CN1726147A - 扫雷设备 - Google Patents

Abstract

一种磁特征扫雷设备(10)，其包括：一个水动涡轮发电机(12)以及一个超导材料磁铁(14)，其中所述涡轮发电机设置成：在工作时，当所述扫雷设备在水中拖曳时，所述涡轮发电机为所述超导材料磁铁(14)提供一个驱动电流。在进一步的实施方式中，一个控制单元(24)设置成在工作时控制所述超导磁铁(14)的磁输出以及所述涡轮发电机(12)的功率输出。此外公开了一种使用设备(10)以及设备(10)的阵列进行扫雷的方法。

Description

扫雷设备

技术领域

本发明广义地涉及一种扫雷设备以及一种扫雷的方法，特别涉及磁特征扫雷的设备和方法。

背景技术

磁特征扫雷系统典型地包括永久磁铁、传统电磁铁或传导回路，以产生用于模拟水中船只的磁特征的磁场。磁特征扫雷系统的目的是通过模拟船只的磁特征而触发水雷，这是某些类型水雷所采用的爆炸触发技术之一。另一类型的磁特征扫雷系统也可以设置成产生一个公知可以触发特定种类水雷的磁特征。这样的扫雷系统通过包括船只以及直升机的平台区域拖曳。

当前的包括永久磁铁的扫雷系统具有这样的缺点：结构非常沉重且通常来说采用空运即使可能也会很困难，因为其可能会干扰导航罗盘。此外，关于扫雷系统前进的方向，它们在磁源强度和朝向上的可选择范围有限。

其它包括传统电磁铁的现有扫雷系统往往需要位于拖曳平台上的发电机以及包括通过线缆供电的拖曳线缆，那么这将导致相当大的线缆结构。由此，在拖曳平台上需要足够的系柱牵引性能，这会限制这些扫雷系统的通用性。

在至少是优选的实施方式中，本发明设法提供一种磁特征扫雷设备，其致力于上述的一个或多个不足之处，或至少提供一个有用的替代方案。

发明内容

依据本发明第一个方面，提供了一种磁特征扫雷设备，其包括：一个水动涡轮发电机以及一个超导材料磁铁，其中当所述扫雷设备在水中拖曳时，设置所述涡轮发电机在工作时为所述超导材料磁铁提供一个驱动电流。

优选地，所述扫雷设备包括一个控制单元，所述控制单元设置成在工作时控制所述超导磁铁的磁输出以及所述涡轮发电机的功率输出。

在一个实施方式中，所述扫雷设备还包括传感器单元，所述传感器单元设置成在工作时监控所述超导磁铁的磁输出、所述单元的磁航向以及所述涡轮发电机的功率输出，且所述扫雷设备还包括一个反馈单元，所述反馈单元设置成在工作时从所述传感器单元向所述控制单元供应反馈信号，籍此可以优化所述磁输出和功率输出而用于特定的反雷任务。

有利地，所述涡轮发电机包括可调斜度叶片，籍此所述涡轮发电机的阻力特性可以调节。也可使用一个电控装置以使所述斜度变大，从而为供电设备提供适当的电压和电流。超导材料磁铁可设置成单轴纵向磁源或三轴磁源。目前，单轴和三轴磁源均用于扫雷。

优选地，所述扫雷设备还包括一个通信单元，所述通信单元设置成在工作时能远程访问所述控制单元。所述通信单元可包括如下群组中的一个或多个：该群组包括声学形式、无线电波形式、感应形式或线缆形式的通信设备。如果扫雷操作在水下进行时，无线电波通信将是优选的，但也可能需要线缆的形式，或者无线电波及声波的组合。

有利地，所述超导材料磁铁包括高温超导体(HTS)。可使用的HTS的例子为多丝合成(MFC)线材BSCCO-2223(Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_10+δ)以及由美国超导体公司(American Superconductor Corporation)所制造的具有YBCO(YBa₂Cu₃O_7-δ)涂层的涂层复合导体(CCC)。在一个实施方式中，所述超导材料磁铁在液氮温度下工作。

