反潜巡逻机运动态势对潜艇磁异常信号的影响分析

吴 芳， 吴 铭， 杨日杰， 熊 雄

(1. 海军航空工程学院 电子信息工程系， 山东 烟台 264001； 2. 海军航空兵学院 作战指挥系， 辽宁省 葫芦岛市 125001)

反潜巡逻机运动态势对潜艇磁异常信号的影响分析

吴 芳1， 吴 铭2， 杨日杰1， 熊 雄1

(1. 海军航空工程学院 电子信息工程系， 山东 烟台 264001； 2. 海军航空兵学院 作战指挥系， 辽宁省 葫芦岛市 125001)

反潜巡逻机具有速度快、 航程远、 续航时间长等特点,是重要的航空反潜兵力. 磁探仪具有不受水文气象条件限制、 可以连续搜索、 使用简单可靠、 分类能力好、 定位精度高等特点,是现代反潜飞机,尤其是固定翼反潜巡逻机普遍使用的反潜探测设备. 本文依据反潜巡逻机磁探仪实际搜潜过程， 建立了磁探仪探潜的地磁北坐标系和磁探仪探测相遇坐标系， 并基于这两种坐标系， 建立了目标磁异常信号模型， 仿真分析了反潜巡逻机飞行航向、 飞行速度、 飞行高度及反潜机与目标横向距离的变化对目标磁异常信号分布的影响.

反潜巡逻机； 磁探仪； 磁异常； 潜艇

0 引 言

反潜巡逻机相对反潜直升机具有速度快、 航程远、 续航时间长和装载反潜设备种类、 数量多等特点， 有很强的搜索、 攻击能力， 是重要的航空反潜兵力， 主要担负应召搜索和近海警戒、 巡逻等任务. 与其他探潜设备相比， 磁探仪具有不受水文气象条件限制、 可以连续搜索、 使用简单可靠、 分类能力好、 定位精度高等特点， 是现代反潜飞机， 尤其是固定翼反潜巡逻机普遍使用的反潜探测设备[1]. 目前国内外对反潜巡逻机磁探仪搜潜技术做了大量相关研究， 主要是围绕磁探仪搜潜原理的定性描述[1-7]， 未考虑反潜巡逻机飞行航向、 飞行速度、 飞行高度及反潜机与目标横向距离等运动态势对潜艇磁异常信号的影响. 而反潜巡逻机运动态势对磁探仪搜潜效能的影响是不能低估的. 因此， 本文通过建立目标磁异常信号模型， 仿真分析反潜巡逻机飞行航向、 飞行速度、 飞行高度及反潜机与目标横向距离的变化对目标磁异常信号分布的影响， 可为磁探仪目标检测、 搜索、 识别等提供依据.

1 磁探仪探潜坐标系

反潜巡逻机到达指定任务海域后， 使用磁探仪低空飞行搜索目标. 假设在该区域内地磁场均匀分布， 而且大小基本不变. 当遇到水下潜艇目标时可由磁探仪测出潜艇扰动地磁场所产生的磁异常变化. 根据反潜巡逻机磁探仪的实际探潜过程， 反潜机和目标的运动态势如图 1 所示. 图 1 中，h表示反潜巡逻机的飞行高度，L表示反潜巡逻机的相对飞行路径与目标位置点的横向距离，R0表示反潜巡逻机相对搜索航路与目标最近距离点，HE表示地磁场， N和S分别表示地磁北方向和地磁南方向，p表示目标磁矩.

由目标磁场随距离衰减规律可知， 距离越远， 目标磁场越小. 因此， 图 1 中磁异常探测系统检测到信号强度最大的点为目标与磁探仪航路最近距离点(Closest Point of Approach, CPA). 因磁探仪被动探测， 作用距离较小， 在CPA点前后较短的时间段内磁异常探测系统接收到磁异常信号是有效目标磁异常信号. 根据磁探仪探潜原理可建立反潜巡逻机磁探仪探潜坐标系， 如图 2 所示.

图 1 反潜机和目标运动态势图Fig.1 Airborne magnetic anomaly detection scenario

以目标位置点O为坐标系的中心点， 建立两个坐标系：

1) 地磁北坐标系OXYZ.XOY位于水平面，Y轴指向磁北方向， 与地磁场HE方向相同，X轴指向磁东方向，Z轴垂直于XOY平面.

2) 磁探仪探测相遇坐标系OX′Y′Z′.X′轴平行于磁探仪相对潜艇的运动方向，Z′轴垂直于X′轴并且指向CPA点，Y′轴垂直于X′OZ′平面.

