刘德红 王向军 嵇斗 朱武兵

（海军工程大学电气工程学院 武汉 430033）

0 引 言

各型船舶因轴系变化产生的电场是一种传播特征明显的极低频电场（extremely low frequency electronic fields，ELF），具有传播距离远、衰减慢等特点，能应用于水下目标的远程探测及定位，军事上能作为水中兵器的引信源，应用前景十分广泛，成为目前研究的热点［1-3］.随着世界各海军强国对舰船隐身技术的重视，舰船的极低频电场抑制问题日渐显现，国内外也有不少相关文献发表.但是在这些可见的资料当中，国外出于军事目的，只是笼统性的描述了该技术的工作原理，而对于与舰船极低频电场密切相关的主要参数及采取的电场抑制控制方案等核心技术只字未提［4-6］.而国内由于起步较晚，虽然也对舰船极低频电场产生机理及防护措施有所涉及，但是由于缺乏实船极低频电场关键参数的支撑，研究进展不大［7-9］.据公开报道了解到，美国、俄罗斯、日本等海军强国利用船舶极低频电场的传播特征，通过在海底布置大量的电场传感器以监视过往船只，我海军舰船几乎完全暴露在敌方面前，毫无秘密可言［10-12］.因此，开展舰船极低频电场抑制研究十分紧迫.本文在对前人所做的关于极低频电场产生机理及抑制方案的基础上，通过深入研究，研制出一种基于有源轴接地技术的极低频电场抑制装置，极大地提高了舰船电场隐身性能.

1 船舶极低频电磁场产生机理

各型船舶及海军舰艇在海水中航行时，不同金属材质构成的船体在海水这一天然的电解液中发生电化学反应，从而引起船体的腐蚀.为了防止腐蚀的发生，各型船舶及海军舰艇均会安装牺牲阳极（SCP）或外加电流阴极保护（ICCP）装置.船舶的转动轴是船舶动力装置的重要组成部分，它通过法兰、齿轮、推力盘及一系列具有一定刚度的弹性支撑轴承等机械设备与船壳相连.由于实际船舶的转动轴较长，虽然在设计和安装轴系时进行了合理的校正，但转动轴在运转过程中，由于轴系因负荷和应力的变化而存在一定的变形，因此，轴与轴系等机械结构间的接触电阻将随轴的转动而发生周期性的变化，另外，螺旋桨在转动时也会引起其接水电阻的周期性变化，从而造成了海水中电流也跟随着一起脉动.这种脉动电流在海水中产生的时变电场会以谐波的形式由船体向外传播，该谐波的基频为转动轴转动的速率，一般而言，用于推进的转动轴转速比较低，从而产生了船舶极低频电场.

随着人们对目标特性认识的深化，以及传感器技术、信号处理技术和微电子技术的发展，极低频电场作为水下目标的一种重要的物理场，成为了以电磁目标特性为信号源的新型武器的攻击源.

2 船舶极低频电场抑制技术

传统的极低频电场抑制设计思路是：通过测量船舶内部推进轴上的电流波动，在其变化瞬间，在轴上施加一个反向电流，相当于对交变电阻进行短接，以保持轴电流的恒定，从而实现对极低频电场加以抑制.

然而，在实际各型船舶内部，考虑到推进轴直径较大，从几十厘米到上百厘米之间不等，而流过的轴电流为安培甚至毫安级.目前市面上几乎没有满足轴电流测量所要求的大直径、小电流传感器，全部需要定制，成本较高；同时考虑到船舶内部空间有限，如此大体积的传感器会给安装带来不便.通过对极低频电场产生机理的深入研究可以发现，采集轴与壳的电压（不同材质的金属在海水中接触发生电化学反应而产生的腐蚀电压，一般情况下，经过一段时间，轴与壳之间的腐蚀状态就会稳定，该电压保持在0.3V 左右）取代轴电流同样可以实现极低频电场的抑制，实现起来相对容易得多，而且不需要电流传感器，经济成本显著降低.

图1 采用有源轴接地技术的极低频电场抑制控制方案

图1所示为采用有源轴接地技术的船舶极低频电场抑制控制方案.图中：虚线方框AGS为简化的有源轴接地技术的极低频电场抑制控制示意图，未标记处表示轴-壳之间调制腐蚀电流的等效电路图；Vw为腐蚀电压；Rw为螺旋桨与船壳通过海水导通的接水电阻，其值主要由海水电导率决定；Rb为轴与轴系等机械结构间的接触电阻，该值与螺旋桨的负载、转速及轴与轴承之间的接触情况相关，在轴转动过程中发生周期性变化；Rb1为电源电刷的电阻，Rb2为测量电刷的电阻.

