CN103698719B - 提高潜艇感应磁场单方向测量精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及消磁技术领域，具体涉及一种提高潜艇感应磁场单方向测量精度的方法，包括优化设计模拟线圈、采用优化的模拟线圈通电方案和合理的潜艇磁场测量方法，可有效提高潜艇感应磁场的单方向测量精度。本发明的优点是，本发明中所提出的提高潜艇感应磁场单方向测量精度的方法，可有效减小模拟线圈均匀度、通电环节和潜艇磁场测量环节带来的感应磁场测量误差，实现潜艇感应磁场的单方向高精度测量；所归纳总结的潜艇感应磁场单方向测量工艺流程，可有效指导实际潜艇感应磁场的单方向高精度测量。

Description

提高潜艇感应磁场单方向测量精度的方法

技术领域

本发明涉及消磁技术领域，具体涉及一种提高潜艇感应磁场单方向测量精度的方法。

背景技术

潜艇感应磁场是潜艇磁场的重要组成，是潜艇固定磁场处理及消磁绕组调整的重要参数。潜艇感应磁场与潜艇所处的地理位置和航向有关，其测量一般是通过改变潜艇航向和改变地理位置的方法进行。目前，在潜艇消磁时，纵向感应磁场和横向感应磁场是根据两个相反航向上潜艇磁场的测量数值经计算后获得的。由于潜艇体积庞大，体形特殊，而洞库消磁站的入口和航道狭窄，使得潜艇进出洞站和调换航向的过程非常费力、费时，并且经过调换航向后，由于潜艇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来获得，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，故在实践和精度上都是不可行的，目前一般用“感固比法”进行近似估算，准确度很差。

感应磁场的测量除了上述传统的两航向测量和两地测量外，还可以通过模拟地磁场的变化在单方向上进行测量，这样就可以避免调转航向和改变位置所造成的人力、物力的浪费，单方向测量感应磁场的一般方法如专利CN103185871A（一种单方向测量船舶感应磁场垂直分量的方法）中所述，但完全按照该专利中的方法测量潜艇感应磁场会有如下问题：（1）模拟线圈的设计和敷设没有依据；（2）模拟线圈通电时，2倍地磁场的方向对测量精度的影响不明确；（3）潜艇磁场测量的先后顺序会影响测量精度。上述3个方面都是影响潜艇感应磁场单方向测量精度的重要因素，只有运用正确的方法才能准确的测量感应磁场，否则，虽然节省了人力、物力，但却可能造成很大的测量误差。因此，有必要从这3个方面研究提高潜艇感应磁场单方向测量精度的方法，其发明成果将对测量方法的实际应用具有重要指导意义。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种提高潜艇感应磁场单方向测量精度的方法，该方法通过根据实际情况优化设计地磁模拟线圈形状及尺寸，通过实验总结优化出模拟线圈通电方案，提出合理的潜艇磁场测量方法，实现潜艇感应磁场单方向的高精度测量。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种提高潜艇感应磁场单方向测量精度的方法，其特征在于所述方法至少包括如下步骤：

（1）根据潜艇的设计尺寸，沿所述潜艇纵向绕制纵向模拟线圈X，在所述纵向模拟线圈X的横向两侧布置横向模拟线圈Y，在所述纵向模拟线圈X的上、下方布置垂向模拟线圈Z，其中所述纵向模拟线圈X为螺线管线圈，所述横向模拟线圈Y和垂向模拟线圈均为矩形线圈；

（2）在所述潜艇未进入各所述模拟线圈内部前，通过测量系统分别测量所述纵向模拟线圈X、横向模拟线圈Y和垂向模拟线圈Z在外部测量区域所产生磁场的垂直分量，分别记为Z_x0、Z_y0、Z_z0；

（3）使潜艇进入所述纵向模拟线圈X内部，在所述纵向模拟线圈X通电前,设模拟线圈内部地磁场纵向分量为H_Dx1；之后在纵向模拟线圈X中通电，使得模拟线圈内部相应地磁场纵向分量变为H_Dx2，测量得到所述潜艇和纵向模拟线圈X的总磁场为Z_x2；其后将所述纵向模拟线圈X断电，测量得到所述潜艇磁场为Z_x1；最后解算得到所述潜艇纵向感应磁场Z_ix的测量结果为：

