舰船感应磁性的磁异常信号特征

王光辉，朱 海，郭正东，喻利军

(1.海军潜艇学院，山东 青岛266042;2.中国人民解放军92196 部队，山东 青岛266000)

0 引 言

钢铁建造的舰船在地磁作用下会被磁化，从而扰动地球磁场，产生磁异常信号，该信号是磁引信水雷、航空磁异常探潜系统等所依赖的目标信息源［1-3］。根据钢铁的铁磁性质不同，舰船的磁性可分为:永久磁性和感应磁性。采用消磁站外消磁方式，可以有效地降低永久磁性;但对于感应磁性的控制，只能利用舰船消磁系统(内消磁)实现［4］。因此，对于没有装备内消磁系统的舰船而言，实施外消磁后，感应磁性就成为其主要磁性成分，直接决定了磁性目标特征［5］。

航向的变化造成舰船感应磁性的变化，从而影响其磁异常信号分布。本文针对舰船的感应磁性，研究了不同磁航向情况下的磁异常信号分布，对于认识舰船的磁性目标特征具有重要意义。

1 相关模型

1.1 相关坐标系

如图1 所示，建立地理坐标系XnYnZn(北-东-下)、地磁坐标系XmYmZm(磁北-磁东-下)和甲板坐标系XbYbZb(首-右-下)。忽略舰船姿态变化，地理坐标系、地磁坐标系、甲板坐标系之间分别仅仅存在一个旋转角度(磁差Var、磁航向MC)。

1.2 地磁模型

在地理坐标系中，地磁主磁场(X，Y，Z)可由国际地磁参考场模型 (International Geomagnetic Reference Field，IGRF-11)获得［6］:

图1 三种坐标系Fig.1 Three reference frames

式中:R 为国际参考地球半径，为6 371.2 km;r 为地心距，km;θ 为当地余纬度;λ 为当地经度;，为n 阶m 次高斯球谐系数，nT，由国际地磁学与高空物理学协会发布;Pmn(cosθ)为施密特准归一化的缔合勒让德函数。

则在地磁坐标系中，地磁分量可表示为:

1.3 磁异常信号模型

由于矢量磁传感器的测量结果对传感器的姿态非常敏感，受探测平台姿态测量精度的限制，难以获取较为准确的目标磁场。因此，标量磁力仪是目前常用的远场磁异常探测手段。远场情况下，舰船磁性可等效为位于甲板坐标系原点的磁偶极子，其产生的磁场可表示为

式中:m 为磁偶极子的磁矩;rb为甲板坐标系中场点的位矢。

对于标量探测，考虑到舰船磁场远小于地球磁场的实际情况，舰船磁异常信号可表示为

式中:B 为舰船产生的磁场;BE为地球磁场。

2 舰船感应磁性

考虑地球磁场属于弱磁的实际情况，舰船的感应磁化过程可看作线性过程［7］，因此，在甲板坐标系中，感应磁性各分量与相应的地磁分量成正比，其可表示为

在地磁坐标系中，感应磁性可表示为

当场点距离舰船较远时，其磁性可等效为一个旋转椭球体。根据铁磁质磁化理论，具有一定形状的物体磁化时，内部要产生一个与物体形状相关的去磁场，造成使物体磁化的磁场要比外加磁场弱［8］。因此，旋转椭球体各个方向的磁化能力并不相同，3 个主轴方向的磁化系数满足

式中:Nx，Ny和Nz为椭球体纵向、横向、垂向去磁系数;λ 为椭球形状系数，等于长半轴与短半轴之比。

3 仿真分析

不失一般性，舰船的长宽比取为10;艇铁的相对磁导率取为200，相应椭球体纵向、横向、垂向去磁系数为0.02、0.49、0.49，纵向、横向、垂向磁化系数之比为19.55∶1∶1;地球磁场水平分量和垂直分量分别取值为30 715 nT、41 526 nT (中纬度地磁场);纵向感应磁矩的最大值为2 ×105A. m2(典型舰船的等效磁矩)。在舰船上方200 m 高度的水平平面内，解算获得的地磁坐标系中舰船的磁异常信号分布如图2 所示。舰船磁航向相差180°时磁异常信号的分布相同;信号分为正、负2 个区域，正值区域位于舰船南侧，负值区域位于舰船北侧;信号大致左右对称分布，对称轴在南北方向附近，其偏离南北方向的角度与舰船磁航向有关;信号强度受舰船磁航向变化影响显著，当舰船沿磁南、磁北航向时，磁异常信号最强，当舰船沿磁东、磁西航向时，磁异常信号最弱;不同方向的信号梯度不同，不论舰船航向如何，沿磁南、磁北方向的信号梯度均远大于沿磁东、磁西方向的信号梯度。

图2 舰船上方200 m 高度水平面内的磁异常信号分布Fig.2 The MAD signal distributing on the plane of 200 m above ship

4 结 语

在地磁场中，舰船感应磁性产生的磁异常信号与舰船的磁航向密切相关，当舰船沿磁东、磁西附近航行时，磁异常信号较弱;磁异常信号的水平变化方向性明显，沿磁南、磁北方向的磁异常信号梯度最大。为了减小舰船的磁异常信号，舰船应尽量沿磁东、磁西方向航行;为了提高对舰船的探测能力，应尽量沿磁南、磁北方向搜索。

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