或高度上的磁性達(dá)到最小的消磁繞組中的電流值，并進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，使得艦艇外部目標(biāo)深度或高度上的總磁場(chǎng)達(dá)到最小。其中如何從船上測(cè)得磁場(chǎng)數(shù)據(jù)并準(zhǔn)確推算船外磁場(chǎng)是構(gòu)建閉環(huán)消磁系統(tǒng)的核心技術(shù)。

1 閉環(huán)消磁國外研究現(xiàn)狀

CLDG的研究始于二十世紀(jì)九十年代初，當(dāng)時(shí)美國馬里蘭州的海軍水面作戰(zhàn)中心與法國GESMA合作研制反水雷艦艇閉環(huán)消磁系統(tǒng)[1]。法國采用其“Cybele”級(jí)掃雷艦作為閉環(huán)消磁系統(tǒng)的測(cè)試平臺(tái)，美國則采用其“Avenger”級(jí)掃雷艦作為測(cè)試平臺(tái)。對(duì)于法國海軍來說，由于缺乏可用的磁場(chǎng)測(cè)量設(shè)施，他們選擇使用有限元這種數(shù)字建模技術(shù)作為研究方法；美國海軍則選擇使用經(jīng)驗(yàn)方法，即采用物理模型和傳感器測(cè)量來建立閉環(huán)消磁算法[2]。1994年，美國查爾斯頓海軍船廠在“Avenger”級(jí)十號(hào)艦，即“勇士”號(hào)(MCM-10)上安裝了第一套閉環(huán)消磁系統(tǒng)樣機(jī)，通過海上試驗(yàn)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的研究和開發(fā)[3]。后來，美國又將目光轉(zhuǎn)向了鋼殼艦艇閉環(huán)消磁系統(tǒng)的研制。1999年計(jì)劃初步研制適用于鋼殼戰(zhàn)斗艦的CLDG系統(tǒng)，包括船上傳感器套件和控制算法；詳細(xì)說明并初步采購CLDG組件。2000年計(jì)劃完成CLDG傳感器研制和采購；實(shí)施全尺度CLDG站試驗(yàn)[4]。2001年5月美國將一份價(jià)值6,848,350美元的合同給了BAE系統(tǒng)公司，要求其為MDG1701系統(tǒng)加裝閉環(huán)消磁部分[5]。鋼殼艦艇閉環(huán)消磁系統(tǒng)的初始測(cè)試是在美國海軍的一艘研究船上進(jìn)行的，該研究船的前身是前東德的輕型導(dǎo)彈巡洋艦“Hiddensee”[2]。專利文獻(xiàn)[6]中指出2艘美國海軍艦艇上安裝的閉環(huán)消磁系統(tǒng)在理論上的誤差可達(dá)到10%，利用該專利中的改進(jìn)算法，理論上的誤差可減小到最大5%。最近在DDG 1000計(jì)劃的先進(jìn)技術(shù)演示中，安裝在“Arleigh Burke(DDG 51)”級(jí)驅(qū)逐艦上的閉環(huán)消磁系統(tǒng)原型展示了如何在前線戰(zhàn)區(qū)檢測(cè)和補(bǔ)償艦艇大的固定磁場(chǎng)變化[2]。美國最新的“VIRGINIA”級(jí)核潛艇安裝了閉環(huán)消磁系統(tǒng)，從而使得其磁隱身性能優(yōu)于“SEAWOLF”級(jí)等其它核潛艇[7]。