采用超导磁铁的扫雷设备可处于水雷设定方式(MSM)和目标仿真方式(TEM)。在MSM中，已知水雷的动作原理然后对超导磁铁进行编程以产生一个触发水雷的磁特征。在TEM中，水雷的动作原理是未知的，对超导磁铁(或特定超导磁铁的线性拖曳阵列)进行编程以提供船只磁特征的逐点复制(仿真)。在MSM或TEM中都可使用一个或多个超导磁铁的线性阵列。当以TEM扫雷时，超导磁铁阵列所提供的扫雷磁特征的尺寸必须与所仿真船只的磁特征相同。

优选地，设置所述控制单元，使得在工作时磁输出可随时间、朝向和/或位置而变化，以便于产生用于模拟船只所需要的磁特征。

所述扫雷设备可包括一个用于与一个或多个其它的扫雷设备连接的接口单元，其中所述接口单元包括一个电输出装置，用于从所述涡轮发电机向其它扫雷设备输出电力。所述接口单元可以设计成在工作时易于通过一个拖曳并供电的线缆将电力输送至其它扫雷设备。

其它的扫雷设备可包括另外的超导材料磁铁。

优选地，所述接口单元进一步包括一个控制接口，籍此所述扫雷设备的控制单元可控制其它扫雷设备的磁输出。

所述涡轮发电机以及超导材料磁铁可以分开的部件实施，其设计成在工作时通过一个拖曳并供电的线缆连接。

依据本发明的第二方面，提供了一种使用水动涡轮发电机以及超导材料磁铁来进行磁特征扫雷的方法，其中，当所述扫雷设备在水中拖曳时，所述水动涡轮发电机为所述超导材料磁铁提供一个驱动电流。

优选地，所述方法包括控制所述超导磁铁的磁输出以及所述涡轮发电机的功率输出。

在一个实施方式中，所述方法还包括监控所述超导磁铁的磁输出、所述单元的磁航向以及所述涡轮发电机的功率输出，且提供反馈信号以控制所述磁输出以及功率输出，籍此可以优化所述磁输出和功率输出而用于特定的反雷任务。

优选地，所述涡轮发电机包括可调斜度叶片，其中所述涡轮发电机的阻力特性是可调的。

所述超导材料磁铁可设置成单轴纵向磁源或三轴磁源。

在一个实施方式中，所述超导材料磁铁设计成在工作时具有这样一个输出：该输出模拟船只磁特征的永磁分量以及可变磁分量。

优选地，所述方法还包括随时间和/或位置改变磁输出，以易于产生模拟船只所需要的磁特征。

所述方法还可包括通过接口连接一个或多个其它扫雷设备的步骤，其中所述的接口包括一个电输出装置，其用于从所述涡轮发电机向其它扫雷设备输送电力。

其它的扫雷设备可包括另外的超导材料磁铁。

优选地，所述方法还包括控制其它扫雷设备的磁输出。

本发明还延伸到一种磁特征扫雷装置，其包括一扫雷设备的阵列，所述一扫雷设备的阵列设置成以串连阵列的方式拖曳，所述扫雷设备中的每一个都包括一个超导材料磁铁，且所述扫雷设备中的至少一个包括一个水动涡轮发电机，所述水动涡轮发电机设置成在工作时对至少一个扫雷设备提供电力。

附图说明

图1是根据本发明实施例的一单个磁特征扫雷设备的示意图。

图2是根据本发明实施例的多个磁源扫雷设备的构造示意图。

图3是一个作为本发明磁特征扫雷设备一部分的反馈控制系统的示意性的功能框图。

具体实施方式

首先参考图1，一个根据本发明实施例的扫雷设备10把水动涡轮发电机12和超导材料磁结构14结合于一个船舶中。在图1所示的实施方式中，超导材料磁结构14包括一个纵向的磁线圈结构16，以及相应地竖直的磁线圈结构18和横向的磁线圈结构20。所述的线圈结构由具有高T_c的超导体形成。一旦能从市场上买到，可使用多丝合成线材BSCCO-2223(Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_10+δ)或者由美国超导体公司(AmericanSuperconductor Corporation)所制造的一种由YBCO(YBa₂Cu₃O_7-δ)形成的涂层复合导体。

