CN104360293B - 一种船舶感应磁场实时获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于消磁技术领域，具体涉及一种船舶感应磁场实时获取方法。它采用由典型状态推算任意状态的方法，首先的通过磁场积分方程法计算理想航行条件下在典型地磁场磁化状态下的船舶感应磁场三分量值；然后再根据船舶铁磁材料在弱磁场磁化作用下处于线性磁化区的特点，将上述理想航行条件下典型磁化状态下的船舶感应磁场数据推算至理想航行条件任意磁化状态下的船舶感应磁场值；最后再根据理想航行条件下任意磁化状态下的船舶感应磁场三分量数据推算至任意航行状态下任意磁化状态下的船舶感应磁场值，实现了船舶感应磁场的实时解算，该方法具有较好的计算精度和实时性，效率高。

Description

一种船舶感应磁场实时获取方法

技术领域

本发明属于消磁技术领域，具体涉及一种船舶感应磁场实时获取方法。

背景技术

船舶等铁磁物体，受地球磁场磁化作用会产生感应磁性，进而在铁磁物体周围产生感应磁场。感应磁场随外界磁场(主要是地球磁场)变化而变化，与铁磁物体实时的位置、方向、姿态等因素有关，反映了磁性的瞬时效应。铁磁物体感应磁性大小主要取决于下列因素：①铁磁物体建造材料的磁性能；②铁磁物体结构、形状及尺寸；③铁磁物体所处位置地磁场的大小；④铁磁物体方向、姿态等。

在船舶等铁磁物体退磁过程中，必须准确掌握铁磁物体感应磁场分布。按照退磁方法，一般将感应磁场分为纵向感应磁场纵向分量X_ix、纵向感应磁场横向分量Y_ix、纵向感应磁场垂向分量Z_ix、横向感应磁场纵向分量X_iy、横向感应磁场横向分量Y_iy、横向感应磁场垂向分量Z_iy、垂向感应磁场纵向分量X_iz、垂向感应磁场横向分量Y_iz、垂向感应磁场垂向分量Z_iz。

现有的感应磁场分解方法一般是通过磁东、磁西、磁南、磁北以及在不同地区的同点磁场测量数据来分解出铁磁物体感应磁场。这种感应磁场分解方法主要存在以下不足：①测量效率低，尤其对于船舶等大型铁磁物体而言，调转方向和换区域测量需浪费大量的人力物力，且非常不方便；②由于测量条件限制一般仅能获得感应磁场垂直分量，难以获得三分量测磁数据，其包含信息量相对较少；③属静态测量，缺乏实时性。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种效率高、精确度高的船舶感应磁场实时获取方法。

本发明采用的技术方案是：一种船舶感应磁场实时获取方法，包括如下步骤：

步骤1：建立船舶的几何模型，并对其进行网格剖分，得到船舶的剖分单元数据；

步骤2：由公式M＝A^-1b计算船舶各单元内部磁化强度M，再由公式B＝CM求得船舶外部场点处的磁场值B，将B代入船舶坐标系得到典型地磁场水平分量B_H纵向磁化作用下的纵向感应磁场纵向分量横向分量和垂向分量在典型地磁场水平分量B_H横向磁化作用下的横向感应磁场纵向分量横向分量和垂向分量在典型地磁场垂直分量B_V垂向磁化作用下的垂向感应磁场纵向分量横向分量和垂向分量 $Z_{\mathrm{iz}}^D,$

其中A为各单元之间相互作用产生的系数矩阵，b为作用在船舶上的典型海域地磁场，C为各单元在船舶外部的场点处产生的场点系数矩阵；

步骤3：根据船舶航向在步骤2的基础上，由公式

$\begin{array}{ccc}{X}_{\mathrm{iz}}^{\′}=\frac{X_{\mathrm{iz}}^D}{B_V}{B}_v& Y_{\mathrm{iz}}^{\′}=\frac{Y_{\mathrm{iz}}^D}{B_V}{B}_v& Z_{\mathrm{iz}}^{\′}=\frac{Z_{\mathrm{iz}}^D}{B_V}{B}_v\end{array}$

分别计算理想航行条件下在任意磁化状态下的船舶感应磁场三分量值，其中，B_h和B_v分别为船舶航向区域地磁场水平分量和垂直分量，为船舶磁航向角；

步骤4：根据船舶航行时的实时导航信息，由公式：

B″_h＝B_h(cosθcosα-sinθsinα)+B_v(sinθcosα+cosθsinα)

