航空磁异常探潜技术发展综述

成建波 孙心毅

（中国人民解放军92728部队，上海，200436）

目前，世界海军强国反潜装备体系主要包括航空装备、水面舰艇、潜艇和水下声呐基阵等，其中航空装备凭借其高速、高效、安全和机动灵活等特点，成为反潜装备体系中不可或缺的重要力量。航空搜潜手段主要有吊放声呐、声呐浮标、搜索雷达、红外/电视搜索仪、磁探仪、电子侦察系统和目视观察等。其中，搜索雷达、红外/电视搜索仪、电子侦察系统等主要用于对通气管、潜望镜状态潜艇进行搜索；吊放声呐、声呐浮标和磁探仪主要用于对水下状态潜艇进行搜索。声音相对于其它信号，在水中传播距离最远，因此吊放声呐、声呐浮标是搜索水下潜艇目标的主要探测手段。磁探仪与其他探测设备相比，具有不受水文气象条件限制、可以连续搜索、使用简单可靠、反应迅速、定位精度高、隐蔽性好等优点[1]，作为一种辅助探测手段，主要用于在声呐设备发现水下目标后，进行目标确认和攻击前的精确定位，有时也用于在狭窄海域或敌潜艇机动受限的小面积海域搜索。

随着高灵敏磁异常传感器及集成电路技术的发展，磁异常探潜越来越受到世界各海军强国的重视，并被认为是当今目标识别和提高对潜攻击效率最可靠的手段之一。

1 航空磁异探测技术的发展现状与趋势

磁异常探测技术发展较早，美、德等海军强国多年前就已研制出磁探仪，作为反潜作战中的鉴别器材，并有多种型号磁探仪列装使用。从探测原理划分，主要有氦光泵磁探仪、铯光泵磁探仪、核磁共振式磁探仪和超导磁探仪等。

1.1 氦光泵磁探仪

氦光泵磁探仪发展较早，代表产品为美国德州仪器公司研制的跟踪式光泵磁探仪 AN/ASQ-81（V），及其数字化改进产品AN/ASQ-208，主要装备于P-3、SH-2D、SH-3H、SH-60B、S-3等多种型号反潜飞机、反潜直升机。氦光泵磁探仪一般采用三光系探头，用于解决在不同纬度区域内的适应性。AN/ASQ-81（V）磁探仪静态灵敏度 10 pT·Hz-1/2，在浅海条件下对核潜艇（磁矩为 5×108Gs·cm3，下同）的作用距离为350 m，对常规潜艇（磁矩为2×108Gs·cm3，下同）作用距离为260 m，在深海条件下，对核潜艇的作用距离为 450 m。AN/ASQ-208型磁探仪静态灵敏度约3 pT·Hz-1/2，探测性能比AN/ASQ-81（V）略高。

另外，美国 Polatomic公司还开发了更先进的AN/ASQ-233型激光氦光泵磁探仪，静态灵敏度指标优于0.3 pT·Hz-1/2，探测距离可达千米级，已在P-3C飞机上进行了适用性验证。

1.2 铯光泵磁探仪

铯光泵磁探仪采用铯光泵磁传感器进行探测，为了解决全球范围适用性，确保飞机各种机动状态下仪器均能正常工作，探头采用自定向机构，用一套伺服机构，始终保持光系处于最佳方向。代表产品主要有加拿大CAE公司生产的AN/ASQ-504磁探仪及其最新改进的 AN/ASQ-508A磁探仪。AN/ASQ-504（V）磁探仪装备于P-3C、P-1、SH-2、S-70B-2、C-295等反潜平台。该型磁探仪静态灵敏度为0.3 pT·Hz-1/2，在深海条件下对常规潜艇的作用距离最大800 m，对核潜艇的作用距离最大1 200 m，在浅海条件下，受地磁背景干扰，作用距离会有所下降。

AN/ASQ-508A是AN/ASQ-504的改进产品，主要改进点在于电子电路的数字化以及信号处理和识别软件。该型磁探仪装备于P-8I飞机上（P-8A飞机出口印度型），作用距离与AN/ASQ-504相当。

