基于兩航向測(cè)量的艦船任意航向磁場(chǎng)計(jì)算方法

汪永浩，張國(guó)友

（海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，武漢 430033）

0 引言

為了提高艦船磁性安全度，迫切需要知道艦船磁場(chǎng)的分布情況，從而為艦船磁隱身等方向的研究和工程應(yīng)用提供依據(jù)[1-5]。測(cè)量不同航向的艦船磁場(chǎng)需要較多的人力和物力，花費(fèi)大量的時(shí)間，對(duì)于大型艦船來(lái)說(shuō)，在工程上往往無(wú)法實(shí)現(xiàn)，為了節(jié)省資源，節(jié)約時(shí)間，提高效率，采用相反的兩個(gè)非主航向上艦船三分量磁場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，直接計(jì)算出任意航向艦船三分量磁場(chǎng)，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用前景。

1 任意航向艦船磁場(chǎng)分析計(jì)算

1.1 艦船磁場(chǎng)特性分析

1.2 不同航向角下艦船磁場(chǎng)分析

感應(yīng)磁場(chǎng)隨地磁場(chǎng)成正比變化，而艦船固定磁場(chǎng)不隨地磁場(chǎng)變化。因此當(dāng)艦船的航向角為θ時(shí)，艦船舷下三分量磁場(chǎng)的表達(dá)式為：

圖1

圖2

當(dāng)航向角為180θ+°時(shí)，即在相反的航向上艦船舷下三分量磁場(chǎng)的表達(dá)式為：

龍骨下三分量磁場(chǎng)的表達(dá)式為：

1.3 任意航向艦船磁場(chǎng)計(jì)算

通過(guò)以上公式就可以由航向?yàn)棣蘸?80φ+°兩個(gè)方向上艦船的三分量磁場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算出任意航向θ時(shí)艦船三分量磁場(chǎng)。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上對(duì)某艦船模型三分量磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，利用磁傳感器測(cè)量艦船模型吃水線下某深度的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。艦船模型龍骨下從艦首到艦尾均勻等距放置7個(gè)磁傳感器，左右舷下從艦首到艦尾均勻等距各放置3個(gè)磁傳感器。以磁北航向?yàn)槠瘘c(diǎn)，每隔10°角對(duì)艦船模型三分量磁場(chǎng)進(jìn)行一次測(cè)量。選取航向角為50°和230°兩個(gè)相反方向時(shí)艦船模型三分量磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算任意航向角艦船模型三分量磁場(chǎng)，并與對(duì)應(yīng)航向角艦船模型三分量磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證計(jì)算方法的正確性。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中共有13個(gè)測(cè)量點(diǎn)，分36個(gè)航向?qū)ε灤Ｐ腿至看艌?chǎng)進(jìn)行測(cè)量，在驗(yàn)證時(shí)對(duì)13個(gè)測(cè)量點(diǎn)和各航向均進(jìn)行了驗(yàn)證，本文只選取13個(gè)測(cè)量點(diǎn)中具有代表性的4個(gè)測(cè)量點(diǎn)：龍骨下選取兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)，分別為龍骨下第1個(gè)和第4個(gè)磁傳感器所測(cè)點(diǎn)位置，簡(jiǎn)稱為龍1和龍4；左右舷各選取一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，分別為左舷第3個(gè)磁傳感器所測(cè)點(diǎn)位置和右舷第1個(gè)磁傳感器所測(cè)點(diǎn)位置，簡(jiǎn)稱為左3和右1。艦船模型左3、右1、龍1和龍4測(cè)量點(diǎn)由計(jì)算公式計(jì)算出的不同航向角三分量磁場(chǎng)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)三分量磁場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)比，情況如圖3～6所示，圖中數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)了歸一化處理，橫坐標(biāo)1～36 代表航向角0°～350°。

