CN107092001A - 基于面剖分与测点间磁场映射的船舶感应磁场测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于面剖分单元与测点间磁场映射关系的船舶感应磁场测量方法，包括：选一个能把船舶包围在内的封闭面，并将其剖分为若干个面单元，设其中心为计算点；设定各线圈电流并将上述计算点产生的磁场组合成矩阵B_e；在船舶未进入消磁站前，采集各传感器测点的磁场，记为B_bj；按设定的各线圈电流依次通电，再次采集磁场并将B_bj减去，得到B_c0；在船舶进入消磁站后，采集磁场并将B_bj减去，得到B_ship；按设定各线圈电流依次通电，再次采集磁场并将B_bj和B_ship减去，得到B_c1；用B_c1减去对应的B_c0，得到B_c；根据CoeK*B_e=B_c，可得CoeK，进而求得船舶相应感应磁场。本发明有益效果：提高船舶感应磁场测量的精度和效率，节省大量人力物力。

Description

基于面剖分与测点间磁场映射的船舶感应磁场测量方法

技术领域

本发明涉及船舶消磁技术领域，具体的指一种船舶感应磁场测量方法。

背景技术

船舶磁场通常是指船舶在其周围空间产生的磁场，是各种磁性探测设备和水中兵器用于探测和攻击的主要物理场。为抵御水中磁性兵器攻击和空中磁性探测，必须对船舶实施磁性防护措施，而准确掌握船舶感应磁场是实施磁性防护措施的重要前提。船舶感应磁场可以通过2类方法得到：数值计算法和磁场测量法。常见的用于计算船舶感应磁场的数值计算类方法有有限元法、积分方程法等，但由于存在船舶结构复杂、各种磁性材料参数不易准确获取等因素，数值计算结果的精度目前还难以保证。磁场测量类方法中获取船舶感应磁场的两种常用方法为双航向法(只能获取纵向和横向感应磁场)+两地测量法(只能获取垂向感应磁场)和地磁模拟法(可获取纵向、横向和垂向感应磁场)。用双航向法测量船舶感应磁场时，由于船舶体积庞大，体形特殊，而消磁站的入口和航道狭窄，使得船舶进出调换航向的过程非常费时、费力；另外，船舶调换航向后其停泊位置很容易发生变化，相应的磁场测量位置坐标难以保证固定不变，因此会造成一定的测量误差。船舶的垂向感应磁场理论上可以通过两地测量法获得，但实际上由于无法保证船舶在长距离航行于两个纬度期间的磁性状态保持不变及两地的磁场测量系统技术指标的一致性，故该方法在实践和精度上都是不可行的。传统的地磁模拟法通过在消磁站的地磁模拟线圈(或地磁补偿线圈)中通电改变局部地磁场，根据通电前后船舶磁场的变化计算船舶感应磁场。该方法可避免调转航向和两地测量所造成的人力、物力的浪费，且可明显缩短感应磁场的获取时间，然而应用该方法获取的感应磁场其精度与所模拟的地磁场均匀度高度相关。由于各种因素的限制，消磁站的补偿线圈所产生的磁场无法达到理想的均匀度，且船舶越大，均匀度越差，因而测得的感应磁场精度无法保证，从而大大限制了地磁模拟法的推广使用。

发明内容

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提供了一种基于面剖分单元与测点间磁场映射关系的船舶感应磁场测量方法。

为了实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于面剖分单元与测点间磁场映射关系的船舶感应磁场测量方法，包括以下步骤：

S1：选取一个能将船舶包围在内的封闭面，对该封闭面进行网格单元剖分，取各面单元的中心为计算点；

S2：消磁站均敷设有用于补偿地磁场的纵向线圈、横向线圈和垂向线圈各若干组，其中，假设敷设有x组纵向线圈(X01、X02、…、X0x)、y组横向线圈(Y01、Y02、…、Y0y)和z组垂向线圈(Z01、Z02、…、Z0z)，其中x、y、z为正整数，设定各线圈电流并计算各线圈在上述计算点产生的磁场，分别记为B_eX01、B_eX02、…、B_eX0x、B_eY01、B_eY02、…、B_eY0y、B_eZ01、B_eZ02、…、B_eZ0z，将这些磁场组合成矩阵B_e，称为各线圈在各面单元产生的磁场矩阵；

S3：在船舶未进入消磁站前，采集各传感器测点的磁场，记为B_bj；

S4：在船舶未进入消磁站前，按S2中设定的各线圈电流依次通电，采集各传感器测点的磁场并将B_bj减去，结果分别记为B_c0X01、B_c0X02、…、B_c0X0x、B_c0Y01、B_c0Y02、…、B_c0Y0y、B_c0Z01、B_c0Z02、…、B_c0Z0z，其中x、y、z为正整数；

