水下電磁波頻率變化特性實驗研究

孫常存, 袁 鵬, 任志良, 譚思煒

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水下電磁波頻率變化特性實驗研究

孫常存1, 袁 鵬2, 任志良3, 譚思煒3

(1. 中國人民解放軍 91439 部隊, 遼寧 旅順, 116041; 2. 海軍裝備部駐西安地區(qū)軍事代表局, 陜西 西安, 710054; 3. 海軍工程大學(xué) 兵器工程系, 湖北 武漢, 430033)

基于對電磁波傳播特性實驗原理和實驗內(nèi)容的分析, 設(shè)計了一套水下電磁波頻率變化特性實驗方案, 并進行了水池實驗。經(jīng)數(shù)據(jù)處理后, 給出了電磁波傳播過程中頻率變化特性水池實驗結(jié)果, 并與理論仿真結(jié)果作了對比, 結(jié)果表明, 實測數(shù)據(jù)與理論值存在一定誤差, 但實測數(shù)據(jù)擬合曲線與理論曲線的變化趨勢基本一致, 驗證了本套實驗方案的可行性。最后指出了存在的問題及下一步研究方向, 為水下主動變頻電磁探測系統(tǒng)的研制提供理論和實驗依據(jù)。

水下電磁波; 傳播特性; 頻率變化

0 引言

水下主動式電磁探測系統(tǒng)通常利用諧變磁偶極子作為電磁輻射裝置, 向周圍空間輻射一定強度的電磁探測場。在作為主動探測源的同時, 磁偶極子輻射源也成為被探測的信號源, 文獻[1]和[2]均利用這一原理實現(xiàn)了對水下主動式電磁探測系統(tǒng)安裝平臺的被動定位, 加之采用單一頻率的連續(xù)波工作方式, 一旦主動式電磁探測系統(tǒng)的電磁輻射場被截獲, 必將增大系統(tǒng)受到敵方電磁干擾的威脅[3-4]。采用變頻工作方式是提高水下主動式電磁探測系統(tǒng)抗干擾能力的可行途徑之一, 因此, 研制水下主動式變頻電磁探測系統(tǒng)勢在必行。由于水下電磁波傳播特性與頻率有關(guān), 變頻必將引起電磁波傳播特性的變化。鑒于此, 本文針對水下電磁波傳播過程中的頻率變化特征, 開展實驗研究, 給出了水池實驗方案、實驗數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理和分析結(jié)果, 為研制水下主動式變頻電磁探測系統(tǒng)提供了理論和實驗依據(jù)。

1 電磁波傳播特性數(shù)學(xué)模型

根據(jù)水下交變磁偶極子場的分布特性[5-7],柱坐標系下水下磁偶極子場的數(shù)學(xué)模型為

由式(2)得出, 水下磁偶極子場徑向分量和軸向分量的幅值表達式為

對應(yīng)靜磁偶極子場徑向分量和軸向分量的幅值為

則徑向分量與軸向分量的幅值衰減系數(shù)和相移系數(shù)分別為

2 基本原理與實驗內(nèi)容

水下電磁波傳播過程中頻率變化特性的實驗原理如圖2所示。通過由DDS信號源提供指定參數(shù)的發(fā)射信號, 經(jīng)功率放大后激勵引電磁耦合裝置以恒定磁矩產(chǎn)生變頻輻射場?？紤]到電磁輻射和接收均具有一定的方向性, 如果采用1D或2D電磁接收傳感器直接對輻射場的徑向分量和軸向分量進行測量, 將為水下接收傳感器方位的精確調(diào)整帶來困難, 這里利用3D電磁傳感器陣來測量電磁耦合裝置產(chǎn)生輻射場的3個分量。經(jīng)濾波放大后, 通過數(shù)字示波器觀察接收信號的波形, 利用交流毫伏表讀出相應(yīng)磁場分量的電壓值, 利用相位計測得各分量的傳播相移。最后, 對測量數(shù)據(jù)做曲線擬合, 與式(5)和式(6)的仿真結(jié)果作對比分析。

