水下电场探测国内外研究概况和发展趋势分析

水下电场探测国内外研究概况和发展趋势分析

张,利

中国船舶集团公司第七一○研究所，湖北 宜昌 443003

摘  要：本文介绍了水下电场探测的概念和内涵。论述了国内外研究概况、水平和发展趋势。对水下电场探测的国内外研究差距进行了比较分析。

关键词：水下目标物 ；电场探测； 水下电场；研究水平；发展趋势

0 引言

海洋环境复杂而多变，海水流动迁移、生物运动、地球磁场的变化、船舶及海底金属矿体的氧化还原反应等因素均能在海洋环境中产生电场。一般水面舰船或者水下航行器主要采用金属材质制成，由于金属表面受到海水电解质的作用形成原电池腐蚀，使得金属和海水电解质之间存在电位差。现代舰船和水下航行体为防止水下部分被腐蚀，大都采用外加电流保护法和牺牲阳极保护法，其目的是使整个船体或者航行器都变成为阴极，这就使得舰船或水下航行器周围存在电势差和电场。另一方面，在舰船和水下航行器的推进轴系部分，因为由不同材料组成，在推进轴高速度旋转时，会产生低频的电磁场幅射。

不同的舰船和水下航行器形成的电场存在不同，因此可将舰船和水下航行器电场作为目标识别的重要参数。目前声场、磁场、水压场相关技术已经趋于成熟，但或多或少存在缺陷，美国、苏联、加拿大等国家在水下电场测量、目标识别上已经开展了大量卓有成效的工作，而我国在水下电场测量方面还趋于空白。

我国海域辽阔，海洋资源是人类急待开发的宝贵资源。目前国际形势严峻，我国的海洋防御能力急需加强。传统的水下声场、磁场、水压场技术已逐渐走向成熟，但是还是存在或多或少的缺陷。水上舰船、水中潜艇、水下航行器均会产生电场，水下电场在水中目标识别、水下航行器导航方面有重要应用。

1国外研究概况、水平和发展趋势

在各国对海洋电场探测的情况下，一系列海洋电场传感器如雨后春笋般出现。美国海军研究生学院20世纪70年代的一篇国防报告中曾针对海洋电场探测传感器研究了不同材料在海水中的直流电阻、低频(0.1Hz~1.0 Hz)阻抗和信号接收阻抗，选择了银、铝、碳纤维、铜、铂、钛、锌、钨、铅、锡、镍、不锈钢、铂/铂黑电极和银/氯化银电极进行实验测试，并结合电极的工作面积、腐蚀和极化情况来分析测量结果，结果表明银/氯化银电极、铂/铂黑电极和碳纤维电极的耐蚀性能好、接收阻抗低，较其它材料更适合作为海洋电场探测电极，其粗糙多孔的表面状态可以增大电极有效工作面积，从而降低电极的信号接收阻抗。

英国海军装备的Ultra Electronics PMES公司生产的三分量电场传感器以Ag/AgCl电极为传感器，使用频率为直流~3000Hz，在1 Hz处其测量灵敏度高于2.5 nV/m，噪声小于0. 5 nV/Hz1/2，是目前自噪声最小的电场传感器。

美国Saic公司与英国Subspection公司联合研制的传感器阵列，用于水下电场矢量的监测。每个传感器由3个相互正交可互换的相同Ag/AgCl电极构成，电极相距lm，电极的噪声小于2.5 nV/Hz1/2。阵列的传感器数一般可达20~30个，通过基阵，将舰船电场感应成电信号，经数据采集处理可达到0.1 nV/m的极高测量灵敏度。

美国ISL公司(Information systems laboratories)生产的以Ag/AgCl电极构成三分量电场传感器使用频率为25Hz，电极相距lm，在1 Hz处测量灵敏度为6nV/m，噪声小于6nV/Hz1/2，尺寸为14"x14"x20"。