其中所述H_Dx为潜艇所在地的地磁场纵向分量，在测量地有H_Dx=H_Dx1；

（4）使潜艇进入所述横向模拟线圈Y内部，之后按照步骤（3）中所述的方法，同理解算得到所述潜艇横向感应磁场的测量结果为：

其中所述H_Dy为潜艇所在地的地磁场横向分量；

（5）使潜艇进入所述垂向模拟线圈Z内部，之后按步骤（3）中所述的方法，同理解算得到所述潜艇垂向感应磁场的测量结果为：

其中所述H_y为潜艇所在地的地磁场垂向分量。

所述纵向模拟线圈X内部通电产生磁场的方向与相应地磁场的方向相反，且所述纵向模拟线圈X内部所产生的磁场大小不超过2倍的测量地的地磁场纵向分量H_Dx1大小。

所述横向模拟线圈Y内部通电产生磁场的方向与相应地磁场的方向相反，且所述横向模拟线圈Y内部所产生的磁场大小不超过2倍的测量地的地磁场横向分量H_DY1大小。

所述垂向模拟线圈Z内部通电产生磁场的方向与相应地磁场的方向相反，且所述垂向模拟线圈Z内部所产生的磁场大小不超过2倍的测量地的地磁场垂向分量H_V1大小。

本发明的优点是，本发明中所提出的提高潜艇感应磁场单方向测量精度的方法，包括优化设计模拟线圈、采用优化的模拟线圈通电方案和合理的潜艇磁场测量方法，可有效减小模拟线圈均匀度、通电环节和潜艇磁场测量环节带来的感应磁场测量误差，实现潜艇感应磁场的单方向高精度测量；所归纳总结的潜艇感应磁场单方向测量工艺流程，可有效指导实际潜艇感应磁场的单方向高精度测量。

附图说明

图1为本发明中各模拟线圈与潜艇的位置关系示意图；

图2为本发明中优化设计模拟线圈的流程示意图；

图3为本发明流程示意图；

图4为实艇龙骨下Z_ix测量值比较图；

图5为实艇右舷下Z_iy测量值比较图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-5，图中标记1-4分别为：潜艇1、纵向模拟线圈X2、横向模拟线圈Y3、垂向模拟线圈Z4。

实施例：本实施例具体涉及一种提高潜艇感应磁场单方向测量精度的方法，该方法的整个实施过程包括：地磁模拟线圈的优化设计，利用优化通电方案为模拟线圈通电，按照合理的测量方法测量潜艇磁场。当然，本实施例中的方法并不局限使用于潜艇，亦可使用于船舶等大型设备。

如图1所示，在描述具体方法之前，对X、Y、Z轴的约定如下：在潜艇1的坐标系中，一般船首为X轴正向，右舷为Y轴正向，垂直向下为Z轴正向，其中X表示潜艇磁场的纵向分量，Y表示潜艇磁场的横向分量，Z表示潜艇磁场的垂向分量。

根据铁磁学原理，地磁场对潜艇的磁化作用属于弱磁场对铁磁物质的磁化，该磁化基本位于铁磁物质的可逆磁化阶段之内，其磁化为一瞬时可逆磁化过程，其特征主要有两点，一是磁化产生的潜艇感应磁场与地磁场同时存在或消失，二是所产生潜艇感应磁场大小与相应地磁场大小成线性比例关系。潜艇感应磁场与相应的地磁场分量成正比关系，用公式表示如下：

Z_ix=K_x·H_Dx

Z_iy=K_y·H_Dy

Z_iz=K_z·H_V

其中，Kx、Ky、Kz分别为纵向感应磁化系数、横向感应磁化系数和垂向感应磁化系数,H_Dx、H_Dy、H_V分别为地磁场纵向分量、地磁场横向分量和地磁场垂向分量。

潜艇感应磁场的单方向测量主要是根据铁磁物质在弱磁场（与地磁场数量级相当的磁场）中的线性可逆磁化性质，利用地磁模拟线圈通电局部改变作用于潜艇的外磁场，因此影响潜艇感应磁场单方向测量精度的因素至少有两点：

（1）外磁场的均匀度：为准确测量得到潜艇在相应地磁场中的感应磁场，必须保证潜艇所处空间模拟线圈产生的磁场具有较好的均匀性，以使得整个潜艇处于均匀的磁场变化中。

（2）外磁场大小：模拟线圈通电产生局部磁场，其磁场值不能过大，必须使潜艇的磁化处于可逆磁化范围内。

如图1-3所示，本实施例中提高潜艇感应磁场单方向测量精度的方法具体包括如下步骤：

（一）地磁模拟线圈的设计：

潜艇感应磁场的单方向测量需要合适的地磁模拟线圈，因此必须根据要求设计地磁模拟线圈。地磁模拟线圈优化设计的一般过程（如图2所示）为：首先根据实际要求确定磁场均匀区域大小，设定均匀度指标，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，利用多目标优化算法求解该模型，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。

