基于空间磁场模型的航空磁探测分析方法

王珺琳，刘金荣，吕政良，陈　超

(中国电子科学研究院，北京　100041)

王珺琳(1986—)，女，黑龙江人，工程师，主要研究方向为航空反潜技术；

E-mail:kuailewujiang@126.com

刘金荣(1986—)，女，辽宁人，工程师，主要研究方向为航空反潜技术；

吕政良(1986—)，男，浙江人，工程师，主要研究方向为计算电磁学；

陈　超(1987—)，男，安徽人，工程师，主要研究方向为系统总体技术。



工程与应用

基于空间磁场模型的航空磁探测分析方法

王珺琳，刘金荣，吕政良，陈超

(中国电子科学研究院，北京100041)

摘要：航空磁探测作为航空反潜的一种重要技术手段正引起广泛重视和研究。本文提出了一种基于空间磁场模型的航空磁探测分析方法，通过对空间感兴趣区域磁场模型的建立，与飞行轨迹方程进行联合求解，得出不同轨迹下的磁感应强度曲线，计算机仿真结果验证了方法的有效性。

关键词：航空反潜；磁探仪；磁偶极子；分析方法

0引言

航空反潜平台对工作深度航行状态潜艇目标的主要探测手段是声纳和磁探仪，在非声探潜手段中，磁探仪与声纳设备(如反潜直升机使用的吊放声呐[1]及声呐浮标)可以更好地结合使用，航空磁探仪作为一种有效的被动探潜设备，通过感知磁性目标扰动地磁场所产生的磁异常信号实现对潜艇目标的探测，具有隐蔽性好、连续搜索、使用简单可靠、定位精度高等优点[2]。为了分析潜艇目标产生的磁异常信号对磁探仪探测性能的影响，文献[3-5]分别从飞机航向、潜艇方向和潜艇磁矩等方面分析了各因素对磁异探潜性能的影响，并得出一些可供参考的仿真结果。这些方法多是将所需条件带入公式求得该条件下的磁感应曲线，没有直观的获得感兴趣区域的区域磁感应强度分布。

本文从目标偶极子场建模的角度出发，通过对空间感兴趣区域的磁场模型的建立，与飞行轨迹联合求解，得出不同轨迹下的磁感应强度曲线，更直观方便的获得区域磁感应强度分布及不同条件下航空磁探仪获得的磁感应强度曲线，进而用于分析不同因素对航空磁探测性能的影响。

1理论基础1.1潜艇磁场模型

地球磁场在一定区域内可看做是均匀的，而潜艇多为高磁导率的钢铁结构，处于地磁场中被磁化，在海底某区域出现时，该区域均匀分布的地磁场会被扰动，产生磁异常信号，而这个磁异常信号可被装有磁力仪的飞机飞过这片区域时探测到[6]。

由于磁探仪在空中所测得的磁场既包括潜艇磁场，又包括地磁场，是二者叠加的合成磁场。因此可以用图1表示潜艇磁场Bs、地磁场Be和合成磁场Bt的关系，其中θ为地磁场与潜艇磁场的夹角。

图1　磁场关系示意图

由余弦定理可知，

(1)

由于地磁场大小通常为50uT-60uT，而潜艇的磁感应强度往往小于几nT，Bs远小于Be，此时可表示为：

(2)

因此，磁探仪测得的磁异常值为：

(3)

潜艇可被看做是磁偶极子[7,8]，由磁偶极子模型可知，空间任一点处的磁场强度为：

(4)

其中，r为空间P点到目标的距离矢量；r为其绝对值；M为磁矩矢量。

则标量测量总场为：

(5)

其中α为距离矢量r和磁矩M的夹角。

1.2空间磁场建模方法

由于目标的磁感应强度分布是和空间位置有关的量，实际过程中，飞机在检测目标的过程可以看做是直线等高飞行，因此根据设定的飞行高度，绘制出该高度下探测局域内的目标磁感应强度分布图，再利用飞机轨迹与其相交的原则，确定不同飞行轨迹下获得的磁感应强度曲线，从而可以更加直观和方便地对比不同情况下接收磁感应强度的变化。

设磁矩矢量为M=(Mx,My,Mz)，地磁倾角为I，地磁偏角为D，则地磁单位矢量为e=(cosIcosD,cosIsinD,-sinI)，距离矢量r=(x,y,z)，其中z是飞行高度，在飞行轨迹确定时为定值，x,y为搜索平面的横纵坐标，不同位置值不一样，为变量，坐标系示意图如图2所示。

图2　坐标系示意图

因此利用偶极子磁感应强度公式可以求出搜索平面内目标的整体磁感应强度分布情况为：

(6)

则标量测量结果为：

Ba=Bs·e=Bx×cosIcosD+By×

cosIsinD-Bz×sinI

(7)

通过上面的公式就可以构建出某一飞行高度下的区域磁感应强度分布，由于标量值与坐标系的建立无关，若已知飞行轨迹，则该轨迹下的磁感应强度曲线可以在区域内进行采样，并将其横坐标变换到飞行坐标系下即可。

根据直角坐标系变化公式，假设初始坐标系O′XY转换为O″X′Y′，原点坐标变化到(x0,y0),坐标轴旋转角度为t，则有如下变化公式：

(8)