法國在“Circe”級(jí)反水雷艦（船殼為無磁材料）上安裝了閉環(huán)消磁系統(tǒng)[8]，但在鋼殼艦上的應(yīng)用尚未見報(bào)道。然而，法國一直堅(jiān)持采用數(shù)字建模技術(shù)進(jìn)行閉環(huán)消磁系統(tǒng)研究，早在1991年X.Brunotte就在其博士論文中用有限元方法為艦艇磁場(chǎng)建模并計(jì)算艦艇的感應(yīng)磁場(chǎng)[9]。1997年L.Ledorze的博士論文提出了一種跳躍勢(shì)的方法來給艦艇消磁繞組建模，解決了消磁電纜離鐵磁物質(zhì)太近而導(dǎo)致的計(jì)算精度低的問題 。2001年，O.Chadebec的博士論文使得法國在閉環(huán)消磁系統(tǒng)數(shù)字建模技術(shù)上取得了重大突破，在論文中他提出將艦艇的薄殼體進(jìn)行簡(jiǎn)化，并將感應(yīng)磁場(chǎng)的計(jì)算矩陣和船內(nèi)測(cè)量值矩陣合并在一起，然后采用積分方程法求解，從而使得船外磁場(chǎng)的測(cè)量值與預(yù)測(cè)值吻合得很好[11]。2005年，S.Guérin在其博士論文中研究了船內(nèi)傳感器位置優(yōu)化方法及艦艇磁場(chǎng)反演算法的魯棒性[12]，使閉環(huán)消磁技術(shù)向?qū)嵱糜诌~進(jìn)了一步。文獻(xiàn)[13]研究了雙層殼體潛艇上閉環(huán)消磁系統(tǒng)的應(yīng)用問題。將磁場(chǎng)傳感器敷設(shè)在兩殼體之間，求解了從測(cè)量值得到殼體磁化狀態(tài)的逆問題，并計(jì)算了潛艇的磁信號(hào)。文中還開發(fā)了一種特別的算法并通過測(cè)量進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)采用了一個(gè)約3.5 m長的潛艇模型，模型內(nèi)敷設(shè)了80個(gè)磁通門傳感器。對(duì)給定的磁狀態(tài)，通過逆問題求解得到了兩層殼的磁化。預(yù)測(cè)的信號(hào)與測(cè)量的信號(hào)作了比較，兩者吻合得非常好。從這些文獻(xiàn)和報(bào)道可以看出，法國利用數(shù)字建模技術(shù)開展閉環(huán)消磁系統(tǒng)的研究已取得了突破性的進(jìn)展，相信不久就會(huì)進(jìn)入實(shí)用階段。

意大利IFEN公司在其網(wǎng)站上宣布已研制成功閉環(huán)消磁系統(tǒng)，并在DGM-4型艦艇消磁系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，使該型儀器具備了閉環(huán)消磁功能[14]，該型儀器安裝在了“Gaeta”級(jí)反水雷艦（船殼為無磁材料）上[8]。2010年美國對(duì)臺(tái)軍售武器清單中包括“Osprey”級(jí)掃雷艦，該艦上就安裝有一套意大利生產(chǎn)的DGM-4型閉環(huán)消磁系統(tǒng)[15]。

英國Bartington儀表有限公司提供磁場(chǎng)測(cè)量儀器，其中Grad-03-12型號(hào)的梯度計(jì)專門設(shè)計(jì)用于閉環(huán)消磁系統(tǒng)[16]。英國Ultra Electronics公司在其網(wǎng)站上聲稱能制造海軍艦艇上用于閉環(huán)消磁系統(tǒng)的磁場(chǎng)梯度計(jì)[17]。英國專利文獻(xiàn)[18]中給出了一種用于閉環(huán)消磁系統(tǒng)的磁場(chǎng)計(jì)算技術(shù)，并以潛艇為例進(jìn)行了詳細(xì)的公式推導(dǎo)。英國國防部的國防標(biāo)準(zhǔn)“Guide to the Design of Ferro-magnetic Signature Control Systems and Degaussing”中9.6.3節(jié)專門談到了閉環(huán)消磁控制系統(tǒng)[19]。該標(biāo)準(zhǔn)提到英國的“Vanguard”級(jí)彈道導(dǎo)彈核潛艇上已安裝了閉環(huán)消磁系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)中指出，閉環(huán)消磁控制系統(tǒng)適合于補(bǔ)償在永久磁性方面的持續(xù)和大的改變，例如潛艇下潛，也可應(yīng)用于MCMV和鋼殼水面艦艇。完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)控制永久和感應(yīng)消磁電流，裁減版的則只控制永久消磁電流的變化。后者中，感應(yīng)消磁電流仍舊由開環(huán)消磁系統(tǒng)控制。裁減版的控制任務(wù)較為簡(jiǎn)單，因?yàn)橛谰么艌?chǎng)的變化相當(dāng)緩慢。閉環(huán)控制系統(tǒng)的計(jì)算量非常大，一個(gè)周期的計(jì)算時(shí)間為幾分鐘，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于潛艇的運(yùn)動(dòng)速率。因此，潛艇的運(yùn)動(dòng)速率要求感應(yīng)消磁電流由開環(huán)（如羅經(jīng)消磁）控制系統(tǒng)控制，閉環(huán)系統(tǒng)只考慮固定磁場(chǎng)的變化，也就是說使用裁減版的閉環(huán)消磁控制系統(tǒng)。隨著計(jì)算能力的提升，完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)將成為可能。

