水下电磁引信物理场特性的矩量法分析.docx
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水下电磁引信物理场特性的矩量法分析
第31卷第4期2009年8月
探测与控制学报JournalofDetection&Control
Vol131No14Aug12009
水下电磁引信物理场特性的矩量法分析
骆丹,陈航,陈永森
（西北工业大学水下信息处理与控制国家重点实验室,陕西西安710072）
摘要:
由于纯数学方法计算水下电磁引信物理场特性比较复杂,提出了一种求解水下磁偶极子辐射场和目
标散射场的新方法。
首先,根据矩量法建立了水下目标电磁散射特性的数学模型,借助FEKO软件建立引信辐射天线与目标舰船的三维模型,并对该模型进行仿真和分析;最后得出引信辐射场和目标铁磁界面散射场的分布特性,以及目标通过特性。
仿真结果验证了该方法的有效性。
关键词:
电磁引信;矩量法;物理场;铁磁界面
-1194（2009）04-0088-05中图分类号:
TJ43文献标志码:
A文章编号:
1008
StudyonPhysicsFieldofUnderwaterElectromagneticFuze
BasedonMethodofMoment
LUODan,CHENHang,CHENYong-sen
（NationalKeyLabofUnderwaterInformationProcessingandControl,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi'an710072,China）
Abstract:
Amethodtocalculatemagnetic-dipoleradiationfieldandtargetscatteringfieldisproposedbecauseof
thecomplexcalculationofphysicsfieldcharacteristicsoftheunderwaterelectromagneticfuzebyusingthetrad-itionalmethod.First,themathematicmodeloftheelectromagneticscatteringcharacteristicsoftheunderwatertargetisbuiltbasedonmethodofmoment（MOM）,andthe3DmodeloffuzeradiationantennaandtargetshipissetupbyusingFEKOsoftwarewhichisthensimulatedandanalyzed.Finally,thedistributioncharacteristicsoffuzeradiationfieldandtargetscatteringfieldandadditionallythestaticpassingcharacteristicofthetargetshipareobtained.Simulationresultsshowthattheproposedmethodiseffective.
Keywords:
electromagneticfuze;methodofmoment;physicsfield;ferromagneticinterface
0引言
水下电磁引信是一种广泛装备于鱼雷武器上的近炸引信,多为主动式引信。
它简单可靠,受环境和
目标舰船的影响小,有较好的动作可靠性和抗干扰稳定性,研究水下电磁引信对于提高鱼雷作战效能
[1]
和武器杀伤力具有重要意义。
由于鱼雷与目标之间的信息传递是借助于物理场来实现的,因此研究引信物理场成为主动电磁引信研究的首要工作。
水下电磁引信的作用距离通常只有几米,远小于海水中电磁波的工作波长,因此目标基本上是处在引信发射天线的辐射近场区,而对于这种球面电
[2]
磁波由平面分界面反射的电磁问题,很难求出*收稿日期:
2009-03-24
Maxwell方程组在一定边界条件下的解析解。
目前国内外关于电磁引信物理场的相关计算大多主要基
于理论关系式和试验所得的经验公式,但这种方法容易受到目标形状、大小和复杂水下环境的影响,存在一定的局限性。
鉴于此,本文基于矩量法（Meth-odofMoment,MOM）研究鱼雷主动电磁引信物理场特性,利用电磁场仿真软件软件FEKO建立了水下电磁引信辐射场和目标舰船散射场物理模型,采用面元法剖分目标体表面,将复杂形状的三维电磁计算问题转化为平面上的二维电磁计算问题。
1电磁波在海水中传播的基本理论
基金项目:
武器装备预研基金项目资助（9140A05010206HK0340）
作者简介:
骆丹（1983-）,女,重庆万州人,硕士研究生,研究方向:
水下电磁引信。
E-mail:
ld06325@。
骆丹等:
水下电磁引信物理场特性的矩量法分析
