随着磁传感技术和数据处理技术的快速发展，铁磁性舰艇面临水下磁性水雷攻击、水中磁性监测系统探测和航空磁性探测等磁性兵器的威胁愈加严重。为提升舰艇对抗磁性兵器的能力，必须对舰艇实施磁性防护措施。实施磁性防护措施的重要前提是准确测量舰艇磁场。
目前，通常采用固定式消磁站水下磁传感器阵列来测量舰艇磁场，但受海底环境和安装工艺等条件制约，实际工程中水下磁传感器的安装位置与预设位置存在一定的偏差，直接影响着舰艇磁场的测量精度，进而降低舰艇磁性防护水平。因此，亟需对消磁站水下磁传感器进行高精度定位，提高舰艇磁场测量的准确性。
随着磁传感技术和数据处理技术的快速发展，铁磁性舰艇面临水下磁性水雷攻击、水中磁性监测系统探测和航空磁性探测等磁性兵器的威胁愈加严重。为提升舰艇对抗磁性兵器的能力，必须对舰艇实施磁性防护措施。实施磁性防护措施的重要前提是准确测量舰艇磁场。
目前，通常采用固定式消磁站水下磁传感器阵列来测量舰艇磁场，但受海底环境和安装工艺等条件制约，实际工程中水下磁传感器的安装位置与预设位置存在一定的偏差，直接影响着舰艇磁场的测量精度，进而降低舰艇磁性防护水平。因此，亟需对消磁站水下磁传感器进行高精度定位，提高舰艇磁场测量的准确性。
研究背景
磁隐身技术是保证水面舰船安全性、潜艇隐蔽性的必要手段，准确测量舰艇磁场是实施磁隐身的必要前提。目前，在消磁站海底平面布设水下磁传感器阵列是舰艇磁场测量的主要途径。由于海底环境复杂多变，消磁站水下磁传感器的安装工作尤为困难。在实际工程中水下磁传感器的安装位置与预设位置之间存在一定的位置偏差，依据现有安装工艺，各方向位置偏差幅值小于0.3m。
在舰艇磁场的测量过程中，幅值约0.3m的位置偏差可带来上百纳特的磁场测量误差，直接影响舰艇磁场的测量精度，降低舰艇磁性防护能力。一方面，磁性水雷和航空磁探的不断发展对舰艇磁性防护能力的要求愈发严格，另一方面，磁隐身新技术的发展对舰艇磁场测量精度提出了更高的要求。因此，亟需对消磁站水下磁传感器进行高精度定位，提高舰艇磁场测量的准确性。
论文意义及尚待进一步的研究工作
1 论文所解决的问题及意义
本文所得研究成果可有效解决固定式消磁站水下磁传感器的位置校正问题，为磁隐身新技术的发展奠定了基础，具有重要军事意义和工程实用价值。
2 尚待进一步的研究工作
三分量磁传感器阵列代替单分量磁传感器布设在固定式消磁站将是未来的趋势，本文针对单分量进行位置校正，虽同样可适用于三分量磁传感器，但未能充分利用Bx和By分量，因此，对三分量磁传感器磁场信息的充分应用及进一步提升位置校正的精度有待进一步研究。此外，在三分量磁传感器的磁场测量中，在位置校正的基础上对传感器姿态进行校正，从而提升舰艇磁场测量精度亦有待进一步研究。
论文方法及创新点
1 创新点
本文将通电螺线管线圈等效成磁偶极子，采用磁感应强度垂直分量Bz对消磁站水下磁传感器展开定位试验，如图1所示。
图1 典型消磁站模型及磁源布设
考虑到磁传感器测得到的磁场大小和变化（磁场梯度）随着与磁场的相对位置改变而改变。当耦合噪声ΔBz处于同一水平的情况下，水下磁传感器测得的某一方向磁场梯度越大，定位精度就越高，如图2所示。在此基础上，通过优化磁源位置，使磁传感器分别位于Bz在x、y方向的磁场高梯度区，据此构建方程组，提升磁传感器相应方向的定位精度。
图2 基于磁场梯度的定位精度提升机制
2 目标函数构建
如图3所示，以一定的间距l将消磁站码头平面划分成(M-1)×(N-1)的网格；分别计算磁源布设在不同网格节点时，磁传感器位置偏差区域在x、y方向的平均磁场梯度。将通电螺线管线圈等效成磁偶极子，通过磁传感器位置偏差区域x和y方向的平均磁场梯度优化确定线圈的两组磁源移动位置，结合深度测量数据分别建立方程组构造目标函数。
图3 典型消磁站水下磁传感器定位模型示意图
3 算法优化
采用采用动态学习策略多群体粒子群算法进行优化求解，该算法有两方面的提升，包括避免陷入局部最优和提高迭代效率，多群体粒子群动态学习策略如图4所示。
图4 动态学习机制
4 实验验证
为验证定位方法的操作可行性，根据数值模拟实验设计了约1:8.5的物理缩比模型实验如图5所示，按照实际消磁站的空间位置关系进行尺寸缩比，对5种位置偏差开展了位置校正实验，平均误差为5mm，相对误差为0.24%。因物理缩比实验中传感器测得的磁感应强度垂直分量与缩比前处于同一水平，位置误差可按缩比尺寸（1:8.5）放大，放大后的平均位置误差为0.043m，与数值模拟实验结果基本一致，验证了该方法的有效性。
图5 模型实验现场
结论
通过典型消磁站尺寸下的数值模拟实验与物理缩比模型实验证明了该方法的有效性，得出以下主要结论：
1）对位置校正误差随磁源移动位置数量k的影响关系进行了量化研究。研究表明，在网格间距l为2m的情况，当磁源移动位置数量k达到12次时，位置校正误差不再随k的增加而降低，基本达到饱和状态。
2）通过数值模拟实验，系统分析了对深度传感器精度、环境磁噪声等因素对水下磁传感器位置校正的影响规律，其中环境磁噪声带来的影响最大；并开展了不同位置偏差状态的水下磁传感器定位数值模拟实验，校正后传感器平均误差的均值为0.023m，最大误差的均值为0.056m，方差的均值为2.26×10-4m2，满足消磁站内舰艇磁场测量要求。
3）设计了典型消磁站的物理缩比模型实验，实验结果表明，传感器的平均误差为5mm，按缩比尺寸（1:8.5）放大为0.043m，与数值模拟实验的结果基本一致，验证了所提方法的有效性和准确性。
作者介绍
王玉芬，硕士研究生，研究方向为电磁定位、电磁环境及其防护技术等。
周国华，教授，硕士生导师，研究方向为电磁定位、电磁环境及其防护技术、舰艇磁性建模和舰艇消磁等。
吴轲娜，讲师，研究方向为工程电磁场教学、舰船电磁防护等。
本工作成果发表在2024年第4期《电工技术学报》，论文标题为“消磁站水下磁传感器定位方法”。本课题得到国家自然科学基金项目和海军工程大学自主立项项目的支持。