B″_v＝-B_h(cosθsinα+sinθcosα)-B_v(sinθsinα-cosθcosα)

分别计算非理想航行条件下地磁场在船舶坐标系下水平分量B″_h和垂直分量B″_v，式中，θ为纵倾角，α为横摇角；

步骤5：根据步骤3和步骤4得到的数据，由公式：

$\begin{array}{ccc}{X}_{\mathrm{ix}}=X_{\mathrm{ix}}^{\′}\frac{B_h^{\′\′}}{B_h}& Y_{\mathrm{ix}}=Y_{\mathrm{ix}}^{\′}\frac{B_h^{\′\′}}{B_h}& Z_{\mathrm{ix}}=Z_{\mathrm{ix}}^{\′}\frac{B_h^{\′\′}}{B_h}\\ X_{\mathrm{iy}}=X_{\mathrm{iy}}^{\′}\frac{B_h^{\′\′}}{B_h}& Y_{\mathrm{iy}}=Y_{\mathrm{iy}}^{\′}\frac{B_h^{\′\′}}{B_h}& Z_{\mathrm{iy}}=Z_{\mathrm{iy}}^{\′}\frac{B_h^{\′\′}}{B_h}\\ X_{\mathrm{iz}}=X_{\mathrm{iz}}^{\′}\frac{B_v^{\′\′}}{B_v}& Y_{\mathrm{iz}}=Y_{\mathrm{iz}}^{\′}\frac{B_v^{\′\′}}{B_v}& Z_{\mathrm{iz}}=Z_{\mathrm{iz}}^{\′}\frac{B_v^{\′\′}}{B_v}\end{array}$

分别计算任意航行条件下任意磁化状态下的船舶感应磁场三分量值。

进一步地，所述步骤2中各单元之间相互作用产生的系数矩阵A和各单元在船舶外部的场点处产生的场点系数矩阵C均通过磁场积分方程法得到。

本发明采用由典型状态推算任意状态的方法，首先的通过磁场积分方程法计算理想航行条件下在典型地磁场磁化状态下的船舶感应磁场三分量值；然后再根据船舶铁磁材料在弱磁场磁化作用下处于线性磁化区的特点，将上述理想航行条件下典型磁化状态下的船舶感应磁场数据推算至理想航行条件任意磁化状态下的船舶感应磁场值；最后再根据理想航行条件下任意磁化状态下的船舶感应磁场三分量数据推算至任意航行状态下任意磁化状态下的船舶感应磁场值，实现了船舶感应磁场的实时解算，解决了现有消磁技术中航行船舶感应磁场三分量实时获取难题，该方法具有较好的计算精度和实时性，效率高。

附图说明

图1为本发明中船舶受地磁场水平分量纵向磁化作用示意图。

图2为本发明中船舶受地磁场水平分量横向磁化作用示意图。

图3为本发明中船舶受地磁场垂直分量垂向磁化作用示意图。

图4为本发明中地磁场水平分量在船舶坐标下的分解示意图。

图5为本发明中地磁场在船舶纵倾时的分解示意图。

图6为本发明中地磁场在船舶横摇时的分解示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

受地磁场磁化作用的船舶，其磁性可在船舶坐标系下分解为三种：纵向磁性、横向磁性和垂直磁性。根据铁磁材料的磁化性质，船舶的磁性可以分为两部分：一是固定磁性，它在一定条件下、一定时间内可视作固定不变，与地磁场变化无关；二是感应磁性，它随地磁场成比例地变化。为方便分析，一般将船舶磁场按船舶坐标系分解为三个方向的分量，即纵向分量、横向分量和垂直分量。若再按照产生磁场的感应磁性的不同，可将船舶感应磁场分为纵向感应磁场纵向分量X_ix、纵向感应磁场横向分量Y_ix、纵向感应磁场垂向分量Z_ix、横向感应磁场纵向分量X_iy、横向感应磁场横向分量Y_iy、横向感应磁场垂向分量Z_iy、垂向感应磁场纵向分量X_iz、垂向感应磁场横向分量Y_iz、垂向感应磁场垂向分量Z_iz。

