潜艇目标态势对航空磁探测的影响分析*

李启飞，韩蕾蕾，熊 雄，周 烨，杨日杰

（海军航空大学，山东 烟台 264001）

0 引言

在潜艇搜索过程中，磁探潜在当今的反潜作战中，发挥着重要的作用［1］。目前，国内外对航空磁探潜领域的研究主要集中在潜艇磁模型的建立［2］，潜艇磁场向上、向下、同平面的延拓［3-4］，潜艇信号的检测［5-6］，磁探仪性能建模［7］等方面。在对磁探潜过程中的影响因素进行考虑时，国内学者对潜艇航向［8］、航速［9］，反潜平台运动态势［10-11］对磁探潜结果的影响进行了研究。

事实上，在实际作战过程中，敌潜艇出现在我国海域的位置是随机的，且由于地磁场在我国分布差异大，因此，对不同海域地磁场环境下的潜艇磁异信号进行仿真是有必要的。此外，国内学者在对磁异信号进行仿真时，并未考虑潜艇运动因素，本文提出将潜艇运动态势（航向、航速）纳入磁异信号仿真模型中，对其进行了定量分析。

1 模型建立

1.1 地理北、磁北坐标系

依照图1 建立地理北坐标系，地理北方向为x轴，垂直方向为z 轴，根据右手坐标系原则选择y轴；同时建立地磁坐标系，磁北方向为x'轴，垂直方向为z'轴，根据右手坐标系原则选择y'轴。x 轴与x’轴夹角为D，磁倾角为I，HEX为地磁场HE在x 轴的投影，HEY为地磁场HEX在y 轴的投影。

图1 地理北、磁北坐标系

1.2 磁异信号模型

1.2.1 磁体模拟法建立潜艇磁场

目标的磁矩分为纵向分量ml、横向分量mt、垂直分量mv。潜艇在建造过程中，不可避免地产生了固定磁场。潜艇在地磁场作用下产生的感应磁场，将随潜艇运动而变化［12］。因此，磁矩的各个分量ml、mt、mv又可以分为固定磁矩mpl、mpt与感应磁矩mil、mit。在进行探潜作业时，纬度变化不大，mv可不再分解为固定磁矩和感应磁矩，也无须考虑地磁场变化对磁矩垂直分量mv量的影响。各磁矩分量之间关系如下：

在磁偶极子模型下，航向对潜艇磁场作用如下：

其中，θ 为航向角（航向与地理北的夹角）。即潜艇磁场在地磁场方向上的分量与场点与潜艇的位置、潜艇航向角、磁偏角有关。

1.2.2 潜艇的标量磁异常信号

图2 地磁场、潜艇磁场关系、合成磁场关系

针对我国磁探反潜装备特性，本文主要从标量磁异常信号进行分析，如图2 所示，为磁探仪测得的地磁场信号，为测得矢量总场信号，为潜艇磁异常信号。其中

设潜艇在光泵磁力仪位置的标量磁异常信号为Bm，且

即测得的标量磁异常信号Bm为潜艇信号B 在地磁场HE方向的投影。

1.3 反潜机、潜艇相对运动的航线修正

图3 反潜机、潜艇相对速度图

潜艇在航行过程中，其航行速度为：

其中，α1为潜艇航向；反潜机在飞行过程中，其飞行速度为：

其中，α2为飞机航向。两者之间相对速度（relative speed）为：

易求得，在相对运动过程中，当潜艇相对静止时，反潜机航向相对于

根据上文对反潜机航向的修正，以潜艇为坐标系时，反潜机的修正航线，向潜艇航行方向的反向偏离α3。其飞行修正航线如图4 所示。

图4 反潜机修正航线图

2 磁异常信号仿真分析

目前航空反潜的磁传感器，主要是标量式光泵探头，探测由潜艇磁场造成的空间磁场异常值。本仿真基于潜艇磁偶极子模型，分析了潜艇的航速、航向、所处地理位置以及飞机巡逻航线对磁异信号的影响，仿真结果对目标的搜索、检测、识别提供依据。

相对于潜艇的主尺寸而言，当今潜艇只能在有限深度进行机动［13］。并且航空磁探过程时间持续较短，故将潜艇机动深度限定在某固定深度平面上进行仿真。

2.1 地理位置对磁异常信号的影响

在实际磁探测过程中，同样的潜艇态势，在不同的地磁场条件下，有着截然不同的磁异常特征。

根据地球主磁场模型（WMM2015）提供的数据，可以得到2018 年11 月14 日，渤海某海域（东经：120.84°北纬：38.3°）地磁场情况为：地磁场北分量Hx=28 900.3 nT，东分量Hy=28 900.3 nT，垂直分量Hz=44 247 nT，磁偏角D=-7.67°，磁倾角I=56.61°。黄海某海域（东经：122.67°北纬：37.74°）地磁场情况为：地磁场北分量Hx=29 437.6 nT，东分量Hy=-3 896 nT，垂直分量Hz=42 850 nT，磁偏角D=-7.82°，磁倾角I=55.21°。东海某海域（东经：122.68°北纬：30.84°）地磁场情况为：地磁场北分量Hx=33 199.9 nT，东分量Hy=-3 552 nT，垂直分量Hz=35 112 nT，磁偏角D=-6.1°，磁倾角I=46.44°。南海某海域（东经：112.71°北纬：16.61°）地磁场情况为：地磁场北分量Hx=39 650 nT，东分量Hy=-1 243.2 nT，垂直分量Hz=16 240 nT，磁偏角D=-1.79°，磁倾角I=22.27°。

