水下磁異常探測

1、基于水下磁異常的潛艇探測技術(shù)0 引言目前以聲響訊號探測水面下的人造物體成為運用最廣泛的手段。但由于復(fù)雜的海洋環(huán)境，聲納探測的靈敏度受到一定的限制，同時，聲納探測還有自身的諸如“聲影區(qū)”的局限，探測海洋中的運動物體（如潛艇）和海洋資源，非聲探測技術(shù)將發(fā)揮重要的作用，其中水下磁場探測技術(shù)是一種基于磁異信號的目標(biāo)探測技術(shù)，是近年來隨著磁傳感器的測量精度不斷提高而新興的一種目標(biāo)磁探測技術(shù)。雖然電磁波在水中衰減的速率非常的高，但隨著減聲降噪技術(shù)的發(fā)展，磁測量定位可以準(zhǔn)確地推算出磁體與探頭之間的相對位置，獲得磁體在不同的位置下準(zhǔn)確的磁場信息，磁探測技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于軍事設(shè)施上可以定位侵入防護區(qū)域的磁性目標(biāo)

2、（坦克，潛水艇，導(dǎo)彈等）的探測。因此，開展水下目標(biāo)磁探測研究，根據(jù)水下大型目標(biāo)磁場的遠(yuǎn)場分布特征，建立目標(biāo)磁場分布的探測模型，對水下大型目標(biāo)進行遠(yuǎn)程探測，迅速準(zhǔn)確地判斷出目標(biāo)物的類型，并進一步對其進行定向與定位，已成為在現(xiàn)代海戰(zhàn)中取得決勝的關(guān)鍵性因素。1 水下目標(biāo)磁異常探測原理磁探測技術(shù)是各種非聲探測中發(fā)展較早、技術(shù)較成熟的一種探測方法，與聲納技術(shù)相比具有識別能力高、運行時間短、定位精度高及成本低等優(yōu)點。海洋磁探測是搜索水下磁性體最有效的手段之一，這些磁性體產(chǎn)生的感應(yīng)磁場疊加在海洋磁背景場之上，會導(dǎo)致海洋磁背景場明顯畸變，會改變所在位置周圍空間的地磁場分布，從而產(chǎn)生磁場異常信號，通過測試和處理

3、磁異信號，可以得到反映磁性目標(biāo)的探測信息，其物理基礎(chǔ)為：含有鐵磁性物質(zhì)的物體會改變所在位置周圍空間的地磁場分布，從而產(chǎn)生磁場異常信號，其原理如圖1所示。圖 1 磁異?，F(xiàn)象示意圖可見基于磁異信號的目標(biāo)磁探測技術(shù)與磁異常場和地磁場有關(guān)。對磁性目標(biāo)的探測信息的提取都是通過對磁異信號的測量，從地磁場（近似均勻場）為背景中提取出來的。2 水下磁異常探測研究現(xiàn)狀2.1潛艇磁場模型建立分析目標(biāo)的磁特性可以使磁異常探測系統(tǒng)準(zhǔn)確確定目標(biāo)，根據(jù)磁場來源可將用于水下目標(biāo)探測的電磁場主要有四種：第一種是水下潛艇一般都是由不同金屬構(gòu)成的，不同金屬之間會產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕電流從而產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場，還有就是為了防止海水腐蝕金屬

4、，外加電流陰極保護系統(tǒng)(ICCP)產(chǎn)生的電磁場(CRE和CRM)；第二種是螺旋槳擾動腐蝕相關(guān)產(chǎn)生的軸頻電磁場；第三種是艦船各種機電設(shè)備泄漏到海水中的電流產(chǎn)生的工頻電磁場；第四種是水下目標(biāo)的鐵磁性金屬結(jié)構(gòu)的剩磁場和感應(yīng)磁場。合理的建立目標(biāo)模型可以從其磁感應(yīng)磁場的分布特征判斷出目標(biāo)類型、大小以及位置。目前潛艇磁場建模主要有兩個方法：第一種是根據(jù)陰極保護系統(tǒng)參數(shù)計算出潛艇表面的電勢分布，另一種方法就是利用電偶極子陣列和觀測數(shù)據(jù)來模擬。英國某公司已經(jīng)根據(jù)第一種方法結(jié)合邊界元法開發(fā)了潛艇建模軟件Beasy1。加拿大Davis公司則利用了第二種方法對加拿大某海軍艦船水下磁場進行建模和預(yù)報，通過實測數(shù)據(jù)和預(yù)