扫雷设备10连接到一个拖曳线缆22，因为利用水动涡轮发电机12的船上发电装置，其不必要具有通过线缆供电(power down the cable)的的功能。本申请人认识到，超导材料磁铁在由船上的水动涡轮发电机产生的电能输入下可以提供所需要的磁输出强度，从而不需要从拖船或拖曳运载工具向线缆结构供应电力。如果用液氮冷却磁铁，所需要的电力可以低至100W，或者为目前与澳大利亚发声器(Australian AcousticGenerator)(称为AAG)一起使用的涡轮机所能输出电力的10％，AAG由位于澳大利亚新南威尔士2011花园岛(Garden Island NSW 2011)的ADI有限公司销售。在一个实施方式中，在超导磁铁置入水中并作为扫雷具而拖曳之前，超导磁铁在拖船上由低温冷却机冷却至20K的工作温度。这样，超导材料磁铁作为扫雷具一直用到其温度上升到一定程度，此时临界电流降低到一个有效值之下。

扫雷设备或“扫雷具”10包括一个用于控制涡轮发电机12以及超导材料磁结构14的控制单元24。还设置了传感器26、34以及28以分别地监控涡轮机12的功率输出、扫雷具的磁航向以及磁结构14的磁输出。应该理解，通过传感器34和28所收集的数据可以通过一反馈机构用于控制供电装置42及磁结构14，以操纵扫雷设备10而获得一设定的反雷操作，如图3所更详细显示的。传感器26可用于监控涡轮的输出，涡轮的输出由控制单元24通过调整涡轮叶片的斜度(pitch)而控制，从而为供电装置42提供适当的操作电流和电压。可设置另外的传感器以监控扫雷具的速度以及深度。

涡轮机12的可变斜度叶片30也可调节/减少拖曳平台上的阻力(drag)，从而最有效地利用拖曳平台上的燃料源。如果涡轮速度增加过多，则斜度变大以限制涡轮轴的速度。涡轮速度或功率输出以及磁铁的磁通量输出由控制单元监控，所述控制单元利用这些数据来控制涡轮机叶片斜度，而涡轮机叶片斜度又控制拖曳平台上的阻力。

扫雷设备10还包括一个通信单元32，以便于在控制站和控制单元24之间进行通信。在举例的实施方式中，通信单元设置为与控制站无线电通信，所述控制站可位于拖曳平台上或其他远程位置。然而，本领域的普通技术人员应该理解，在不同的实施方式中，控制站与扫雷设备10之间的通信可通过包括声学形式、感应形式或线缆形式的其它技术提供。

在举例的实施方式中，控制单元24可以随时间和/或位置控制磁结构14的磁输出，以便于模拟所需要的磁特征。已确认此控制能使扫雷设备10拖曳于在水底(ground)/水雷位置上方的较低水平上，进而可减少最大磁场强度以及所需要的电力。从极远处观察，所有的磁源都类似于偶极子。磁通量密度由于磁偶极子而与距离的立方成反比地降低。如果距离减少一半，则磁通量密度增加8倍。如果可在较低水平上拖曳扫雷设备，则所需要的磁场可因此而极大地减小。

