一种潜艇磁异常模拟器仿真与试验

王景然刘首善宗发保顾建松邹鹏毅张谨

（1.第七一五研究所，杭州，310023；2.91046部队，山东莱阳，265200）

一种潜艇磁异常模拟器仿真与试验

王景然1刘首善2宗发保1顾建松1邹鹏毅1张谨1

（1.第七一五研究所，杭州，310023；2.91046部队，山东莱阳，265200）

对永磁铁、载流圆线圈、有限长载流导线三种可能用于潜艇诱饵磁学特性模拟的方案进行了理论分析对比，最终确定有限长载流导线为最佳方案。在东营海滩实地布设了100 m长的载流导线作为磁异常模拟器，并采用动力三角翼飞机搭载磁探仪对其开展了试飞验证。记录的数据经过日变校正、地磁背景场匹配后，在200 m高度某条测线的总场异常大小为2.6 nT，与理论仿真结果接近，与中型船舶在相同高度产生的总场异常大小相当，证明采用有限长载流导线作为潜艇磁异常模拟器是可行的，为潜艇磁异常模拟器的研制提供参考。

潜艇诱饵；载流导线；磁异常模拟器

磁异常探测是一种重要的非声探测手段，具有分类能力好、定位精度高、可探测水下目标、被动探测等优点[1-4]，通常作为对潜艇攻击前的最后确认手段和小范围重点区域的搜索手段。潜艇可以通过潜艇诱饵(如美国的MK39潜艇模拟器)来躲避反潜巡逻机和反潜舰船的探测追踪、鱼雷攻击[5,6]。潜艇诱饵必须具备模拟潜艇声学和磁学特性。三种可能用于潜艇诱饵磁学特性模拟(即“磁异常模拟器”)的方案中，永磁体和载流圆线圈方案在实际应用中均存在困难，本文采用有限长载流导线方案，在有限长载流导线理论仿真的基础上开展试验验证。

1 永磁铁和载流圆线圈方案

国外中型潜艇的磁矩大小为2×105A·m2量级，在其上方400 m、200 m高度上产生的磁异常约为0.3 nT、2.4 nT。可以产生磁矩或磁异常的方案有：永磁体、载流圆线圈、有限长载流导线。

1.1 永磁体方案

钕铁硼永磁铁是目前磁性最强的永磁体。钕铁硼永磁铁具有极高的磁能积和矫顽力，是稀土永磁材料发展的最新成果，因其优异的磁性能被称为“磁王”[7]，具有磁能积高、体积小质量轻等优点，是迄今为止性价比最佳的商品化材料。2010年，我国钕铁硼的产量就达10.8×107kg，占全球产量的80%，钕铁硼已被广泛应用于电子信息、机械、医疗以及国防领域，有N35～N48、N33H～N45H、N33SH～N40SH等共计16种牌号，N40S型号的矫顽力可高达939 kA/m。

一块直径15 cm、厚度1 cm的钕铁硼永磁铁重量约为0.5 kg，磁矩约为60 A·m2。要产生2× 105A·m2大小的磁矩至少需要3 300个永磁铁，重量高达1 650 kg，且磁性极强，搬动和运输都存在极大危险。

1.2 载流圆线圈方案

当测量点到载流圆线圈的距离r远大于线圈半径a时，载流圆线圈可等效为磁矩为P=NIπa2的磁偶极子[8]，N为载流圆线圈匝数，I为供电电流，a为线圈半径。

若供电设备输出电流为20 A，圆线圈直径为2 m，要产生2×105A·m2量级的磁矩，线圈匝数须达到1 061匝，绕制线圈的导线长度须13 km，消耗的功率极大，在实际中也是不可行的。

2 有限长载流导线理论仿真

2.1 理论基础

如图1所示，建立右手空间直角坐标系O-XYZ，原点O为有限长导线的一个端点，X轴指向正北方向，Z轴铅直向下。导线在O-XY平面内放置，与X轴方向的夹角记为θ。当通过导线的电流为I时，电流元在空间产生的磁场依据毕奥-萨伐尔定律[9]为

式（1）中，0μ为真空磁导率，为电流元到测量点P的位移矢量，r为电流元到测量点的距离。记ex、ey、ez分别为X、Y、Z轴的单位向量，空间中任意一点P的坐标为(px,py,pz)，导线在P点产生的磁场为(B3 x,B3 y,B3 z)

将式（2）～（5）带入式（1）积分后可得

式中

图1 坐标系建立

2.2 数值仿真

给定仿真参数：载流导线长度L=100 m；供电电流I=15 A；导线沿与X轴方向成45°放置；地磁场总场52 000 nT，地磁倾角为55°，地磁偏角为－2°；其在200 m高度(Z=－200)上方平面内产生的磁异常B3 x、B3 y、B3 z分别如图2～图4所示，产生的总场异常ΔB如图5所示。

图2 200 m高度平面内的B3 x分布

图3 200 m高度平面内的B3 y分布

图4 200 m高度平面内的B3 z分布

图5 200 m高度平面内的ΔB分布

由图2～图4可以看出，给定仿真条件下的载流导线产生的磁异常x分量B3 x，y分量B3 y的峰峰值大小均为2.56 nT，B3 x为负，B3 y为正；磁异常z分量B3 z的峰峰值大小为2.83 nT。由图5可以看出，给定仿真条件下的载流导线产生的磁异常与地磁场叠加后产生的总场异常ΔB峰峰值大小为2.74 nT，与中型船舶在相同高度产生的总场磁异常大小相当。

3 试验情况

为了验证载流导线产生的磁异常，我们在东营海滩布设了磁异常模拟器。该磁异常模拟器如图6所示，由发电机、恒流源、双绞线、长导线、电极组、安全警示带组成，长导线长度为100 m。

图6 载流导线式磁异常模拟器

电极组布置现场中，为了减小供电回路电阻，每个电极组由6根打入地下的铝条组成。试验中采用的动力三角翼航磁测量系统如图7所示，其由动力三角翼飞机、氦光泵磁力仪、三分量磁力仪、GPS、高度计组成。

图7 动力三角翼航磁测量系统

动力三角翼航磁测量系统记录的数据经过日变校正、地磁背景场匹配后，在200 m高度某条测线的总场异常如图8所示，其总场异常峰峰值大小为2.6 nT，与理论仿真结果接近，与中型船舶在相同高度产生的总场异常大小相当。

图8 载流导线在200 m高度某测线的总场异常

4 结语

初步研究了有限长载流导线型潜艇模拟器的磁异常，通过理论分析和试验验证，证明了该型潜艇模拟器的可行性，这可作为潜艇磁异常模拟器研制提供技术支撑。该研究尚有不足之处，后续将考虑导线型模拟器在不同方向放置、不同供电电流、不同高度探测时产生的磁异常情况。

本文是在吴文福研究员的细心指导下完成的，对中色地科矿产勘查股份有限公司提供动力三角翼飞机和试验帮助表示感谢，对其他所有参与试验的人员在此一并表示感谢。

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国家863计划（高精度地面量子磁测技术与装备，NO：2014AA06A611）