舰船壳体或内部设备大部分是由铁磁材料制成的，在地磁场的作用下会在周围空间中产生异常磁场[1]．磁探测设备或磁引信兵器可以根据这些异常磁场来侦察、跟踪甚至攻击目标舰船，危害舰船安全，因此必须设法减小舰船磁场．舰载消磁系统能够帮助舰船有效对抗反潜巡逻机空中磁探仪、水中磁引信兵器和磁探测装备等，提升舰船的磁隐身与防护能力，从而降低舰船被发现或攻击的风险[2]．但随着磁探测技术的不断发展，目前各种磁探测装备对舰船磁场的探测分辨力已经提升到nT(纳特)级以内甚至是pT级，探测的距离也提升到上千米[3-4]．面对日益先进的磁探测技术，传统的消磁系统已经不能满足舰船如今的磁防护要求，须要发展更加高效、可靠的闭环消磁系统[2,5]，不仅要补偿随外磁场或舰船姿态实时变化的感应磁场，也要补偿变化较为缓慢的固定磁场，从而全面提升舰船磁隐身能力．本文围绕舰船闭环消磁系统，简要介绍其基本原理，概述了国外的研究进展与发展现状．在此基础上根据国内外研究情况将闭环消磁关键技术概括为传感器布置策略、干扰磁场抑制方法、外部磁场预测方法三个方面，并分别对其进行了详细阐述和分析对比．1 闭环消磁原理舰船磁场的主要来源是铁磁性磁场和涡流磁场，而铁磁性磁场又分为感应磁场和固定磁场[6]．传统的消磁系统只能实时补偿感应磁场，主要工作原理是通过安装在舰船桅杆处的磁探头或者采用地磁模式组方法去获取地磁场，控制中心依据地磁场与舰船感应磁场的线性关系去计算出消磁绕组所需要的补偿电流大小从而补偿舰船感应磁场，示意图如图1所示．10.13245/j.hust.238622.F001图1传统的舰载消磁系统工作原理由于这种消磁系统的工作方式仅仅补偿了舰船感应磁场，并没有将固定磁场的变化量信息反馈给消磁电流控制仪，以达到对舰船固定磁场实时控制的目的，因此已经不能满足更高的舰船磁防护要求，必须要在此基础上增加对固定磁场的补偿环节形成闭环．闭环消磁技术[7]指的是通过在舰船内部的特征点位置安装一定数量的磁传感器，由内部磁场测量值预测外部空间磁场，之后通过消磁控制中心计算出消磁绕组的电流值，并发送到消磁电流控制仪，从而产生一个反向的三维空间磁场去补偿舰船在目标深度或者高度的磁异常，最终使舰船达到磁隐身状态，其闭环控制流程如图2所示．10.13245/j.hust.238622.F002图2闭环消磁系统工作原理舰船闭环消磁系统不仅能够同时对感应磁场和固定磁场进行补偿，提升舰船在航行中的安全性，还具有以下两方面优点．a．当舰船磁场超过一定阈值时，闭环消磁系统能够对舰船磁场进行实时预测和全面评估，提醒舰船是否须要前往消磁场地进行磁性处理，做到“视情”消磁，提高舰船消磁勤务保障效率．b．对于那些在雷区作业、对磁性防护要求极其严格的猎、扫雷舰等低磁舰船来说，其内部铁磁设备的固定磁场占据了全船的大部分磁场，闭环消磁系统因此能够发挥更加显著的磁防护作用．综上所述，闭环消磁的应用对于舰船的磁隐身和防护来说都是不可或缺的．目前世界发达国家都在致力于研究舰船闭环消磁技术，力求在舰船上应用闭环消磁系统，将舰船磁隐身与防护技术提升到更高的水平．2 发展现状在20世纪90年代，美国水面作战中心与法国就曾展开合作，分别在Avenger级和Cybele级扫雷舰上进行了关于闭环消磁的外部磁场预测方法实验研究[8-9]，其中美国在船用发动机平台上进行了试验验证，提出了将船上和船下磁场形成数据库的预测方法，也称为校准矢量法，该方法仅须配置4个梯度计就能够预测出船下磁场，奠定了此后美国进行闭环消磁研究的基础．在完成了算法的实验验证后，Schneider[10]提出了I=DHeff，用于直接关联消磁绕组电流和内部磁场测量值，舍去了外部磁场推算过程，从而提高补偿电流精度，其中：D为绕组电流控制矩阵，Heff为内部有效磁场值，两者均可以提前计算或测量得到；I为消磁绕组电流值．