潛艇磁異常信號與方位對應關(guān)系的研究＊

伍東凌 石 超 王 秀

（中國船舶重工集團公司第七一〇研究所 宜昌 443003）

1 引言

潛艇自誕生之日起，就以其隱蔽性能好、作戰(zhàn)能力強、靈活性好等特點著稱于世，使其成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中極具威脅的攻擊手段之一，在現(xiàn)代海戰(zhàn)中發(fā)揮著重要作用。而及時有效地發(fā)現(xiàn)敵方潛艇是建立反潛作戰(zhàn)系統(tǒng)的先決條件之一，也是在戰(zhàn)爭中取得優(yōu)勢地位的關(guān)鍵所在。

隨著潛艇降噪技術(shù)的發(fā)展，特別是具有水下高航速、高水平安靜性以及極強續(xù)航能力核潛艇的出現(xiàn)，使得傳統(tǒng)聲學探潛方式遭遇了新的挑戰(zhàn)，這就需要利用其他非聲探測裝備與聲學探測裝備配合使用、互相補充，以進一步提高反潛作戰(zhàn)效能。由于潛艇外殼是由具有磁性的金屬材料制成的，盡管對其進行過消磁處理，但也不可能徹底消除潛艇的磁性，而且潛艇本身長期處于地磁場這個大環(huán)境中，也將不可避免的被地磁場磁化而產(chǎn)生磁性，所以潛艇的存在必然會引起地磁場的異常。

當前國內(nèi)外先進反潛飛機上裝備的磁異探測儀，就是通過探測潛艇引起的磁異常信號來判斷在其有效探測范圍內(nèi)有無潛艇等目標的存在，且高性能磁異探測儀有效探測距離已接近1000m，因此利用高性能磁異探測儀對潛艇等目標的真實方位作出快速準確的判別在實戰(zhàn)中顯得極為重要。

本文通過Matlab建模仿真，分析了反潛飛機在不同搜潛航向下，機載磁異探測儀探測到不同航向潛艇的磁異常信號特征。利用這些磁異常信號建立數(shù)據(jù)庫，將反潛機在兩條相互垂直的搜潛航線下探測到的磁異常信號與數(shù)據(jù)庫中的磁異常信號進行對比，可較為準確的判別出目標潛艇的真實方位。

2 航空磁探搜潛戰(zhàn)術(shù)簡介

應召反潛是航空反潛最基本和最常用的一種活動方式，所謂應召反潛是指反潛機在機場、艦載機或指定空域待命，當獲得敵潛艇的活動情況后，飛往發(fā)現(xiàn)潛艇的海域，搜索和攻擊敵潛艇的戰(zhàn)斗行動［1～2］。在到達目標海域后，反潛機首先利用一些搜索范圍廣、但定位精度低的設備（如聲納浮標、搜潛雷達）進行搜潛航行，發(fā)現(xiàn)可疑目標行蹤后，再利用磁異探測儀進行定位精度較高的搜潛航行。

反潛機使用磁異探測儀搜潛時，常用的方法有：圓周探測法、平行探測法等［3］。

磁異探測儀探頭安裝在飛機尾部可外伸式短艙內(nèi)的固定翼反潛機搜潛時一般采用圓周探測法，即以巡航速度飛向可能出現(xiàn)潛艇的位置點，若磁異探測器未顯示磁異常信號則繼續(xù)往前飛一段距離，仍無信號則轉(zhuǎn)為以該位置點為圓心的圓周搜潛飛行，若磁異探測器顯示水中可能有潛艇時，則投放標示該位置點的標志物，并使飛機轉(zhuǎn)彎爬升至投放反潛武器的高度，以垂直航向穿越標志物，經(jīng)證實為潛艇時則投放反潛武器。若圓周搜潛飛行時仍未發(fā)現(xiàn)潛艇則改為螺旋探測法，以擴大搜潛飛行范圍。而裝備拖曳式磁異探測儀的反潛直升機一般采用平行探測法，即將探頭吊放至離水面合適高度，從不同方向平行跟蹤，直到發(fā)現(xiàn)潛艇目標。

這兩種磁異探測方法只能確定，在以探測飛機為球心，磁異探測儀的有效作用范圍為半徑的一個半球面范圍內(nèi)有潛艇目標存在，如能夠進一步確定潛艇所在區(qū)域，將能有效提高反潛作戰(zhàn)效能。