德国Ludwig Systemtechnik公司以及瑞典的Polyamp AB公司生产的水下电场传感器以碳纤维为电极。其中瑞典海军装备的Polyamp AB公司的碳纤维电极使用频率为0.003 Hz~1100Hz，在1 Hz处测量灵敏度为2nV/m，噪声约为1 nV/Hz1/2。

这些数据代表了目前国际上电场传感器的最高水平。由于其在军事上的明显用途，有关具体的研制方法和工艺技术在公开文献中很难查找到。

2国内研究概况、水平和发展趋势

近年来，国内有很多家科研院所都进入到该领域，各自都取得了不同程度的成果。青岛海洋大学王庆璋等人根据海水成分中卤离子的含量计算并制备了含Br、Cl离子的银—卤化银电极，并测试了电极的能斯特响应特性和在海水中的长、短期稳定性，结果表明该电极稳定性良好，没发生光敏现象。

中科院福建物质结构研究所石小燕等利用粉末压片法研制了Ag/AgCl电极，讨论了烧结温度、电解质温度和浓度对电极稳定性的影响，结果表明该电极具有较好的稳定性，电势漂移小于士0.01mV/4h，长期稳定性电极电势漂移小于0.13mV。

中国地质大学与中船重工青岛725研究所合作研发了全套的电场传感器，包括电极制作、封装、信号处理等，解决了实际测量时海水流动产生影响的问题，仪器结构小型化以及可靠性等问题、多点测量计时与对钟等工作，并获得了模拟实验和海洋实测结果，对海洋电场传感器进行了系统细致的研究，电极的稳定性能较好，电势漂移为

0.1 mV/48h。

海军工程大学张燕等人分析比较了Ag/AgCl、 Cu、Fe、石墨、Ti、 Ni、Zn、A1、饱和甘汞电极等9种不同电极材料的直流阻抗、交流阻抗以及稳定性，分析发现Ag/AgCl电极的直流阻抗和低频阻抗都很小，电极漂移为10uV/40s，比其它电极材料更适合作为电场传感器；还用电解法制备了Ag/AgCl电极，发现在0.1 mol/L的KCl溶液中，其电势漂移为0.5mV/2h，在人造海水中电势漂移约为1 mV/2h。

重大化工学院向斌等人利用液相法和固相研磨法分别制备了AgCI粉体，利用粉末压片法制备了Ag/AgCl电极，研究了制粉方法、海水相对流速以及长时间在海水中浸泡等因素对电极稳定性的影响。分析发现，固相研磨法粉体制备的电极稳定性比液相法好，电极电位波动小于2mV，海水流速对电极稳定性无显著影响。

3 国内外研究差距比较分析

不难看出，虽然国内在水下电场测量传感器方面发展迅速，但研究与国外还存在较大差距，主要表现在：

１）目前国内还没有针对水下电场电极性能建立完善的评估系统，电场电极自噪声、幅频响及温漂等主要性能指标的研究还处于空白阶段。

２）电极对电场典型信号的响应特性没有系统的研究，其结果可信度、可靠性有待考察。所以需要建立已知电场发生装置，作为表征电极探测灵敏度和准确性的平台，并依此建立海洋电场探测电极响应性能的评估体系。

３）结合常规的电化学测试方法来分析各种电极对海洋电场的响应机理，进一步针对海洋电场的特殊性提出新的电极探测性能表征参数和表征方法，这也是进一步开发高性能探测电极的必要途径。

４）与常规传感器相比，由电极对构成的海洋电场传感器没有提出相关的技术性能指标，所以建立统一、成熟的评价方法和手段是海洋电场探测传感器未来发展的重要任务。

4 结束语

长期以来，我国在该水下领域的研究进展缓慢。因此开展水下电场方面的研究，为推动我国水中兵器发展和舰船防护有着重要的军事作用，对保卫我国海洋安全有着重要军事意义。国内在水下电场测量方面还有大量工作需要开展，急需要从理论和实验上对水下电场测量进行系统的研究，从而提高测量水平，缩短差距并赶上甚至超越国际先进水平。

参考文献

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