斜航向上艦船感應(yīng)磁性磁場(chǎng)分離方法討論

郭成豹,胡 松,王文井,殷琦琦

(海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

現(xiàn)代艦船一般由鋼鐵建造，在地磁場(chǎng)作用下成為一個(gè)大磁體，在其周?chē)臻g產(chǎn)生了艦船磁場(chǎng)[1-3].艦船磁場(chǎng)可被水中磁性兵器探測(cè)到并用于對(duì)艦船進(jìn)行定位和攻擊[4-6].為了艦船的航行安全，需要對(duì)艦船磁性磁場(chǎng)分布進(jìn)行測(cè)量和分析，采取主動(dòng)和被動(dòng)的消磁措施加以消除[7,8].艦船磁性磁場(chǎng)主要包括兩個(gè)組成部分，即固定磁性磁場(chǎng)和感應(yīng)磁性磁場(chǎng).艦船固定磁性磁場(chǎng)短時(shí)間內(nèi)一般不隨艦船航向、姿態(tài)變化而變化，采用恒定電流的電磁線圈就可以進(jìn)行補(bǔ)償消除；而艦船感應(yīng)磁性磁場(chǎng)則隨著艦船航向、姿態(tài)變化而變化，需要采用相應(yīng)變化電流的電磁線圈加以補(bǔ)償消除.因此，需要采用一定的技術(shù)手段分離艦船固定磁性磁場(chǎng)和感應(yīng)磁性磁場(chǎng).考慮到時(shí)間和方便性，通常在主航向(磁北、磁南、磁西、磁東)上進(jìn)行艦船磁性磁場(chǎng)的檢查測(cè)量，然后根據(jù)磁北和磁南航向上的磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)可分離艦船縱向感應(yīng)磁性磁場(chǎng)，而根據(jù)磁西和磁東航向上的磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)可分離艦船橫行感應(yīng)磁性磁場(chǎng).然而，有些情況下受到場(chǎng)地限制，艦船磁場(chǎng)測(cè)量只能在斜航向上進(jìn)行(例如磁北偏東45°角航向).對(duì)于斜航向上艦船感應(yīng)磁性磁場(chǎng)的分離問(wèn)題，鮮有文獻(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)描述[9,10].然而，斜航向上艦船感應(yīng)磁性磁場(chǎng)的分離是必不可少的教學(xué)內(nèi)容，更是一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)[8-10].在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于主航向上的艦船感應(yīng)磁性磁場(chǎng)分離，斜航向上的艦船磁性磁場(chǎng)分離教學(xué)工作則存在不少困難.教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中面對(duì)貌似復(fù)雜的邏輯關(guān)系，往往會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的畏難情緒，影響了教學(xué)效果的提高.本文提出，針對(duì)艦船龍骨下典型測(cè)量點(diǎn)的特殊情形展開(kāi)分析，首先分離出斜航向上艦船縱向和橫向感應(yīng)磁性磁場(chǎng)的總和，然后按照磁場(chǎng)三分量的來(lái)源實(shí)現(xiàn)艦船縱向和橫向感應(yīng)磁性磁場(chǎng)的分離.按照這種特殊情形展開(kāi)分析，過(guò)程將會(huì)條理清晰，邏輯性強(qiáng)，有利于深入理解.

1 艦船磁性狀態(tài)定義

為了便于描述艦船磁性和磁場(chǎng)，規(guī)定如下的艦船坐標(biāo)系：以船體的幾何中心為坐標(biāo)原點(diǎn)；x軸平行于艦船艏艉線，以指向船首為正，稱(chēng)為縱向；y軸平行于甲板面且垂直于艏艉線，以指向右舷為正，稱(chēng)為橫向；z軸垂直于甲板面，以向下為正，稱(chēng)為垂向方向，如圖1所示.