S5：在船舶进入消磁站后，采集各传感器测点的磁场，并将B_bj减去，结果记为B_ship；

S6：在船舶进入消磁站后，按步骤S2中设定的各线圈电流依次通电，采集各传感器测点的磁场并将B_bj和B_ship减去，结果分别记为B_c1X01、B_c1X02、…、B_c1X0x、B_c1Y01、B_c1Y02、…、B_c1Y0y、B_c1Z01、B_c1Z02、…、B_c1Z0z，其中x、y、z为正整数；

S7：用B_c1X01减去对应的B_c0X01，得到在线圈X01通电磁场作用下的船舶磁场B_cX01；同理可得到B_cX02、…、B_cX0x、B_cY01、B_cY02、…、B_cY0y、B_cZ01、B_cZ02、…、B_cZ0z，其中x、y、z为正整数，将这些磁场组合成矩阵B_c，即船舶在各线圈磁场作用下产生的磁场矩阵；

S8：利用矩阵B_e和B_c间的关系建立矩阵方程CoeK*B_e＝B_c，CoeK为关系矩阵，现B_e和B_c均已知，因此可求解得到CoeK；

S9：将各面单元计算点磁场纵向分量设置为当地地磁场沿船舶纵向的磁场分量值，其余分量设置为0，与CoeK相乘即可得到船舶纵向感应磁场；同理，可得到船舶横向感应磁场和垂向感应磁场。

本发明的有益效果：

本发明利用消磁站现有的各组地磁补偿线圈所产生的磁场对船舶进行磁化，通过测量及分析解算得到船舶在当地地磁场作用下的感应磁场，主要利用了各线圈在各面单元产生的磁场矩阵与船舶在各线圈磁场作用下产生的磁场矩阵之间的映射关系，通过该映射关系可得到船舶的感应磁场。

与现有技术相比，本发明的有益效果是对地磁补偿线圈产生的磁场不作任何均匀度方面的要求，从而使得该方法不仅能提高船舶感应磁场测量的精度和效率，节省大量的人力物力，而且其能在现有消磁站中广泛推广使用。如果将其应用于新消磁站的设计和建造，必将显著节约建设经费。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是根据本发明实施例所述的一种基于面剖分单元与测点间磁场映射关系的船舶感应磁场测量方法的示意图；

图2为纵向线圈示意图；

图3为横向线圈示意图；

图4为垂向线圈示意图；

图中：1-计算点；2-面单元；3-磁传感器阵列。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例所述的一种基于面剖分单元与测点间磁场映射关系的船舶感应磁场测量方法，包括以下步骤：

步骤1)：如图1所示，选取一个能将船舶包围在内的封闭面。不失一般性，这里选取一个略大于船舶尺度的长方体表面并使船舶位于长方体表面内，其中心与长方体中心重合。将长方体表面剖分为m个面单元，取各面单元的中心为计算点，则计算点个数为m。

步骤2)：不失一般性，假设某消磁站敷设有3组纵向线圈(X01、X02、X03)、4组横向线圈(Y01、Y02、Y03、Y04)和5组垂向线圈(Z01、Z02、Z03、Z04、Z05)，共12组线圈，线圈示意图分别如图2、图3和图4所示。以线圈X01为例，假定线圈中通以电流I_X01，根据比奥-萨伐定理可计算出线圈X01在上述m个计算点产生的磁场，记为B_eX01。同理可得到B_eX02、B_eX03、B_eY01、B_eY02、B_eY03、B_eY04、B_eZ01、B_eZ02、B_eZ03、B_eZ04、B_eZ05，将这些磁场组合成矩阵B_e，称为各线圈在各面单元产生的磁场矩阵。

步骤3)：为了测量船舶磁场，消磁站布设有如图1所示的磁传感器阵列，假设磁传感器个数为n。在船舶未进入消磁站前，采集各磁传感器测得的磁场，记为B_bj。

步骤4)：在船舶未进入消磁站前，以线圈X01为例，假定线圈中通以电流I_X01，采集各磁传感器测得的磁场并将B_bj减去，结果记为B_c0X01。同理可得到B_c0X02、B_c0X03、B_c0Y01、B_c0Y02、B_c0Y03、B_c0Y04、B_c0Z01、B_c0Z02、B_c0Z03、B_c0Z04、B_c0Z05。

步骤5)：在船舶进入消磁站后，采集各磁传感器测得的磁场，并将B_bj减去，结果记为B_ship。

步骤6)：在船舶进入消磁站后，以线圈X01为例，假定线圈中通以电流I_X01，采集各磁传感器测得的磁场并将B_bj和B_ship减去，结果记为B_c1X01。同理可得到B_c1X02、B_c1X03、B_c1Y01、B_c1Y02、B_c1Y03、B_c1Y04、B_c1Z01、B_c1Z02、B_c1Z03、B_c1Z04、B_c1Z05。