为实时获取船舶的感应磁场，本发明采用由典型状态推算任意状态的方法，首先的通过磁场积分方程法计算理想航行条件下在典型地磁场磁化状态下的船舶感应磁场三分量值；然后再根据船舶铁磁材料在弱磁场磁化作用下处于线性磁化区的特点，将上述理想航行条件下典型磁化状态下的船舶感应磁场数据推算至理想航行条件任意磁化状态下的船舶感应磁场值；最后再根据理想航行条件下任意磁化状态下的船舶感应磁场三分量数据推算至任意航行状态下任意磁化状态下的船舶感应磁场值。

具体的操作步骤如下：

步骤1：根据目标船舶的物理结构，采用通用剖分软件如TrueGrid、Ansys等建立几何模型，并对其进行网格剖分，如图1-3所示，得到船舶的剖分单元数据。

步骤2：在步骤1的基础上，采用磁场积分方程法分别获取各单元之间相互作用的系数矩阵A和各单元在船舶外部场点处产生的场点系数矩阵C，然后通过公式AM＝b(其中b为作用在船舶上的典型海域地磁场，M为各单元内部磁化强度)求解该方程得到各单元内部磁化强度M；再通过公式B＝CM计算船舶外部的场点磁场值。即船舶外部的场点磁场值B可通过公式B＝CA^-1b得出，按照该过程，在船舶坐标系中，通过改变作用在船舶上的地磁场，如图1-3所示，分别得到船舶理想航行条件(理想航行条件指处于平静海域且无横摇角的情况)下在典型地磁场水平分量B_H纵向磁化作用下的纵向感应磁场纵向分量横向分量和垂向分量在典型地磁场水平分量B_H横向磁化作用下的横向感应磁场纵向分量横向分量和垂向分量以及在典型地磁场垂直分量B_V垂向磁化作用下的垂向感应磁场纵向分量横向分量和垂向分量

步骤3：根据船舶航向典型区域地磁场水平分量B_H和垂直分量B_V，由如下公式将上述理想航行条件下典型磁化状态下的船舶感应磁场数据推算至任意磁化状态下的船舶感应磁场值，图4所为地磁场在船舶坐标系下的纵向分量和横向分量示意图：

其中，B_h和B_v分别为船舶航向区域地磁场水平分量和垂直分量，为船舶磁航向角，X′_ix、Y′_ix和Z′_ix分别为纵向感应磁场纵向分量、横向分量和垂向分量，X′_iy、Y′_iy和Z′_iy分别为横向感应磁场纵向分量、横向分量和垂向分量，X′_iz、Y′_iz和Z′_iz分别为垂向感应磁场纵向分量、横向分量和垂向分量。

步骤4：根据船舶航行时的实时导航信息，分别由如下公式计算非理想航行条件下地磁场在船舶坐标系下水的平分量和垂直分量，如图5-6所示：

当纵倾角为θ(正方向为纵向至垂向)时，船舶坐标系下地磁场水平分量B'_h和垂直分量B'_v：

B'_h＝B_hcosθ+B_vsinθ

B'_v＝B_vcosθ-B_hsinθ

且当横摇角为α时，船舶坐标系下地磁场水平分量B″_h和垂直分量B″_v：

B″_h＝B'_hcosα+B'_vsinα

＝B_h(cosθcosα-sinθsinα)+B_v(sinθcosα+cosθsinα)

B″_v＝-B'_hsinα+B'_vcosα

＝-B_h(cosθsinα+sinθcosα)-B_v(sinθsinα-cosθcosα)

步骤5：根据步骤4中非理想航行条件下地磁场在船舶坐标系下水平分量和垂直分量，由如下公式将步骤3中理想航行条件下任意磁化状态下的船舶感应磁场三分量数据推算至任意航行状态下任意磁化状态下的船舶感应磁场三分量值：

$\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{iz}}=X_{\mathrm{iz}}^{\′}\frac{B_v^{\′\′}}{B_v}=\frac{X_{\mathrm{iz}}^D}{B_V}{B}_v^{\′\′}\\ =\frac{X_{\mathrm{iz}}^D}{B_V}[-B_h(\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\α}+\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\α})-B_v(\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\α}-\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\α})]\end{array}$

$\begin{array}{c}{Y}_{\mathrm{iz}}=Y_{\mathrm{iz}}^{\′}\frac{B_v^{\′\′}}{B_v}=\frac{Y_{\mathrm{iz}}^D}{B_V}{B}_v^{\′\′}\\ =\frac{Y_{\mathrm{iz}}^D}{B_V}[-B_h(\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\α}+\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\α})-B_v(\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\α}-\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\α})]\end{array}$

