基于船型与区域等级的舰船轴频电场计算_邵博睿.pdf

SHIP ENGINEERING 船 舶 工 程 Vol.45 No.2 2023 总第 45 卷，2023 年第 2 期 116 基于船型与区域等级的舰船轴频电场计算基于船型与区域等级的舰船轴频电场计算 邵博睿1，于大鹏1，刘瑞杰2，孙海蛟1，张 娜1，厉晓莹1（1大连理工大学 运载工程与力学学部 船舶工程学院，辽宁大连 116081；2中国人民解放军 92578 部队，北京 100161）摘摘 要：要：在利用等效点电荷对舰船轴频电场换算时，存在着因等效源位置不够合理而造成误差较大的问题。通过目标船的船型系数与尺度比来确定等效源在各个方向上的布置位置和间距，并根据结构布置特点对目标船的各部分进行分区和分级，确定区域等级权值。有针对性地在各区域内调整等效源布置，提出基于船型与区域等级的等效源位置确定方法，并引入粒子群算法对计算模型进行优化。利用模型实验对所述方法的有效性进行检验，结果表明，基于船型与区域等级的等效源位置确定方法能够较精确地实现对轴频电场信号包络的模拟计算，经粒子群算法优化后误差进一步下降，为轴频电场的预测与仿真计算提供了新的途径。关键词：关键词：舰船轴频电场；船型；区域等级；等效源位置 中图分类号：中图分类号：TP274;U674.7 文献标志码：文献标志码：A 【DOI】10.13788/ki.cbgc.2023.02.16 Calculation of Vessels Shaft-Rate Frequency Electric Field Based on Ship Type and Regional Grade SHAO Borui1,YU Dapeng1,LIU Ruijie2,SUN Haijiao1,ZHANG Na1,LI Xiaoying1(1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116081,Liaoning,China;2.92578 Troops,Peoples Liberation Army,Beijing 100161,China)Abstract:In the conversion of ship shaft-rate frequency electric field by equivalent point charge,there is a big error because the equivalent source location is not reasonable enough.Through the ship type coefficient and scale ratio of the target ship,the layout position and spacing of the equivalent source in each direction are determined.According to the structural layout characteristics,each part of the target ship is divided and graded,and the regional grade weight is determined.The equivalent source layout is adjusted in each region.A method for determining the location of the equivalent source based on the ship type and regional grade is proposed,and the particle swarm optimization algorithm is introduced to optimize the calculation model.The effectiveness of the method described in this paper is tested by model experiments.The results show that the equivalent source location determination method based on ship type and regional level can accurately realize the simulation calculation of the envelope of shaft-rate frequency electric field signal,and the error is further reduced after particle swarm optimization,which provides a new way for the prediction and simulation calculation of shaft-rate frequency electric field.Key words:vessels shaft-rate frequency electric field;ship type;regional grade;equivalent source position 0 引言引言 舰船在水中航行时，船体在海水中会不可避免地发生电化学腐蚀，因此产生的腐蚀或防腐电流成为舰船执行任务时的重要暴露源之一1-2。而轴频电场作为舰船电场中的一部分，相较于静电场等其他电场，具有频率低、传播距离远、线谱特征明显等特征3-5，故被广泛应用于海洋环境的远距离非声探测6-8。在二十世纪五六十年代，欧美各国便十分重视极低频电磁场 收稿日期：2022-05-30；修回日期：2022-08-16 作者简介：邵博睿（1998），男，硕士研究生。