步骤7)：用B_c1X01减去对应的B_c0X01，得到在线圈X01通电磁场作用下的船舶磁场B_cX01；同理可得到B_cX02、B_cX03、B_cY01、B_cY02、B_cY03、B_cY04、B_cZ01、B_cZ02、B_cZ03、B_cZ04、B_cZ05，将这些磁场组合成矩阵B_c，称为船舶在各线圈磁场作用下产生的磁场矩阵；

步骤8)：铁磁物体(如钢铁结构的船舶等)被外加磁场(如地磁场或线圈磁场)磁化后在其周围空间任意场点P(x_P,y_P,z_P)所产生的磁场B_P可以表示为：

式中：V为铁磁物体所占体积；M(r_Q)为外加磁场在铁磁物体内部产生的附加磁化强度；r_p为场点矢径；r_Q为源点矢径；r_pQ＝r_p-r_Q；B_p(r_p)为r_p处磁场强度三分量值组成的列矢量；为对源点坐标进行梯度计算；为对场点坐标进行梯度计算。

如果对铁磁物体进行单元剖分，则式(1)中的积分将变换为求和。对线性材料铁磁物体或均匀铁磁物体来说，式(1)最终将形成一个线性方程组：

C·M＝B (2)

式中：M为外加磁场在铁磁物体内部各单元产生的附加磁化强度；C为剖分单元耦合系数矩阵；B为外加磁场在铁磁物体内部各单元产生的磁场所组成的列向量。

根据比奥-萨伐定理，电流元产生的磁场为：

式中：dl为电流元，其流过的电流为I；r为场点到电流元的矢径，其长度为r；dh为电流元在场点产生的磁场。

将通电线圈剖分成很多个小的电流元，则线圈产生的磁场就可由这些电流元产生的磁场叠加得到。在线圈与铁磁物体相对位置固定不变的条件下，线圈在铁磁物体内部各单元产生的磁场与电流I之间的关系为：

C₁·I＝B (4)

式中：C₁为系数矩阵，由各电流元与铁磁物体内部各单元间的位置关系决定。

同样，在线圈与如图1所示长方体表面相对位置固定不变的条件下，线圈在长方体表面各单元产生的磁场与电流I之间的关系为：

C₂·I＝B_e (5)

式中：C₂为系数矩阵，由各电流元与长方体表面各单元间的位置关系决定。

由式(4)和式(5)可得：

式(6)代入式(2)得：

式(7)将铁磁物体内部各单元产生的附加磁化强度与线圈在长方体表面各单元产生的磁场联系在了一起。

假设消磁站某一线圈通电时在铁磁物体内部各单元产生的附加磁化强度为M₁，则由式(7)可得：

式中：B_e1为该线圈在长方体表面各单元产生的磁场。

对应的由M₁产生的测点磁场为：

C₃·M₁＝B_c1 (9)

结合式(8)和式(9)可得：

令将消磁站各线圈在面单元计算点处产生的磁场组合成矩阵B_e，磁传感器测点处由各线圈磁场激励的船舶磁场组合成矩阵B_c，则有：

CoeK·B_e＝B_c (11)

从式(11)可得出结论：线圈在面单元各计算点处产生的磁场与测点处由线圈磁场激励的船舶磁场间存在着映射关系，只要得到这个映射关系，就可求解出船舶在任意地磁场作用下的感应磁场。

式(11)中B_e和B_c均为已知量，因此可求解得到CoeK：

步骤9)：将各面单元计算点磁场纵向分量设置为当地地磁场沿船舶纵向的磁场分量值，其余分量设置为0，与CoeK相乘即可得到船舶纵向感应磁场；同理，可得到船舶横向感应磁场和垂向感应磁场。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于面剖分单元与测点间磁场映射关系的船舶感应磁场测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：选取一个能将船舶包围在内的封闭面，使船舶位于所述封闭面内，将所述封闭面进行网格剖分为m个面单元，取各面单元的中心为计算点；

S2：消磁站均敷设纵向线圈、横向线圈和垂向线圈各若干组，其中，敷设有x组纵向线圈（X01、X02、…、X0x）、y组横向线圈（Y01、Y02、…、Y0y）和z组垂向线圈（Z01、Z02、…、Z0z），其中x、y、z为正整数，设定各线圈电流并计算各线圈在上述计算点产生的磁场，将这些磁场组合成各线圈在各面单元产生的磁场矩阵B_e；

S3：在船舶未进入消磁站前，采集消磁站布设的磁传感器阵列的各传感器测点的磁场B_bj；

S4：在船舶未进入消磁站前，按步骤S2中设定的各线圈电流依次通电，采集各磁传感器测点的磁场并将B_bj减去，结果分别记为B_c0X01、B_c0X02、…、B_c0X0x、B_c0Y01、B_c0Y02、…、B_c0Y0y、B_c0Z01、B_c0Z02、…、B_c0Z0z，其中x、y、z为正整数；

