磁偶極子與大橢球混合建模法在船舶磁場(chǎng)推算中的研究*

常　宜　祝小雨

(92571部隊(duì)　三亞　572000)

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磁偶極子與大橢球混合建模法在船舶磁場(chǎng)推算中的研究*

常宜祝小雨

(92571部隊(duì)三亞572000)

摘要針對(duì)磁偶極子法模擬船舶磁場(chǎng)其數(shù)目、空間排布不易選擇,單大橢球法又在精度上有所欠缺的問題,用九磁偶極子與大橢球混合建模的方法模擬船舶磁場(chǎng)。通過測(cè)量得到的船舶參數(shù)、船舶標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量面的磁場(chǎng)以及測(cè)量點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)用最小二乘法來推算船舶的磁矩,然后利用計(jì)算得到的磁矩反推空間某點(diǎn)的磁場(chǎng)并與其測(cè)量得到的真實(shí)值加以比較,最終將誤差控制在了10%以下,運(yùn)用到實(shí)際中具有十分重要的意義。

關(guān)鍵詞磁偶極子; 橢球; 船舶磁場(chǎng)

Research of Magnetic Dipole and Ellipsoid Hybrid Modeling in Marine Magnetic Field Calculation

CHANG YiZHU Xiaoyu

(No. 92571 Troops of PLA, Sanya572000)

AbstractAs the number and the configuration of the dipoles model is hard to choice, the calculation of ellipsoid model is lack of accuracy. The magnetic field of the ship with nine magnetic dipole and big ellipsoid hybrid model is analoged, and the magnetic moment of the ship by least square method is calculated with the parameters of the ship, the magnetic field of the standard measurement surface, the relative coordinates of the points. Then the magnetic field of the point are measured and compared with the exact value. This paper presents that the conversion mean square error has been controlled in 10% which is significant to use in reality.

Key Wordsmagnetic dipole, ellipsoid, the magnetic field of ship

Class NumberU665.26

1引言

在國(guó)防工業(yè)中一般通過有限元法、諧波分析法或者磁體模擬法等方法對(duì)船舶磁場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算[1]。但這些計(jì)算方法普遍存在適用范圍不大或者計(jì)算量偏大的缺點(diǎn)。磁體模擬法是船舶磁場(chǎng)仿真模擬計(jì)算中一個(gè)重要的方法,其中磁偶極子建模與橢球建模又是磁體模擬法中的重要組成部分。對(duì)于磁偶極子建模法而言,在幅度上有一定的精度,磁場(chǎng)梯度較高,能在低速情況下模擬相對(duì)較高速的磁場(chǎng)環(huán)境,但是磁偶極子的個(gè)數(shù)選擇及空間排布的選擇是一個(gè)需要解決的問題[2]。對(duì)于橢球法而言,穩(wěn)定性較高,但是如果只選擇一個(gè)橢球體進(jìn)行建模,在精度上可能不能滿足一定的要求[3]。本文通過九個(gè)磁偶極子與一個(gè)大橢球混合陣列的方法對(duì)船舶磁場(chǎng)進(jìn)行建模,并設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn),最后用實(shí)驗(yàn)計(jì)算數(shù)據(jù)與真實(shí)結(jié)果加以比較取得了一定的效果。

2數(shù)學(xué)模型的建立

選擇九個(gè)磁偶極子與一個(gè)大橢球體的混合陣列進(jìn)行建模。如圖1所示,以船舶中心為原點(diǎn),橢球中心跟船舶中心重合,艦尾指向艦首方向?yàn)閆軸正方向,左舷指向右舷方向?yàn)閅軸正方向,豎直向下方向?yàn)閆軸正方向。磁偶極子以L/8的間距等距分布在Y軸上(L為船舶的長(zhǎng)度),其中第五個(gè)磁偶極子與坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合。

圖1　船舶坐標(biāo)系示意圖

若船舶在某點(diǎn)Pj(xj,yj,zj)處分隔方向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度為Hxj,Hyj,Hzj,則:

(1)