2005年澳大利亞開展了一次有關(guān)閉環(huán)消磁的潛艇試驗(yàn)[20]。磁傳感器安裝在外殼和耐壓殼體之間，試驗(yàn)的目的是為了找到合適的離消磁電纜足夠遠(yuǎn)的位置安裝磁傳感器以避免其工作期間飽和，試驗(yàn)用2天完成。2010年3月，澳大利亞DSTO在其發(fā)布的規(guī)劃中提出要消除將閉環(huán)消磁系統(tǒng)應(yīng)用到后續(xù)潛艇SEA 1000上的風(fēng)險(xiǎn)[21]。

瑞典Polyamp公司、俄羅斯Krylov Shipbuilding研究院等均在其網(wǎng)站上提及閉環(huán)消磁，但具體進(jìn)展情況不詳。

綜上所述，得到如下結(jié)論：美國已在低磁鋼艦艇、鋼殼水面艦和核潛艇上都成功應(yīng)用了閉環(huán)消磁系統(tǒng)；英國則在核潛艇上進(jìn)行了應(yīng)用，其它艦艇是否應(yīng)用不詳；澳大利亞即將在潛艇上安裝；法國和意大利在低磁鋼艦艇上進(jìn)行了成功應(yīng)用。

2 閉環(huán)消磁關(guān)鍵技術(shù)

如前所述，構(gòu)建閉環(huán)消磁系統(tǒng)的核心技術(shù)是如何從船上測(cè)得磁場(chǎng)數(shù)據(jù)并準(zhǔn)確推算船外磁場(chǎng)。因此，閉環(huán)消磁的關(guān)鍵技術(shù)包含2個(gè)方面：推算船外磁場(chǎng)和船上磁場(chǎng)測(cè)量。

目前，在推算船外磁場(chǎng)方面，法國將艦艇殼體進(jìn)行單元剖分，考慮鐵磁材料的物理屬性并將艦艇感應(yīng)磁場(chǎng)和固定磁場(chǎng)聯(lián)合建立求解方程，通過船上的部分磁場(chǎng)測(cè)量值就可預(yù)測(cè)船外磁場(chǎng)[22]。在船體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化或增減、移動(dòng)磁性設(shè)備后，這種方法只需再次剖分并重新計(jì)算，因此可節(jié)約成本和時(shí)間。但由于實(shí)際艦艇形狀非常復(fù)雜，且艦艇內(nèi)部有大量設(shè)備，給剖分增加了很大難度，導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間長，計(jì)算誤差比較大。美國則將船上鐵磁物質(zhì)產(chǎn)生的磁性用虛擬磁源M來等效，通過一系列的推導(dǎo)得到使船外龍骨下某深度磁場(chǎng)為零的消磁電流表達(dá)式 I=-(ATkAk)-1ATkBk(BTHBH)-1BTH(H-AHI0)=G·Hoff，該表達(dá)式中已經(jīng)不含虛擬磁源M，但需測(cè)量繞組信號(hào)矩陣A、磁性狀態(tài)矩陣 B以及船上磁場(chǎng)值 H 。該方法屬于經(jīng)驗(yàn)法，須進(jìn)行多次的船內(nèi)、船外磁場(chǎng)測(cè)量，建立兩者之間的關(guān)系矩陣。在人為產(chǎn)生艦艇磁性變化后，同步測(cè)量船內(nèi)、船外磁場(chǎng)分布的變化，并將該組內(nèi)外對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)變化作為一組向量添加到矩陣，該矩陣作為基函數(shù)再現(xiàn)艦艇航行時(shí)磁性的任何改變[24]。要再現(xiàn)艦艇磁性的任何改變，必須使得基函數(shù)完備，因此如何人為控制艦艇磁性變化并篩選基函數(shù)以使得其完備，尚未見有文獻(xiàn)報(bào)道。