2.3 實(shí)驗(yàn)分析

圖5 龍骨第1個(gè)測(cè)量點(diǎn)三分量磁場(chǎng)計(jì)算值和測(cè)量值

圖6 龍骨第4個(gè)測(cè)量點(diǎn)三分量磁場(chǎng)計(jì)算值和測(cè)量值

表1 艦船模型測(cè)量點(diǎn)三分量磁場(chǎng)相對(duì)誤差分析結(jié)果

從相對(duì)誤差分析結(jié)果中可以看到，艦船模型4個(gè)測(cè)量點(diǎn)X、Y、Z分量磁場(chǎng)各自相對(duì)誤差平均值小于4%，最小值小于0.5%，除了左3的Y分量、龍1的Y分量、龍4的Y分量、龍4的Z分量相對(duì)誤差最大值在 5%到 10%之間，其余各分量相對(duì)誤差最大值都小于 5%。通過(guò)相反的兩個(gè)非主航向上的艦船模型三分量磁場(chǎng)推算得到的任意航向上艦船模型三分量磁場(chǎng)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)非常吻合。

分析實(shí)驗(yàn)誤差原因主要有以下三個(gè)方面：一是測(cè)量艦船模型不同航向角時(shí)，航向角存在偏差，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)造成一定的誤差；二是實(shí)驗(yàn)室測(cè)量精度所致，磁傳感器測(cè)量某分量實(shí)測(cè)數(shù)值較小時(shí)，磁傳感器測(cè)量?jī)x器精度對(duì)其影響較大；三是個(gè)別磁傳感器在艦船模型旋轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)生晃動(dòng)，相對(duì)位置發(fā)生改變，磁傳感器測(cè)量不是十分準(zhǔn)確。

實(shí)驗(yàn)還分別利用了10°與190°、 30°與 210°和80°與260°相反航向上艦船模型三分量磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算任意航向角艦船模型三分量磁場(chǎng)，并與對(duì)應(yīng)航向角艦船模型三分量磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，相對(duì)誤差分析結(jié)果分別見(jiàn)表2、表3、表4。

對(duì)比分析表1～4中的相對(duì)誤差結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，由4組不同相反航向上磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)推算的任意航向磁場(chǎng)數(shù)據(jù)中，測(cè)量點(diǎn)磁場(chǎng)X分量相對(duì)誤差平均值在 5%內(nèi)，磁場(chǎng)Z分量相對(duì)誤差平均值小于6%。而不同航向上的測(cè)量點(diǎn)磁場(chǎng)Y分量相對(duì)誤差變化較大，其中由10°與190°航向上磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)推算的任意航向磁場(chǎng)Y分量相對(duì)誤差最為明顯，相對(duì)誤差平均值均超過(guò) 5%，相對(duì)誤差最大值在 10%到 20%之間。由50°和230°航向上三分量磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算的任意航向角艦船模型三分量磁場(chǎng)，比由10°與190°、 30°與 210°和80°與260°相反航向上計(jì)算的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，能更好的表現(xiàn)出磁場(chǎng)分布情況。因此，為更準(zhǔn)確的計(jì)算任意航向艦船三分量磁場(chǎng)，應(yīng)選取50°或140°附近的一對(duì)相反航向上艦船磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，盡量避免選取10°或80°等在主航向附近的相反航向上的磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)。

表2 10°與190°相反航向三分量磁場(chǎng)相對(duì)誤差分析結(jié)果

表3 30°與210°相反航向三分量磁場(chǎng)相對(duì)誤差分析結(jié)果

表4 80°與260°相反航向三分量磁場(chǎng)相對(duì)誤差分析結(jié)果

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)艦船磁場(chǎng)特性的分析，提出了一種推算艦船任意航向三分量磁場(chǎng)的計(jì)算方法。在同一測(cè)量深度和測(cè)量點(diǎn)位置的前提下，該方法僅利用相反的兩個(gè)非主航向上艦船三分量磁場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可直接計(jì)算出任意航向艦船三分量磁場(chǎng)，為分析研究任意航向艦船的磁特征和磁隱身性能提供了依據(jù)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的可行性和準(zhǔn)確性，該方法可推廣應(yīng)用于從測(cè)量地到其它區(qū)域艦船三分量磁場(chǎng)的推算問(wèn)題。

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