船只的磁特征具有两个分量，即感应分量以及永久分量。船只的含铁构件具有一定的永久磁化强度以及一个感应磁化强度；永久磁化强度是在制造过程中以及制造之后，由于机械振动和温度变化并且同时处于地球磁场中而获得，而感应磁化强度是因为船只的含铁构件使得地球磁场集中。根据船只在地球磁场中的朝向以及船只在地球表面上的位置，此感应磁化强度有时会与永久磁化强度叠加，而在另外的情况下会与永久磁化强度抵消。为了模拟此效果，超导材料磁铁需产生这样一个磁场：该磁场为感应分量和可变分量的总和。此磁场将根据磁铁的朝向以及在地球表面所处的位置而变动。在实际的扫雷操作中，超导材料磁铁在地球表面上所处的位置是不重要的，因为扫雷发生于一个很小的区域中，但是如果扫雷设备要运输很远的距离而在世界不同地区执行扫雷任务时，在地球表面上所处的位置就有关了。另一方面，如果在扫雷操作中扫雷设备的朝向要发生变化，则磁矩也必须变化以反映扫雷设备的朝向变化。所述朝向将由呈陀螺罗盘形式的传感器34测量且由控制单元24监控。例如，从远距离观察，线圈的行为与偶极子类似。由于船只的磁场可模拟成一偶极子阵列，从而，船只的特征可通过呈一个或多个超导线圈的一个阵列模拟。对于磁矩

以及位置矢量 的点偶极子源，磁场

由下式给出：

其中

$\left(2\right)---\stackrel{\→}{m}=m_{\mathrm{LM}}\hat{i}+m_{\mathrm{AM}}\hat{j}+m_{\mathrm{VM}}\hat{j}+m_{\mathrm{VM}}\hat{k}$

其中LM为纵向磁化强度，AM为船只横向磁化强度，而VM为竖直磁化强度。

其中PLM为纵向永久磁化强度，而ILM为纵向感应磁化强度。

其中PAM为船只横向永久磁化强度，而1AM为船只横向感应磁化强度。

           (5)m_VM＝m_PVM+m_IVMsin

其中PVM为竖直永久磁化强度，而IVM为竖直感应磁化强度。

           θ＝航向

           ＝纬度

航向通过陀螺罗盘34测量，而纬度通过图3中的GPS(全球定位系统)卡38测量。上述的例子假设感应磁化强度的数值以在悉尼所作的测量为基础。使用磁倾角可以得到比使用纬度更高的精确度。

现在参考图2，在另一个实施方式中，本发明可以延展为一个多磁源的构造100。在该构造中，一个如前参考图1所述的第一或引领扫雷设备110与多个分开的磁源船只例如112、114一起使用。在图2所示的实施方式中，在受拖曳的磁源船只112、114阵列中，每个船只都包括一个与图1所述的超导材料磁结构14大致上完全相同的超导材料磁结构116。在引领设备110与其它船只例如112、114之间设置有组合的拖曳/电力“输送”线缆连接118、120，用于把电力从引领设备110的涡轮机122分配到其它船只例如112、114的磁结构116。在另一个构造中，所述设备可单独地供电，或者，被拖曳的设备可具有涡轮机，并且通过线缆连接118和120将电力分配到引领船只。

线缆连接118和120在引领设备110的控制单元124和其它船只112、114的磁结构116之间也可以提供控制接口通信设备。通过线缆连接118、120还提供其他通信连接，用于将从其它船只112、114的传感器元件126所获得的传感器信号传到控制单元124。本领域内的普通技术人员从而应该理解，一个反馈机构可利用来自于其它船只和引领船只110的船上传感器128、130的反馈用来控制整个扫雷构造100的功率输出和磁输出。如果扫雷设备模拟了(逐点复制)船只的特征，且扫雷设备想要改变方向，则此方向上的改变必然应伴随着磁输出上的变化，因为船特征的感应分量取决于船只在地球磁场中的朝向。速度传感器或陀螺罗盘128探测到扫雷具在方向上的改变，然后告知控制单元24此变化。控制单元则使用一个包含目标船只磁特征的查阅表以及基于上述公式(1)至(5)的算法来调节线圈的输出，以产生该新的磁特征。查阅表也可以提供包括用于在MSM模式时触发已识别水雷的磁触发特征。

磁特征也可以通过通信单元32从船只传递到扫雷设备。

在本发明的另一个扩展中，该模块特性可以如下得以进一步扩展：例如在引领设备110中将水动涡轮机与超导材料磁结构物理地分开，且通过一个拖曳并供电的线缆连接来使这两个部件彼此连接，类似于图2所示构造100的部件之间的连接例如118、120。