1.1海水中电磁波的传播衰减
对于水下主动电磁引信而言,电磁波在海水这一导电媒质中传播时,由于传导电流的出现,使在其中传播的电磁波发生能量损耗,导致波的幅值随传播距离增大而下降,同时波的相位也发生变化。
以水平磁偶极子在海水中的辐射为例,利用磁偶极子辐射模型计算得到磁场强度随距离和频率的衰减情况,距离范围1m如图1和图2
所示。
[3]
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（2）
n@（H1-H2）=Js
式中,n为分界面上的法向矢量;E1,H1分别为媒质1中的电场和磁场,E2,H2分别为媒质2中的电场和磁场;Js为分界面上的电流密度。
图3给出电磁波传播在两种媒质交界面的情形。
电磁波从媒质1入射到媒质2时,入射线、反射线和折射线共面,入射角和反射角满足斯耐尔反射定律（k1sinH0=k1sinH1）则有H0=H1;入射角和折射角满足斯耐尔折射定律（k1sinH0=k2sinH2）,其中,k1、k2分别为电磁波在媒质1和媒质2中的传播常数。
当入射角等于临界角Hc（满足sinHc=特角（满足tanH0=全折射。
2/E1）
时,波在分界面上发生全反射;当入射角等于布儒斯
2/E1
）时,在分界面将会发生
图1磁场值随距离的变化
Fig.1Varietyofmagnetic-fieldvaluewith
distance
图3两种媒质分界面Fig.3Interfaceoftwomedium
电磁波由海水入射到铁磁界面,铁磁体电导率RU5@10S/m,近似为理想导体。
由J=RE可知,在理想导体内部有E=0,否则导体中的传导电流密度J趋于无限大。
根据Maxwell方程
图2磁场值随频率的变化
Fig.2Varietyofmagnetic-fieldvaluewithfrequency
6
Ñ@E=-jXLH（3）
可知理想导体中的磁场强度H也为零。
所以根据边界条件,铁磁体内部电、磁场近似为零,则无论电磁波以多大的入射角入射,分界面处的折射波都远远小于反射波。
由图1可以看到,当距离从1m变化到4m时,磁场强度衰减比较快;从4m到8m衰减相对平稳,幅值逐渐趋于零;距离大于8m磁场强度几乎为零,
这说明海水中电磁波的传播随着距离的增大,衰减是相当厉害的。
由图2可以看出在所给频率范围内磁场强度随频率的增大呈非线性减衰减。
这表明,海水中电磁波的频率越高,其传播衰减越大。
1.2电磁波在海水与铁磁体分界面上的传播特性
电磁波在两种媒质分界面（无源边界）上传播时电场强度E和磁场强度H的切向和法向分量连续,满足的边值关系为[4-6]:
n@（E1-E2）=0
（1）
2矩量法模型
2.1矩量法简介
矩量法是求解电磁场边值问题中一种行之有效的数值方法,它是内域积分形式的加权余量法的总称,根据加权方法的不同又可分为点匹配法、最小二乘法和伽略金法。
矩量法的基本原理是先建立几何模型,选定基函数,对未知函数进行逼近展开,再代,
90
探测与控制学报
则表面S上总电流J用RWG基函数表示为:
J=
n=1
意义下方程的余量等于零,把连续的算子方程转化成了代数方程。
2.2目标散射场数学模型
本文利用伽略金法（基函数与检验函数相同）来分析目标表面电磁散射特性
[7-8]
EIf
n
N
n
（11）
再利用伽略金法,将检验函数fm作用在式（9）两边,得到内积形式:
òEi,fmó=jXòA,fmó+òÑ<,fmó为:
（12）
。
首先,在入射电场Ei的激励下,导体目标表面S上将产生感应电流J,由该电流产生的散射场Es可表示为
Es=-jXA-Ñ<
式中,A为矢量位函数
A=Jds
4PsR
（4）
将式（9）,式（10）与式（11）代入上式,写成矩阵方程
Zmn
式中
Zmn=jXL
I=
VfSm
（13）
（5）
QQ
S
f
m
m
S
fnGdscds+
n
Q#
m
S
n
式中,<为标量位函数
Qds<=
R4PEs
（Ñ#fn）ÑGdscds
（6）
N
（14）（15）
Vm=
Qf
S
m
m
#Eids
式中,k为复波数;R为激励源与目标间的距离;E为
介电常数;Q为电荷密度。
因此,空间的总电场E为:
E=Ei+Es
积分方程:
n@Ei=n@
（7）
根据导体表面的边界条件n@E=0,得到电场
我们可以通过求解式（13）得到In,则可求得总电流J=
n=1
EIf
n
n
因此得到目标散射场
s
jXLJG+
Ñ#JÑGds（8）-jXLJG-Ñ#JÑGds（16）S根据H和E的关系,如式（3）,可得到磁场强度表达
Es=式Hs=-jXL
S
式中,n为目标表面法向矢量;G=exp（-jkR）。
4P
下面给出可用于电场积分方程和三角形面元模型的电流矢量基函数:
n+
n
2S+n
fn=n-n
2nSn
Ñ#fn=
nS
-n
++
+
Ñ@-jXLJG-
Ñ#JÑGds（17）
3仿真结果与分析
r在$+上r在$上r在$+上r在$上
-?