相关资料表明[11]：除了低磁舰船以外，美国还制定了闭环消磁系统在钢壳舰船的应用标准，并且已经在磁场变化更加复杂的Arleigh Burke级导弹驱逐舰和Virginia级核潜艇等铁磁舰船上安装了闭环消磁系统样机进行测试．一份美国Virginia级潜艇项目部在2019年发布的采购计划[12]显示：目前该型潜艇的闭环消磁系统性能较差，是因为内部传感器受到附近磁性材料的干扰，须要重新更换使用更加稳定和高精度的磁传感器，并计划在之后开展实验进行新型传感器的算法验证，最终将改进后的闭环消磁系统应用到Virginia级和Columbia级核潜艇上．法国在电磁场有限元法[13-14]、积分方程法[15-16]等数值计算方面发展较快，来自Grenoble Alpes大学的研究团队提出利用数值积分的方法来计算舰船这种薄壳体的磁场，也奠定了法国使用数学手段来研究闭环算法的基础．Chadebec[17-19]和Vuillermet[20]等学者多次使用积分方程法开展舰艇磁场数值仿真，此外还在无磁实验内完成了水面舰船、双壳体潜艇的模型验证，均得到了较好的实验效果．目前从已公开的文献来看，除了部分猎、扫雷舰外，没有更多的资料显示他们已将闭环消磁技术应用在钢壳水面舰船或核潜艇上．2017年，韩国Kyungpook National大学的研究团队[21]提出一种针对扫雷舰的闭环消磁电流实时控制原理和算法，具体方法是首先在消磁站中，根据地磁场将消磁系统按照开环消磁流程校准完毕后，记录此时的传感器测量值作为标定值，后续无论舰船磁场如何变化，只须要控制中心将各个传感器调整至标定值，即可说明磁场补偿完成．仿真结果[21]表明：相对于开环消磁，所提出的闭环消磁新算法能够将纵向感应磁场和垂向感应磁场的补偿效果由93.6%和95.2%分别提升至97.9%和96.9%，证明了该闭环消磁算法能够提升消磁系统的补偿能力．后续他们在无磁实验室内进行了缩比船模的消磁绕组电流控制实验，如图3所示，实验结果同样表明了所提出算法的有效性．从目前掌握的资料来看，韩国所提出的闭环算法仍存在一定缺陷，因为固定磁场的变化不规律，实际上难以将数十个内部传感器同时调整至标定值，以及文献当中缺少对固定磁场的实验验证．10.13245/j.hust.238622.F003图3韩国进行的闭环消磁模型实验加拿大关于发展闭环消磁的思想始于1960年左右，从多篇已公开的国防报告[22-24]可以看出：由于原有的舰载消磁系统不能补偿舰船产生的非对称磁场，因此Morris提出了在船上安装磁场梯度仪的方法，通过监测船上期望电流输出和实际电流输出的误差来补偿舰船产生的水下磁场．加拿大在Cowichan号木质扫雷艇进行了大量磁场测量实验，但结果表明闭环消磁不如开环消磁，原因是没有找到合适的用于安装磁力梯度仪的位置．后续，他们在Stettler号钢质护卫舰上进行了磁场测量实验，找到了适合安装梯度仪的位置．可以看出：与美国、法国的闭环消磁相比，加拿大当时发展闭环消磁是为了补偿非对称磁场，但是其核心思想都是相同的，即通过船内磁场来预测船外磁场．实验报告[25-26]描述了2011年加拿大在其海军辅助船QUEST号上加装了多个磁传感器形成闭环消磁系统，以进行闭环消磁实验．除了上述国家，2005年意大利曾在Gaeta级扫雷舰上开展了开环消磁系统与闭环消磁系统的补偿效果对比研究，结果表明：开环消磁系统能够有效减少70%的磁异常，而闭环消磁系统则能够达到80%[27]．