以地理北坐标系为原始坐标系，飞行坐标系为O′X′Y′(Z轴方向不发生变化，仅考虑平面直角坐标系变换)，只要知道目标在飞行高度平面上的投影O′到航线的垂直距离L和飞行航向β即可确定飞机航线，设飞行轨迹方程为y=kx+b，则：

(9)

方程联立得飞机坐标系下的横坐标为：

(10)

从而，可以求出磁探仪在飞行坐标系下获得的磁感应强度曲线。

2仿真试验

当目标出现在空间某点时，通常同一高度下的空间平面内磁强分布已经确定，通过该模型的建立，可以分析某一平面任意航线时的磁感应强度曲线，更加直观的分析和了解不同飞机航线下的探测性能。

以目标为坐标原点，地理北为坐标x轴，建立同一高度值(这里取z=400m)下的磁感应强度分布模型(仿真分析时不考虑背景噪声的影响)，再通过载机轨迹的设定，求得载机坐标系下磁感应强度曲线。

(1)不同飞机轨迹下的磁测结果

图3　磁探仪磁测仿真结果

图3(a)给出了载体所在水平面距离目标高度为400m，目标航向为90°时，XOY平面下的磁感应强度分布图，选择载体运行轨迹，短时间内可以认为是等高直线飞行，令轨迹为：y1=x+400，y2=-x+800，图3(b)给出了磁感应强度分布俯视图，其中白色线段为飞行轨迹；图3(c)和(d)分别给出了y1和y2轨迹下的磁感应强度曲线，通过轨迹的改变可以观察不同飞行轨迹对接收磁信号的影响。可以看出，利用该方法可以直观的对比不同飞行航线时的磁感应强度曲线，更加便捷的建立不同条件下获得磁目标的数据库，了解和分析飞机航线对磁探测的影响。

(2)不同航线下的峰峰值曲线仿真

为了更直观的分析磁探测的性能，采用磁异常曲线的峰峰值作为检测指标，利用上述方法，分别仿真了目标南北航向和东西航向两种情况下，不同飞机航向下目标投影到飞机航线垂直距离L从-500到500时的峰峰值检测曲线结果，如图4所示。

图4　不同目标航向下的磁感应强度曲线

通过图4可以看出：

(1)磁感应强度指标最大值和飞行航向及目标航向等因素有关，并非都在距离目标最近处(L=0)取得最大值；

(2)飞机南北航向和东南航向比东西航向和西南航向的检测值要大，检测宽度要宽；

(3)目标南北航向时，飞机南北航行的优势更加明显。

3结语

本文通过对感兴趣区域偶极子场建模与飞机轨迹方程联合求解的方式实现对航空磁探仪磁探测性能的分析，仿真结果表明不同的飞行轨迹得到的磁感应强度曲线有较大的区别，并且不同的目标航向也会影响目标产生的磁异常大小，因此对于固定的探测平面，磁探仪的探测性能是飞机航向和目标航向共同作用的结果。

参考文献：

[1]陈辉,郑杨.反潜直升机吊放声呐应召搜潜效能建模与仿真分析[J].中国电子科学研究院学报,8(6):2013,638-642.

[2]曾小牛,李夕海.基于磁异常探测的航空反潜技术[C].国家安全地球物理专题研讨会,武汉.2009.

[3]曲晓慧,陈建勇,单志超. 飞机航向对航空磁探仪搜潜概率影响的仿真[J].火力与指挥控制,39(5):2014,135-141.

[4]单志超,曲晓慧,杨日杰,周正.潜艇航向对直升机磁异探潜的影响[J].火力与指挥控制,38(2):2013,62-68.

[5]闫晓伟，段立召. 潜艇磁矩对反潜直升机磁探宽度的影响[J]. 船电技术,33(2):2013,18-21.

[6]韩瑞新,李春洪,陆勤夫等.航空反潜中的磁探仪系统仿真研究[J].系统仿真学报,21(9):2009,2753-2756.

[7]翁行泰,曹梅芬等.磁异探潜中潜艇的数学模型[J].上海交通大学学报,29(3),1995,27-32.

[8]任来平,赵俊生,侯世喜.磁偶极子磁场空间分布模式[J].海洋测绘,22(2):2002,18-21.

王珺琳(1986—)，女，黑龙江人，工程师，主要研究方向为航空反潜技术；

E-mail:kuailewujiang@126.com

刘金荣(1986—)，女，辽宁人，工程师，主要研究方向为航空反潜技术；

吕政良(1986—)，男，浙江人，工程师，主要研究方向为计算电磁学；

陈超(1987—)，男，安徽人，工程师，主要研究方向为系统总体技术。

The Aeromagnetic Exploration Analysis Method Based on Spatial Magnetic Field Model

WANG Jun-lin, LIU Jin-rong, LV Zheng-liang, CHEN Chao

(China Academy of Electronics and Information Technology，Beijing 100041，China)

Abstract:The Aeromagnetic Exploration is the main method in Air Anti-Submarine, and is attached importance and studied. An analysis based on spatial magnetic field model is proposed in the paper, and the magnetic induction curves in various course lines are calculated through the interested magnetic field model and course line equation. The simulation results indicate that the method is effective.

Key words:Air Anti-Submarine；magnetic anomaly detection；magnetic dipole；Analysis Method

作者简介

中图分类号：P631.2

文献标识码：A

文章编号：1673-5692(2016)01-032-04

收稿日期：2015-06-02

修订日期：2016-01-24

doi:10.3969/j.issn.1673-5692.2016.01.007