3 任意航線下探測潛艇磁異常信號的數(shù)學模型

眾所周知，自然界的磁現(xiàn)象均可等效為若干個磁偶極子磁場的疊加，在特定情況下也可以等效為一個磁偶極子。在利用磁異常探測儀進行探潛時，美國海軍就將潛艇的磁場近似為一個磁偶極子的磁場，且反潛飛機進行小視場磁異常探潛時，潛艇縱向磁場占主導［4～9］。因此，我們將潛艇磁場近似為一個磁偶極子的磁場，且其縱向磁矩遠大于其他兩個方向的磁矩。

圖1 潛艇磁矩坐標系和飛機飛行坐標系

建立潛艇磁矩坐標系和飛機飛行坐標系，如圖1所示。假定這兩個坐標系原點重合，潛艇磁矩坐標系中x1軸與潛艇縱軸方向平行，指向艦艏方向為正，y1軸與潛艇橫軸平行，指向潛艇右側(cè)為正，z1軸與平面x1Oy1垂直，向下方向為正，構(gòu)成右手坐標系；飛機飛行坐標系中x2軸與飛機直線探測飛行方向重合，前進的方向為正，y2軸與x2軸垂直，指向左側(cè)機翼為正，z2軸與平面x2Oy2垂直，向上方向為正，也構(gòu)成一個右手坐標系。

假設反潛機在搜潛飛行時的磁航向角為α1，潛艇磁航向角為α2，潛艇在三軸方向上的磁矩分別為sx，sy，sz，由式（1）可知，利用旋轉(zhuǎn)矩陣便可將潛艇磁矩變換成在飛行坐標系下三軸方向上的磁矩mx，my，mz。

則潛艇磁在距離其r遠處（即飛機處）的磁感應強度為

可得潛艇磁在探潛飛機飛行坐標系三軸方向上產(chǎn)生的磁感應強度分別為［11］

其中，x，y，z為飛行坐標系中飛機所處的方位坐標，即在飛行坐標系下飛機與潛艇在三軸上的距離。

反潛機上磁異探測儀探測到的磁異常信號除了潛艇產(chǎn)生的磁感應強度以外，還有地磁場以及飛機本身運動所引起的磁干擾。磁干擾可用軟補償?shù)姆绞竭M行補償，為使磁異探測儀直接輸出目標潛艇磁異常信號，采用式（4）作為系統(tǒng)的輸出。

由此，設定各個參數(shù)，利用Matlab可仿真產(chǎn)生探潛飛機在任意搜潛航向下對任意航向潛艇探測到的磁異常信號，利用仿真產(chǎn)生的磁異常信號建立一個數(shù)據(jù)庫，用于與實時探測的磁異常信號進行對比。

4 對潛艇磁異常信號的仿真分析

根據(jù)以上建立的數(shù)學模型，假設潛艇三軸磁矩分別為Sx＝1.5×104A·m2，Sy＝3000A·m2，Sz＝8000A·m2，當?shù)氐卮趴倛鰹?1200nT，地磁傾角為47.1°?？煞抡嫔商綕擄w機在任意航向下，對任意航向的潛艇所探測到的磁異常信號。

圖2 探潛飛機搜潛示意圖

假設探潛飛機在應召反潛中到達目標海域后進行如圖2所示搜潛航行，當探潛飛機沿第一次探測航線搜潛航行時，根據(jù)飛行坐標系的定義，我們可知真實目標和虛擬目標的飛行坐標系如圖2中的位置1和位置3處所示。當探潛飛機沿第二次探測航線搜潛航行時，我們可知真實目標和虛擬目標的飛行坐標系如圖2中的位置2和位置4處所示。

圖3 沿第一次探測航線飛行時探測到的潛艇磁異常信號

進行中第一次探測航線方向（假設此時磁航向角為0°）搜潛航行，并探測到如圖3所示目標潛艇磁異常信號。將此信號與數(shù)據(jù)庫中探潛飛機磁航向角為0°時對任意航向潛艇探測的磁異常信號對比發(fā)現(xiàn)，此磁異常信號與圖2中標示出的沿磁航向角45°方向航行的真實目標潛艇以及沿磁航向角315°方向航行的虛擬目標潛艇產(chǎn)生的磁異常信號相同。因此僅靠一次探測飛行并不能較為準確的確定目標潛艇方位。而此時真實目標潛艇與探潛飛機在飛行坐標系下的距離為y2＝300m，z2＝260m；虛擬目標潛艇與探潛飛機在飛行坐標系下的距離為y2＝－300m，z2＝260m。