2005年，澳大利亚曾在Collins级核潜艇上进行了闭环消磁测试[28]，是为了在潜艇内部寻找安装磁传感器的位置，从而为在SEA 1000潜艇上安装闭环消磁系统降低风险．最新资料显示：波兰海军在实验室内进行了扫雷舰的闭环消磁缩比模型实验[29]，并开发了专用软件，在Kormoran级猎雷舰上进行了闭环消磁系统样机实验．近年来马来西亚也在该国军舰上安装了舰载消磁系统[30-31]，目前已经在开展闭环消磁系统的研究．综上所述，多数发达国家都已经在实验室开展了闭环消磁的船模研究或者研制出了系统样机，有限的资料表明美国和法国等国家已经成功将闭环消磁系统应用在猎、扫雷舰上，而美国在磁场变化情况更加复杂的钢壳水面舰船和潜艇上也安装了闭环消磁系统，这也间接说明了以美国为代表的数据库方法是比较可靠的，而法国提出的数值计算方法则难度较大．3 关键技术基于国外关于舰船闭环消磁的研究进展和我国在现阶段研究遇到的挑战，将其关键技术概括为以下3个方面．a．磁传感器布置策略．舰船内部空间有限，研究如何选择特征点位置安装传感器，确保内部磁场测量的全面性和准确性．b．干扰磁场抑制方法．舰船内部磁源复杂，传感器受到干扰磁场的来源也呈现多样性，研究如何在近距离测量舰船壳体的同时抑制微弱的干扰磁场，提高内部磁场测量的可靠性．c．外部磁场预测技术．闭环消磁的核心是由内部磁场预测外部磁场，研究采用何种推算方法更加准确是实现舰船磁场高精度补偿或舰船磁性状态评估的重要保证．3.1　传感器布置策略3.1.1　传感器布置区域首先应当关注的是传感器的布置区域问题．对于水面舰船来说，一般在内部各个舱室布置传感器，此外还须要在桅杆处增加一个传感器，用于测量地磁场信号；对于单壳体潜艇来说，一般将传感器敷设在耐压壳内；对于双壳体潜艇来说，可供传感器布置的区域则有三种，分别是耐压壳体内部、耐压壳体外部(双壳体之间的空气域)和潜艇外壳(消声瓦中)，而目前的研究大多数都是将磁传感器布置在耐压壳体外部当中．一般水面舰船和双壳体潜艇的内部传感器布置方式如图4所示．10.13245/j.hust.238622.F004图4舰艇内部磁传感器布置方式示意图由于潜艇壳体的磁屏蔽作用较强，因此无论传感器是布置在耐压壳体内还是耐压壳体外，都会受到一定的壳体屏蔽影响而难以测量得到部分磁场信息．基于磁场积分方程理论，文献[32]指出：将传感器布置在双壳体潜艇的艇壳体外部区域是相对较好的选择，但是该做法会对潜艇的外形设计、消磁绕组的穿舱及消声瓦的安装带来很大的困难．Demilier开展了单壳体潜艇的闭环消磁研究[33]，他将内部传感器分别放置在壳体外部、壳体内部和混合放置，用于研究噪声磁场对于传感器放置在不同位置对算法鲁棒性的影响，但并未说明其研究结论．对于水面舰船和双壳体潜艇来说，传感器在不同区域布置的优缺点总结如表1所示．10.13245/j.hust.238622.T001表1水面舰船和双壳体潜艇磁传感器布置区域的优缺点舰艇类型传感器分布区域优缺点水面舰船桅杆能够获取准确的地磁场，但测量值包含背景磁场的干扰舱室内部安装和维护方便，但磁场受到屏蔽影响较大双壳体潜艇耐压壳内传感器安装和维护方便，但磁场受到屏蔽影响较大外壳外部磁场探测效果最好，但影响潜艇的外形设计和消声瓦的安装耐压壳外磁场预测效果较好3.1.2　特征点位置特征点的选取位置对磁场测量结果有重大影响，但是关于这方面的研究较少，目前一般将传感器沿船的纵向方向安装，在内部形成一个个测量包络面，认为能够做到最大范围测量舰船内部磁场，如图4所示．文献[34-36]通过仿真分析研究了铁磁舰船的船体、内部结构、主要船载设备和上层建筑对水下磁场的影响，结论表明：尽管传感器遍布全舰船内部，但是仍有可能会在铁磁设备、内部舱壁等磁场梯度较大的位置缺少测量点而丢失关键的磁场信息，给传感器的特征点位置选择提供了思路．