基于地磁模拟的潜艇感应磁场测量
衣军 张朝阳 虞伟乔
摘要：为更好地对潜艇感应磁场进行测量，通过分析感应磁场的产生及测量原理，建立基于地磁模拟的感应磁场测量方法.通过在地磁模拟线圈中通电改变地磁场，根据模拟线圈通电前后潜艇磁场的变化计算感应磁场，从而实现单航向感应磁场的快速测量.实艇测量实验表明，该测量方法可快速、准确测量潜艇感应磁场，在实际的潜艇感应磁场测量及消磁工作中具有重要应用价值.
关键词：感应磁场； 磁场测量； 地磁模拟； 潜艇； 消磁
中图分类号： U674.76； TB972
文献标志码： A
Abstract：In order to measure the induced magnetic field of submarines more conveniently， a measurement method to the induced magnetic field based on geomagnetic simulation is proposed through analyzing the generating and measuring principle of the induced magnetic field. The geomagnetic field is changed by galvanizing the geomagnetic simulation loops， and then the induced magnetic field is calculated according to the change of the submarines magnetic field before and after galvanizing， which can achieve the fast measurement of the induced magnetic field in a oneway route. The experiment of a fullscale submarine shows that the method can be used to measure the induced magnetic field of submarines fast and accurately and is of important application value in the actual measurement of the induced magnetic field and degaussing of submarines.
Key words：induced magnetic field； magnetic field measurement； geomagnetic simulation； submarine； degaussing
0引言
感应磁场是潜艇磁场的重要组成部分，是潜艇固定磁性处理和消磁绕组调整的重要参数[1]，随潜艇所处地理位置和航向的变化而变化.目前，有关感应磁场的研究主要集中在数值计算方面，常见的计
算方法有有限元法[25]、积分方程法[610]、等效源法[11]以及新兴的磁矩量法[12]等，但数值计算无法取代实际测量.一方面，对于具体潜艇，数值计算结果的精度难以保证；另一方面，数值计算结果准确与否还需要通过实际测量进行验证.潜艇感应磁场的实际测量值一般通过两航向测量法（获得纵向和横向感应磁场）和两地测量法（获得垂向感应磁场）获得.[1]用两航向测量法测量潜艇感应磁场时，由于潜艇体积庞大，体形特殊，而消磁站的入口和航道狭窄，使得潜艇进出调换航向的过程非常费时、费力；另外，潜艇调换航向后其停泊位置很容易发生变化，相应的磁场测量位置坐标难以保证固定不变，因此会造成一定的测量误差.潜艇的垂向感应磁场理论上可以通过两地测量法获得，但实际上由于无法保证潜艇在长距离航行于两个纬度期间的磁性状态保持不变，故该方法在实践和精度上都是不可行的.文献[13]对利用补偿法测量船舶感应磁场进行讨论，但研究对象为实验室的船模，并且只研究垂直分量Ziz，实艇及其他分量的测量情况不得而知.
本文从测量感应磁场的原理出发，对基于地磁模拟的单航向测量潜艇感应磁场的方法进行研究，通过在地磁模拟线圈（或地磁补偿线圈）中通电改变局部地磁场，根据通电前后潜艇磁场的变化计算潜艇感应磁场.该方法可避免调转航向和两地测量所造成的人力、物力和时间的浪费，可明显缩短消磁时间，提高消磁效率，对提高潜艇磁性防护能力具有重要意义.
1测量方法原理分析
潜艇在地磁场中磁化产生感应磁场的过程为一瞬时线性磁化效应，其特征主要有两点：一是磁化产生的感应磁场与地磁场同时存在或消失；二是所产生感应磁场的大小与相应地磁场大小成线性比例关系.
根据式（2）～（4）可知，在不改变潜艇航向的情况下，通过地磁模拟可实现潜艇感应磁场的单航向测量.实施地磁模拟目前可以考虑两种途径：一是根据需要优化设计地磁模拟线圈，然后施工敷设进行测量；二是将现有消磁站已有的地磁补偿线圈作为地磁模拟线圈使用.