仿真条件：潜艇航速Vs=6 kn，航向为地理南方向，磁矩各分 量mil=5×104A·m2，mit=0.27×mil，mpl=1.5×mil，mpt=0.18×mil，mv=0.85×mil。潜艇平面与反潜机平面距离h=300 m，磁探仪采样频率fs=100 Hz。

图5 不同海域的潜艇航向南航行时的异常平面图

仿真结果分析显示，不同海域的地磁场对航空磁异常信号影响较大。潜艇向南航行，在渤海某域，异常曲面为单峰，峰值为0.245 nT；在黄海某海域，艇艏附近为负峰，峰值为-0.218 nT，在艇尾为正峰，峰值为0.261 7 nT；在东海某海域，峰峰值仅为0.145 nT，波动较小；在南海某海域，负峰较为明显，为-0.319 nT，正峰为0.105 nT。

图6 飞机各航向的磁异曲线

图6 为反潜机过顶飞过潜艇的磁异信号曲线图，图6（a）～图6（d）为反潜机在各海域不同地磁环境下，沿各航向进行磁探反潜作业采集到的磁异常信号。由仿真可知，在不同海域航行的潜艇，在相同的航向态势下，目标信号强度有着明显的差异。

2.2 潜艇航向磁异常信号的影响

图7 南海海域潜艇各航向磁异常平面图

由仿真结果分析可知，在南海海域，潜艇在由北向南航行时，其西南方向出现逐渐变大的峰值。当潜艇偏东航行时，磁异曲面较为平坦，其峰峰值仅为0.091 2 nT；磁异信号峰峰值与航向角的关系如图8 所示，当航向角在［30°，180°］区间内，其峰峰值幅度较大，幅度在0.5 nT 左右；当航向角在［210°，360°］区间内，其峰峰值在0.1 nT～0.3 nT 左右。

图8 磁异常曲面峰峰值与航向角对应关系

将反潜机运动态势情况加入到仿真中，图9（a）～图9（d）分别是飞机向4 个航向以300 km/h 飞行，仿真得到潜艇各个航向测得的磁异信号数据。分析仿真结果，可以看出在该海域地磁场环境下，潜艇在东航向的磁异信号变化较为平缓，西、南航向变化较为剧烈，与上文仿真结论一致。

图9 南海潜艇各航向的磁异曲面

2.3 潜艇航速磁异常信号的影响

在以往的模型建立中，因为潜艇速度较小，并没有考虑到模型中去。但实际仿真发现，在特定条件下，潜艇航速会对磁异信号产生较大影响。

在南海某海域（东经：112.71°北纬：16.61°），当飞机向北航行进行磁探作业时，潜艇在不同航向、航速下航行，其仿真结果如下页图10 所示。仿真发现，当潜艇航向与反潜机航向一致或相反时，潜艇航速对磁异信号几乎没有影响，峰峰值稳定在0.316 nT；当潜艇航向与反潜机航向垂直时，潜艇速度对磁异信号影响较大，尤其在潜艇向西航行时，负峰幅度出现明显差异，峰峰值在0.03 nT～0.08 nT之间波动，且潜艇航速越高，峰峰值越大。

3 结论

本文使用磁偶极子模型，对潜艇的磁场进行仿真，并把潜艇的运动态势纳入磁异信号模型中，通过仿真得到了特定潜艇航向、航速、地磁环境下的飞机采集到磁异信号。仿真得到以下主要结论：

1）当潜艇航向与反潜机航向垂直时，潜艇速度对于磁异信号的峰峰值产生较大影响，磁异曲线峰峰值在0.03 nT～0.08 nT 之间波动。

2）不同地磁场环境对于磁异信号影响极大，在后续作潜艇磁异信号检测、识别时，要作为影响因素考虑在内。

图10 南海海域潜艇各航向各航速的磁异曲线

3）潜艇航向对于磁异探测有着极大影响，在南海某海域，当航向角在［30°，180°］区间，磁异信号为0.5 nT 左右，当航向角在［210°，360°］区间内，其峰峰值在0.1 nT～0.3 nT 左右。

本研究的下一步工作是将潜艇的规避模型考虑进去，增加潜艇运动维度，观察磁异信号特征。

磁异信号的差异是多变量因素造成的，势必要认清这些因素的作用效果，才能准确地进行下一步的潜艇磁信号的检测、识别。