Polanski[29]提出在铁磁设备区域附近例如电机须要增加传感器，因为这些区域的磁场波动较大，须要放置更多的传感器进行磁场测量．为了得到特征点的最佳位置，Guerin提出了三种位置优化方法[37]，分别是基于条件数、立体角和磁特征的优化方法．在实验中他采用４个传感器测量薄钢板磁场，最终得出基于磁特征的优化方法，得到较好的磁场测量结果，但是该方法计算时间长，并且须要依赖物体的磁性状态，即在物体磁性状态改变后须要重新确定特征点位置，显然这在闭环消磁系统中是不可取的．3.1.3　特征点数量特征点的数量和位置相互影响，大多数文献都是对两者同时展开研究．从理论上来说，为了全面测量舰船内部磁场，须要布置尽可能多的传感器，但考虑到舰船内部空间的大小、传感器的昂贵造价和工程实施难度等，传感器的数量必然会受到限制．因此，舰船内部磁传感器的布置数量在理论上和实际上相互制约，须要依据工程实际，建立优化模型来具体分析特征点的数量．连丽婷[38]将磁场推算问题等效为Ax=b，(1)式中：x为磁源参数；b为磁场测量值；A为观测矩阵．首先设定以观测矩阵A的条件数为最小值的目标函数，设置特征点数量的上限和下限，建立了特征点位置和数量的多目标优化模型，然后采用微粒群算法同时优化，最终得到被测物体磁场测量的特征点数量和位置，仿真和实验结果均表明经过优化设计后的磁场推算结果明显精度更高，证明了该方法的可行性．Rouve[39]提出了利用球谐函数来求解磁场逆问题，并且采用遗传算法进一步优化，最终成功将被测物体的磁场特征点的数量进一步减小．3.2　干扰磁场抑制方法3.2.1　测量内容和要求内部磁传感器的布置策略是确保磁场测量全面性的前提，而内部磁场测量的可靠性则须要依靠磁场抗干扰手段进一步来提高．在舰船磁场测量中，最常用的是三分量或单分量磁场测量，但是Guerin 提出了利用磁梯度和磁位测量值进行磁场建模的方法[40-41]，用于解决反演精度不高的问题，他认为由于磁梯度比磁感应强度随距离的变化衰减得更快，相比于磁感应强度测量可以避免内部大量的铁磁设备对逆问题求解质量的影响；磁位测量的优点则是可以通过少量传感器得到船体整体磁性分布．因此，若将三种方法结合起来进行测量，有助于获取局部磁场信息和全局磁场信息，也将改善磁场逆问题的求解．3.2.2　抗干扰技术在测量内部磁场的过程会包含干扰磁场，包括消磁绕组通电产生的磁场、测量环境的背景磁场和传感器自身测量的误差磁场等．如果此时方程Ax=b中A的条件数较大，在计算过程中出现的微弱干扰磁场Δb会引起解x的很大变化，甚至使得方程的解趋向发散，得不到真实解，因此须要排除干扰磁场．对于绕组的通电磁场，可以提前得到绕组在测量点的单位电流磁场效率，将效率值存放在控制中心，从而通过计算通电绕组的效率值和电流值来达到消除绕组电流磁场的目的．对于测量环境的背景磁场，由于传感器位于舰船内部，数值仿真表明大部分来自海洋的背景噪声波动已经被舰船壳体屏蔽[32,42]，因此可以忽略不计．对于传感器自身的测量误差磁场，通常采用数学手段进行消除．除了最常用的Tikhonov正则化方法[43-44]，文献[45]提出了一种基于传感器阵列差值的磁场反演建模方法用于抑制噪声磁场的影响，具体方法是利用传感器阵列的磁场差值进行舰船磁源反演的线性方程组，再采用正则化技术求解得到舰船反演磁源模型，实验结果表明了该方法的有效性．文献[46]介绍了快速傅里叶变换平滑方法对高频噪声的去噪方法，磁场延拓结果表明了该方法的有效性．在此基础上，文献[47]采用自适应阈值法，提高了去噪效果从而改善了磁场向下延拓精度．