现在参考图3，基于微处理器的控制单元24通过三轴磁通门磁力仪35监控超导材料磁铁(在此例中为一个螺线管或线圈)14的输出。超导线圈14封装入一个低温恒温器36内以将超导材料保持在临界温度以下。通过一个全球定位系统(GPS)卡38来确定扫雷设备在地球表面上的位置。传感器34和46分别监控扫雷设备的深度和速度，陀螺罗盘确定扫雷设备的航向。该深度、速度以及航向与来自于GPS卡38的输出值以及来自于磁通门磁力仪35的输出值一起，将被转输入控制单元24，然后控制单元24将调节供电装置42的设置，从而激励线圈而产生适当的磁矩。供电装置42对涡轮发电机12所提供的交流电进行整流且为线圈提供直流电流。控制单元24监控涡轮输出26且通过斜度调节伺服装置31控制涡轮叶片30的斜度，从而保持供电装置42的适当电流和电压。从而，存在两个反馈回路，一个为控制磁铁磁矩的35A，一个为控制涡轮叶片斜度的26A。控制单元24基于传感器的输入而调节由供电装置42所提供的电流以激励线圈，从而使得线圈具有最优化的磁输出或磁矩，且控制单元24也控制涡轮叶片的斜度，从而使得为供电装置42提供适当的电压和电流。如果涡轮发电机发生故障或涡轮叶轮30被堵塞或卡住，也可把可再充电电池48用作备用电源。

本领域内的普通技术人员应该理解，本发明实施例中的磁扫雷设备不需要类似于在现有技术的传统电磁扫雷系统中所采用的在拖曳平台上的大系柱牵引能力，且易于空运，这一点与现有技术的永久磁铁扫雷系统不同。

本领域内的普通技术人员进一步可以理解，可对详细实施方式中所显示的本发明作各种各样的修改和变动，而不会偏离概括描述的本发明的精神与范畴。因此，现有的实施方式在所有的方面都应该认为是示例性的而不是限制性的。

Claims (33)

1.一种磁特征扫雷设备，其包括：

一个水动涡轮发电机以及

一个超导材料磁铁，

其中，所述涡轮发电机被如下设置：当在水中拖曳所述扫雷设备时，所述涡轮发电机在工作时为所述超导材料磁铁提供驱动电流。

2.如权利要求1所述的设备，其中，所述扫雷设备包括一个控制单元，所述控制单元设置成在工作时控制所述超导磁铁的磁输出以及所述涡轮发电机的功率输出。

3.如权利要求1或2所述的设备，其中，所述扫雷设备包括多个传感器单元，所述传感器单元设置成在工作时监控所述超导磁铁的磁输出以及所述涡轮发电机的功率输出；所述扫雷设备还包括一个反馈装置，所述反馈装置用于从所述传感器单元向所述控制单元提供反馈信号，籍此对于特定的反雷任务，优化所述磁输出和功率输出。

4.如上述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述涡轮发电机包括可调斜度叶片，籍此，所述涡轮发电机的阻力特性是可调的。

5.如上述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述超导材料磁铁被设置成单轴纵向磁源或三轴磁源。

6.如上述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述扫雷设备还包括一个通信单元，所述通信单元设置成在工作时能远程访问所述控制单元。

7.如权利要求6所述的设备，其中，所述通信单元包括如下群组中的至少一个，所述群组包括声学形式、无线电波形式、感应形式或线缆形式的通信设备。

8.如上述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述超导材料磁铁包括高Tc的超导体。

9.如权利要求8所述的设备，其中，所述超导材料磁铁可在液氮温度下工作。

10.如权利要求8或9所述的设备，其中，所述超导材料磁铁可从如下一材料组中选择，该材料组包括多丝合成线材BSCCO-2223(Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_10+δ)以及结合有YBCO(YBa₂Cu₃O_7-δ)的涂层导电复合材料。