设计得到的模拟线圈在潜艇周围的布置一般如图1所示，根据潜艇1的设计尺寸，沿潜艇1纵向绕制纵向模拟线圈X2，在纵向模拟线圈X2的横向两侧布置横向模拟线圈Y3，在纵向模拟线圈X2的上、下方布置垂向模拟线圈Z4，其中纵向模拟线圈X2选用螺线管线圈布置，横向模拟线圈Y3和垂向模拟线圈Z4选用矩形线圈，但具体的尺寸及布置要根据实际要求和工程环境确定。

（二）测量前准备：

按照模拟线圈设计方案敷设好各模拟线圈后，对相应的测量系统（包括磁传感器、测磁柜等）、电源、牵引装置等设备进行测试，检查各线圈线路，通过测量系统分别测量纵向模拟线圈X2、横向模拟线圈Y3和垂向模拟线圈Z4在外部测量区域所产生磁场的垂直分量，分别记为Z_x0、Z_y0、Z_z0。

（三）模拟线圈通电测量潜艇和线圈总磁场：

如图1、3所示，潜艇1进入模拟线圈内部，以测量潜艇纵向感应磁场Z_ix为例，设纵向模拟线圈X2通电前,线圈内部地磁场纵向分量为H_Dx1；之后在纵向模拟线圈X2中通电，使得线圈内部相应地磁场纵向分量变为H_Dx2，测量得到潜艇1和纵向模拟线圈X2的总磁场为Z_x2。该步骤中的通电方案是本实施例中最重要的一点，经缩比模型和实艇实验证明，能够精确测量感应磁场的最佳通电方案是：模拟线圈所通电流产生磁场的方向应与相应地磁场的方向相反，磁场大小应不超过2倍地磁场大小（使得作用于潜艇的总外磁场大小在1倍地磁场大小之内）。

（四）模拟线圈断电后测量潜艇磁场：

其后将纵向模拟线圈X2断电，测量得潜艇磁场为Z_x1。潜艇磁场的测量在模拟线圈通电结束后进行，可减小因电流磁场冲击改变艇体磁性而引起的感应磁场测量计算误差。缩比模型和实艇测量实验的研究也表明，利用模拟线圈通电后测量的潜艇磁场计算得到的感应磁场，比利用模拟线圈通电前测量的潜艇磁场计算得到的感应磁场要准确。因此潜艇磁场的测量方案是：在模拟线圈通电结束后测量潜艇磁场。

（五）潜艇感应磁场的计算：

由上述步骤（一）～（四），可以解算得到潜艇纵向感应磁场Z_ix的高精度测量结果：

同理，如图1、3所示，潜艇1进入模拟线圈内部，设横向模拟线圈Y3通电前,线圈内部地磁场横向分量为H_Dy1；之后在横向模拟线圈Y3中通电，使得线圈内部相应地磁场横向分量变为H_Dy2，测量得到潜艇1和横向模拟线圈Y3的总磁场为Z_y2；其后将横向模拟线圈Y3断电，测量得潜艇磁场为Z_y1；由此可以解算得到潜艇横向感应磁场的测量结果为：

同理，如图1、3所示，潜艇1进入模拟线圈内部，设垂向模拟线圈Z4通电前,线圈内部地磁场垂向分量为H_V1；之后在垂向模拟线圈Z4中通电，使得线圈内部相应地磁场垂向分量变为H_V2，测量得到潜艇1和垂向模拟线圈Z4的总磁场为Z_Z2；其后将垂向模拟线圈Z4断电，测量得潜艇磁场为Z_Z1；由此可以解算得到所述潜艇垂向感应磁场的测量结果为：

综上，本实施例中的提高潜艇感应磁场单方向测量精度的方法的总体特征为，根据工程要求优化设计地磁模拟线圈，敷设好模拟线圈后，根据优化的模拟线圈通电方案，通电模拟改变作用于潜艇的地磁场，并在模拟线圈断电后测量潜艇磁场，即可提高潜艇感应磁场的单方向测量精度，从而提高潜艇的测消磁质量，增强其磁性防护能力。

需要说明的是，本发明背景技术中所述的专利CN103185871A（一种单方向测量船舶感应磁场垂直分量的方法）仅是实现了单方向测量感应磁场的基本方法，其所解决的是传统测量中的航向调转和位置转移问题，而本发明则是实现了单方向上潜艇感应磁场的高精度测量，解决的是测量的精度问题，为实际应用奠定基础。进一步的说，该专利CN103185871A中的方法测量潜艇感应磁场会有如下问题：（1）模拟线圈的设计和敷设没有依据；（2）模拟线圈通电时，2倍地磁场的方向对测量精度的影响不明确；（3）潜艇磁场测量的先后顺序会影响测量精度。

