航空及水下探潜磁异常异同分析

孙华庆, 王 丹, 孙 宇

(海军潜艇学院, 山东 青岛 266000)

航空及水下探潜磁异常异同分析

孙华庆, 王 丹, 孙 宇

(海军潜艇学院, 山东 青岛 266000)

航空磁异常探潜已发展成熟多年,国内水下沉底磁探研究处于起步阶段。为更好将航空磁探相关经验借鉴到水下磁探中,需要分析比较二者异同之处。建立了潜艇磁异常探测模型,仿真分析了航空及水下阵列探测的潜艇磁异常信号,从信号特征、探测方式、探测传感器等方面进行比较。两种探潜方式原理相通,潜艇磁异常信号相似,相关研究方法可以借鉴到水下沉底磁探中,为非声探潜多样化提供理论支持。

地磁场模型; 磁偶极子; 磁异常; 磁探仪; 探潜

磁探测系统是对潜艇声呐探测的有效补充,可实现对潜艇目标的高精度定位。通过机载或水下磁探仪对潜艇有可能出没海域进行磁力测量,提取磁场信号中的异常数据,与潜艇的磁性特征参量进行对比,从而判断潜艇的存在以及潜艇的位置。

早在1940年,美国已经开展磁异常探测相关研究实验,20世纪70年代在P-3C等反潜飞机安装了AN/ASQ-81(V)反潜磁探仪(ASW Magnetometer)[1]。目前,国内机载平台航空磁潜定位系统已经进入定型试飞阶段,但是我国还没有列装水下磁探测阵相关系统,多场综合探潜还没有完善。为区别于舰船拖曳式近水面磁探,本文所分析的水下磁异常探测特指水下沉底磁探仪测量。

无论是航空还是水下探测潜艇的关键技术都是对磁异常信号的特征处理识别,而对于不同潜艇在不同海域产生的磁异常信号存在较大差异,因此需要在一定条件下进行潜艇探测仿真,分析总结信号特征。国内外对于航空磁异常探潜相关的研究比较成熟,而对其与水下磁探潜的异同研究较少。本文在世界地磁场模型(WMM2015)的基础上,利用潜艇磁偶极子模型进行航空及水下探潜磁异常仿真,对二者异同总结,分析水下潜艇探测能否借鉴航空领域的相关方法。

1 潜艇磁异常探测模型

1.1 世界地磁场模型(WMM2015)

2014年底,英国和美国联合发布了WMM2015世界地磁场模型,该模型主要用途是为地球上任何期望的位置提供磁偏角。除了磁偏角外,WMM还提供了从地球表面以下1km到地表以上850km的完整几何磁场[2]。由于潜艇磁异常信号是包含于整个地磁场信号中的,因此有必要对世界地磁场模型进行分析,特别是对所研究海域的地磁场进行计算,为后面磁性目标的数据处理提供模型依据。

为仿真贴近真实条件,作以下设定:模拟试验时间为2015年6月1日,区域位于中国近海某海域,坐标为东经110.00°,北纬18.00°,利用世界地磁场模型计算海平面以上100m、200m、300m及海平面以下150m、100m、50m背景磁场相关参数如表1所示。

由表1可知,在一定范围内,随着高度增大,地磁场总强度逐渐减小,但数量级比潜艇在该高度产生的磁感强度大得多;而地磁偏角和地磁倾角变化极小,且地磁偏角相对较小,为简便计算过程,仿真时忽略地磁偏角的影响。

表1 不同高度下地磁场模型参数表

1.2 潜艇磁异常模型

水下磁探仪所测得的磁场包括两部分：地磁场和潜艇磁场叠加成合成磁场;航空磁探仪测得的磁场是地磁场、潜艇磁场、飞机平台干扰磁场的叠加,飞机自身磁场需要通过学习飞行进行补偿,由飞机模型参数及飞行姿态解出,本文所仿真的数据为平台补偿后的数据[3-4]。

图1表示合成磁场Bt、潜艇磁场Bs、地磁场Be之间的关系。

图1 合成磁场、潜艇磁场、地磁场关系示意图

(1)

由表1可知,模拟试验海域地磁场总场强为数万nT,而潜艇磁场为几nT,远小于地磁场,因此有

Bt≈Be+Bscosθ

(2)

磁异常值为

Ba=Bt-Be=Bscosθ

(3)

当磁探仪与目标位置点距离大于2.5倍的磁性目标长度时,该目标可以视为一个磁偶极子[5]。磁偶极子数学模型知,距离磁性目标r(x,y,z)处的磁场可表示为

(4)

