水下磁传感器定位定姿数值验证实验研究

[目的]旨在构建一种水下磁传感器校准装置设计方案。该装置由电磁线圈和组合导航设备构成,能够搭载水上机动平台在水面航行,实现水下磁传感器位置和姿态的高精度校准。[方法]根据电磁线圈的姿态方位信息及其在水下磁传感器处产生磁场的测量值,采用非线性最优化算法计算水下磁传感器的位置和姿态,并建立全系统的数学模型进行数值验证实验,将电磁线圈的方位和姿态测量精度、磁传感器的噪声和测量误差以及地磁场干扰的影响纳入考虑。[结果]实验结果表明,磁传感器在水下30 m深度时,装置的定位误差均值不大于0.06 m,姿态误差均值不大于0.20°。磁传感器自身精度是影响校准精度的主要因素。[结论]校准装置能够同时实现水下磁传感器位置和姿态的高精度校准,具有较高应用价值,可广泛用于水下磁性目标探测、资源勘探、医学等领域,尤其适用于姿态发生偏移的水下磁传感器校准。

水下磁传感器校准装置场地试验样机研究与实验

为了实现水下磁传感器位置和姿态的高精度校准,解决原有技术未考虑姿态校准和校准算法依赖初始值设置的问题,设计并制作一种基于动态电磁线圈和差分进化算法的水下磁传感器校准装置场地试验样机,并进行数值仿真实验和场地验证实验。数值仿真实验表明,对7 m外的磁传感器进行校准时,定位误差不超过0.03 m,姿态误差不超过0.43°。场地验证实验表明,在地磁噪声干扰环境下对7 m外的磁传感器进行校准时,定位误差0.07 m,姿态误差1.37°。分别采用差分进化算法和Levenberg-Marquardt算法对磁传感器的位置和姿态进行最优化求解,发现在地磁噪声较大时,Levenberg-Marquardt算法容易受到初始值影响出现不收敛的情况,差分进化算法算法校准精度较高,且可避免繁琐的初始值选择过程。研究表明,所制作的水下磁传感器校准装置场地试验样机能够实现高精度的位置和姿态校准,具有较高的应用潜力。

采用随机微粒群算法的舰船消磁系统优化调整

随着舰船消磁技术的发展,消磁线圈的数目越来越多,用于调整消磁系统的常规方法越来越难以实施.为解决这一问题,采用随机微粒群算法对舰船消磁系统进行了优化调整,给出了优化调整数学模型及优化结果.计算例子表明随机微粒群算法在舰船消磁磁场特征均方根最小和峰值最小方面均比常规方法更有优势,而且这种方法还能用于优化与舰船磁场特征相关的任意一个或多个参数.因此,利用这种新方法可以将舰船消磁系统调整到最优状态,从而能够保证舰船的磁性安全.另外,随机微粒群算法具有算法直观,编程简单,计算速度快的优点,可以方便地应用于工程实际.

积分方程法计算舰船感应磁场

积分方程法是取得舰船感应磁场的有效方法 ,且简便易行 .以某型舰船为算例 ,介绍了积分方程法在舰船感应磁场计算中的应用 ,给出了剖分方法 .算例结果与工程实际测量结果相吻合 ,可应用于工程实际 .

地磁场中空心铁磁圆柱体纵向磁化状态数值分析

在磁探测工作中,将潜艇壳体、武器弹药壳体等铁磁物体等效为空心薄壳铁磁圆柱体,对于分析它们的外部磁特征具有重要意义.采用三维积分方程法,建立了地磁场中空心铁磁圆柱体纵向磁化状态的数学模型,并按照不同的剖分格式进行了计算分析.一个典型实例的计算结果表明,三维积分方程法只需要少量剖分单元就可以很好地满足计算精度要求,大大减少了计算前的数据准备工作量.另外,根据磁感应强度求解问题,计算时间大大少于根据磁场强度求解问题,大幅度地加快了计算速度.三维积分方程法计算结果与实测结果具有很好的一致性,表明该计算方法是有效可行的,非常适合于计算空心薄壳铁磁圆柱体在地磁场中的纵向磁场特征.