?
--
（9）
3.1电磁引信物理场仿真模型
虽然第2节中给出了目标散射场表达式,但是直接利用数学方法求解相当困难,所以本文利用基于矩量法的电磁场仿真软件FEKO来计算。
首先,对水下电磁引信辐射天线和目标舰船进行建模。
在FEKO的功能模块CADFEKO中,以线圈中心为坐标原点,线圈轴线与雷体纵轴（x轴）重合,目标舰底部平行于xOy面,建立目标舰船与磁偶极子的实际尺寸几何模型;然后采用面元法将舰船表面划分成许多小面元,面元足够小可视为小三角形;再用线段剖分磁偶极子线圈,即用三角形面元和线段来模拟实际物体,这样就将复杂形状的电磁计算问题转化为平面上的电磁计算问题。
设海水电导率R=4S/m,磁导率L=4P@10-7
（10）
式中,ln是相邻面元$与$的公共边,Sn是$的面积,r是位置矢量,an是$中ln对应顶点至任意点的向量。
an是$中任意点至ln对应顶点的向量,如图4所示。
--
图4电流基函数与检验函数的定义
Fig.4Definitionofbasicfunctionandtestfunction
H/m;线圈长度h=29cm;线圈匝数n=12;线圈直径D=6.25cm;铁磁媒质电导率R=5@106S/m,
r
骆丹等:
水下电磁引信物理场特性的矩量法分析
120m@20m@13m;频率f=1000Hz;波长K=50m;激励电压|U|=5V,初始相位为0。
根据这些参数,我们建立了目标舰船与辐射线圈的仿真几何模型,如图5,图6所示,其中目标舰船与磁偶极子之间的距离为3m
。
91
由图7可以看到在线圈的法向,辐射方向性最强;而在线圈的轴线方向,辐射方向性最弱。
线圈辐射方向图关于轴线对称,与理论分析的结果一致。
图8给出了当x=3m时,平行于yOz面的平面（亦即垂直于鱼雷纵轴的平面）上的辐射近场区磁
场分布云图。
图5CADFEKO中的三维模型图Fig.53DmodelinCADFEK
O
图8x=3的平面上辐射磁场分布云图
Fig.8Distributionofradiatedmagnetic-fieldonx=3plane
可以看到,在x=3m,-30m图6辐射线圈模型Fig.6Modelofradiatedloop
的磁场分布关于线圈轴线对称。
在线圈轴线附近的区域内磁场相对较弱,随着离线圈中心的距离愈来愈远,磁场逐渐增强,但当距离增大到约2m处时（红色区域中心）,磁场达到最强,随后随距离的增大而减小。
这与文献[9]中磁偶极子的磁力线分布基本相符,表明利用FEKO计算磁偶极子辐射场是可行的。
3.3散射场
电磁引信与目标之间的作用距离只有几米,而实际应用中的目标舰船尺寸远远大于磁偶极子的尺寸和引信的作用距离,同时鱼雷攻击水面舰船时通常在其下方,故舰船反射电磁波的主要部位在其底部。
因此,在研究舰船底面反射时可将其近似看成无限大的铁磁界面反射。
由于铁磁材料具有一定的特殊性（导电率5@106S/m,相对导磁率2@103）,所以电磁波在海水中与无限大铁磁界面分界面的反射属于不完全反射,包括了反射和透射（折射）问题。
由图9可以看到:
磁偶极子辐射电磁波由海水传播到铁磁界面,近似于理想导体的铁磁界面将绝大部分的入射电磁波反射回来,很小部分的入射波
由于目前在大多数水下主动电磁引信中收发天线采用垂直配置方式,所以在建立模型时磁偶极子辐射线圈采用了水平放置的方式。
3.2辐射场
磁偶极子天线在海水中低频条件所产生的电磁场主要呈现出磁性,磁场强度比电场强度大得多,因此我们主要分析磁场部分。
根据建立的电磁天线模型和设定的参数,采用矩量法得到的辐射场三维方向图如图7
所示。
图7三维辐射方向图
Fig.73Ddirectionaldiagramofradiation