在艦船坐標(biāo)系中，可將地磁場(chǎng)進(jìn)行分解.其中，地磁場(chǎng)作用在艦船上的垂向分量Zd就是地磁場(chǎng)垂向分量Z；地磁場(chǎng)水平分量H可以分解為沿艦船艏艉線方向的縱向分量Xd和沿艦船左舷到右舷方向的橫向分量Yd.如圖1所示，設(shè)艦船的磁航向角為φ(向東為正)，即艦船艏艉線方向(艦船航向)與磁北方向之間的夾角，那么可以知道地磁場(chǎng)在艦船坐標(biāo)系中的分解關(guān)系為

圖1 地磁場(chǎng)在艦船坐標(biāo)系中的分解

這里所說(shuō)的磁航向角φ與真航向角φz以及磁偏角D之間的關(guān)系為：φ=φz-D.

顯然，在同一地點(diǎn)，艦船航向不同，Xd、Yd也就不同，而Zd不變.

根據(jù)艦船不同方向的磁化狀態(tài)，可將艦船總磁性分解為3部分，如圖2所示.

圖2 艦船的磁化方向

艦船縱向磁性——地磁場(chǎng)縱向分量Xd作用于艦船而形成的磁性，以Mx表示.這時(shí)船首和船尾分別被磁化成兩個(gè)磁極.

艦船橫向磁性——地磁場(chǎng)橫向分量Yd作用于艦船而形成的磁性，以My表示.這時(shí)艦船左右兩舷分別被磁化成兩個(gè)磁極.

艦船垂向磁性——地磁場(chǎng)垂向分量Zd作用于艦船而形成的磁性，以Mz表示.這時(shí)艦船的龍骨和甲板分別被磁化成兩極.艦船在北半球時(shí)的垂向磁化狀態(tài)，龍骨為N極，甲板為S極.

上述3種磁性都各自包括固定磁性和感應(yīng)磁性2部分，分別以下腳標(biāo)p和i表示.由此可得，艦船磁性可以看成是由縱向固定磁性Mpx、縱向感應(yīng)磁性Mix、橫向固定磁性Mpy、橫向感應(yīng)磁性Miy、垂向固定磁性Mpz和垂向感應(yīng)磁性Miz，共計(jì)6種磁性所構(gòu)成:

MΣ=Mx+My+Mz=
Mix+Mpx+Miy+Mpy+Miz+Mpz

其中，只有縱向感應(yīng)磁性和橫向感應(yīng)磁性所產(chǎn)生的磁場(chǎng)能夠通過(guò)檢測(cè)艦船不同航向上的磁場(chǎng)，然后計(jì)算分離得到.

2 斜航向上艦船磁性狀態(tài)分析

對(duì)于建設(shè)在磁東北-磁西南方向航道上的艦船磁場(chǎng)檢測(cè)設(shè)施，艦船只能以磁東北航向和磁西南航向航行通過(guò)磁傳感器陣列上方，如圖3所示.設(shè)艦船首先以磁航向角φ沿著磁東北方向航行通過(guò)磁傳感器陣列，然后以沿著軌跡反向沿著磁西南方向航行通過(guò)磁傳感器陣列，兩個(gè)航向相差180°.

圖3 艦船在磁東北-磁西南航向上進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量

在磁東北航向時(shí)，艦船上所作用的地磁場(chǎng)分量(如圖3左下所示)和磁性狀態(tài)可表述為下兩式

+Mixcosφ+Mpx-Miysinφ+Mpy+Miz+Mpz

(1)

在磁西南航向時(shí)，艦船上所作用的地磁場(chǎng)分量(如圖3右上所示)和磁性狀態(tài)可表述為下兩式：

-Mixcosφ+Mpx+Miysinφ+Mpy+Miz+Mpz

(2)

磁東北與磁西南航向的磁性狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，由式(1)和(2)相減，可得艦船縱向和橫向感應(yīng)磁性:

Mixcosφ-Miysinφ=(MNE-MWS)/2

3 艦船縱向感應(yīng)磁性磁場(chǎng)特征分析

Mix所產(chǎn)生的磁力線從船首離開(kāi)船體，然后從船尾回到船體.由于艦船具有良好的左右對(duì)稱(chēng)性，造成了艦船的縱向感應(yīng)磁性磁場(chǎng)分布具有很大程度上的左右對(duì)稱(chēng)性，包括縱向分量Xix、橫向分量Yix和垂向分量Zix皆為左右對(duì)稱(chēng),如圖4所示.