圖4 沿第二次探測航線飛行時探測到的潛艇磁異常信號

如記錄下磁異探測儀輸出潛艇信號峰值時飛機所處位置的GPS信息，標記此位置為A點。在探測到本次潛艇磁異常信號后，飛機立即轉(zhuǎn)向，沿航向角90°方向過A點垂直于第一航線（即圖2中第二航線）作第二次探測飛行，必能探測到潛艇信號。為便于分析問題，假設飛機轉(zhuǎn)向的這段時間，真實目標潛艇和虛擬目標潛艇航行至圖2所示相應位置。探潛飛機沿第二次探測航線進行搜潛飛行時，磁異探測儀輸出的磁異常信號如圖4所示。

圖5 沿第二次探測航線飛行時探測到的虛擬目標潛艇磁場信號

將此信號與數(shù)據(jù)庫中探潛飛機磁航向角為90°時對任意航向潛艇探測的磁異常信號對比發(fā)現(xiàn)，其與圖2中真實目標潛艇產(chǎn)生的磁異常信號相同，而此時對圖2中虛擬目標潛艇，其產(chǎn)生的磁異常信號如圖5所示，故可確定出真實目標潛艇所在的大致方位。由此分析可見，經(jīng)過上述兩個航次的搜潛航行，可進一步明確目標潛艇所處的方位。

由于探潛飛機在搜潛航行中實際的磁航向角是已知的，只要將實時探測到的磁異常信號與數(shù)據(jù)庫中探潛飛機相同磁航向角下對任意航向潛艇探測的磁異常信號進行對比，通過上述兩個航次的搜潛航行，便可對目標潛艇所處方位作出較為準確的判斷。探潛飛機兩次航線把可能存在潛艇的目標區(qū)域劃分為4個象限，一般可判斷出真實目標潛艇處于其中某一個象限之中，并能大致判斷出目標潛艇當時的磁航向角。故采用此種航空磁探搜潛方法可較好的判別出目標潛艇的方位，有效提高反潛作戰(zhàn)效能。

5 結(jié)語

本文通過matlab仿真生成了反潛機上在各個搜潛航向下，對目標潛艇各個航向下磁異探測器探測輸出的磁場信號，并利用生成的磁異常信號建立一個數(shù)據(jù)庫。通過仿真反潛機在兩個相互垂直航次的搜潛航行過程中探測到目標潛艇磁異常信號，將探測到的磁異常信號與數(shù)據(jù)庫中的磁異常信號進行實時對比，可快速判別出目標潛艇的方位，從而為后續(xù)對潛攻擊提供了有利的先決條件。

［1］孫明太.航空反潛概論［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1998：342－344.

［2］吳芳，楊日杰.航空磁探儀應召搜潛效能研究［J］.測試技術(shù)學報，2008，22（2）：144－147.

［3］王祖典.航空反潛非聲探設備［J］.電光與控制，2006，13（4）：6－8.

［4］王光輝，朱海，郭正東.潛艇磁偶極子近似距離條件分析［J］.海軍工程大學學報，2008，20（5）：60－63.

［5］曲曉慧，楊日杰，單志超.潛艇磁場建模方法的分析與比較［J］.艦船科學技術(shù)，2011，33（3）：7－11.

［6］周國華，劉大明.基于逐步回歸法的潛艇高空磁場仿真［J］.海軍工程大學學報，2005，17（5）：82－85.

［7］周耀忠，宋武昌，唐申生.潛艇磁場外推的數(shù)學模型研究［J］.海軍工程大學學報，2003，15（4）：31－35.

［8］王金根，龔沈光，劉勝道.磁性目標的高精度建模方法［J］.海軍工程大學學報，2001，13（3）：49－52.

［9］張青杉，麻豐林，許麗云.航空三維磁梯度測量方案研究［J］.地質(zhì)與勘探，2010，46（6）：1087－1091.

［10］趙建設，龔緒林.基于 HLA的潛艇指控戰(zhàn)術(shù)訓練系統(tǒng)研究［J］.計算機與數(shù)字工程，2011（9）.

［11］盧俊杰，陳正想，陳麗.一種磁梯度張量定位算法［J］.磁學工程，2011，3（2）：1－5.