式中:m(mx,my,mz)为潜艇的磁矩,μ0为真空磁导率,从空气介质到海水介质中磁导率变化不大,近似等于μ0,r=|r|为潜艇到磁探仪的距离[6]。

1.3 潜艇空间探测模型

飞机及潜艇的航向对磁异常探测具有较大影响,因此,设潜艇航向与地理磁南极的夹角为α,经过良好消磁的潜艇本身固定磁矩较小,可忽略不计[7],而感应磁矩分纵向、横向、垂向三个,分别设为mlcosα,-mtsinα,mv,以潜艇为原点,磁南方向为x轴,垂直水平面向上为z轴按右手螺旋法则建立潜艇磁场坐标系,设地磁倾角为I,则地磁场方向单位矢量为：

e=excosI-ezsinI

(5)

Ba=Bs·e

(6)

Bs=Bx+By+Bz

(7)

Ba=exBx+eyBy+ezBz

(8)

图2 潜艇磁场地磁坐标系

在该坐标系下,潜艇磁矩为

m(mx,my,mz)=(mlcos2α+mtsin2α,

mlcosαsinα-mtcosαsinα,mv)

(9)

将磁矩式(9)代入磁场强度公式(4)中可得该坐标系中的场强三分量Bx,By,Bz,再代入式(5)和(8)可得地磁场环境下潜艇磁异常值为

Ba=BxcosI-BzsinI

(10)

2 仿真计算分析

利用潜艇磁异常模型及磁探仪探测模型(4)～(10)进行航空及水下探潜仿真。仿真设定条件如下:模拟试验海域水深200m,试验区域是大小近似1km×1km的矩形,海底地形较平坦,该海域地磁倾角为24°41′,地磁偏角较小暂不考虑。潜艇在海平面以下100m定深机动,航空反潜机载磁探仪位于海平面以上3个不同高度飞行,水下磁探仪布放于海底。设某常规潜艇磁矩:

(ml,mt,mv)=(5×106,1.5×106,1.5×106)A·m2

(11)

不考虑背景噪声及平台噪声等干扰,控制飞机航向与高度、潜艇航向等变量,分析比较在不同条件下航空与水下探测潜艇磁异常信号特性、特征。

2.1 航空探测

1) 探测主要特点

航空探测飞行速度相对于潜艇较快,飞行姿态多变,在探测过程中飞机平台会产生感应磁场,本文中的仿真数据假定已经进行过平台磁补偿[8]。

在地磁坐标系中,设试验海域为半径500m的圆形,圆心坐标为东经110.00°,北纬18.00°,潜艇位于中心。潜艇航速相对于飞机极低,可视潜艇方位固定不变,飞机从海域边界进入并直线飞行,经过潜艇正上方,探测航线上的磁异常相对最强。潜艇航向与磁南极夹角分别设为0°,80°,飞机航向与磁南极夹角分别设为0°,45°,90°,飞行高度分别为距海平面100m,200m,300m。控制飞机航向、速度、高度及潜艇航向等变量,代入磁异探潜模型中计算磁感强度。航空磁探仿真如下。

2) 仿真分析

图3(a)与图3(b)分析可知,飞机航向固定,潜艇航向不同时,在其所处海域感应形成的磁异常场不同;在一定范围内,磁异常信号的变化趋势是相近的,磁异常强度从大到小,信号曲线呈现类似正弦曲线的双峰式到类似正态分布的单峰式;飞机与潜艇航向平行时强度最大,随着航向夹角增大,磁异常变化幅度减小,强度减小,磁异梯度降低。

图3(c)与图3(d)分析可知,飞机速度越快,磁异常信号变化梯度越大,但是相同条件下信号极值不变,说明速度仅影响信号采集频率。飞机飞离水面越低,离潜艇距离越近,信号越强,而且梯度、幅值也越大，磁异常信号曲线也由单峰式向双峰式变化,飞机高度在100m～300m幅度变化,信号曲线特征变化较剧烈[9]。

图3 不同条件下飞机探测仿真

2.2 水下探测

1) 探测主要特点

水下沉底磁探仪位置固定,潜艇航速低,信号细节描述更准确。在地磁坐标系中,设试验海域为半径500m的圆形,潜艇位于海域中心,圆心坐标为东经110.00°,北纬18.00°,由相对运动可知,以潜艇为所在原点为参考系,相当于潜艇位置固定,磁探仪位置移动,速度为4m/s。

单个磁探仪只能测得与潜艇磁矩平行的移动方向的磁场,因此,仿真时只计算与y轴水平距离分别为0m,200m,300m航线上的磁场。潜艇航向与磁南极夹角分别设为0°,45°,90°,水下潜艇距离海底50m,100m,150m。用控制变量法,仿真了不同潜艇航向、深度、水平距离条件下的磁异常信号,由于潜艇速度较低,加速度小,故不做对艇速变量的仿真。

