Numerical Simulation and Analysis of Electromagnetic Fields Induced by a Moving Ship Based on a Three-Layer Geoelectric Model

In this paper,we present a numerical simulation method of electromagnetic(EM)fields induced by a moving ship(EMFMS),which consist of both the shaft-rate EM field and the static EM field.The shaft-rate EM fields in the frequency domain are first obtained by solving the partial differential equations together with suitable boundary conditions,and then they are transformed into the time domain by using the inverse Fourier transform.Finally,the static fields are added to obtain the EM fields of a moving ship.The effects of the source current intensity and the source position on the EM fields of a moving ship are discussed in detail.A field example of EM response of a moving ship is presented and its characteristics are analyzed.

融合声场和电场的舰船轴频特征提取方法研究

轴频声场和轴频电场均与舰船螺旋桨转动密切相关,本文提出将这2种物理场进行融合提取舰船的轴频特征。首先,分别利用DEMON谱分析和功率谱分析方法提取轴频声场和轴频电场的线谱,之后将所提取的线谱进行融合和净化,最后利用最大公约数法提取轴频特征。为验证所提方法的有效性,利用多艘船舶的实测声场和电场数据进行验证。结果表明,同一艘船舶轴频声场和轴频电场的线谱具有一定频率对应关系,将声场和电场的轴频相关线谱进行融合可有效弥补单一物理场存在线谱丢失的情况;融合声场和电场后,舰船轴频估计的准确性和稳定性优于单一物理场。

基于虚拟仪器技术的船舶电场仿真与信号生成研究

水下电场半实物模拟是研究船舶水下电场特性、验证水下电场感知装置性能和特征检测算法效果的重要手段。本文围绕电场半实物模拟需求,将电场数学模型与虚拟仪器技术相结合,基于LabVIEW平台开发了一套船舶电场模拟装置,可将船舶数学模型仿真信号转化为可被物理感知的电压信号。将船舶电场等效为水平电偶极子模型,基于LabVIEW语言开发测控软件界面,底层调用偶极子电场模型动态链接库文件实现电场信号的数值计算,利用数值信号驱动24位D/A卡产生模拟电压信号,实现船舶电场信号的物理生成。经实验验证,船舶电场模拟装置可实现典型海洋环境下运动船舶电场信号的物理输出,输出信号曲线与模型计算曲线吻合,可为船舶电场测试以及相关算法验证等提供信号输入。

通过220 kV输电线路时船只吊臂顶端三维电场仿真分析

船只经过跨河输电线路时引起线路跳闸停运事故时有发生,这严重影响电网的安全可靠运行。为了确保船只安全通过跨航道输电线路,研究船只通过输电线路下方时吊臂顶端电场情况是很有必要的。利用有限元分析软件建立仿真模型,分析不同吊臂形状、吊臂长度和位置的船只通过220 kV输电线路正下方时吊臂顶端电场情况。仿真结果表明,吊臂的存在对船只吊臂顶端电场畸变有一定的影响,吊臂宽度越窄、长度越长、船只距离输电线路弧垂最低点越近,吊臂顶端电场最大值和平均场强越大。研究结果对校核跨航道输电线路放电的安全距离裕度具有指导意义。

舰船静态电场深度换算方法

从舰船静态电场的产生机理和源特性出发,提出了基于电性模拟体的舰船静态电场深度换算方法.该方法和舰船电场建模相联系,在深海、浅海环境中均可使用,可实现由水下标量电位、电场三分量、电场垂直分量分别向较大深度的电场各分量及标量电位的换算.并在实验室中对船模水下标量电位分布进行了换算,换算结果和实测数据分布特征相同,且对应点的量值数量级吻合较好,表明换算方法的正确性.

一种基于ANSYS的舰船静电场分析方法

基于ANSYS有限元软件,建立了舰船的3-D有限元模型。利用TREFFTZ方法对舰船模型进行了分析,得到了舰船在周围海水中形成的静电场分布状况。对比仿真结果与实验结果,验证了基于ANSYS的舰船静电场分析方法的正确性和有效性,并对仿真的电场云图进行了分析,所获得的结果为消除舰船静电场奠定了基础。