1.3 核磁双共振磁探仪

核磁双共振磁探仪的代表产品主要有法国MARK-III型，该型磁探仪装备于“大西洋”反潜机，该型磁探仪对深海航行的中型常规潜艇作用距离约290 m，对在浅海航行的中型常规潜艇作用距离约220 m。

1.4 超导磁探仪

除上述三类磁探仪外，德国还于 1982年开展了超导磁探仪MAD2000的研究工作，1993年试验证明其可行性，并在上世纪末通过了机载试验。据报道，MAD2000设备在2002年左右列装，超导磁探仪的灵敏度可达0.01 pT·Hz-1/2，比现有磁探仪高出数百倍，而且体积小，可构成阵列，能准确地确定潜艇的位置、深度、运动速度和航向。对磁矩为5×108Gs·cm3的核潜艇，在深海条件下，最大作用距离可达1 000 m以上。

1.5 磁探仪的发展趋势

（1）为了适应无人机、无人驾驶飞行器的使用，光泵磁探仪向数字化、小型化，低功耗发展。加拿大CAE公司目前定型的MAD-XR磁探仪，功耗30 W，重量2.7 kg，拟装备于无人驾驶飞行器，采用铯光泵传感器，据推测，其对浅海航行状态常规潜艇探测距离500 m，对核潜艇可达1 200 m。

（2）探测目标场源多样化。国外在积极发展磁异探测技术的同时，也在对潜艇目标的其它场源开展研究。美国ARETE公司在2008年公布的一份资料显示，其研制的ELF甚低频电磁场探测仪开展了海洋测试，磁探仪灵敏度为1～3 pT·Hz-1/2，频带0～500 Hz，在固定安装方式下对水下潜艇目标探测距离可超过1 000 m。ARETE公司为美国海军研制搜潜装备已有超过 20年历史。上述资料证实了近年来对于磁特性搜潜的热点研究集中在甚低频磁场探测领域。此外，根据AN/ASQ-508A磁探仪的资料显示，其采样率在1.5 kHz，可在更高电磁频谱进行数据分析。据此推断其可能采用静态磁异常+甚低频磁场探测的方式，故有效提高了探测距离。

（3）无人机探潜技术越来越受到重视。为满足美反潜作战理念由低空向高空转变的需要，美海军正加紧研发新型反潜磁探无人机，以增强 P-8A等高空反潜机对潜艇的磁探测和精确定位能力。该无人机配备高灵敏度磁探仪，由 P-8A在高空利用声呐浮标发射系统发射后，飞至低空对敌方潜艇进行自动跟踪和精确定位，并将信息实时传递回P-8A。同时，该无人机最大程度限制磁性或导电材料的使用，以确保自身磁静音，预计 2020年前完成原型机制造和磁噪声性能测试。

2 航空磁异探测能力需求分析

2.1 典型反潜作战流程

航空反潜平台进行反潜作战时，一般需经历搜索、探测、识别、定位、跟踪和攻击等阶段。以反潜巡逻飞机为例，在飞抵近海海域巡逻未发现潜艇迹象之前，一般采用雷达、红外或目视观察方式对海面上处于潜望镜状态或通气管状态航行的潜艇进行搜索。当发现和确认海面有潜艇航行的迹象时，或通过数据链通道获得在某海域发现潜艇的信息时，飞机立即飞往目标上空布设声呐浮标搜索阵，监视和等待目标信号。经识别确认存在潜艇后，对潜艇进行概略定位。初步定位后，飞机降至100～120 m高度，速度320～380 km/h，采用磁探仪进一步对目标进行识别和精确定位。在目标范围比较明确时，也可直接使用磁探仪进行搜索和定位。

当目标运动参数被确定后，即可展开攻击行动，使用鱼雷或深水炸弹进行打击摧毁，或使用深水炸弹进行警告性驱离。如果只对其继续进行跟踪，则一般使用磁探仪，并配合声呐浮标对其保持连续接触。

2.2 磁探仪能力需求分析

从上述典型反潜作战流程可以看出，目前磁探仪受其作用距离限制，主要用于搜潜最后阶段对潜艇进行识别、定位，还不具备对大面积海域水下目标的快速搜索能力。要使磁探仪成为对水下目标搜索的主要手段，则需大幅提高其作用距离。

