CN111060989A - 一种水下磁目标特征模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水下磁目标特征模拟方法，它包括采用置于海水中的单根长直导线接通电源产生的磁场模拟水下磁目标的磁场特征，电源电流经由电源正极、导线、正电极、海水、负电极、导线、电源负极形成回路。本发明的有益效果在于：本发明采用置于海水中的单根长直导线通电产生的磁场模拟水下磁目标磁场特征，利用海水导电性形成电流回路，相比传统采用永磁体或载流圆线圈产生磁场的方法，本发明中磁目标模拟器的体积重量大幅减小，所需电源功率大幅降低，且模拟器搬运及运输难度减小，因此为潜艇等水下磁目标特征技术的研究和水下信息对抗提供了试验平台支撑。

Description

一种水下磁目标特征模拟方法
技术领域
本发明属于一种磁探测领域中水下磁目标特征模拟方法，具体涉及一种基于通电长直导线的水下磁目标模拟器的方法。
背景技术
当前，我国与多个国家存在海洋领土争端，周边形势复杂，潜艇等水下目标的探测能力对于维护国家领土完整与海洋权益具有重要战略意义。磁探测通过探测水下目标产生的磁场进行磁目标的识别与定位，具有不受复杂水声环境影响、可全天候应用等特点，成为目前国内外大力发展的水下目标探测技术。
为提高磁探测能力，需要针对潜艇等水下磁目标开展大量探测试验，而潜艇等水下磁目标调遣困难较大，难以满足技术研究中高频次的探测试验需求，因此建立水下磁目标模拟器成为磁探测技术研究中的关键技术之一。常规产生磁场的方法主要包括两种，一为采用永磁材料产生磁场，二为采用载流圆线圈产生磁场。根据国内外中型潜艇的磁矩大小，当采用永磁体产生该磁矩时，若采用磁性最强的钕铁硼永磁，产生该磁矩所需的永磁体达约2000kg。由于永磁体磁性极强，体积重量均太大，使得搬运中存在极大风险，因此采用永磁体产生所需磁矩的方案可行性较低。若采用载流圆线圈产生磁场，线圈产生磁场的大小可根据毕奥-萨法尔定律进行计算，计算得到所需导线总长度需在10km以上，该长度导线中的电阻及所需供电电压均增大了该方案的实施难度，因此采用载流圆线圈的方案也有上述应用难题。
因此传统产生磁场的方法在模拟水下磁目标特性时均存在体积重量过大，难以实施等问题，成为水下磁目标模拟器研制中的瓶颈。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水下磁目标特征模拟方法，它能够克服传统磁场产生方法在水下目标磁模拟应用的不足。
本发明的技术方案如下：一种水下磁目标特征模拟方法，它包括采用置于海水中的单根长直导线接通电源产生的磁场模拟水下磁目标的磁场特征，电源电流经由电源正极、导线、正电极、海水、负电极、导线、电源负极形成回路。
所述的电源可为恒流源或交流源，当采用恒流源时产生恒定磁场，用以模拟水下目标的静磁场特征；当采用交流源时产生交变磁场，用以模拟水下目标如潜艇等的轴频磁场特征。
所述的电源正电极及负电极均采用可增大电极与海水接触面积的结构，如杯型结构，以减小海水回路电阻。
所述的电源所选用导线浮于海水表面或悬于海水中均可。
所述的电源所用电极可选用铝、铜等高导电率材料制成。
所述的电源所采用的功率按照如下方法计算，
1)计算长直导线产生的磁场大小
长直导线中通有电流I时，电流元
Figure BDA0001831974890000021
产生的磁场为：
Figure BDA00018319748900000211
其中，μ0为真空磁导率，
Figure BDA0001831974890000022
为电流元
Figure BDA0001831974890000023
到测量点的位移矢量，r为电流元到测量点的距离，求得通电流为I、长度为L的长直导线产生的磁场大小
Figure BDA0001831974890000024
为
Figure BDA00018319748900000212
2)计算海水回路产生的磁场大小
首先，建立电极及其周围海水的有限元模型，根据两电极间电流沿最小电阻路径流通原理，仿真分析两电极间海水中的电流分布；其次，根据海水中电流分布的面积及电流密度，采用有限元法得到海水回路产生的磁场
Figure BDA0001831974890000025
3)计算磁异常大小
根据长直导线产生的磁场
Figure BDA0001831974890000026