S5：在船舶进入消磁站后，采集消磁站布设的传感器阵列的各传感器测点的磁场，并将B_bj减去，结果记为B_ship；

S6：在船舶进入消磁站后，按步骤S2中设定的各线圈电流依次通电，采集各传感器测点的磁场并将B_bj和B_ship减去，结果分别记为B_c1X01、B_c1X02、…、B_c1X0x、B_c1Y01、B_c1Y02、…、B_c1Y0y、B_c1Z01、B_c1Z02、…、B_c1Z0z，其中x、y、z为正整数；

S7：用B_c1X01减去对应的B_c0X01，得到在线圈X01通电磁场作用下的船舶磁场B_cX01；同理可得到B_cX02、…、B_cX0x、B_cY01、B_cY02、…、B_cY0y、B_cZ01、B_cZ02、…、B_cZ0z，其中x、y、z为正整数，将这些磁场组合成矩阵B_c，即船舶在各线圈磁场作用下产生的磁场矩阵；

S8：利用矩阵B_e和B_c间的关系建立矩阵方程，为关系矩阵，现B_e和B_c均已知，因此求解得到；

S9：将各面单元计算点磁场纵向分量设置为当地地磁场沿船舶纵向的磁场分量值，其余分量设置为0，与CoeK相乘即得到船舶纵向感应磁场；同理，得到船舶横向感应磁场和垂向感应磁场。

2.根据权利要求1所述的基于面剖分单元与测点间磁场映射关系的船舶感应磁场测量方法，其特征在于，所述步骤S2中，根据比奥-萨伐定理计算出各线圈在上述m个计算点产生的磁场。

3.根据权利要求2所述的基于面剖分单元与测点间磁场映射关系的船舶感应磁场测量方法，其特征在于，所述步骤S3中，磁传感器个数为n，在船舶未进入消磁站前，采集各磁传感器测得的磁场B_bj。

4.根据权利要求3所述的基于面剖分单元与测点间磁场映射关系的船舶感应磁场测量方法，其特征在于，所述步骤S8中，所述铁磁物体被外加磁场磁化后在其周围空间任意场点所产生的磁场B_P可以表示为：

（1）

其中：为铁磁物体所占体积；为外加磁场在铁磁物体内部产生的附加磁化强度；为场点矢径；为源点矢径；；为处磁场强度三分量值组成的列矢量；为对源点坐标进行梯度计算；为对场点坐标进行梯度计算；

如果对铁磁物体进行单元剖分，则式（1）中的积分将变换为求和。

5.对线性材料铁磁物体或均匀铁磁物体来说，式（1）最终将形成一个线性方程组：

（2）

其中：为外加磁场在铁磁物体内部各单元产生的附加磁化强度；为剖分单元耦合系数矩阵；为外加磁场在铁磁物体内部各单元产生的磁场所组成的列向量；

根据比奥-萨伐定理，电流元产生的磁场为：

（3）

其中：为电流元，其流过的电流为；为场点到电流元的矢径，其长度为；为电流元在场点产生的磁场；

将通电线圈剖分成很多个小的电流元，则线圈产生的磁场就可由这些电流元产生的磁场叠加得到，在线圈与铁磁物体相对位置固定不变的条件下，线圈在铁磁物体内部各单元产生的磁场与电流之间的关系为：

（4）

其中：为系数矩阵，由各电流元与铁磁物体内部各单元间的位置关系决定；

同样，在线圈与如图1所示长方体表面相对位置固定不变的条件下，线圈在长方体表面各单元产生的磁场与电流之间的关系为：

（5）

其中：为系数矩阵，由各电流元与长方体表面各单元间的位置关系决定；

由式（4）和式（5）可得：

（6）

式（6）代入式（2）得：

（7）

式（7）将铁磁物体内部各单元产生的附加磁化强度与线圈在长方体表面各单元产生的磁场联系在了一起；

假设消磁站某一线圈通电时在铁磁物体内部各单元产生的附加磁化强度为，则由式（7）可得：

（8）

其中：为该线圈在长方体表面各单元产生的磁场；

对应的由产生的测点磁场为：

（9）

结合式（8）和式（9）可得：

（10）

令，将消磁站各线圈在面单元计算点处产生的磁场组合成矩阵，磁传感器测点处由各线圈磁场激励的船舶磁场组合成矩阵，则有：

（11）

从式（11）可得出结论：线圈在面单元各计算点处产生的磁场与测点处由线圈磁场激励的船舶磁场间存在着映射关系，只要得到这个映射关系，就可求解出船舶在任意地磁场作用下的感应磁场；

式（11）中和均为已知量，因此可求解得到：

（12）。