轴转动调制腐蚀电流产生的极低频电场的测定

钢制船壳和青铜制螺旋桨之间在海水中会因电化学作用而产生腐蚀电流 ,该电流会从螺旋桨、经转轴、轴承、密封圈及其他一些机械线路回到船壳。随着螺旋桨转轴的转动 ,这个回路的电阻抗会发生周期性的变化 ,使得海水中的电流受到调制 ,从而产生极低频的电磁场由船体向外传播。文中利用船模和Ag/AgCl电极在实验室具体测量了螺旋桨转动时调制船模在海水中的腐蚀电流而产生的极低频电场。测量结果表明 ,由不同金属制成的船壳和螺旋桨之间的腐蚀电流经螺旋桨转动的调制后 ,会产生与螺旋桨转速具有相同频率的极低频电场 。

基于拉氏方程的舰船静态电场深度换算

从舰船静态电场的物理特性出发,对其在深海环境下的深度换算方法进行研究,提出基于拉氏方程的静态电场深度换算方法.利用该方法可实现静态电场的某分量向较大深度处自换算;由场垂直分量向较大深度的其他分量互换算以及由水下标量电位向较大深度的电场各分量的换算.以单个水平电偶极子的场为计算原型,以互换算为例对换算方法进行了仿真验证,通过对换算误差的分析,表明该换算方法是可行的.换算方法对实际舰船的静态电场的分布研究具有现实意义.

基于点电荷模型的舰船静电场反演算法研究

针对舰船静电场反演问题,提出一种基于点电荷模型的静电场反演方法。在利用舰船静电场先验信息对场源的粗略位置进行设定的基础上,利用泰勒展开式的收敛半径对场源的个数和位置进行计算,结合3层介质下点电荷电场的计算公式,建立等效场源系统的线性方程组,并通过对线性方程组的求解达到计算等效点电荷强度和舰船偶极矩的目的,利用实测数据对所提方法的有效性进行检验。研究结果表明:该算法由水深8 m的测量数据向水深22.5 m进行反演时,换算精度较高,误差值小于4%.

基于小波模极大值的船舶轴频电场检测算法研究

船舶轴频电场是一种具有明显目标特征的极低频信号,对船舶的水下非声探测具有重要作用。对船舶轴频电场信号小波模极大值的尺度变化进行分析,根据目标信号和噪声的差异,采用Hermite插值对目标信号小波模极大值进行快速重构;提取目标特征频率范围内的能量均值为特征值,采用滑动检测方法对目标进行检测。实测和仿真数据对该算法的验证结果表明,此方法相对小波包熵检测算法的检测效果较好,虚警率较低,当SNR为-5.9 dB时检测率相对提高50%左右,并且在SNR为-8.2 dB时仍然具有86%的检测率。

基于点电荷模型的腐蚀相关静电场快速预测方法研究

针对舰船腐蚀相关静态电场实时预测难的问题,提出了基于点电荷(电极)模型的快速建模方法。对舰船的结构进行合理分区,通过计算混合电位值确定电极的极化状态;在电极极化曲线及电化学系统电流和为0的准则基础上,建立了点电极电位和电流之间的函数关系;利用最小二乘算法计算点电极的电流值,并根据点电荷3层模型下的电位计算方法预测舰船腐蚀相关静态电场;分别利用仿真数据和船模试验数据对所提方法的有效性进行了检验。结果表明,所提方法能够实现对舰船腐蚀相关静态电场进行快速预测。

舰船电场隐身技术

由于电场探测跟踪技术的发展和电场引信水雷的存在,研究舰船的电场隐身技术具有极其重要的军事意义。介绍了舰船腐蚀防护静电场、轴频电场、工频电场等不同类型舰船电场产生的原因,并阐述了国外为减少舰船电场所采取的防护措施如利用有限元和边界元的ICCP系统计算机辅助设计,使得在有效保护船体的前提下,舰船的防护电场降至最低;采用电场防护系统及电磁保护结构工艺等措施来尽量消除已形成的舰船电场等。从采用防护措施后舰船电场的减少效果可看出加强舰船电场隐身技术研究的必要性。

基于11/2维谱的舰船轴频电场线谱提取

112维谱可加强成整数倍谐波信号的基频分量,抑制高斯有色噪声及对称分布的噪声,剔除非二次相位耦合的谐波分量,这些特性对提取舰船轴频电场线谱十分有利.采用该方法对船模产生的轴频电场实测数据进行了处理,实验表明它可以有效地将微弱的轴频电场信号从背景噪声中分离出来.