潜艇感应磁场的三维积分方程法数值计算研究

论述了应用积分方程法计算潜艇感应磁场的数值方法 ,采用底面为部分圆环的柱体剖分单元 ,推导了耦合系数的计算公式 .编制了数值计算程序 ,对潜艇船模进行了计算 ,取得了较好的计算结果 .

舰载活动设备磁场建模分析研究

舰载设备的磁性是现代反水雷舰艇磁场特征的主要来源,舰载固定设备产生的磁场可以通过舰载消磁线圈进行补偿,但是舰载活动设备,如舰载吊车等的位置和状态都是变化的,其所产生的磁场特征需要进行评估。以一座虚拟的舰载吊车为例,将其看作是由形状和厚度不一的铁磁薄钢板构成的,采用薄板情形的积分方程法分别计算了其在地磁场作用下处于收起状态和工作状态时的感应磁场分布。计算结果表明:舰载吊车产生的干扰磁场的峰值和变化值都是一个显著的磁场幅值,对全船感应磁特征的贡献是不可忽略的;并且这种磁场难以通过舰载消磁线圈进行补偿,建议采用低磁材料建造此类设备。

薄钢壳物体磁特征建模研究

本文对薄钢壳物体磁特征建模技术进行了研究,给出了一种联合磁矩量法和多层自适应交叉近似法的新方法。该方法可用于处理复杂结构铁磁物体所要求的稠密网格划分。大幅度压缩了磁矩量法系数矩阵的计算量和内存需求。并采用一些典型范例对该方法进行了验证,确可实现薄钢壳物体磁特征的高精度、快速建模,具有较高的实用价值。

圆筒形薄钢壳物体纵向磁化状态的简化建模方法

积分方程法计算过程中,所得到的系数矩阵是稠密矩阵,随着剖分单元的增多,计算资源的需求将快速增长,可能会在一些实际工程问题的计算中造成一些障碍.根据薄钢板的磁化特点,将圆筒形薄钢壳物体的纵向磁化等效为圆环形体磁化强度分布和圆环形线磁荷分布2种形式,可将原有的二维轴对称问题简化为一维形式,用于快速地建立圆筒形薄钢壳物体纵向磁化状态的数学模型.圆环形体磁化强度分布和圆环形线磁荷分布与三维积分方程法相比,可以得到几乎相同的磁化强度和外部磁场分布,只存在很小的误差.计算结果表明,所得到的新方法只需要少量剖分单元就可以满足计算精度要求,且大大减少了计算资源,加快了计算速度,非常适用于工程计算.

舰船磁特征磁矩量法的图形处理单元加速计算研究

磁矩量法(MMM)非常适合用于舰船等铁磁目标的磁场特征建模,因为这种方法不需要对空气等非铁磁区域进行网格划分,然而这种方法需要存储和处理稠密的满阵,计算时间很长,矩阵存储需要非常大的存储空间。联合采用MMM和多层自适应交叉近似(MLACA)法虽然可以显著缩减内存需求和计算时间,但对于求解精细划分网格的问题,计算时间还是太长。将具有强大并行计算能力的图形处理单元(GPU)用于加速具有天然良好并行特性的MLACA法,并给出了相应的并行计算格式,实现了舰船磁特征MMM的大规模并行加速计算。典型算例结果表明,GPU并行计算的加速比超过120倍,对于精细划分为100 000薄壳单元的舰船壳体,其计算时间也仅有约4.3 min.采用该方法的计算结果与商业有限元软件相比差别小于1%,为舰船磁场的大规模建模提供了一种快速、精确、简便的数值计算工具。

薄钢板船舶磁性的物理模型和数值模拟混合建模

针对现有薄钢壳船舶磁性参数获取方法存在的技术复杂、精度较低的问题,提出了一种将物理模型法和数值模拟法结合起来的混合建模方法.该方法将船体结构划分为若干种典型结构类型,并分别建造这些典型结构类型的磁性物理模型.测量典型结构磁性物理模型的外部磁场,通过拟合计算得到其等效磁性参数.对船体结构进行单元剖分,每个单元对应一种典型结构,利用所得到的等效磁性参数,实现整艘船舶的磁性建模.建模实例表明,该方法具有直观可信和精度高的优点,可以用于工程实践.