2 目标磁异常信号模型

2.1 标量磁探测系统磁异常信号表示方法

现有航空磁异常探潜系统大多为标量磁异常探测系统， 因此， 本节主要针对标量磁异常探测的特点， 分析目标磁异常信号. 假定目标在磁传感器位置产生的磁场为B， 标量磁传感器测量的是总磁场TT， 并经滤波去除其中的恒定分量HE， 得到目标的磁异常信号B， 如图 3 所示.

图 3 总磁场与地磁场以及目标磁异常场的关系Fig.3 Relationship of total measured field geomagnetic field and magnetic abnormal field

由图 3 可知

设偶极子场B与地磁场的夹角为g， 则有

因地磁场HE≫B， 式(2)由泰勒级数展开可以近似表示为

设标量磁力计探测到的目标磁异常信号为Bm， 则有

Bm=HT-HE≈Bcosγ.

Bm≅

可见， 标量磁探仪测得的磁异常信号实际上是潜艇磁场在地磁场方向上的投影值.

2.2 磁探仪探测中目标磁异常信号模型

反潜巡逻机磁探仪一般为远场探测， 目标模型可表示为磁偶极子模型， 基于磁探仪探潜坐标系OX′Y′Z′， 目标在距离r处产生的磁感应强度

假设l,m,n为目标磁矩p在OX′Y′Z′坐标系中的方向余弦， 若i′,j′,k′分别表示OX′Y′Z′坐标系中三轴方向的单位矢量， 则在OX′Y′Z′坐标系中目标磁矩p的单位矢量

′.

设CPA距离为R0， 坐标点(s,0,R)表示磁探仪在OX′Y′Z′坐标系中的位置点， 则磁探仪与目标的距离矢量r在OX′Y′Z′坐标轴中可以表示为

r=si′+R0k′.

r的单位矢量

将式(7)和式(9)代入式(6)可以得到

假设l1,m1,n1为地磁场矢量HE在OX′Y′Z′坐标系中的方向余弦， 在OX′Y′Z′坐标系中HE的单位矢量

设Bm表示标量磁力计探测到的目标磁异常场， 将式(10)， 式(11)代入式(5)可得到

令

则有

设磁探仪相对潜艇的速度为v， 则有

|r|

令

则式(14)可表示为

假设地磁场倾角为Φ， 指向水平面以下为正， 在OXYZ坐标系中， 地磁场矢量HE的单位矢量

式中：φ表示相对航向与磁北方向的夹角，δ表示目标与CPA点连线与Z轴的夹角.

根据文献[8]可得到OXYZ坐标系下向量(x,y,z)到OX′Y′Z′坐标系下向量(x′,y′,z′)的转换

于是有

i′=isinφ+jcosφ,

j′=-icosδcosφ+jcosδsinφ+ksinδ,

k′=isinδcosφ-jsinδsinφ+kcosδ.

则由式(19)， 式(21)可以得到

由式(20)， 式(21)则可得到

由式(13)， 式(18)， 式(23)和式(24)即可得到探潜坐标系下磁探仪探测动目标磁异常信号模型.

3 仿真分析

反潜巡逻机磁探仪探测中要准确判别水下磁性目标信号， 实现对水中磁性目标的有效检测， 必须深入分析磁性目标的信号特征及其影响因素. 本节以目标磁异常信号模型为基础， 仿真分析反潜巡逻机飞行航向、 飞行速度、 飞行高度及反潜机与目标横向距离的变化对目标磁异常信号分布的影响， 可为磁探仪目标检测、 搜索、 识别等提供依据.

3.1 飞行航向对探测磁信号影响分析

反潜巡逻机探测航向分别为0°, 45°, 90°, 180°, 225°, 270°, 315°条件下， 磁探仪探测到目标磁异常信号变化曲线如图 4 所示.

图 4 不同反潜机飞行航向条件下目标磁异常信号变化特征图Fig.4 Magnetic signal detected with different flying courses

由图 4 可知， 在潜艇磁矩恒定和航向恒定的条件下， 反潜机采用不同航向探测， 目标信号幅度大小有明显的差异.

3.2 飞行速度对探测磁信号影响分析

反潜巡逻机飞行速度分别为200km/h， 300km/h， 400km/h， 500km/h条件下， 磁探仪探测到目标磁异常信号变化曲线如图 5 所示.