在船上磁場(chǎng)測(cè)量方面，現(xiàn)有研究主要集中在優(yōu)化傳感器位置并減少傳感器數(shù)量方面。文獻(xiàn)[6]中將磁傳感器圍繞低磁鋼艦艇內(nèi)部設(shè)備敷設(shè)，文獻(xiàn)[25]以薄鋼板為研究對(duì)象，提出了三種位置優(yōu)化方法，即信號(hào)優(yōu)化法、條件數(shù)優(yōu)化法與固體角優(yōu)化法。該文獻(xiàn)通過比較后，指出信號(hào)優(yōu)化算法在推算精度上要明顯優(yōu)于另兩種優(yōu)化算法，但該算法存在計(jì)算時(shí)間長且位置隨磁化狀態(tài)改變而不固定的問題。

3 閉環(huán)消磁國內(nèi)研究基礎(chǔ)

在文獻(xiàn)[25]的研究基礎(chǔ)上提出一種依據(jù)磁場(chǎng)計(jì)算和剖分單元數(shù)進(jìn)行測(cè)量點(diǎn)數(shù)優(yōu)化的方法，并利用隨機(jī)類微粒群優(yōu)化算法確定相應(yīng)的測(cè)量位置分布，有望解決測(cè)量位置優(yōu)化問題，且該方法需要的測(cè)量點(diǎn)數(shù)較少、推算精度可望大為提高。

文獻(xiàn)[26]提出一種基于磁場(chǎng)變化量的船外磁場(chǎng)推算方法，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)船模內(nèi)外固定磁場(chǎng)的變化量進(jìn)行了測(cè)量，計(jì)算出的船外磁場(chǎng)12組數(shù)據(jù)與測(cè)量值比較，其相對(duì)均方根誤差在10%以內(nèi)。磁傳感器的數(shù)量和位置優(yōu)化問題中涉及磁場(chǎng)反演模型和逆問題的求解。近年來，隨著電磁場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，電磁場(chǎng)逆問題的研究也越來越受到關(guān)注。國內(nèi)許多學(xué)者都針對(duì)各自應(yīng)用背景對(duì)電磁場(chǎng)逆問題開展了深入研究，如謝德馨、倪光正、楊仕友等研究了用于電磁裝置綜合設(shè)計(jì)中的電磁場(chǎng)逆問題數(shù)值分析方法[27-28]，姚姚、王彥飛、徐果明等研究了地球物理反演理論[29-30]，Hansen、黃卡瑪、趙翔等較系統(tǒng)研究了電磁場(chǎng)逆問題理論[31]，顏威利、徐桂芝等研究了腦電信號(hào)源、電阻抗成像等生物醫(yī)學(xué)電磁場(chǎng)逆問題。上述應(yīng)用領(lǐng)域中所取得的研究成果都為閉環(huán)消磁的研究提供了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

由于閉環(huán)消磁系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)艦艇磁性變化，控制方式最為先進(jìn)，可以達(dá)到最好的消磁效果，因此成為了國際上的研究熱點(diǎn)，目前只有少數(shù)發(fā)達(dá)國家掌握并應(yīng)用了該技術(shù)。在我國，閉環(huán)消磁的研究才剛剛起步，理論上的探索還處于初級(jí)階段，與發(fā)達(dá)國家還存在不小的差距。因此，我國應(yīng)加大資金投入和研發(fā)力度，攻克閉環(huán)消磁關(guān)鍵技術(shù)，從而全面提高我國艦艇的磁隱身性能。

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