3.3　外部磁场预测方法舰船外部磁场预测技术是闭环消磁的难点，直接决定了闭环消磁的补偿效果．从现有的方法来看，主要分为磁场数据库方法和数值积分计算方法．3.3.1　磁场数据库法当舰船停泊在消磁场地时，通过地磁模拟线圈对舰船多次磁化，此时内、外传感器同时测量舰船磁场，在此基础上选取部分不同磁化状态下的内、外磁场计算校准矢量保存在数据库中，如图5所示，图中：Gon为船内状态校准矢量；Goff为船外状态校准矢量．10.13245/j.hust.238622.F005图5计算校准矢量过程由于内、外传感器相对于磁源的位置是固定的，因此当舰船在航行时，可以由内部校准矢量和内部磁场测量值计算出比例因子M，从而由外部校准矢量与比例因子预测外部磁场，其原理和流程如图6所示，图中：Hon为船内磁场测量值；Hoff为船外磁场预测值．10.13245/j.hust.238622.F006图6预测外部船磁过程为了提高预测精度，Mack[48]提出当计算M时将感应磁场、固定磁场和固定磁场的变化量先分离再合并计算的方式，可以将推算误差由10%降至5%．可以看出：数据库方法推算外部磁场在很大程度上取决于选取部分不同磁化状态的舰船磁场值计算校准矢量，若选取不合适的内外磁场形成校准矢量，则会严重影响磁场推算效果3.3.2　内外映射法在数据库方法的基础上，我国提出了一种原理更加简单的基于磁场变化量的内外映射方法[49]，其原理为磁场的变化来源于磁矩的变化．对于同一个磁源来说，测量点的磁场变化量与磁矩变化量的关系式为ΔB=CΔF，(2)式中：ΔB为磁场变化量；C为测量点磁场和磁矩的关系矩阵；ΔF为磁矩变化量．对于同一艘舰船，可以分别得到其内外磁场与磁源的关系为ΔBn=Cn∙[ΔF1, ΔF2, …, ΔFn];ΔBw=Cw∙[ΔF1, ΔF2, …, ΔFn], (3)式中：ΔBn和ΔBw分别为舰船内外磁场变化量；Cn和Cw分别为内外磁场和磁矩的关系矩阵；[ΔF1,ΔF2,…,ΔFn]为每一个磁源磁矩的变化量．联立(2)～(3)式可以得到ΔBw=K∙ΔBn，(4)式中K为由内到外的磁场映射矩阵．测量点一旦固定，K即为常数，式(4)表明只须事先通过测量手段得到多组舰船内外磁场从而求解出K，后续即可利用内部磁场直接推算出外部磁场．对于固定磁场来说，K矩阵并不容易求解．为此，连丽婷[50]提出利用神经网络强大的学习能力和泛化能力来建立内外磁场的映射关系，从而可以提升外部磁场预测精度，但由于神经网络的参数设置对计算结果有较大影响，文献[51]在此基础上提出了最小二乘支持向量机(least square-support vector machine，LS-SVM)的映射方法，并将其与神经网络算法(PSO-BP，RBF)、直接求解方法进行比较，得出在小样本条件下基于LS-SVM的方法具有更高的推算精度，如图7所示．10.13245/j.hust.238622.F007图7内外映射法算法结果比较3.3.3　标准值法Kang[21]提出一种标准值方法，其原理如下：当舰船处于地磁场环境下，使用传统手段对舰载消磁系统进行安匝调整和电流校准后，将所有舰船内部传感器此时的测量值设置为标准值，之后改变外部激励磁场，只要通过算法计算并调整相应的消磁绕组电流，使得所有内部传感器等于或接近标准值，即实现了基于舰船内部传感器测量值的外部磁场补偿目的，其目标函数可以表示为f=min∑i=1n∑j=13(BijS-Bij(I))2，(5)式中：n为传感器的数量；i为传感器的下标号；j为磁场三分量下标号，分别表示纵向、横向和垂向方向磁场；BijS为磁场标准值；Bij(I)为磁场实测值．