2地磁模拟线圈优化设计
由对感应磁场单航向测量原理的分析可知，为准确测量潜艇感应磁场，必须使潜艇所处空间的外磁场均匀改变，因此要使地磁模拟线圈产生的磁场在一定区域内具有较好的均匀度，需对地磁模拟线圈进行优化设计.磁场均匀度定义为Ji=Bi/B0，其中B0为区域中心的磁场，Bi为区域中任意点的磁场.
在设计测量感应磁场用的地磁模拟线圈时，首先应根据实际要求确定磁场均匀区域的大小，并合理设定均匀度指标，然后根据实际工程环境和应用要求选择线圈形状，设置线圈系统的各个参数，建立基于均匀度误差和电缆总用量目标函数的多目标优化模型，利用基于多目标的优化算法[14]（如基于Pareto占优理论的多目标微粒群算法）求解该模型，得到线圈系统的各个参数，从而获得地磁模拟线圈设计方案，具体设计流程见图1.
3.1测量过程
测量实验过程主要包括：
（1）潜艇进站前准备工作.包括线路检查、测量系统和电源的测试以及地磁模拟线圈（补偿线圈）产生磁场的测量.
（2）用两航向测量法测量出潜艇感应磁场，将其作为标准感应磁场.这里要注意保持潜艇调转航向前后测量位置的相对一致性.
（3）地磁模拟线圈通电补偿改变相应地磁场，测量潜艇和线圈的总磁场.
（4）模拟线圈断电，测量潜艇磁场.
（5）根据潜艇磁场变化计算感应磁场，并与标准感应磁场比较.
3.2测量结果
在纵向补偿线圈和横向补偿线圈中分别通入一定的电流，按照均匀度定义分别计算两组线圈内部产生磁场的均匀度，结果见图4.
图4中坐标比例所对应的潜艇长度为5.48 m，宽度为0.48 m.由图4坐标范围可知，图中区域包括潜艇所处的区域，纵向补偿线圈的均匀度误差基本不超过5%，横向补偿线圈的均匀度误差不超过15%，越靠近中间均匀度越好，越靠近边缘均匀度越差.总体而言，对于潜艇所处的大部分空间，模拟线圈在其中产生的磁场都比较均匀，能够满足感应磁场测量中地磁场均匀改变的要求.
3.3误差分析
单航向测量法测量的感应磁场值与两航向测量法测量的感应磁场值相比，存在一定的误差，主要原因如下：
（1）补偿线圈磁场均匀度因素.补偿线圈内部磁场无法达到理想的均匀度，不同区域的地磁场补偿情况存在差异，导致艇体不同部分磁化改变产生差异，这是测量误差产生的一大原因.纵向补偿线圈内部磁场的均匀度优于横向补偿线圈内部磁场的均匀度，因此测量出的纵向感应磁场Zix比横向感应磁场Ziy准确.
（2）两航向测量法本身的误差.潜艇在调转航向前后，相对测量位置很容易发生变化，尽管实施过程会采取一定的控制措施，但产生一定的位置误差是不可避免的，因此由两航向测量法测量出的标准值本身存在误差，进而在与由单航向测量法测量出的值比较时形成误差.
（3）磁探头产生的测量误差.消磁站部分磁探头的测量值会随工作时间、温度和外界环境的变化而发生一定变化，该变化也能产生一定的测量误差.
4结论
通过分析感应磁场的产生及测量原理，研究基于地磁模拟的潜艇感应磁场测量方法，通过在地磁模拟线圈中通电局部改变地磁场，在单航向上实现潜艇感应磁场的准确测量.消磁站的实艇测量实验验证单航向测量Zix和Ziy的可行性，表明基于地磁模拟的单航向测量潜艇感应磁场的方法是准确可行的.该测量方法省时、省力，可以推广应用到具有地磁补偿线圈的消磁站，对快速测量潜艇感应磁场、提高消磁效率具有重要意义.
参考文献：
[1]张连魁. 舰船磁场分析——临时线圈消磁[Z]. 武汉： 海军工程学院， 1991： 1341.
[2]RODER D， LEONARD P J， LAI H C. Surface elements for modeling 3D fields around thin iron sheets[J]. IEEE Trans Magn， 1993， 29（2）： 14831486.