通过铁磁界面透射出去,这符合海水与铁磁目标分界面上的传播特性。
92
探测与控制学报
献[2]中利用经验公式求得的结果吻合,从而验证了基于矩量法建立水下电磁引信与目标舰船物理模型
及仿真计算引信物理场特性的有效性。
图9铁磁界面散射方向图
Fig.9Directionaldiagramofferromagnetic
interfacescattering
图10给出了x=3m,-30m使得磁场强度幅值增大。
图11目标静态通过特性
Fig.11Staticoverpasscharacteristicoftarget
4结论
本文从理论分析出发,运用矩量法对磁偶极子在海水环境中的辐射和铁磁界面散射问题进行了仿真研究。
借助于水下电磁场仿真模型,给定舰船材料和环境特性,合理模拟水下电磁引信的工作环境,通过仿真计算较准确地给出了引信物理场分布特性,仿真结果与理论分析结果吻合,从而验证了该方法的有效性。
相对于传统的解析方法和试验方法,该方法有明显的优势,为进一步研究电磁引信实现可靠近感、炸点精确估计和末弹道修正提供了依据。
事实上,水下目标的结构和几何形状都十分复杂,因
图10x=3的平面上复合磁场分布云图
Fig.10Distributionofcompoundfieldonx=3plane
此水下目标的建模尚待完善以提高分析精确度,而更详细的结果还需要结合实验研究才能得到。
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3.4目标通过特性
鱼雷在目标舰船附近通过时,空间某一点处舰
船散射场强值随距离的变化特性即目标通过特性。
图11给出了目标中心与鱼雷的垂直距离h=3m时的静态通过特性。
所谓静态通过特性是指固定雷目距离h,在距鱼雷一定水平距离（-20m）开始以0.5m间距等间隔的移动目标体,逐点测量某一点的磁场强度。
其中目标尺寸:
长@宽@高=120m@20m@13m。
可以看到:
由于目标舰船尺寸远大于引信辐射器的尺寸,所以当鱼雷与目标的距离在-3~5m范围内,场强值趋于最大,且变化不大,仿真结果与文
（下转第96页）
96器设计中。
探测与控制学报
于FPGA芯片内部连接关系的描述可存放在硬盘中,可在外围电路保持不变的情况下,通过修改芯片设计方案,使整个系统更加灵活,而且还可根据需要进行功能升级、扩充和裁减。
对于收发数据帧的波特率时钟频率能较灵活地改变。
通过仿真验证异步收发器模块,可作为一个通用功能模块直接加载到PCM编码器系统中进行仿真和编程下载,增加了设计的快捷性、灵活性和实用性。
参考文献:
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1225-1227.
图6PCM编码器仿真波形
Fig.6ThesimulationresultofPCMencoder
实践中,将通过Altera公司的QUARTUSÒ编译仿真通过后的电路原理图,编译生成.pof文件。
通过计算机下载电缆byteblasterMV,将.pof文件中的数据下载到EPC2中,在实际工作中,每次通电时,EPC2就主动将所设计的电路加载到FPGA中。
最终将设计的数字接口应用于遥测编码器的设计中,下载到Altera公司的ACEX1K系列的EP1K50TC144-3型号芯片上完成了PCM编码器的工程实现。
5结论
在FPGA中,采用VerilogHDL集成实现的异步收发器功能模块,相对于传统UART芯片,不仅可以分成接收和发送两部分,根据需要可灵活地选择使用,更可节省系统资源,缩小PCB板体积。
由
（上接第92页）
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