5、測數(shù)據(jù)進行對比驗證，證實了該方法的可行性。加拿大Davis為了降低艦船極低頻電磁場，成功開發(fā)了有源軸接地系統(tǒng)。俄羅斯也基于同樣的目的發(fā)明了絕緣工藝和電磁場補償手段來降低其自身產(chǎn)生的磁場。張琦2將有限元法應(yīng)用到計算潛艇磁場上；熊露3等計算了由螺旋槳切割地磁場產(chǎn)生的渦旋電磁場，給出了渦旋電磁場的空間分布；姚振寧4等將邊界元法和磁體模擬法相結(jié)合對在磁性目標(biāo)影響下的艦船進行磁場建模，并用艦船做了實驗對其方法進行了驗證。雷毅5等根據(jù)測量得到的潛艇某些數(shù)據(jù)，再通過磁場仿真計算給出了潛艇磁場空間分布特征。陳聰6等人提出了采用電偶極子首尾相接而成的電流線對潛艇磁場進行模擬仿真，分布特征明顯。曲曉慧7對潛艇磁場

6、各種建模方法，主要包括磁偶極子模型、均勻磁化的旋轉(zhuǎn)橢球體模型、均勻磁化的旋轉(zhuǎn)橢球體與磁偶極子陣列混合模型等等，并給出了各個方法的適用范圍。杜充8等采用了物理光學(xué)法對艦船尾跡的RCS進行了分析，并得出艦船尾跡的RCS分布廣并且規(guī)律性強。羅光成和周家新9，10等運用了要素間多維隨機變量生成算法對水下潛艇的常規(guī)運動軌跡進行生成，并將其產(chǎn)生的虛擬航跡與真實航跡進行了驗證。為了提高航空磁探測中潛艇磁場模型精度，對各種潛艇磁場建模方法進行了詳細(xì)的分析。2.2背景磁場分析及信號降噪海洋內(nèi)影響磁場特性的因素眾多，因此研究海洋各種運動形式產(chǎn)生的磁場，可以得到海洋背景磁場的分布規(guī)律，為水下探測潛艇等目標(biāo)的識別技術(shù)

7、提供海洋背景磁場，為目標(biāo)磁場與背景磁場分離并分析目標(biāo)類型以及位置提供理論依據(jù)，與此同時，水下目標(biāo)磁探測受到海洋電磁噪聲的一定限制，因此研究海水運動產(chǎn)生的背景噪聲磁場將有助于消除其對水下探測精度的影響。圖2為水下目標(biāo)的干擾磁場組成。圖 2 水下目標(biāo)干擾磁場組成海洋海水中富含各種鹽類物質(zhì)，因而含有大量電離子，富有導(dǎo)電性，可近似看做導(dǎo)體。20世紀(jì)中期各國物理學(xué)家開始研究海水運動產(chǎn)生電磁場的產(chǎn)生機理，并研制了各種檢測儀器。閆曉偉11等對海浪感應(yīng)磁場矢量模型進行了研究，分析了三分量的海浪磁感應(yīng)磁場的時域、頻域和空間分布特征；熊雄12等基于海浪海譜模型給出了基于四叉樹的快速仿真算法，提高了計算大量海浪情況

8、下的計算速度。Hennings I和Yue R13,14等將海流看作是周期變化緩慢的長周期的模型，并推導(dǎo)出海流中任意兩點的電勢差，以及海流磁感應(yīng)磁場空間分布特征。Milford G15等通過推導(dǎo)得出海流產(chǎn)生磁場的方程，以及海流磁感應(yīng)磁場的空間分布特征。魏儀文16等基于Kd V方程建立了內(nèi)波傳播模型，并計算了內(nèi)波存在對大尺寸電磁散射特性的影響，并分析了不同內(nèi)波參數(shù)不同海況下內(nèi)波對海面散射和多普勒的影響。2.3探磁設(shè)備水下電磁場是潛艇除了聲場外在水下最重要的目標(biāo)特征，由于海洋系統(tǒng)復(fù)雜的磁場特性，且在水下環(huán)境中地磁場強度具有衰減的特征，水下磁異常檢測需要高效能的水下磁場傳感器，尤其是低頻（100mH