[3]BRUNOTTE X， MEUNIER G， BONGIRAUD J. Ship magnetization modeling by the finite element method[J]. IEEE Trans Magn， 1993， 29（2）： 19701976.
[4]GORDON J， AIRD C. Modelling the induced magnetic signature of naval vessels[D]. Glasgow， UK： Department of Phys & Astron Univ Glasgow， 2000.
[5]熊志鑫， 夏侯命胜， 张玉奎. 船舶自振特性分析[J]. 上海海事大学学报， 2013， 34（2）： 2329.
[6]CHADEBEC O. Modelisation du champ magnetique induit par des toles， Identification de Laimantation[D]. Grenoble： Institut National Polytechnique de Grenoble， 2001.
[7]CHADEBEC O， COULOMB J L， BONGIRAUD J， et al. Recent improvements for solving inverse magnetostatic problem applied to thin shells[J]. IEEE Trans Magn， 2002， 38（2）： 10051008.
[8]CHADEBEC O， COULOMB J L， CAUFFET G， et al. How to well pose a magnetization identification problem[J]. IEEE Trans Magn， 2003， 39（3）： 16341637.
[9]VUILLERMET Y， CHADEBEC O， COULOMB J L， et al. Scalar potential formulation and inverse problem applied to thin magnetic sheets[J]. IEEE Trans Magn， 2008， 44（6）： 10541057.
[10]NGUYEN TS， GUICHON JM， CHADEBEC O， et al. Ships magnetic anomaly computation with integral equation and fast multipole method[J]. IEEE Trans Magn， 2011， 47（5）： 14141417.
[11]KAZIMIERZ J， PAWEL Z， MIROSLW W. Multidipoles model of ships magnetic field[J]. Int J Appl Electromagnetics & Mech， 2012， 39： 183188.
[12]GUO Chengbao， LIU Daming. Prediction of magnetic signatures of ships induced vertical magnetization[C]//IEEE 2012 6th Int Conf Electromagnetic Field Problems and Applications （ICEF）， 1921 June， 2012.
[13]唐申生， 周耀忠， 刘胜道， 等. 测量船舶垂向感应磁场的新方法[J]. 武汉理工大学学报， 2005， 29（5）： 659662.
[14]COELLO C A， CORTES N C. Solving multiobjective optimization problems using an artificial immune system[J]. Genetic Programming & Evolvable Machines， 2005， 6（2）： 163190.
（编辑赵勉）
摘要：为更好地对潜艇感应磁场进行测量，通过分析感应磁场的产生及测量原理，建立基于地磁模拟的感应磁场测量方法.通过在地磁模拟线圈中通电改变地磁场，根据模拟线圈通电前后潜艇磁场的变化计算感应磁场，从而实现单航向感应磁场的快速测量.实艇测量实验表明，该测量方法可快速、准确测量潜艇感应磁场，在实际的潜艇感应磁场测量及消磁工作中具有重要应用价值.
关键词：感应磁场； 磁场测量； 地磁模拟； 潜艇； 消磁
中图分类号： U674.76； TB972
文献标志码： A
Abstract：In order to measure the induced magnetic field of submarines more conveniently， a measurement method to the induced magnetic field based on geomagnetic simulation is proposed through analyzing the generating and measuring principle of the induced magnetic field. The geomagnetic field is changed by galvanizing the geomagnetic simulation loops， and then the induced magnetic field is calculated according to the change of the submarines magnetic field before and after galvanizing， which can achieve the fast measurement of the induced magnetic field in a oneway route. The experiment of a fullscale submarine shows that the method can be used to measure the induced magnetic field of submarines fast and accurately and is of important application value in the actual measurement of the induced magnetic field and degaussing of submarines.