海水回路产生的磁场
Figure BDA0001831974890000027
地磁场
Figure BDA0001831974890000028
进行矢量相加，获得总磁场大小
Figure BDA0001831974890000029
该磁场与地磁场
Figure BDA00018319748900000210
的标量差值即为磁异常大小S
Figure BDA00018319748900000213
4)给S赋值为潜艇磁异常大小的值，根据3)中公式计算导线长度L及导线中施加电流大小I，
5)根据电流I确定导线截面积Ac＝(5～8)I，则导线电阻
Figure BDA0001831974890000031
所需电源功率p＝I2R。
本发明的有益效果在于：本发明采用置于海水中的单根长直导线通电产生的磁场模拟水下磁目标磁场特征，利用海水导电性形成电流回路，相比传统采用永磁体或载流圆线圈产生磁场的方法，本发明中磁目标模拟器的体积重量大幅减小，所需电源功率大幅降低，且模拟器搬运及运输难度减小，因此为潜艇等水下磁目标特征技术的研究和水下信息对抗提供了试验平台支撑。
附图说明
图1为一种水下磁目标模拟器结构示意图；
图2为电极结构图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
一种水下磁目标特征模拟方法，采用置于海水中的单根长直导线通电产生的磁场模拟水下磁目标的磁场特征，电源电流经由电源正极、导线、正电极、海水、负电极、导线、电源负极形成回路。
所采用电源可为恒流源或交流源，当采用恒流源时产生恒定磁场，用以模拟水下目标的静磁场特征；当采用交流源时产生交变磁场，用以模拟水下目标如潜艇等的轴频磁场特征。
正电极及负电极均采用可增大电极与海水接触面积的结构，如杯型结构，以减小海水回路电阻。
所选用导线浮于海水表面或悬于海水中均可。
所用电极可选用铝、铜等高导电率材料制成。
本发明与现有技术相比的优点：本发明采用置于海水中的单根长直导线通电产生的磁场模拟水下磁目标磁场特征，利用海水导电性形成电流回路，相比传统采用永磁体或载流圆线圈产生磁场的方法，本发明中磁目标模拟器的体积重量大幅减小，所需电源功率大幅降低，且模拟器搬运及运输难度减小，因此为潜艇等水下磁目标特征技术的研究和水下信息对抗提供了试验平台支撑。
如图1所示，本发明利用海水的导电性，采用置于海水中的单根长直导线通电产生的磁场模拟水下磁目标的磁场特征，电源电流经由电源正极、导线、正电极、海水、负电极、导线、电源负极形成回路。
所采用电源可为恒流源或交流源，当采用恒流源时产生恒定磁场，用以模拟水下目标的静磁场特征；当采用交流源时产生交变磁场，用以模拟水下目标如潜艇等的轴频磁场特征。
如图2所示，正电极及负电极均采用可增大电极与海水接触面积的结构，如杯型结构，以减小海水回路电阻。
所选用导线浮于海水表面或悬于海水中均可。
所用电极可选用铝、铜等高导电率材料制成。
基于以上硬件要求及方法，本发明中水下磁目标模拟器的设计过程为：首先在导线长度确定的基础上，根据毕奥-萨法尔定律计算有限长直导线中通单位电流时产生的磁场大小，建立海水中通电电极的有限元模型，分析求解海水中的电流回路及施加单位电流时海水回路产生的磁场大小，将长直导线磁场、海水回路磁场及地磁场叠加，分析得到所产生磁异常的大小，根据所要产生的磁目标大小，确定导线中需要施加电流的大小，根据电流大小选择导线规格，并计算相应电阻值，最终确定供电电流、电压的大小。
具体操作步骤：
1)计算长直导线产生的磁场大小。
根据毕奥-萨法尔定律，长直导线中通有电流I时，电流元
Figure BDA0001831974890000041
产生的磁场为：
Figure BDA0001831974890000042
其中，μ0为真空磁导率，
Figure BDA0001831974890000043
为电流元
Figure BDA0001831974890000044
到测量点的位移矢量，r为电流元到测量点的距离。根据该式可以求得通电流为I、长度为L的长直导线产生的磁场大小
Figure BDA0001831974890000045
为
Figure BDA0001831974890000051
2)计算海水回路产生的磁场大小