Kang[52-53]描述了基于标准值方法在实验室内开展的船模实验，但是实验过程仅仅改变了舰船的感应磁场（通过改变船模航向和外部地磁模拟线圈电流）．实验结果表明Kang所提出的改进闭环算法能够有效保持舰船的消磁系统性能．从理论上来说，当固定磁场变化较大时，很难利用最小二乘法将船内的数十个传感器同时调整至标准值，因此该方法在固定磁场补偿方面还有待进一步验证．3.3.4　数值积分法舰船磁场测量值和磁源的关系最终可以归纳为Ax=b，具体实施步骤为通过内部磁传感器测量舰船局部磁场，将舰船剖分成若干个单元，基于积分方程法计算出感应磁场，由内部磁场测量值和感应磁场计算值反演出舰船磁源参数，从而计算出舰船外部磁场．Chadebec[54-55]通过建立磁偶极子和磁荷混合模型推导出了逆问题方程AAC+EdCssxindxrem=bd0，(6)式中：C为积分方程中表示磁源与测量点位置的观测矩阵；Ed为单位矩阵；d为外部激励磁场；s为全一矩阵；xind和xrem均为磁源参数．Demilier[56-58]将提出的方法应用到双壳体潜艇模型当中，实验结果表明能够得到非常好的船模外部磁场计算结果．综上所述，表2展示了不同国家关于闭环消磁外部磁场预测方法的不同技术路线和优缺点．10.13245/j.hust.238622.T002表2不同外部磁场预测技术优缺点比较测量方法（代表国家）优缺点数据库法（美国）原理简单，但依赖于磁场的选取和校准矢量的计算内外映射法（中国）原理简单、实施方便，但须要多次测量磁场，才能得到映射模型标准值法（韩国）原理简单、实施方便，但不能用于预测固定磁场数值积分法（法国）无须多次测量磁场，但建模难度大、计算量大、精度有待提高4 展望立足于国内外研究现状和将来的应用需求，除了上述提到的三个关键技术，后续可在以下方向加以重点研究，从而改进闭环消磁系统，进一步提升磁防护能力．4.1　全空间磁场预测目前大多数舰船磁防护措施都是针对舰船外部的单个或几个平面进行的，因此舰载消磁系统也是对这几个平面进行磁场补偿的．随着磁探测技术的发展，舰船磁防护措施必须是全空间的．结合目前比较成熟的舰船磁场数值计算方面的研究成果，可以将舰船磁场延拓[59]和递推技术[60]应用在其中，将闭环消磁外部磁场预测延拓至全空间磁场预测，再结合磁场补偿措施，实现舰船全空间磁防护．4.2　涡流磁场补偿闭环消磁的出现是为了解决舰船的固定磁场补偿问题．研究[2,61]发现：当一些低磁舰船在摇摆中产生的涡流磁场未进行补偿时，数值有时可以达到与其铁磁性磁场一个数量级，因此涡电流成为了舰船水下磁场的第二重要产生来源．所以，可以结合目前在舰船涡流磁场研究方面的成果，将闭环消磁的应用方向拓展至舰船固定磁场和涡流磁场同时补偿，甚至可以补偿极低频磁场等数量级更小的磁场，从而将现有的消磁系统补偿能力继续提升至更高的层面．5 结论本研究梳理了20世纪以来的闭环消磁国内外研究进展和发展现状，针对研究进展和目前遇到的困难，总结出闭环消磁的三大关键技术，最后对闭环消磁的发展趋势进行了展望，获得的主要结论如下．a．闭环消磁在低磁舰艇上应用相对简单，其中美国、法国等少数国家已成功研制出系统样机．国内舰船磁防护领域与世界先进水平相比仍存在差距，须要对关键技术继续进行攻克，促进在磁防护关键领域的突破和提升．b．磁传感器布置策略、干扰磁场抑制方法和外部磁场预测方法是闭环消磁的三大关键技术．其中外部磁场预测技术是大多数国家研究的重点，主要分为数据库法、内外映射法、标准值法和数值积分方法等，其中数据库法和数值积分法都得到了较好的实验验证．c．未来闭环消磁的应用会逐步推广到大型铁磁舰船和潜艇上，其趋势可能是向全空间磁场预测和补偿涡流磁场、杂散磁场等方向发展．