Key words：induced magnetic field； magnetic field measurement； geomagnetic simulation； submarine； degaussing
0引言
感应磁场是潜艇磁场的重要组成部分，是潜艇固定磁性处理和消磁绕组调整的重要参数[1]，随潜艇所处地理位置和航向的变化而变化.目前，有关感应磁场的研究主要集中在数值计算方面，常见的计
算方法有有限元法[25]、积分方程法[610]、等效源法[11]以及新兴的磁矩量法[12]等，但数值计算无法取代实际测量.一方面，对于具体潜艇，数值计算结果的精度难以保证；另一方面，数值计算结果准确与否还需要通过实际测量进行验证.潜艇感应磁场的实际测量值一般通过两航向测量法（获得纵向和横向感应磁场）和两地测量法（获得垂向感应磁场）获得.[1]用两航向测量法测量潜艇感应磁场时，由于潜艇体积庞大，体形特殊，而消磁站的入口和航道狭窄，使得潜艇进出调换航向的过程非常费时、费力；另外，潜艇调换航向后其停泊位置很容易发生变化，相应的磁场测量位置坐标难以保证固定不变，因此会造成一定的测量误差.潜艇的垂向感应磁场理论上可以通过两地测量法获得，但实际上由于无法保证潜艇在长距离航行于两个纬度期间的磁性状态保持不变，故该方法在实践和精度上都是不可行的.文献[13]对利用补偿法测量船舶感应磁场进行讨论，但研究对象为实验室的船模，并且只研究垂直分量Ziz，实艇及其他分量的测量情况不得而知.
本文从测量感应磁场的原理出发，对基于地磁模拟的单航向测量潜艇感应磁场的方法进行研究，通过在地磁模拟线圈（或地磁补偿线圈）中通电改变局部地磁场，根据通电前后潜艇磁场的变化计算潜艇感应磁场.该方法可避免调转航向和两地测量所造成的人力、物力和时间的浪费，可明显缩短消磁时间，提高消磁效率，对提高潜艇磁性防护能力具有重要意义.
1测量方法原理分析
潜艇在地磁场中磁化产生感应磁场的过程为一瞬时线性磁化效应，其特征主要有两点：一是磁化产生的感应磁场与地磁场同时存在或消失；二是所产生感应磁场的大小与相应地磁场大小成线性比例关系.
根据式（2）～（4）可知，在不改变潜艇航向的情况下，通过地磁模拟可实现潜艇感应磁场的单航向测量.实施地磁模拟目前可以考虑两种途径：一是根据需要优化设计地磁模拟线圈，然后施工敷设进行测量；二是将现有消磁站已有的地磁补偿线圈作为地磁模拟线圈使用.
2地磁模拟线圈优化设计
由对感应磁场单航向测量原理的分析可知，为准确测量潜艇感应磁场，必须使潜艇所处空间的外磁场均匀改变，因此要使地磁模拟线圈产生的磁场在一定区域内具有较好的均匀度，需对地磁模拟线圈进行优化设计.磁场均匀度定义为Ji=Bi/B0，其中B0为区域中心的磁场，Bi为区域中任意点的磁场.
在设计测量感应磁场用的地磁模拟线圈时，首先应根据实际要求确定磁场均匀区域的大小，并合理设定均匀度指标，然后根据实际工程环境和应用要求选择线圈形状，设置线圈系统的各个参数，建立基于均匀度误差和电缆总用量目标函数的多目标优化模型，利用基于多目标的优化算法[14]（如基于Pareto占优理论的多目标微粒群算法）求解该模型，得到线圈系统的各个参数，从而获得地磁模拟线圈设计方案，具体设计流程见图1.
3.1测量过程
测量实验过程主要包括：
（1）潜艇进站前准备工作.包括线路检查、测量系统和电源的测试以及地磁模拟线圈（补偿线圈）产生磁场的测量.
（2）用两航向测量法测量出潜艇感应磁场，将其作为标准感应磁场.这里要注意保持潜艇调转航向前后测量位置的相对一致性.
（3）地磁模拟线圈通电补偿改变相应地磁场，测量潜艇和线圈的总磁场.
（4）模拟线圈断电，测量潜艇磁场.
（5）根据潜艇磁场变化计算感应磁场，并与标准感应磁场比较.
3.2测量结果
在纵向补偿线圈和横向补偿线圈中分别通入一定的电流，按照均匀度定义分别计算两组线圈内部产生磁场的均匀度，结果见图4.