9、z1kHz）磁場傳感器。低頻磁異常探測技術(shù)檢測的是潛艇的極低頻電磁場特征，重點是其軸頻磁場和尾流磁場等低頻交變磁場特征。在此頻段內(nèi)，艦船的水下電磁場特征明顯且傳播距離較遠(yuǎn)。在探磁設(shè)備方面，磁探測能力隨著高精度海洋磁力儀研發(fā)大大提高，從1933年世界上出現(xiàn)了第一臺磁通門磁力儀到現(xiàn)在廣泛使用的光泵磁力儀，海洋磁場探測儀器的測量精度、靈敏度、采樣率、穩(wěn)定性大大提高，并且海洋磁力儀陣列的問世，使得海洋磁場探測的能力大大提高。普通的海洋質(zhì)子旋進式磁力儀可以達(dá)到 0.1n T 靈敏度，新型的光泵式磁力儀可以達(dá)到 0.001n T 靈敏度，超導(dǎo)磁力儀可以達(dá)到 0.00001n T 靈敏度17,18,19。超

10、導(dǎo)量子干涉磁力儀是目前為止測量磁場靈敏度最高的儀器，其靈敏度高達(dá)10-510-6nT。Blakely R J等20開發(fā)了用于識別磁異常或其他局部磁性體產(chǎn)生的異常磁矢量測量系統(tǒng)。由磁通門磁強計形成的磁梯度計尺寸小和功率低，靈敏度相對較高，磁噪聲補償關(guān)鍵，因為磁力計必須靠近磁噪聲源工作。Pei Y H21等研制了集成磁性梯度儀的小型無人磁探測潛航器,并在實測中取得了較為理想的效果。2012年，中國船舶重工集團公司715研究所研制了 RS-YGB6A型海洋光泵磁力儀,分辨率達(dá)到0.001nT,量程范圍3500070000nT, 工作性能穩(wěn)定,被廣泛應(yīng)用于管線探測、水下障礙物排查等海洋工程中。2014

11、年,該研究所又推出了RS-HC3海洋張量磁梯度儀,系統(tǒng)動態(tài)范圍為±100T22。劉曉娜23等研究了薄膜線圈式地磁傳感器和磁阻傳感器的測姿原理，設(shè)計了基于磁阻傳感器的高速動能彈姿態(tài)角測試系統(tǒng)。姚雨林24等針對彈體剩磁和舵機干擾等眾多影響地磁傳感器準(zhǔn)確測量的因素，設(shè)計了抗干擾的地磁測磁系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要是通過帶通濾波器的設(shè)計，濾除彈體剩磁導(dǎo)致地磁傳感器輸出的直流偏置以及衰減通頻帶之外的感生磁場多倍頻信號，以達(dá)到抗干擾的目的，并同時試驗基于光敏器件和太陽方位角的絕對滾轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)與所設(shè)計的抗干擾系統(tǒng)，經(jīng)測量驗證了抗干擾系統(tǒng)的有效性。Wang Y25等基于巨磁效應(yīng)，通過減少內(nèi)部噪聲源，設(shè)計了具

12、有極低等效磁噪聲的壓電纖維磁電磁場傳感器，ME系數(shù)在低頻時為52Vcm0908081 Oe0908081，1Hz等效磁噪聲為5.1pT Hz0908081/2，磁場靈敏度為10nT。Deans C26等設(shè)計了一個2×2陣列的射頻原子磁力計。在空氣和鹽水中演示了導(dǎo)電的非磁性目標(biāo)的主動探測，定位和實時跟蹤。 由于傳感器的靈敏度和可調(diào)性以及磁感應(yīng)探測的主動性，實現(xiàn)了不同介質(zhì)中的穿透和檢測。 自動檢測成功率為100，在空氣和水中自動定位成功率可達(dá)93，距離傳感器平面（水下100毫米）最遠(yuǎn)190毫米。3 發(fā)展趨勢海洋磁測在軍事海洋工程及其他海洋工程應(yīng)用中具有無法取代的作用，其工作方式也由傳統(tǒng)的

13、船舶拖拽轉(zhuǎn)向搭載小型無人潛航器AUV，可實現(xiàn)更高效率、方便的水下地磁異常測量。微型化，智能化，集成化，節(jié)能環(huán)保4 結(jié)束語本文對基于水下磁異常的潛艇探測技術(shù)的原理進行了說明，并針對水下磁異常探測中水下目標(biāo)磁場模型、背景磁場分析及信號降噪、探磁設(shè)備三個核心技術(shù)方面的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了歸納總結(jié)，為水下磁異常探測技術(shù)的實際應(yīng)用提供技術(shù)參考。5 參考文獻(xiàn)1 高俊吉, 劉大明, 姚瓊薈,等. 用邊界元法進行潛艇空間磁場推算的試驗檢驗J. 兵工學(xué)報, 2006, 27(5):869-872.2 張琦, 潘孟春, 陳棣湘,等. 潛艇磁化場的有限元方法研究J. 艦船科學(xué)技術(shù), 2009, 31(1):75-7

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