首先，建立电极及其周围海水的有限元模型，根据两电极间电流沿最小电阻路径流通原理，仿真分析两电极间海水中的电流分布；其次，根据海水中电流分布的面积及电流密度，采用有限元法得到海水回路产生的磁场
Figure BDA0001831974890000052
3)计算磁异常大小
根据长直导线产生的磁场
Figure BDA0001831974890000053
海水回路产生的磁场
Figure BDA0001831974890000054
地磁场
Figure BDA0001831974890000055
进行矢量相加，获得总磁场大小
Figure BDA0001831974890000056
该磁场与地磁场
Figure BDA0001831974890000057
的标量差值即为磁异常大小S
Figure BDA0001831974890000058
4)给S赋值为潜艇磁异常大小的值，根据3)中公式计算导线长度L及导线中施加电流大小I。
5)根据电流I确定导线截面积Ac＝(5～8)I，则导线电阻
Figure BDA0001831974890000059
所需电源功率p＝I2R。

Claims (7)

1.一种水下磁目标特征模拟方法，其特征在于：它包括采用置于海水中的单根长直导线接通电源产生的磁场模拟水下磁目标的磁场特征，电源电流经由电源正极、导线、正电极、海水、负电极、导线、电源负极形成回路。
2.如权利要求1所述的一种水下磁目标特征模拟方法，其特征在于：所述的电源可为恒流源或交流源，当采用恒流源时产生恒定磁场，用以模拟水下目标的静磁场特征；当采用交流源时产生交变磁场，用以模拟水下目标如潜艇等的轴频磁场特征。
3.如权利要求1所述的一种水下磁目标特征模拟方法，其特征在于：所述的电源正电极及负电极均采用可增大电极与海水接触面积的结构，如杯型结构，以减小海水回路电阻。
4.如权利要求1所述的一种水下磁目标特征模拟方法，其特征在于：所述的电源所选用导线浮于海水表面或悬于海水中均可。
5.如权利要求1所述的一种水下磁目标特征模拟方法，其特征在于：所述的电源所用电极可选用铝高导电率材料制成。
6.如权利要求1所述的一种水下磁目标特征模拟方法，其特征在于：所述的电源所用电极可选用铜高导电率材料制成。
7.如权利要求1所述的一种水下磁目标特征模拟方法，其特征在于：所述的电源所采用的功率按照如下方法计算，
1)计算长直导线产生的磁场大小
长直导线中通有电流I时，电流元
Figure FDA0001831974880000011
产生的磁场为：
Figure FDA0001831974880000012
其中，μ0为真空磁导率，
Figure FDA0001831974880000013
为电流元
Figure FDA0001831974880000014
到测量点的位移矢量，r为电流元到测量点的距离，求得通电流为I、长度为L的长直导线产生的磁场大小
Figure FDA0001831974880000015
为
Figure FDA0001831974880000016
2)计算海水回路产生的磁场大小
首先，建立电极及其周围海水的有限元模型，根据两电极间电流沿最小电阻路径流通原理，仿真分析两电极间海水中的电流分布；其次，根据海水中电流分布的面积及电流密度，采用有限元法得到海水回路产生的磁场
Figure FDA0001831974880000021
3)计算磁异常大小
根据长直导线产生的磁场
Figure FDA0001831974880000022
海水回路产生的磁场
Figure FDA0001831974880000023
地磁场
Figure FDA0001831974880000024
进行矢量相加，获得总磁场大小
Figure FDA0001831974880000025
该磁场与地磁场
Figure FDA0001831974880000026
的标量差值即为磁异常大小S
Figure FDA0001831974880000027
4)给S赋值为潜艇磁异常大小的值，根据3)中公式计算导线长度L及导线中施加电流大小I，
5)根据电流I确定导线截面积Ac＝(5～8)I，则导线电阻
Figure FDA0001831974880000028
所需电源功率p＝I2R。
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