图4中坐标比例所对应的潜艇长度为5.48 m，宽度为0.48 m.由图4坐标范围可知，图中区域包括潜艇所处的区域，纵向补偿线圈的均匀度误差基本不超过5%，横向补偿线圈的均匀度误差不超过15%，越靠近中间均匀度越好，越靠近边缘均匀度越差.总体而言，对于潜艇所处的大部分空间，模拟线圈在其中产生的磁场都比较均匀，能够满足感应磁场测量中地磁场均匀改变的要求.
3.3误差分析
单航向测量法测量的感应磁场值与两航向测量法测量的感应磁场值相比，存在一定的误差，主要原因如下：
（1）补偿线圈磁场均匀度因素.补偿线圈内部磁场无法达到理想的均匀度，不同区域的地磁场补偿情况存在差异，导致艇体不同部分磁化改变产生差异，这是测量误差产生的一大原因.纵向补偿线圈内部磁场的均匀度优于横向补偿线圈内部磁场的均匀度，因此测量出的纵向感应磁场Zix比横向感应磁场Ziy准确.
（2）两航向测量法本身的误差.潜艇在调转航向前后，相对测量位置很容易发生变化，尽管实施过程会采取一定的控制措施，但产生一定的位置误差是不可避免的，因此由两航向测量法测量出的标准值本身存在误差，进而在与由单航向测量法测量出的值比较时形成误差.
（3）磁探头产生的测量误差.消磁站部分磁探头的测量值会随工作时间、温度和外界环境的变化而发生一定变化，该变化也能产生一定的测量误差.
4结论
通过分析感应磁场的产生及测量原理，研究基于地磁模拟的潜艇感应磁场测量方法，通过在地磁模拟线圈中通电局部改变地磁场，在单航向上实现潜艇感应磁场的准确测量.消磁站的实艇测量实验验证单航向测量Zix和Ziy的可行性，表明基于地磁模拟的单航向测量潜艇感应磁场的方法是准确可行的.该测量方法省时、省力，可以推广应用到具有地磁补偿线圈的消磁站，对快速测量潜艇感应磁场、提高消磁效率具有重要意义.
参考文献：
[1]张连魁. 舰船磁场分析——临时线圈消磁[Z]. 武汉： 海军工程学院， 1991： 1341.
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[5]熊志鑫， 夏侯命胜， 张玉奎. 船舶自振特性分析[J]. 上海海事大学学报， 2013， 34（2）： 2329.
[6]CHADEBEC O. Modelisation du champ magnetique induit par des toles， Identification de Laimantation[D]. Grenoble： Institut National Polytechnique de Grenoble， 2001.
[7]CHADEBEC O， COULOMB J L， BONGIRAUD J， et al. Recent improvements for solving inverse magnetostatic problem applied to thin shells[J]. IEEE Trans Magn， 2002， 38（2）： 10051008.
[8]CHADEBEC O， COULOMB J L， CAUFFET G， et al. How to well pose a magnetization identification problem[J]. IEEE Trans Magn， 2003， 39（3）： 16341637.
[9]VUILLERMET Y， CHADEBEC O， COULOMB J L， et al. Scalar potential formulation and inverse problem applied to thin magnetic sheets[J]. IEEE Trans Magn， 2008， 44（6）： 10541057.
[10]NGUYEN TS， GUICHON JM， CHADEBEC O， et al. Ships magnetic anomaly computation with integral equation and fast multipole method[J]. IEEE Trans Magn， 2011， 47（5）： 14141417.
[11]KAZIMIERZ J， PAWEL Z， MIROSLW W. Multidipoles model of ships magnetic field[J]. Int J Appl Electromagnetics & Mech， 2012， 39： 183188.
[12]GUO Chengbao， LIU Daming. Prediction of magnetic signatures of ships induced vertical magnetization[C]//IEEE 2012 6th Int Conf Electromagnetic Field Problems and Applications （ICEF）， 1921 June， 2012.
[13]唐申生， 周耀忠， 刘胜道， 等. 测量船舶垂向感应磁场的新方法[J]. 武汉理工大学学报， 2005， 29（5）： 659662.
[14]COELLO C A， CORTES N C. Solving multiobjective optimization problems using an artificial immune system[J]. Genetic Programming & Evolvable Machines， 2005， 6（2）： 163190.
（编辑赵勉）