图 5 不同反潜机飞行速度条件下磁异常信号变化特征图Fig.5 Magnetic signal detected with different flying speed

由图 5 可知， 在潜艇磁矩恒定和航向恒定、 反潜机航向固定条件下， 反潜机采用不同飞行速度探测， 信号幅度基本不变， 有效信号时间则明显减小.

3.3 飞行高度对探测磁信号影响分析

反潜机飞行高度分别为50m, 100m, 200m, 300m条件下， 磁探仪探测到目标磁异常信号变化曲线如图 6 所示.

图 6 不同反潜机飞行高度条件下磁异常信号变化特征图Fig.6 Magnetic signal detected with different height

由图 6 可知， 在潜艇磁矩恒定和航向恒定、 反潜机航向固定， 反潜机飞行速度固定， 横向距离固定条件下， 目标信号幅度随着探测高度的增加急剧减小.

3.4 横向距离对探测磁信号影响分析

反潜巡逻机与目标的横向距离分别为50m, 200m, 350m, 500m条件下， 磁探仪探测到目标磁异常信号变化曲线如图 7 所示.

图 7 不同横向距离条件下磁异常信号变化特征图Fig.7 Magnetic signal detected with different CPA distance

由图 7 可知， 在潜艇磁矩恒定和航向恒定、 反潜机航向固定条件下， 反潜机飞行速度固定， 目标磁异常信号幅度随着横向距离的增加急剧减小.

由以上仿真结果可知， 高度越低， 距离目标越近， 反潜巡逻机磁探仪探测到的目标磁异常信号就越强.

4 结 论

本文依据反潜巡逻机磁探仪实际搜潜过程， 建立了磁探仪探潜的地磁北坐标系和磁探仪探测相遇坐标系， 并基于这两种坐标系下， 建立了目标磁异常信号模型. 最后， 仿真分析了反潜巡逻机飞行航向、 飞行速度、 飞行高度及反潜机与目标横向距离的变化对目标磁异常信号分布的影响， 得到以下主要结论：

1) 在潜艇磁矩恒定和航向恒定的条件下， 反潜机采用不同航向探测， 目标信号幅度大小有明显的差异；

2) 在潜艇磁矩恒定和航向恒定、 反潜机航向固定条件下， 反潜机采用不同飞行速度探测， 信号幅度基本不变， 有效信号时间则明显减小；

3) 在潜艇磁矩恒定和航向恒定、 反潜机航向固定， 反潜机飞行速度固定， 横向距离固定条件下， 目标信号幅度随着探测高度的增加急剧减小；

4) 在潜艇磁矩恒定和航向恒定、 反潜机航向固定条件下， 反潜机飞行速度固定， 目标磁异常信号幅度随着横向距离的增加急剧减小；

综上所述， 反潜巡逻机的飞行高度越低， 距离目标越近， 磁探仪探测到的目标磁异常信号就越强.

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Analysis the Affection of the Anti-Submarine Aircraft’s Movement Situation to the Magnetic Anomaly Signal of Submarine

WU Fang1， WU Ming2， YANG Rijie1， XIONG Xiong1

(1. Dept.of Electronic Information Engineering, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001,China； 2. Dept. of commonding, Naval Aviation Arms University, Huludao 125001, China)

Anti-submarine patrol aircraft is an important aviation anti-submarine forces which has characteristics such as the speed is quick, the voyage is far, the cruising time is long and so on. The magnetic finder is a kind of anti-submarine detection equipment which is universally used by the modern anti-submarine aircraft, especially the fixed wing anti-submarine patrol aircraft. It has the characteristics such as not being restricted by the hydrological conditions, can continuously search , use is simply reliable, the classification ability is good, the positioning accuracy is high and so on. According to the actual process of searching for the submarine which is used by the magnetic anomaly detector of the anti-submarine patrol aircraft, this paper established the geomagnetic north coordinate system and the magnetic finder detection meet coordinate system which is used by the magnetic finder, and based on these two kinds of coordinate systems, the target magnetic anomaly signal model is established. Finally, simulations about the flight course, flight speed, flight altitude of the anti-submarine patrol aircraft and the influence of lateral distance change between the anti-submarine plane and the target to the target magnetic anomaly signal distribution are conducted.

anti-submarine patrol aircraft; magnetic anomaly detector; magnetic anomaly; submarine

2016-12-05

国家自然科学基金资助项目(61271444)

吴 芳(1981-)， 女， 讲师， 博士， 主要从事航空反潜的研究.

1671-7449(2017)04-0283-07

TN915

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.04.002