为了直观说明本实施例中所采用的方法相对于专利CN103185871A可以提高潜艇感应磁场的单方向测量精度，进行以下对比试验：

根据本实施例中所述的感应磁场测量方法，对某实艇进行了测量，其测量结果如图4、5所示；同时根据上述专利CN103185871A中所述的感应磁场测量方法，同样对某实艇进行了测量，其测量结果如图4、5所示；以两航向测量值为标准值（两航向标准值），将利用本实施例中的方法测量得到的值（本方法测量值）与之相比，龙骨下Z_ix的均方根误差为8.0%，右舷下Z_iy的均方根误差为8.9%，均在工程允许范围之内；同样以两航向测量值为标准值，将利用上述专利CN103185871A中的方法测量得到的值（单航向测量值）与之相比，龙骨下Z_ix的均方根误差为10.3%，右舷下Z_iy的均方根误差为10.5%。由此可见，本实施例中所采用的感应磁场测量方法精度高于专利CN103185871A中所采用的感应磁场测量方法。

Claims (4)

1.一种提高潜艇感应磁场单方向测量精度的方法，其特征在于所述方法至少包括如下步骤：

（1）根据潜艇的设计尺寸，沿所述潜艇纵向绕制纵向模拟线圈X，在所述纵向模拟线圈X的横向两侧布置横向模拟线圈Y，在所述纵向模拟线圈X的上、下方布置垂向模拟线圈Z，其中所述纵向模拟线圈X为螺线管线圈，所述横向模拟线圈Y和垂向模拟线圈均为矩形线圈；

（2）在所述潜艇未进入各所述模拟线圈内部前，通过测量系统分别测量所述纵向模拟线圈X、横向模拟线圈Y和垂向模拟线圈Z在外部测量区域所产生磁场的垂直分量，分别记为Z_x0、Z_y0、Z_z0；

（3）使潜艇进入所述纵向模拟线圈X内部，在所述纵向模拟线圈X通电前,设模拟线圈内部地磁场纵向分量为H_Dx1；之后在纵向模拟线圈X中通电，使得模拟线圈内部相应地磁场纵向分量变为H_Dx2，测量得到所述潜艇和纵向模拟线圈X的总磁场为Z_x2；其后将所述纵向模拟线圈X断电，测量得到所述潜艇磁场为Z_x1；最后解算得到所述潜艇纵向感应磁场Z_ix的测量结果为：

其中所述H_Dx为潜艇所在地的地磁场纵向分量，在测量地有H_Dx=H_Dx1；

（4）使潜艇进入所述横向模拟线圈Y内部，之后按照步骤（3）中所述的方法，同理解算得到所述潜艇横向感应磁场的测量结果为：

其中所述H_Dy为潜艇所在地的地磁场横向分量，潜艇磁场为Z_y1，潜艇和横向模拟线圈Y3的总磁场为Z_y2，线圈内部地磁场横向分量为H_Dy1，通电后线圈内部地磁场横向分量为H_Dy2；

（5）使潜艇进入所述垂向模拟线圈Z内部，之后按步骤（3）中所述的方法，同理解算得到所述潜艇垂向感应磁场的测量结果为：

其中所述H_V为潜艇所在地的地磁场垂向分量，设垂向模拟线圈Z通电前,线圈内部地磁场垂向分量为H_V1；之后在垂向模拟线圈Z中通电，使得线圈内部相应地磁场垂向分量变为H_V2，测量得到潜艇和垂向模拟线圈Z的总磁场为Z_Z2；其后将垂向模拟线圈Z断电，测量得潜艇磁场为Z_Z1。

2.根据权利要求1所述的一种提高潜艇感应磁场单方向测量精度的方法，其特征在于所述纵向模拟线圈X内部通电产生磁场的方向与相应地磁场的方向相反，且所述纵向模拟线圈X内部所产生的磁场大小不超过2倍的测量地的地磁场纵向分量H_Dx1大小。

3.根据权利要求1所述的一种提高潜艇感应磁场单方向测量精度的方法，其特征在于所述横向模拟线圈Y内部通电产生磁场的方向与相应地磁场的方向相反，且所述横向模拟线圈Y内部所产生的磁场大小不超过2倍的测量地的地磁场横向分量H_DY1大小。

4.根据权利要求1所述的一种提高潜艇感应磁场单方向测量精度的方法，其特征在于所述垂向模拟线圈Z内部通电产生磁场的方向与相应地磁场的方向相反，且所述垂向模拟线圈Z内部所产生的磁场大小不超过2倍的测量地的地磁场垂向分量H_V1大小。