圖4 艦船縱向感應(yīng)磁性磁場(chǎng)特征分布

在艦船中剖面龍骨下方某深度的典型測(cè)量點(diǎn)上，Mix所產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布僅有縱向分量Xix和垂向分量Zix，如圖4、圖5所示.Xix分量的縱向特性在艦船中剖面龍骨下方取得最大絕對(duì)值，向首尾逐漸減小至負(fù)值；Yix為零；Zix分量的縱向特性則以艦船中剖面形成反對(duì)稱(chēng)，最大值出現(xiàn)在首尾附近，在艦船中點(diǎn)附近為零.

圖5 Mix在艦船龍骨下典型測(cè)量點(diǎn)產(chǎn)生的3分量磁場(chǎng)

4 艦船橫向感應(yīng)磁性磁場(chǎng)特征分析

同理，艦船具有良好的左右對(duì)稱(chēng)性，橫向磁性磁場(chǎng)分布具有很大程度上的左右(反)對(duì)稱(chēng)性，包括縱向分量Xiy左右反對(duì)稱(chēng)；橫向分量Yiy左右對(duì)稱(chēng)；而垂向分量Ziy左右反對(duì)稱(chēng).

在艦船龍骨下的典型磁場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)上，艦船橫向感應(yīng)磁性Miy所產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布僅有縱向分量Yiy，如圖6、圖7所示.Yiy分量的縱向特性在艦船中剖面龍骨下方取得最大絕對(duì)值，向首尾逐漸減小至零；Xiy、Ziy為零.

圖6 艦船橫向磁性磁場(chǎng)特征分布

圖7 Miy在艦船龍骨下所產(chǎn)生的三分量磁場(chǎng)

5 斜航向上艦船縱向和橫向感應(yīng)磁性磁場(chǎng)分離

根據(jù)磁東北與磁西南航向的艦船磁場(chǎng)測(cè)量值,可以得到艦船的縱向和橫向感應(yīng)磁性總和Mixcosφ-Miysinφ在艦船龍骨下典型測(cè)量點(diǎn)上所產(chǎn)生的磁場(chǎng)特征分布，如圖8所示.所得到磁場(chǎng)縱向分量X[Mixcosφ-Miysinφ]和垂向分量Z[Mixcosφ-Miysinφ]是由Mixcosφ產(chǎn)生；橫向分量Y[Mixcosφ-Miysinφ]是由-Miysinφ產(chǎn)生.

圖8 Mixcos φ-Miysin φ艦船龍骨下產(chǎn)生的3分量磁場(chǎng)

所需要得到的艦船縱向感應(yīng)磁性Mix在龍骨下測(cè)量點(diǎn)上的磁場(chǎng)3分量為

同理，艦船橫向感應(yīng)磁性Miy在龍骨下測(cè)量點(diǎn)上的磁場(chǎng)三分量為

至此，實(shí)現(xiàn)了斜航向上左右對(duì)稱(chēng)艦船縱向和橫行感應(yīng)磁性磁場(chǎng)的分離.

6 結(jié)語(yǔ)

為了解決斜航向上艦船感應(yīng)磁性磁場(chǎng)分離的教學(xué)難點(diǎn)，提出了針對(duì)艦船龍骨下典型測(cè)量點(diǎn)上磁場(chǎng)特征特殊情形展開(kāi)分析的方法.利用兩個(gè)相差180°的斜航向上磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)，分離出艦船縱向和橫向感應(yīng)磁性磁場(chǎng)的總和.對(duì)于左右對(duì)稱(chēng)的艦船，在艦船龍骨下典型測(cè)量點(diǎn)上，艦船縱向和橫向感應(yīng)磁性的總和所產(chǎn)生磁場(chǎng)的縱向和垂向分量來(lái)源于縱向感應(yīng)磁性，磁場(chǎng)的橫向分量來(lái)源于橫向感應(yīng)磁性.利用上述特性，最終實(shí)現(xiàn)了斜航向上艦船縱向和橫向感應(yīng)磁性磁場(chǎng)的分離.針對(duì)這種特殊情形展開(kāi)分析，過(guò)程條理清晰，邏輯性強(qiáng)，有利于理解和掌握．