圖2 水下電磁波頻率變化特性實驗原理圖

3 水下電磁波頻率變化特性水池實驗設(shè)計

3.1 實驗設(shè)備的基本組成

根據(jù)水下電磁波頻率變化特性實驗原理圖可知, 實驗中所用到的儀器設(shè)備及其完整的配置方法, 下面對水下電磁發(fā)射與接收裝置、DDS信號源以及相關(guān)的信號處理部分作詳細說明。

圖3為水密的電磁耦合器和3D電磁傳感器陣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖, 電磁耦合器即為1根棒形輻射器, 輻射磁矩沿軸正方向; 3D電磁傳感器陣由3個小尺寸帶鐵芯的線圈組成, 實現(xiàn)空間電磁場的三分量接收。

基于DSP的信號發(fā)射與處理系統(tǒng)框圖如圖4所示, 其中包含DDS信號源模塊和接收信號預(yù)處理模塊, 電路板的主要構(gòu)成與功能如下:

1) 前置放大: 將3D電磁傳感器陣輸出的信號進行放大;

3) 自動增益調(diào)整: 對信號幅度進行調(diào)整;

4) FPGA電路: 完成DDS信號的產(chǎn)生、控制邏輯以及與DSP之間的總線通信;

5) 波形重構(gòu)電路: 完成參數(shù)可調(diào)正弦波的重構(gòu)與濾波, 再輸出至功率放大器。

圖3 水密的電磁發(fā)射和接收裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

Fig. 3 Internal structure diagram of water-sealed electromagnetic radiating and receiving device

圖4 基于DSP信號發(fā)射與處理系統(tǒng)框圖

3.2 實驗方案

2) 設(shè)定DDS信號源的頻率, 考慮到選頻濾波的頻率范圍有限, 初始頻率設(shè)定為1;

圖5 電磁耦合器與3D電磁傳感器陣布放示意圖

3) 調(diào)節(jié)信號源的幅值和配諧電容器, 運行DSP程序使DDS信號源輸出發(fā)射信號, 待穩(wěn)定后觀察電流表的讀數(shù)是否達到規(guī)定值, 如果有偏差, 則通過改變DDS信號源的幅值進行調(diào)節(jié), 直至電流表讀數(shù)穩(wěn)定在規(guī)定值, 表明電磁耦合器的輻射磁矩已達到規(guī)定值;

4) 運行DSP數(shù)據(jù)處理程序, 通過數(shù)字示波器觀察接收信號的波形, 利用交流毫伏表讀出輻射場各分量的電壓值, 利用相位計測得輻射場各分量的相移, 并記錄數(shù)據(jù), 停止DSP程序運行;

7) 將測得的實驗數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB做數(shù)據(jù)擬合, 與式5)和式6)的仿真結(jié)果作對比分析。

4 實驗數(shù)據(jù)與分析

為了利用水下電磁波傳播過程中的頻率變化特性對所設(shè)計的實驗方案進行驗證, 在水中兵器實驗室進行了水池實驗測量, 并將兩路水平分量轉(zhuǎn)換為徑向分量, 得到了定距變頻和變距變頻條件下, 電磁場徑向分量和軸向分量的幅相測量結(jié)果, 其中某一頻率范圍內(nèi)的實驗數(shù)據(jù)見表1和表2。再利用實驗數(shù)據(jù)得到對應(yīng)的傳播衰減系數(shù)和相移系數(shù), 經(jīng)二次多項式擬合后, 與理論仿真結(jié)果作對照分析, 結(jié)果如圖6和圖7所示。

表1 變頻電磁場分量測量結(jié)果與理論數(shù)據(jù)(r=1.5 m)

圖6 水下電磁波各分量傳播特性的實測與理論曲線(r=1.5 m)

圖7 水下電磁波各分量傳播特性的實測與理論曲線(r=2 m)

表2 變頻電磁場分量測量結(jié)果與理論數(shù)據(jù)(r=2 m)