假设600 km外某海域，1艘敌潜艇上浮水面被发现后，随即潜入水下。P-3C飞机根据截获潜艇的概略位置信息后，以600 km/h速度抵达任务海域，布放声呐浮标阵进行搜索。通常浮标阵布放时间约为40 min，布放和监听的时间总和在1 h左右。在此期间，假定潜艇以6 kn的速度、任意航向水下航行，则潜艇在浮标阵布阵完成前，可能散布区域面积约为1 551 km2。按浮标作用距离5 km、成活率80%计，需投放25枚浮标才能覆盖潜艇可能散布区域。

当使用磁探仪搜索时，磁探仪的探测宽度与磁探仪的作用距离、反潜飞机飞行高度和潜艇的航行深度有关，通常描述为如下形式[2-4]：

其中，R为磁探仪作用距离，H为反潜飞机飞行高度，h为潜艇航行深度。

如果 P-3C反潜巡逻飞机抵达任务海域后，以100 m高度、500 km/h速度使用磁探仪对潜艇进行搜索，搜索海域为潜艇可能散布区域的外切矩形。如要在1 h内完成对200 m深度敌潜艇的探测，则磁探仪作用距离应不小于2 km。即当磁探仪作用距离达2 km时，其搜索效能和声呐浮标基本相当，考虑到声呐浮标为一次性使用的消耗品，如将磁探仪作为对潜艇的主要搜索手段，将极大的节省经费，具有较大的军事、经济意义。

3 磁异探测技术发展分析

3.1 影响磁探仪作用距离的关键因素分析

磁探仪在反潜过程中，根据磁探仪工作原理，在目标磁矩一定的情况下，其作用距离受磁探仪的静态噪声，磁探仪因飞机运动所产生的动态噪声及目标所处的海洋磁环境背景噪声影响。其中，静态噪声主要与磁探仪的静态灵敏度、传感器工作时自身电流所产生的磁干扰噪声有关，噪声大小主要取决于磁探仪的器件和设计水平，通常约为静态灵敏度的10倍左右。

动态噪声的产生则是由于飞机平台含有一些恒磁性物质和电流源对磁探头产生的磁干扰噪声、机载电子设备工作时产生的磁干扰噪声、以及平台机动飞行时所产生的磁干扰噪声等，上述噪声叠加后通常比静态噪声大数十倍，需要通过提高平台的无磁化水平，并通过相应的噪声抑制和补偿算法对噪声进行抑制。

海洋磁环境背景噪声则包括目标所区域的地质噪声，洋流、海浪运动等引起的地磁干扰噪声等，需要通过数据库比对、磁异常信号处理与识别技术等进行抑制。一般情况下，深海区域的环境噪声会小于浅海区域的环境噪声。

磁探仪作用距离进行估算时，通常依据以下公式[5]：

其中，M为潜艇磁矩，S/N为磁探仪报警的最低可检测信噪比，S为磁异常信号，N为噪声；NM为磁探仪探头因飞机运动产生的动态噪声；NS为磁探仪设备的静态噪声；NE为海洋环境噪声。

根据公式可知，上述三类噪声中任何一种过大都会影响磁探仪的探测作用距离。因此，只有三类噪声得到有效抑制，才能提高磁探仪的作用距离。同理，提高磁探仪报警的最低可检测信噪比，也能有效提高磁探仪的作用距离。

3.2 磁异探测技术发展方向

针对前述影响磁探仪作用距离的关键因素，结合技术实现难度，今后一段时间内，如下技术将成为磁探仪发展的重点方向。

（1）反潜平台磁噪声干扰抑制及补偿技术。通过研究各型航空磁异常探测平台的磁干扰，分析磁干扰特性，建立适用各型平台的自动磁干扰补偿技术；并结合航空磁异常探测系统上的磁场测量设备，对平台的磁干扰进行实时补偿，为磁异常探测器提供准确的目标磁场数据。通过该技术，可以有效降低平台噪声对磁探仪的影响，进而提高磁探仪的作用距离。