其中1≤i≤9,第i個(gè)磁偶極子沿x,y,z三個(gè)不同方向坐標(biāo)軸的磁矩分量分別為Mui、Mvi、Mwi。

當(dāng)i=0,長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)橢球體沿x,y,z方向的磁矩分量為Mu0,Mv0,Mw0:

其中,bxj0=ayj0,cxj0=azj0,cyj0=bzj0

3實(shí)驗(yàn)及算法驗(yàn)證

3.1實(shí)驗(yàn)步驟

1) 如圖2選取適合尺寸的船模并測(cè)量其長(zhǎng)寬高等參數(shù),軌道、若干磁探頭、電腦、磁場(chǎng)測(cè)量設(shè)備。在軌道上每25cm標(biāo)記一個(gè)點(diǎn),共23個(gè)點(diǎn)以記錄在相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中船模相對(duì)位置磁場(chǎng)。

2) 將a、b、c三個(gè)磁探頭置于船模正下方1B(B為船寬)深第13個(gè)點(diǎn)位置,測(cè)量其標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量面上的磁場(chǎng)強(qiáng)度。d、e兩個(gè)磁探頭放在離實(shí)驗(yàn)器材較遠(yuǎn)且周邊沒有磁性物體位置,以監(jiān)測(cè)周邊環(huán)境磁場(chǎng)的變化。

3) 由南至北推動(dòng)船模,以測(cè)量船模下1B處不同部位的磁場(chǎng)。

圖2　測(cè)量方法示意圖

3.2算法驗(yàn)證

將橢球的長(zhǎng)半軸、短半軸、測(cè)量點(diǎn)在橢球坐標(biāo)系里的坐標(biāo)、測(cè)量點(diǎn)磁場(chǎng)數(shù)據(jù)代入式(1)得方程組H=F·M。

H=[Hx1Hy1Hz1Hx2…HxmHymHzm]T

(2)

M=[Mu0Mv0Mw0Mu1…MuNMvNMwN]T

(3)

(4)

將橢球的長(zhǎng)半軸、短半軸、磁偶極子在空間直角坐標(biāo)系的坐標(biāo),推動(dòng)船模得到的磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果代入系數(shù)矩陣,當(dāng)m>9+1時(shí),方程組有解,對(duì)于矛盾方程組來說,可以通過最小二乘法的方式求出其最優(yōu)解M。得到橢球體和磁偶極子混合模型的磁矩M后,再通過H′=F′·M,將標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量面上的點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)代入系數(shù)矩陣,進(jìn)行反演[4～6],從而得到標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量面上的計(jì)算磁場(chǎng)。算法[7～8]的簡(jiǎn)單流程如圖3所示。

圖3　簡(jiǎn)單的算法流程

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

運(yùn)用Matlab[9～10]軟件進(jìn)行編程,得出的計(jì)算值與真實(shí)值得比較如圖4～圖6所示。

表1　均方根誤差對(duì)比

圖4　左舷下標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量面均方根誤差為8.7%

圖5　龍骨下標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量面均方根誤差為8.9%

圖6　右舷下標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量面均方根誤差為8.8%

4結(jié)語

本文在前人基礎(chǔ)上,利用單大橢球跟九個(gè)呈一條直線等距排列的磁偶極子模擬船舶的磁場(chǎng)。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得的船舶標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量面上的磁場(chǎng)與每個(gè)測(cè)量點(diǎn)在橢球坐標(biāo)系里的相對(duì)坐標(biāo)用最小二乘法來求得船舶的磁矩,然后通過磁矩來反推空間某點(diǎn)的磁場(chǎng)值并與測(cè)量的真實(shí)值加以比較,將均方根誤差控制在了10%以內(nèi),能夠用于實(shí)際工程中。

參 考 文 獻(xiàn)

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中圖分類號(hào)U665.26

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.038

作者簡(jiǎn)介:常宜,男,工程師,研究方向:電磁環(huán)境與防護(hù)技術(shù)。

*收稿日期:2015年7月10日,修回日期:2015年8月23日