11.如上述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述超导材料磁铁设计成在工作时具有一个永久磁输出分量以及一个可变磁输出分量，其用于代表船只磁特征的永久磁分量以及感应磁分量。

12.如上述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述控制单元设置成在工作时磁输出可作为时间和/或位置的函数而变化以便于产生用于模拟船只所需要的磁特征，所述设备包括至少一个位置传感器，所述控制单元对该位置传感器作出响应。

13.如上述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述设备为一种可在目标仿真方式(TEM)下工作的磁特征设备，其中所述设备模拟特定船只的磁特征。

14.如上述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述设备可在水雷设定方式(MSM)下工作，且对所述设备进行编程，以产生一个与特定类型水雷相关的磁特征，用于触发所述水雷。

15.如上述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述扫雷设备可包括一个接口单元，以通过接口连接一个或多个其它的扫雷设备，其中所述接口单元包括一个电输出装置，用于从所述涡轮发电机向其它扫雷设备进行电力“输送”。

16.如权利要求15所述的设备，其中，所述接口单元设置成在工作时通过一个连接至其它扫雷设备的拖曳和供电线缆连接而便于电力输送。

17.如权利要求15或16所述的设备，其中，所述的其它扫雷设备包括另外的超导材料磁铁。

18.如权利要求15至17中任一项所述的设备，其中，所述接口单元还包括一个控制接口，籍此，所述扫雷设备的控制单元能控制所述其它扫雷设备的磁输出。

19.如上述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述涡轮发电机以及超导材料磁铁可为分开的部件，其设计成在工作时通过一个拖曳且供电的线缆而连接。

20.一种利用水动涡轮发电机以及超导材料磁铁来进行磁特征扫雷的方法，其中，当在水中拖曳扫雷设备时，所述水动涡轮发电机为所述超导材料磁铁提供驱动电流。

21.如权利要求20所述的方法，其中，所述方法包括控制所述超导磁铁的磁输出以及所述涡轮发电机的功率输出。

22.如权利要求20或21所述的方法，其中，所述方法还包括监控所述超导磁铁的磁输出以及所述涡轮发电机的功率输出，以及提供反馈信号用于控制所述的磁输出以及功率输出，籍此对特定的反雷任务，可优化所述的磁输出和功率输出。

23.如权利要求20至22中任一项所述的方法，其中，所述涡轮发电机包括可调斜度叶片，籍此所述涡轮发电机的阻力特性是可调的。

24.如权利要求20至22中任一项所述的方法，其中，所述超导材料磁铁可设置成单轴纵向磁源或三轴磁源。

25.如权利要求20至24中任一项所述的方法，其包括对所述超导材料磁铁进行设置，使得其在工作时具有一个永久磁输出分量以及一个可变磁输出分量，用于代表船只磁特征的永久磁分量以及可变磁分量。

26.如权利要求20至25中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括随时间和/或位置而改变磁输出，以便于产生模拟船只所需要的磁特征。

27.如权利要求20至26中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括通过接口连接至一个或多个其它扫雷设备的步骤，其中所述的接口包括一个电输出装置，用于从所述涡轮发电机向所述的其它扫雷设备进行电力“输送”。

28.如权利要求27所述的方法，其中，所述的其它扫雷设备包括另外的超导材料磁铁。

29.如权利要求27或28所述的方法，其中，所述方法进一步包括控制所述的其它扫雷设备的磁输出。

30.一种磁特征扫雷装置，其包括一扫雷设备阵列，所述扫雷设备阵列设置成以串连阵列的方式拖曳，所述扫雷设备中的每一个都包括一个超导材料磁铁，且所述的扫雷设备中的至少一个包括一个水动涡轮发电机，所述水动涡轮发电机设置成在工作时对所述扫雷设备中的至少一个提供电力。

31.大致如在此参照附图所述的磁特征扫雷设备。

32.大致如在此参照附图所述的磁特征扫雷方法。

33.大致如在此所描述和示出的磁特征扫雷装置。

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