舰船磁场磁单极子阵列法建模技术

针对现有舰船磁场等效源反演建模方法存在的精度较低和适应性不强的问题,提出了一种舰船磁场磁单极子阵列反演建模新方法,按照舰船铁磁结构布置磁单极子阵列,采用正则化技术进行舰船磁场的反演建模.建立了三种典型的磁单极子阵列形式:舰船水线平面上的长方形阵列、包围船体的长方体阵列、按照舰船铁磁结构分布的三维船体阵列.理论分析表明,三维船体磁单极子阵列减少了等效磁源设置的盲目性,所得到的等效磁源与真实磁源一致性高,能够更大程度地复现舰船磁场完整信息.利用典型虚拟舰船的磁场进行了验证试验,结果表明所提出的三维船体磁单极子阵列比长方形或长方体阵列具有更高的精度和适应性,特别是能实现舰船远磁场与近磁场、舰船上方和下方磁场之间的相互精确转换.所提出的三维船体磁单极子阵列模型具有复杂度小,建模简单,布置灵活的独特优势,为舰船磁场高精度反演建模、磁场定位等的数据处理和解释提供了新的技术选择.

钢结构建筑物磁场特征定量评估

为了研究钢结构建筑物的磁场特征，基于相似性定律制作了典型钢结构建筑物的磁性物理缩比模型。并进行了磁场测量试验，分离出了缩比模型的感应和永久磁性的磁场特征。基于缩比模型试验数据，建立了基于磁矩量法的钢结构建筑物磁场特征数学模型，并分析了其衰减特性。一座边长12 m的立方体钢结构建筑物磁场特征评估分析表明，在建筑物一侧0～100 m的地面上，其磁场特征幅值从6400 nT迅速下降为0．005 nT，在建筑物周围100 m之外的区域产生的磁场已可忽略不计。本研究采用物理模型和数值模拟相结合的手段，实现了钢结构建筑物磁场特征的定量分析。该技术适用于磁测量设施周边建筑物干扰磁场的精确评估，具有较高实用价值。

轴向退磁线圈作用下潜艇壳体磁化状态分析

为了研究潜艇外部轴向退磁线圈对壳体的磁化作用,将现代潜艇的耐压壳体和非耐压壳体等效为双层薄钢壳回转体,采用一维积分方程法建立了潜艇壳体轴向非线性磁化数学模型.分析了潜艇壳体在轴向退磁线圈作用下的磁化状态,计算得到了潜艇内部和外部磁场值.计算结果表明,潜艇壳体对退磁线圈磁场具有约20%～30%的衰减作用,潜艇壳体内部磁场达到了铁磁材料矫顽力水平.潜艇外部近场（距离10m）达到了铁磁材料矫顽力的约1/4,能对其它铁磁物体磁性产生明显影响.潜艇外部远场（距离50m）已衰减得较弱,仅有地磁场水平的1/20左右,对其它铁磁物体磁性不再产生明显影响.

舰船消磁绕组磁特征数值计算与验证研究

作为商业有限元电磁分析软件的替代,基于磁矩量法、多层自适应交叉近似法和GPU并行计算技术的舰船磁场分析软件Mag Ship已成功用于舰船磁特征仿真建模。但对舰载消磁线圈磁特征进行数值分析时,需要对临近舰载消磁线圈的船体结构精细划分网格单元。Mag Ship软件用于这种大规模磁场建模问题时,会存在计算结果不稳定或失真。为了解决这个问题,对Mag Ship软件进行了改进,使其适合用于舰载消磁线圈磁场特征建模,采取的改进措施包括:采用场单元上的耦合系数多点平均值作为相互临近单元的耦合系数;对临近消磁电缆的铁磁区域进行剖分单元加密;将消磁电缆作用在其临近单元上的磁化磁场多点平均值作为磁化磁场有效值。采用改进后的Mag Ship软件对于薄铁磁球壳内部和外部线圈、典型舰载消磁线圈等典型算例进行了磁特征建模分析,并与商业有限元软件COMSOL Multiphysics的计算结果进行了对比,发现二者差别约为1%.表明所提方法是有效的,能够用于舰载消磁线圈磁特征建模仿真的实用化。