研究方向：舰船水下电磁场。通信作者：于大鹏（1980），男，博士、教授。研究方向：舰船隐身性。邵博睿等，基于船型与区域等级的舰船轴频电场计算 117 的研究，轴频电场作为信号源，广泛应用于水中兵器的探测系统中，如西班牙 MINEA 水雷和意大利ASTERIA 水雷等均安装有电场引信9-10；国内对轴频电场的相关研究因技术落后、设备精度低等原因停滞了很长时间，近年来，随着传感器精度逐渐提高、探测技术日趋成熟，国内研究人员加大了对轴频电场各个方面的研究力度11。在对某一舰艇的轴频电场信号量级及特征进行评估时，对轴频电场的仿真预测必不可少。目前较为常用的方法是等效源法，即通过建立等效源模型对轴频电场进行仿真计算。程锐等12将轴频电场视为被调制后的静电场，通过实测舰船静电场与轴频电场信号，并计算 2 种实测信号调制系数的方式，将轴频电场等效为修正后的静电场。但在实际应用过程中，受到实际海洋环境和船体情况的影响，难以计算出能反映船体各个位置的调制系数。靳雄等13则利用实测轴频电场信号的峰值包络进行反演建模，操作简单，并可提高仿真精度。文献12-13均采用准静态信号进行操作，利用等效点电荷模型进行轴频电场等效源强度的反演，但在确定等效源位置时，可能对目标船的实际情况考虑不足。姜润翔等14将船体分为数个区域，并将各区域的中点作为等效源位置。为进一步提高轴频电场换算的精度与合理性，本文在深入研究轴频电场等效源换算方法的基础上，根据舰船特点采用与舰船型式紧密相关的船型系数与尺度比来确定等效源间隔，并兼顾实船情况将船体区域进行分级，差异化布置等效源，提出轴频电场等效源换算的新方法，并引入粒子群算法对反演仿真过程进行优化，进一步提高计算精度。1 轴频电场产生机理与特性轴频电场产生机理与特性 绝大多数舰船在建造中均采用多种不同的金属材料，如钢制船壳和铜制螺旋桨等，在海水中具有不同的氢标电极电位，不可避免地造成腐蚀现象。为保护船体、减少腐蚀，现代舰船普遍采用牺牲阳极的阴极保护（Passive Cathodic Protection,PCP）或外加电流的阴极保护（Impressed Current Cathodic Protection,ICCP）2 种方法进行防腐。电化学腐蚀发生时的腐蚀电流或防腐系统工作时产生的防腐电流是舰船电场产生的主要原因。而在舰船航行中，部分腐蚀或防腐电流会从海水经过旋转的螺旋桨、轴系或主机等返回船壳，形成回路。在该回路中轴系阻抗呈周期性变化，故电流在流经此回路时受到调制，在螺旋桨与附近船壳周围产生周期性变化的电场信号15，即为轴频电场，其原理见图1。从产生方式分析，轴频电场具备一定的周期性与随机性16。首先，螺旋桨在海水中转动时会不可避免地产生一定程度的空泡，桨叶与海水的接触电阻呈不规律变化；其次，舰船在航行过程中轴系与轴承座、主机与基座等的轴地等效电阻一般随螺旋桨转速或转速的倍数呈周期性变化，单个周期内的阻值变化一般具有随机性，其主要原因在于舰船轴系无法保证绝对对中；同时，轴套与轴承座间可能存在一定程度的油膜涡动和碰磨等现象，这也会导致回路阻值的不规律变化，且螺旋桨转动过程中轴承座和机座等的振动也是造成随机性的原因之一，如主机、轴系等工作状态较为恶劣，存在着较大量的不良运行情况，则可能加剧轴地等效电阻的周期性变化情况。轴频电阻频率主要集中在1 Hz7 Hz，属于极低频电磁场，传播距离远、不易衰减，且轴频电场信号呈周期性，具有明显的线谱特征，易被用来进行探测、跟踪、定位和打击。图1 轴频电场产生原理 2 轴频电场建模方法轴频电场建模方法 2.1 基本思路基本思路 由轴频电场的产生机理可知，因轴地电阻的周期性变化，轴频信号为时变信号，而对于实船而言，同时存在着诸多不确定因素，舰船轴频信号具有一定的随机性和不可预知性。对舰船信号进行直接模拟必定存在着原理复杂、过程繁琐、工作量大和精度不高等问题。轴频信号的包络可反映实际轴频信号的大部分特征，包络值为准静态信号，模拟原理相对简单，模拟方法相对成熟，可以保证较高的精度。所以，若能利用部分舰船轴频包络信号反演得到轴频信号包络的等效源强度，即可实现对舰船周围近远场轴频信号预测的目的。2.2 基本步骤基本步骤 依据轴频电场包络信号的机理和准静态信号模拟原理，确定建模步骤如下：1）利用舰艇在水下某深度上已知的轴频信号，计算得出其轴频电场信号包络。2）利用点电荷模型对轴频信号包络进行建模，得到轴频电场的等效源模型，确定等效源位置与强度。3）对空间的电场分布进行计算，实现对目标深度和位置的轴频信号包络的正演。2.3 等效源强度确定方法等效源强度确定方法 本文主要对轴频电场信号的包络进行研究与仿真，可视为准静态电场信号，利用点电荷模型进行建模。船舶电气、探通导设备及自动控制 118 根据镜像法理论可知，海水中1 点电荷Qi(xi,yi,zi)在3 层均匀介质（空气-海水-海床）条件下，在场点(xj,yj,zj)处产生的电位17-18为)_)_)_)_)_)_)_)_)_)_)_)_)_01 11 21 31 41/222211/222221/222232224,44442222jjjkkkkiiiikijijijijijijijijijijijijxyzQQQQrrrrrxxyyzkDzrxxyyzkDzrxxyyzkDzrxxyyzkDz=+|=+-|=-+-+-+|=-+-+-|=-+-+-1/21212|=|-+（1）式中：1为海水电导率；2为海床电导率；k 为反射层数，实际计算其上限可取20左右19；D为海水深度。利用点电荷对轴频电场包络信号进行模拟时，需在船体区域内排布多个点电荷，场点(xj,yj,zj)处的电位计算公式为)_101 11 21 31 4,4444jjjjkkkkiiiiikxyzQQQQrrrr=+|（2）场点(xj,yj,zj)处的电场强度为)_,jjjjE xyz=-（3）式中：为Nabla 算子，用以表示梯度计算。已知n 个等效点电荷的位置分别为