$\begin{array}{c}{Z}_{\mathrm{iz}}=Z_{\mathrm{iz}}^{\′}\frac{B_v^{\′\′}}{B_v}=\frac{Z_{\mathrm{iz}}^D}{B_V}{B}_v^{\′\′}\\ =\frac{Z_{\mathrm{iz}}^D}{B_V}[-B_h(\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\α}+\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\α})-B_v(\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\α}-\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\α})]\end{array}$

作用在船舶各单元节点上的地磁场b均为已知量且大小均不同，那么每个单元节点都有与其对应的B_h和B_v，由步骤3及步骤5中的公式即可算出船舶每个单元节点对应的实时感应磁场，这样即完成了航行船舶感应磁场的实时获取。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种船舶感应磁场实时获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立船舶的几何模型，并对其进行网格剖分，得到船舶的各剖分单元数据；

步骤2：由公式M＝A^-1b计算船舶各单元内部磁化强度M，再由公式B＝CM求得船舶外部场点处的磁场值B，将B代入船舶坐标系得到典型地磁场水平分量B_H纵向磁化作用下的纵向感应磁场纵向分量横向分量和垂向分量在典型地磁场水平分量B_H横向磁化作用下的横向感应磁场纵向分量横向分量和垂向分量在典型地磁场垂直分量B_V垂向磁化作用下的垂向感应磁场纵向分量横向分量和垂向分量

其中A为各单元之间相互作用产生的系数矩阵，b为作用在船舶上的典型海域地磁场，C为各单元在船舶外部的场点处产生的场点系数矩阵；

步骤3：根据船舶航向在步骤2的基础上由公式

$\begin{array}{ccc}{X}_{\mathrm{iz}}^{\′}=\frac{X_{\mathrm{iz}}^D}{B_V}{B}_v& Y_{\mathrm{iz}}^{\′}=\frac{Y_{\mathrm{iz}}^D}{B_V}{B}_v& Z_{\mathrm{iz}}^{\′}\frac{Z_{\mathrm{iz}}^D}{B_V}{B}_v\end{array}$

分别计算理想航行条件下任意磁化状态下的船舶感应磁场三分量值，其中，B_h和B_v分别为船舶航向区域地磁场的水平分量和垂直分量，为船舶磁航向角；

步骤4：根据船舶航行时的实时导航信息，由公式：

B″_h＝B_h(cosθcosα-sinθsinα)+B_v(sinθcosα+cosθsinα)

B″_v＝-B_h(cosθsinα+sinθcosα)-B_v(sinθsinα-cosθcosα)

分别计算非理想航行条件下地磁场在船舶坐标系下水平分量B″_h和垂直分量B″_v，式中，θ为纵倾角，α为横摇角；

步骤5：根据步骤3和步骤4得到的数据，由公式：

$\begin{array}{ccc}{X}_{\mathrm{ix}}=X_{\mathrm{ix}}^{\′}\frac{B_h^{\′\′}}{B_h}& Y_{\mathrm{ix}}=Y_{\mathrm{ix}}^{\′}\frac{B_h^{\′\′}}{B_h}& Z_{\mathrm{ix}}=Z_{\mathrm{ix}}^{\′}\frac{B_h^{\′\′}}{B_h}\\ X_{\mathrm{iy}}=X_{\mathrm{iy}}^{\′}\frac{B_h^{\′\′}}{B_h}& Y_{\mathrm{iy}}=Y_{\mathrm{iy}}^{\′}\frac{B_h^{\′\′}}{B_h}& Z_{\mathrm{iy}}=Z_{\mathrm{iy}}^{\′}\frac{B_h^{\′\′}}{B_h}\\ X_{\mathrm{iz}}=X_{\mathrm{iz}}^{\′}\frac{B_v^{\′\′}}{B_v}& Y_{\mathrm{iz}}=Y_{\mathrm{iz}}^{\′}\frac{B_v^{\′\′}}{B_v}& Z_{\mathrm{iz}}=Z_{\text{'}\mathrm{iz}}^{\′}\frac{B_v^{\′\′}}{B_v}\end{array}$

分别计算任意航行条件下任意磁化状态下的船舶感应磁场三分量值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2中各单元之间相互作用产生的系数矩阵A和各单元在船舶外部的场点处产生的场点系数矩阵C均通过磁场积分方程法得到。