利用磁传感器阵列磁场差值的舰船磁场反演建模方法

为抑制地磁场变化、人工设施磁干扰等磁场环境噪声干扰的影响,提出一种利用磁传感器阵列磁场差值的舰船磁场反演建模方法。对于每个测量时刻分别给出磁传感器阵列中各个磁传感器间磁场差值的计算公式,采用三维舰船磁单极子阵列模型构建利用磁场差值进行舰船磁源反演的线性方程组,基于正则化技术求解得到舰船反演磁源模型。通过典型虚拟舰船磁场进行验证实验。结果表明:该建模方法能够消除相关性磁场环境噪声的干扰影响,实现在磁噪声环境中的舰船磁场高精度反演建模,验证了方法的有效性;使用新方法,不需要设置地磁参考传感器,相应设施的建设成本低、选址容易,为磁噪声环境中舰船磁场测量数据的高精度反演建模提供了新的技术选择。

任职教育课程中的演练式研讨教学法

本文介绍的演练式研讨教学法是将演练式教学法和研讨式教学法有机融合在一起的一种任职教育创新教法。教师带领学生在实际装备或模拟训练设施上开展操作演练后,学生和教师接着一起对演练结果进行研讨分析。在演练研讨过程中,学生的技术素养和指挥素养同时得到提高,实现从任职教育课堂到任职岗位的无缝链接。

薄钢壳回转体轴向磁化状态分析

潜艇壳体、弹药壳体等薄钢壳回转体的半径和壁厚逐渐变化,且两端闭合,其轴向磁化状态的高精度建模非常困难.针对此问题提出了一种锥环单元计算公式,精确划分这些轴对称薄钢壳回转体的实际结构只需要少量的锥环单元,采用一维积分方程法实现了其轴向磁化状态的高精度快速建模.空心薄壁钢球壳磁特征的验证计算表明,所提出方法的计算值与解析值之间相对误差为1.2%.简易船模磁特征的验证计算表明,所提出方法的计算值与实测值非常吻合.并且上述计算过程分别只划分了100个锥环单元,便于工程实践中的应用.

环形线圈退磁设施的电磁设计和试验

[目的]为实现船舶快速和高质量退磁,提出一种环形线圈退磁设施的新技术方法。[方法]首先,研究环形线圈退磁设施的电磁设计,确定其基本结构,完成理论分析、模拟仿真和电磁计算;然后,分别在南北航向和东西航向构建环形退磁线圈退磁设施的缩比物理模型,依次对两型水面船舶模型和两型水下船舶模型进行退磁试验;最后,对环形工作线圈退磁设施的实船退磁可行性进行分析。[结果]理论分析和船模试验结果表明,环形工作线圈退磁设施在东西航向的退磁效果比在南北航向的退磁更具优势,退磁电流容易调节,退磁效果好,速度非常快,且具有建设费用低的优点,[结论]特别适用于水下船舶退磁工作。

舰船垂向感应磁场精确测量技术

[目的]为了实现舰船垂向感应磁场的精确检测分析,提出一种联合采用数值分析法和地磁场模拟线圈法的新检测方法。[方法]采用数值分析法对模拟线圈的电流进行整定,利用整定后的模拟线圈产生的垂向模拟磁场检测舰船垂向感应磁场。构建模拟实验系统,并在一艘磁性船模上进行检测实验。[结果]结果表明,船模垂向感应磁场的检测值与标准值之间的差别小于4%。[结论]研究证实联合采用数值分析法和地磁场模拟线圈法可精确检测舰船垂向感应磁场,具有实际应用价值。