（2）磁异传感器运动产生的动态噪声抑制技术。磁探仪装载于航空平台时，在其高速运动过程中，与地球磁场相互作用后，产生的动态噪声会影响磁探仪的探测作用距离。通过开展磁异传感器运动产生的动态噪声抑制技术研究，探索磁异传感器动态噪声产生机理，建立动态噪声模型，并在此基础上开展相应的抑制技术研究，实现对磁探仪运动产生的噪声有效抑制。

（3）低磁性无人机平台技术。由于有人驾驶固定翼飞机自身存在的磁噪声，严重影响了磁探仪探测性能的发挥，基于无人机的磁异常探潜越来越受到重视。无人机操作使用方便，部署灵活机动，具有良好的伴随性。最重要的是，无人机系统结构简单、重量轻，可广泛采用非金属材料制成，大大降低环境平台噪声对磁探仪的影响。同时，由于无人机重量轻、任务载荷小，对磁探仪的小型化、智能化程度要求极高。因此开展适用于无人机的小型智能化磁异常探测关键技术研究也是降低平台磁噪声的一种有效途径。

为满足磁探仪在无人机上使用，要解决的关键技术主要有小型全向性氦光泵磁探仪设计技术、磁探仪集成技术、磁干扰补偿技术，以及磁异常信号综合处理技术。

（4）复杂地磁环境下的弱磁信号检测技术

磁探仪依靠探测到的地磁异常变化来探测潜艇，通常距离较远时，潜艇的磁异信号较弱。而潜艇所处的地磁环境极其复杂，微弱的潜艇磁异信号易被复杂的地磁环境噪声所掩盖，影响对潜艇的探测、识别效率。为此，针对复杂地磁环境下磁异常检测过程中出现的类目标干扰较多、虚警率较高的现象，通过开展磁异常信号与干扰的多域别特征分析，磁异常信号与干扰的差异化特征提取技术研究，基于差异化特征的弱磁异常信号识别技术研究，复杂地磁环境数据库的建立、地磁匹配校准、目标信号检测技术研究等，实现复杂地磁环境下的弱磁信号检测，提高磁探仪的探测性能。

（5）极低频电磁场探潜技术

在利用电磁场反潜中，潜艇的极低频电磁场辐射被广泛地认为是水下探测的重要组成部分。与通用的磁异常探潜手段相比，极低频电磁场探潜方法具有不需要进行路径的地磁补偿、对本地噪声的要求降低、便于信号处理等优点。发展极低频电磁场探潜技术，将丰富对潜艇的探测手段，提高对潜艇的综合探测能力。

通过开展潜艇水下轴频电磁场产生原理与建模、潜艇水下电磁场传播规律、浅海环境电磁场特性研究、高灵敏度低噪声的电磁传感器设计与优化、基于交变电场和交变磁场联合的极低频水下微弱电磁信号检测方法研究等研究工作，发展极低频电磁场探潜技术，提高航空平台的对潜探测效能。

（6）基于SQUID的全张量磁场梯度矢量测量技术

目前，磁探仪广泛采用磁通门式或光泵式磁探测器件，测量灵敏度较低，同时由于仅能测量到磁场标量，导致无法对目标进行精确定位。基于SQUID（Superconductor Quantum Interference Devices）的全张量磁场梯度矢量测量技术，不仅可以提高磁探测的灵敏度，还可以实现对潜艇的精确定位，提高探测效率。

通过开展潜艇磁场探测系统的总体设计研究，超导 SQUID磁传感器核心器件攻关，低温集成、屏蔽及系统架构研究，基于高速运算电路的潜艇定位技术等研究工作，突破相关关键技术，研究一套基于超导 SQUID器件的磁场探测潜艇系统。该系统依靠超导 SQUID器件的高灵敏度来探测潜艇的微弱磁场矢量信号，通过载体背景磁场修正补偿技术和基于磁场矢量的定位技术，实现对潜艇目标的探测和定位。

4 结束语

随着潜艇降噪隐身技术及 AIP（Air Independence Propulsion）技术的飞速发展，潜艇在水下的长期潜航能力越来越强，对水面舰艇编队的威胁也越来越大。磁探仪作为航空反潜平台的一种重要手段，通过开展相关技术研究，提高其探测能力，将有效提升航空反潜效能，为扎牢水下篱笆，降低水下潜艇威胁，作出重要贡献。