由圖6和圖7可以看出, 與水下電磁波各分量傳播特性隨頻率變化的理論曲線對比, 實驗測量的數(shù)據(jù)存在一定誤差, 但實測數(shù)據(jù)擬合曲線與理論曲線的變化趨勢基本吻合, 且以軸向分量傳播特性變化曲線與理論曲線吻合得最好。上述結(jié)論只是初步的, 還需要進行更深入的仿真分析和實驗研究。

5 結(jié)束語

本文對水下電磁波傳播過程中的頻率變化特性進行了實驗研究, 設(shè)計了一套變頻電磁波傳播特性實驗方案, 并用此方案進行了水池實驗。雖然實測數(shù)據(jù)擬合曲線與理論曲線的變化趨勢基本吻合, 但由于各方面原因, 還是存在一些誤差, 實驗方案需要進一步精確。實驗誤差存在的原因有實驗儀器設(shè)備自身的誤差, 另外與水池內(nèi)部空間的電磁干擾不能完全消除也有一定關(guān)系, 還需要進一步提高實驗測量設(shè)備的性能, 并進行湖上或海上實驗研究。

[1] 任志良, 陳澤茂, 李澤良. 魚雷電磁引信定位方法研究[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報, 2000, 12(6): 41-44.

Ren Zhi-liang, Chen Ze-mao, Li Ze-liang. Research on Ranging and Position Method of Torpedo Electromagnetic Fuze[J]．Journal of Naval University of Engineering, 2000, 12(6): 41-44．

[2] 任志良, 黃玉盈. 磁偶極子天線方向性的邊界元解法[J]．海軍工程大學(xué)學(xué)報, 2003, 15(6): 37-48.Ren Zhi-liang, Huang Yu-ying．BEM of the Directivity of Magnetic Dipole Antenna[J]. Journal of Naval University of Engineering, 2003, 15(6): 37-48．

[3] 陳春玉, 張靜遠．反魚雷技術(shù)[M]．北京: 國防工業(yè)出版社, 2006.

[4] 陳耀娟, 韓明連. 艦艇魚雷防御技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2002, 24(z): 12-14.Chen Yao-juan, Han Ming-lian. State of the Art and Trend of Surface Ship Torpedo Defence Technology[J]．Ship Science and Technology, 2002, 24(z): 12-14.

[5] Stratton J A. Electromagnetic Theory[M]. New York: McGraw-Hill Book Company, 1941: 15-17.

[6] 樓仁海, 符果行, 袁敬閎．電磁理論[M]．西安: 電子科技大學(xué)出版社, 1996.

[7] Wong K T, Zoltowski M D. Closed-Form Direction- Finding with Aarbitrarily Spaced Electromagnetic Vector-Sensors at Unknown Location[C]//Acoustics, Speech and Signal Processing. Seattle: Proceedings of the 1998 IEEE International Conference, 1998(4): 1949-1952.

(責任編輯: 許妍)

Experimental Research for Exploring Frequency Variation Characteristics of Underwater Electromagnetic Wave

SUN Chang-cun,YUAN Peng,REN Zhi-liang,TAN Si-wei

(1. 91439thUnit, The People′s Liberation Army of China, Lüshun 116041, China; 2. Xi′an Representative Bureau, Naval Armament Department, Xi′an 710054, China; 3. Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

An experimental scheme was designed for exploring frequency variation characteristics of underwater electromagnetic wave based on the analyses of experimental principle and experiment items of electromagnetic wave propagation characteristics, and a water-tank experiment was performed. The results after data processing and quadratic polynomial fitting are given, and are compared with simulation ones. Conclusions are drawn that the theoretical values show some error to the measured data, but the fitting curve of the measured data show consistent trend with the theoretical curve, which verifies the feasibility of the proposed scheme. In addition, some existing problems and further research topics are presented.

underwater electromagnetic wave; propagation characteristics; frequency variation

TM154.3; TN011.6

A

1673-1948(2014)01-0072-06

2013-01-29;

2013-08-22.

國家自然基金(51109215).

孫常存(1983-), 男, 博士, 工程師, 研究方向為魚雷制導(dǎo)與引信技術(shù).