基于自适应累量算法的舰船轴频电场信号检测方法

提出一种新的舰船轴频电场信号检测方法。该方法利用高阶累量对高斯噪声的抑制作用,首先使用基于自适应累量算法的FIR滤波器对接收信号进行滤波消噪处理,以提高信噪比;然后再对滤波输出信号进行滑动功率谱检测。实测数据处理结果表明了该方法的稳健性和有效性。

基于边界元法的船舶水下静电场模型

针对传统电偶极子方法在船舶水下电场建模工作中反演实验与模型修正的过程比较复杂等不足,采用边界元法建立了包含船体材料、涂层、腐蚀区域和外加电流阴极保护系统辅助阳极的数量、位置、面积等参数在内的模型,计算了阴极保护系统在关闭与开启两种状态时船身的腐蚀状况和船体下方50m、边长200m平面的电场强度。计算结果表明:采用边界元方法能够得到包括阴极保护系统在内的船身各项参数对静电场和自身腐蚀状况的影响,如果对阴极保护系统进行合理的设置,能够减小船身的腐蚀和水下静电场的目标特征。

舰船轴频电场信号特征提取与检测方法

为了能够在低信噪比的条件下提高目标的检测概率,降低目标的虚警概率,提出了一种舰船轴频电场信号特征提取与检测方法。根据舰船螺旋桨转速与轴频对应关系确定了特征频段,将该频段平均功率谱值作为特征量。根据环境的变化,设置了具有自适应功能的动态阈值。通过设定较小的阈值因子,放宽对疑似目标点的判决条件。在特征频段内对信号进行线谱检测,剔除掉连续谱以及不符合线谱条件的频率点。最终经过线谱倍频判断和稳定性判断确认目标是否存在。对实船轴频电场信号进行了特征提取和检测,在不同信噪比的条件下均成功检测到了目标。

舰船水下静态电场深度换算的格林函数法

为从有限深度、有限范围内的舰船水下静态电场数据获知实际舰船更大深度上的场分布特征,在对深海环境中舰船静态电场满足的拉普拉斯方程进行求解的基础上,提出静态电场深度换算的格林函数法,推导出了换算公式的边界积分表达式,给出了实际应用中换算公式的近似计算方法。以舰船静态电场的基本模拟体——单个水平电偶极子的场为例,采用数值仿真的方法对换算公式进行了验证,并对近似计算方法进行了讨论。研究结果表明:该方法可直接通过对测量平面上离散场量进行二重求和来实现静态电场的各类深度换算;与文献中已有的换算方法相比,其换算过程更为快捷。

基于小波模极大值能量的船舶轴频电场检测

为了有效地从海洋环境电场背景中检测微弱的船舶轴频电场信号,对轴频信号小波模极大值的尺度分布特性进行了分析,在得出轴频观测信号中噪声模极大值的幅度和分布稠度均随尺度增大而减小的结论的基础上,通过提取最大分解尺度的模极大值能量作为特征值,利用滑动检测方法对目标进行检测,并且避免了小波模极大值的重构过程,因而计算量小,检测速度较快.最后,分别使用实测数据和仿真数据对该算法进行了验证,结果表明此算法在低信噪比情况下具有较好的检测效果,当SNR为-10.8dB时仍然具有79%的检测率.

船舶静态电场跟踪的渐进更新扩展卡尔曼滤波器

为了实现利用船舶静态电场对船舶进行跟踪的目的,针对传统卡尔曼滤波算法中存在的问题,设计一种新的非线性滤波器。建立船舶的状态空间模型,分析传统卡尔曼滤波算法在船舶跟踪中存在的问题;依据渐进贝叶斯思想,利用连续白噪声与离散白噪声序列噪声协方差之间的关系,设计一种新的渐进更新扩展卡尔曼滤波器。仿真结果表明,该滤波器能有效地抑制由于初始误差较大而造成的滤波性能下降和滤波发散,能够有效地跟踪船舶,具有较高的实用价值。

基于径向基神经网络回归预测的船舶轴频电场实时检测方法

针对交变电磁信号在海洋环境中衰减较快的特点,在分析船舶轴频电场以及海洋环境电场噪声与测量电路自噪声的基础上,提出了一种能够在低信噪比下检测船舶轴频电场的方法.对信号进行小波分解并在轴频段进行重构,以噪声数据作为训练集训练RBF神经网络建立预测模型,以预测的误差作为检验统计量,达到提高信噪比的目的.再对该统计量做滑动功率谱检测,与得到的浮动阈值做比较来判断目标是否存在.将该方法用于实测船舶轴频电场的检测,取得了较好的效果,与其它目标检测算法比较,该方法在计算时间和检测能力方面具有明显优势.