其基本工作原理如下：即通过检测轴-船体电压urf的变化，产生一个与电压变化率Δurf成比例的抑制电流i0，该电流可以看作是一个受Δurf控制的受控电流源，并加到轴和船体两端，可消除大轴电流的波动，从而实现极低频电场的抑制.

3 仿真及实验验证

3.1 仿真分析

通过电路仿真方法，研究大轴电流抑制情况.图2给出了按上述电流抑制方法得到的轴电阻波动时，抑制后的轴电流iw、抑制电流i0的变化曲线.

图2 采用有源轴接地装置后轴电流抑制情况

图2中，交变电阻ΔRb作分段变化：（1）0～4s内，交变电阻不发生变化，在图2b）中电流保持恒定，不发生周期性变化，电流为4.393A；（2）在4～6s时，电阻ΔRb作周期性变化，频率为2 Hz，此时未施加抑制电流，轴电流的变化幅度为0.207A；（3）在6～8s，电阻ΔRb作周期性变化，频率为2Hz，此时施加抑制电流，电流输出增益β=5，此时轴电流受到一定抑制，轴电流的变化幅度为0.1A；（4）在8～10s，电阻ΔRb作周期性变化，频率为2Hz，此时施加抑制电流，电流输出增益β=10，此时轴电流受到明显抑制，此时轴电流的变化幅度为0.005A.

通过对比发现，相比未采取极低频电场抑制装置，电流幅度下降了97.6%.

仿真试验还表明，施加抑制电流后，回路中的直流分量有所增加，当进一步增加增益时，交流分量会出现过量抑制情况.

3.2 实验验证

极低频电场的实测工作在实验室内利用船模在水池内完成.无磁性实验水池的长、宽、深分别为8，5，1.5m.在水池中放入0.8m 深的水，倒入海盐，测得其电导率为3.66Ω·m-1，用来模拟海水；实验用船模依据某型舰船按比例缩小制造，船长为1m.螺旋桨用黄铜制造，采用4片平面浆叶.船壳的材料为普通钢板.带动螺旋桨转动的电机为带减速箱菲利浦交流电机，其转速为120r／min，对应轴频为2Hz.将船模固定在行车架上放入海水池，使得整个螺旋桨和船壳的下半部分浸泡在海水中，螺旋桨转轴位于水下约8cm 处.

图3所示为采用有源轴接地装置前后测量电场的三分量频谱对比图.

图3 采用AGS装置前后电场测量频谱对比图

在不起动有源轴接地试验设备时，采用移动电场测量传感器的方法，获得了水下1倍船宽深度（Z=20cm），距离正横1倍船宽（Y=-20cm）处，由X=30cm 到X=-170cm 测线上的极低频电场三分量结果，首先将测量结果通过1～5 Hz的带通滤波器，然后对结果进行频谱分析，获得了频谱曲线，如图3（左）所示.从电场三分量频谱曲线上都可以清晰地看出极低频及其倍频存在，轴频基频大约为2.05Hz.

船模螺旋桨转动时，起动有源轴接地试验设备，抑制电流的最大值为2.1mA.采用移动电场测量传感器的方法，获得了水下1倍船宽深度（Z=20cm），距离正横1倍船宽（Y=-20cm）处，由X=30cm 到X=-170cm 测线上的极低频电场三分量结果.首先将测量结果通过1～5 Hz的带通滤波器，然后对结果进行频谱分析，获得了频谱曲线，如图3（右）所示.从电场三分量频谱曲线上都可以清晰地看出轴频及其倍频存在，轴频基频大约为2.05Hz.

由图3可见，当采取有源轴接地装置措施后，极低频电场Ex分量2 Hz信号由原来的592μV下降到55μV，降低幅度达到90.7%，电场Ey分量由原来的326μV 下降到30μV，降低幅度达到90.8%，电场Ez分量由原来的103μV 下降到7 μV，降低幅度达到93.2%.

4 结 论

1）通过对极低频电场关键量（轴-壳电压）频谱分析发现，加装极低频电场抑制装置后，极低频电场信号降低了90%以上，证实了该控制方案的正确性；

2）研制出的有源轴接地装置，具有结构紧凑、操作灵活等特点，对于显著改善各型船舶尤其是舰船的电场隐身性能具有较实用的工程价值.

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