水下无人系统学报
Journal of Unmanned Undersea Systems
2024年第5期
水下感知及目标识别
多船尾流磁异常特性分析与仿真系统设计
署名作者：
闫林波1, 张建生1, 董敏1, 王程英2, 焦贵金1, 姚远1
作者单位：
1. 西安工业大学 基础学院, 陕西 西安, 710021
2. 北方发展投资有限公司 智能拒止驱离项目部, 陕西 西安, 710200
基金项目：
陕西省重点研发计划项目资助(2023-YBGY-016).
摘要
为研究多艘舰船同时航行时尾流磁异常特性, 基于舰船尾流基本理论知识研究了舰船尾流的波形、速度以及感应磁场的分布, 得到了多船尾流感应磁场的变化特性和分布规律。以3艘舰船编队为例, 分析了舰船在运动过程中感应磁场分布及在 x、y方向上的磁场分布情况, 求解了3艘船同时航行时形成的尾流感应磁场分布特性, 并对各种舰船组合航行时产生的感应磁场异常情况进行分析。仿真所得实验结果符合现有测量结果。利用APP Design工具对多舰船尾迹磁异常特性进行仿真系统软件的开发, 该系统不仅能够准确、直观、快速地模拟设定3艘船型尾流在任意方向的磁感应强度大小和变化规律, 而且具有操作简便、节省成本的优势, 为舰船尾流实验提供了理论参考和更为有效的仿真平台。
引言
一般尾流的电磁学探测主要是通过对磁场的奇点进行[1]。Von[2]在1950年提出了一种用于测量航行中船舶洋流速度的电磁方法, 利用尾流的磁效应估算出洋流速度的大小。之后, Larsen[3]依据坎布里亚附近沿海站点的磁场观测数据, 提出了由深海潮汐引起的电场和磁场模型。Yaakobi等[4]对分层海水中运动物体的尾流电磁场进行了探究, 提出航行体尾流的电磁探测与弗劳德深度有关。Rodin等[5]对船舶诱导的水面波速度场进行了数值计算, 并利用Maxwell方程求解了波形诱发的感应磁场分布。
2001年开始, 张建生团队[6-9]通过对尾流气泡规律的探究, 求解得到气泡输运方程的特征解。2008年, 梁玉等[10]提出了风驱粗糙海面覆盖水汽泡层的“体-面”符合模型, 比较了水气泡与实心水粒子电磁散射特性的差异。此后, 孙荣庆[11]提出了用于磁尾流检测的高灵敏度磁力仪设计方案, 以便获取有价值的数据用于分析和研究; 熊姗姗[12]研究了海面上舰船尾迹的产生机理, 并讨论了不同海洋环境对电磁散射的影响; 王伟[13]提出了一种评估舰船尾迹在风浪中产生磁场的一般方法, 对由于风浪产生的尾流感应磁场建立数学模型, 并得到风速与感应磁场的关系。
从现有文献可以看出, 国内外对于尾流感应磁场的研究仅限于单艘舰船, 对于多艘舰船的磁异常特性未见系统研究。文中以3艘舰船为例, 通过建立舰船尾流感应磁场模型, 求解出各种舰船组合行驶时尾流感应磁场的分布特性, 并对各种舰船尾流所产生的感应磁场特征点进行分析, 为尾流制导提供了新方法和新思路, 同时也为多艘舰船尾流的电磁学测量提供了理论支持。
结束语
文中基于舰船尾流基本理论研究了尾流的波形、速度和感应磁场的分布, 得到了舰船尾流感应磁场的变化特性和分布规律。所建立的感应磁场模型不仅可以模拟出舰船后相当长距离的感应磁场, 还可以计算出舰船侧方对海水的扰动而引起的感应磁场的变化。计算结果可知: 船侧产生的磁场小于船尾产生的感应磁场; 靠近舰船的区域磁场衰减速度较快, 远场区域磁场衰减较慢, 且能够持续很长一段距离; 由于受到复杂海洋环境的影响, 在船速较低时, 舰船产生的感应磁场会被淹没在海洋环境中, 不利于舰船尾流感应磁场的检测。对于多艘舰船并行时的感应磁场分布, 当尺寸相当时, 所产生的特征点较明显; 当尺寸差距较大时, 特征点有微小变化但不明显, 这对实际探测提出更高的要求。基于此模型, 开发了一套多舰船尾迹磁异常仿真平台, 该平台可快速、便捷地求解在不同风速下, 3艘不同船型组合航行时产生的叠加磁场, 从而更好地适用于复杂环境下的尾流磁场探测。后续将对海杂波影响下的尾流电磁特性进行深入研究并将此平台的功能进一步完善, 以便使文中平台能适用于更加复杂的实验环境。
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END
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参考文献略
文章有删减，原文刊登于《水下无人系统学报》2024年第32卷第5期，点击阅读原文可查看。