2) 仿真分析

图4(a)与图4(b)分析可知,潜艇磁异常信号大部分呈现非对称双峰式形态,航行深度越大,距离沉底磁探仪越近,信号越强。

图4(c)与图4(d)分析可知在探测距离大于一定值后,信号极弱衰减较快,现有磁探仪精度水平难以检测到;潜艇航向对信号强度、梯度影响较大;同一深度潜艇以不同航向经过时,磁异常信号强度存在差异,说明磁异常信号的变化多样;与地磁南极夹角越小,磁异强度越大,夹角90°或270°时最小。

图4 不同条件下水下基阵探测仿真

3 航空与水下潜艇磁异常探测异同分析

3.1 磁异常探测相同点

潜艇磁异常信号的变化趋势相似,都有双峰式、单峰式等形态。距离远的测量位置,信号的幅值、梯度都相对小。在探测中与磁矩平行方向的强度最大。潜艇相对于水下磁探仪与飞机相对于潜艇的运动态势相同,仅是磁探仪所处的高度不同,因此在模型仿真时使用相同的磁场模型;两者在探测时都是基于潜艇磁异常场强分布平面进行的,仿真计算时使用的都是总场强,磁导率相等且都等于真空磁导率。

3.2 磁异常探测不同点

由于探测速度、距离、采样频率的差异,信号在宽度、强度、梯度、曲线上的变化都不同。

为保证飞行安全及探测效率,飞机在进行磁探反潜搜索的高度一般在水面以上100m到400m,飞行速度在80m/s到120m/s;使用安装于尾部固定式磁探仪或者拖曳式磁探仪,由于飞机的飞行姿态不固定,存在六个自由度,飞机磁探仪一般测量总磁场标量,利用单测量平台多点测量进行定位;飞机的运动会产生感应磁场,其本身也存在固定磁场,因此,航空磁异常探测时需要进行磁补偿。

水下磁探仪的布设与海区的水深有关,一般在水深100m到200m的海域且海底相对平坦较适宜布放,常规潜艇的运动速度在3m/s到6m/s;水下磁探仪位置、姿态基本固定,一般使用三分量磁探仪,但是由于海底地形、海流的影响,磁探仪三轴矢量方向需要调节,利用多空间测量平台点的数据进行定位,不需要进行磁补偿。

4 结束语

本文利用世界地磁场模型对模拟实验海域进行了地磁场计算,在控制不同条件下模拟了潜艇的磁异常探测信号,无论是航空还是水下的沉底磁探仪的探测原理是相近的,信号的变化趋势相近。区别主要在于航空速度快,采样频率高,航空平台需要进行磁补偿;水下沉底磁探仪位置固定,可进行长期稳定的观测。结合潜艇学院系列海上试验结果分析,二者探测具有一定的相似互补性。航空磁异常探测相对成熟,相应的数据处理方法、定位方法可以借鉴到水下沉底磁探仪的应用中,作者随后将就相关航空方法的水下磁探应用进行论证分析。

[1] 孙明太.航空反潜装备 [M].北京:国防工业出版社,2012.

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[9] 郭海鹏. 基于磁异常梯度信号检测的目标定位方法研究[D]. 成都:电子科技大学, 2016.

Analysis of Similarities and Differences between Airborne and Underwater Magnetic Anomaly Submarine Detection

SUN Hua-qing, WANG Dan, SUN Yu

(Navy Submarine Academy, Qingdao 266000, China)

Airborne magnetic anomaly detection have been developed for many years. In the domestic underwater sinking magnetic anomaly detection research is in the initial stage. It is important for underwater sinking magnetic anomaly detection to analyze the similarities and differences between the two to learn from airborne magnetic anomaly detection related experience. In this paper, the submarine magnetic anomaly detection model is established, the paper analyzes the magnetic field signals of these two methods and compares the signal characteristics, detection methods, detection sensors and so on. The two methods are interlinked and submarine magnetic anomaly signal is similar. Related methods can be used on underwater submerged magnetic exploration to provide theoretical support for the diversification of non-acoustic submarine detection.

world geomagnetic field model; magnetic dipole model; magnetic anomaly; magnetometer; detection of submarines

1673-3819(2017)06-0043-04

U666.7；E933

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.06.010

2017-09-13

2017-09-24

孙华庆(1993-),男,山东枣庄人,硕士,研究方向为潜艇磁异常探测。 王 丹(1972-),女,博士，教授。 孙 宇(1992-),女,硕士。