唐文俊，何洋，赵建扬



海浪波动对电磁浮标姿态的影响研究

唐文俊1，何洋2，赵建扬3

( 1. 海军驻广州广船公司军事代表室, 广州 510382；2. 葫芦岛海军91245部队45分队, 辽宁葫芦岛 125000；3. 海军工程大学兵器工程系, 武汉 430033)

本文在前人对海浪理论研究的基础上，对我国浅水区海浪谱模型进行了仿真分析，初步研究了浅水区海浪波动对电磁浮标姿态变化的影响，建立了浮标姿态横滚角随海浪波动的变化模型，并通过对不同海况级下的变化规律进行了matlab仿真分析，说明了模型建立的正确性。

海浪谱 电磁浮标 波动因子 海况级

0 引言

海洋浅水区声环境比较恶劣，声纳浮标在探测安静型潜艇的过程中，很受局限。电磁浮标装有电场传感器和磁场传感器，对舰船电磁信号进行探测，可避免声环境的影响。但是，根据舰船电磁信号特征，无论电场传感器还是磁场传感器一般采用的都是三分量矢量传感器，浮标姿态的变化将直接影响矢量传感器对目标信号探测的准确性。因此，研究电磁浮标姿态随海浪波动的变化规律具有重要的现实意义。本文在前人对海浪理论研究的基础上[2,3,5,6,7]，结合我国浅水区海浪谱模型，研究了不同海况下，海浪波动对电磁浮标姿态变化的影响，并给出matlab仿真分析结果。

1 浅水区海浪谱模型

常用的海浪谱分析模型主要有Neumann谱、Pierson-Moscowitz谱、JONSWAP谱、Bretschneder谱和SWOP方向谱等[5]，以上这些海浪谱都是以深水区充分成长风浪为前提的。对于浅水区非充分成长的风浪，我国海洋工作者根据渤海、黄海和东海的150份海浪连续记录总结出了浅水海浪谱，该谱是少数几个考虑了海深影响的浅水区海浪谱之一[1]。其表达式为：

2 电磁浮标姿态随海浪变化规律建模

电磁浮标受海浪波动的影响，其姿态主要有横滚、俯仰和摇摆三种变化模式。以电磁浮标为原点、海浪运动方向为X轴、海浪运动方向右侧指向为Y轴、垂直海平面向下为Z轴，建立直角坐标系如图1所示。

图1 电磁浮标姿态变化坐标系

图2 电磁浮标横滚转动坐标系

浮标姿态变化可用绕X轴运动的横滚角、绕Y轴运动的俯仰角和绕Z轴运动的摇摆角来描述，三角度随海浪波动的变化规律是相似的，为描述方便，在此仅以绕X轴运动的横滚角为例，进行研究分析。电磁浮标绕X轴作横滚波动，即X轴不变，Y轴和Z轴分别转动一定角度用θ表示，如图2所示。

在海浪学中，通常以多数随机正弦波的叠加来描述一固定点的波面

式中： a——各频率分量的振幅；——各分量的圆频率；——0~2p之间均匀分布的随机相位。

由浅水区海浪谱分析可知，海浪能量主要集中在0~0频段内，进行离散处理时，可将整个海浪谱所覆盖频段作等分，于是每段频带宽度为

由于夹角的变化能量来自海浪，所以其波动谱和海浪谱在同一海况级别下是相似的，相似程度可在波动因子中体现，这里近似认为海浪谱就是夹角的波动谱，由功率和振幅的关系可知，夹角对应于频率的波动振幅可表示为

俯仰角及摇摆角和的求解是同一过程，只是在同一时间段内、同一海况级别下，确定出的波动因子不同。

3 仿真分析

3.1 浅水区海浪谱模型仿真分析

设定水深30 m，选择5级、6级和7级海况对海浪谱进行matlab仿真，仿真结果如图3所示。

由图3可知，海浪谱最大幅值在7级海况时有10 m2×s左右，6级海况时有3 m2×s左右，而在5级海况时只有1 m2×s左右，幅值随海况级的增大而迅速增加，而且海况级越大海浪谱幅值增加的越快；中心频率是随海况级的增大而向低频方向移动的，在5级海况时，中心频率约为0.75 s-1，在7级海况时降低到0.5 s-1左右；海浪谱主要能量集中的频带随着海况级的增大而逐渐向低频方向移动，并且呈现一种变窄的趋势。

表1 不同海况级对应海浪参数值

3.2 横滚角θ变化规律仿真分析

图4 不同波动因子对应的θ变化—时间历程

图5 不同海况级下变化—时间历程

4 结束语

[1] 林春生, 龚沈光．舰船物理场[M]. 北京: 兵器工业出版社, 2007：237-243.

[2] 文圣常, 余宙文. 海浪理论与计算原理[M]. 北京: 科学出版社, 1984.

[3] Fujisaki K, Tanaka K, Tateiba M. A simulation of satellite altimeter return pulses from three-dimensional ocean waves [J]. Geoscience and Remote Sensing Symposium (S0-7803-5207-6), 1999, 2:995-997.

[4] 何汉林, 魏汝祥, 李卫军. 数值分析[M]. 武汉: 湖北科学技术出版社, 1999.

[5] 侍茂崇. 物理海洋学[M]. 济南: 山东教育出版社, 2004.

[6] 杨惠珍, 康凤举, 诸彦军, 等. 基于海浪谱的随机海浪仿真及验证[J]. 系统仿真学报, 2005, 17(10): 2324-2326.

[7] 徐利明, 姜昱明. 基于谱分析的实时波浪模拟[J]. 系统仿真学报, 2005, 17(9): 2092-2095.

Impact of Shallow Waves Fluctuations on Electromagnetic Buoy Attitude

Tang Wenjun1, He Yang2, Jianyang Zhao3

(1. Naval Representatives Office in Guangzhou Shipyard Company, Guangzhou 510382, China; 2. The Navy 91245 Troops , Hu Ludao 125000, Liaoning, China; 3. Dept. of Weaponry Eng, Naval Univ. of Engineering, Wuhan 430033, China)

TP391.9

A

1003-4862（2013）12-0046-03

2013-06-28

唐文俊（1986-），男，硕士。研究方向：电力集成技术，电力电子技术。