艦船感應(yīng)磁性的磁異常信號特征

王光輝，朱 海，郭正東，喻利軍

(1.海軍潛艇學(xué)院，山東 青島266042;2.中國人民解放軍92196 部隊(duì)，山東 青島266000)

0 引 言

鋼鐵建造的艦船在地磁作用下會被磁化，從而擾動地球磁場，產(chǎn)生磁異常信號，該信號是磁引信水雷、航空磁異常探潛系統(tǒng)等所依賴的目標(biāo)信息源［1-3］。根據(jù)鋼鐵的鐵磁性質(zhì)不同，艦船的磁性可分為:永久磁性和感應(yīng)磁性。采用消磁站外消磁方式，可以有效地降低永久磁性;但對于感應(yīng)磁性的控制，只能利用艦船消磁系統(tǒng)(內(nèi)消磁)實(shí)現(xiàn)［4］。因此，對于沒有裝備內(nèi)消磁系統(tǒng)的艦船而言，實(shí)施外消磁后，感應(yīng)磁性就成為其主要磁性成分，直接決定了磁性目標(biāo)特征［5］。

航向的變化造成艦船感應(yīng)磁性的變化，從而影響其磁異常信號分布。本文針對艦船的感應(yīng)磁性，研究了不同磁航向情況下的磁異常信號分布，對于認(rèn)識艦船的磁性目標(biāo)特征具有重要意義。

1 相關(guān)模型

1.1 相關(guān)坐標(biāo)系

如圖1 所示，建立地理坐標(biāo)系XnYnZn(北-東-下)、地磁坐標(biāo)系XmYmZm(磁北-磁東-下)和甲板坐標(biāo)系XbYbZb(首-右-下)。忽略艦船姿態(tài)變化，地理坐標(biāo)系、地磁坐標(biāo)系、甲板坐標(biāo)系之間分別僅僅存在一個旋轉(zhuǎn)角度(磁差Var、磁航向MC)。

1.2 地磁模型

在地理坐標(biāo)系中，地磁主磁場(X，Y，Z)可由國際地磁參考場模型 (International Geomagnetic Reference Field，IGRF-11)獲得［6］:

圖1 三種坐標(biāo)系Fig.1 Three reference frames

式中:R 為國際參考地球半徑，為6 371.2 km;r 為地心距，km;θ 為當(dāng)?shù)赜嗑暥?λ 為當(dāng)?shù)亟?jīng)度;，為n 階m 次高斯球諧系數(shù)，nT，由國際地磁學(xué)與高空物理學(xué)協(xié)會發(fā)布;Pmn(cosθ)為施密特準(zhǔn)歸一化的締合勒讓德函數(shù)。

則在地磁坐標(biāo)系中，地磁分量可表示為:

1.3 磁異常信號模型

由于矢量磁傳感器的測量結(jié)果對傳感器的姿態(tài)非常敏感，受探測平臺姿態(tài)測量精度的限制，難以獲取較為準(zhǔn)確的目標(biāo)磁場。因此，標(biāo)量磁力儀是目前常用的遠(yuǎn)場磁異常探測手段。遠(yuǎn)場情況下，艦船磁性可等效為位于甲板坐標(biāo)系原點(diǎn)的磁偶極子，其產(chǎn)生的磁場可表示為

式中:m 為磁偶極子的磁矩;rb為甲板坐標(biāo)系中場點(diǎn)的位矢。

對于標(biāo)量探測，考慮到艦船磁場遠(yuǎn)小于地球磁場的實(shí)際情況，艦船磁異常信號可表示為

式中:B 為艦船產(chǎn)生的磁場;BE為地球磁場。

2 艦船感應(yīng)磁性

考慮地球磁場屬于弱磁的實(shí)際情況，艦船的感應(yīng)磁化過程可看作線性過程［7］，因此，在甲板坐標(biāo)系中，感應(yīng)磁性各分量與相應(yīng)的地磁分量成正比，其可表示為

在地磁坐標(biāo)系中，感應(yīng)磁性可表示為

當(dāng)場點(diǎn)距離艦船較遠(yuǎn)時，其磁性可等效為一個旋轉(zhuǎn)橢球體。根據(jù)鐵磁質(zhì)磁化理論，具有一定形狀的物體磁化時，內(nèi)部要產(chǎn)生一個與物體形狀相關(guān)的去磁場，造成使物體磁化的磁場要比外加磁場弱［8］。因此，旋轉(zhuǎn)橢球體各個方向的磁化能力并不相同，3 個主軸方向的磁化系數(shù)滿足

式中:Nx，Ny和Nz為橢球體縱向、橫向、垂向去磁系數(shù);λ 為橢球形狀系數(shù)，等于長半軸與短半軸之比。

3 仿真分析

不失一般性，艦船的長寬比取為10;艇鐵的相對磁導(dǎo)率取為200，相應(yīng)橢球體縱向、橫向、垂向去磁系數(shù)為0.02、0.49、0.49，縱向、橫向、垂向磁化系數(shù)之比為19.55∶1∶1;地球磁場水平分量和垂直分量分別取值為30 715 nT、41 526 nT (中緯度地磁場);縱向感應(yīng)磁矩的最大值為2 ×105A. m2(典型艦船的等效磁矩)。在艦船上方200 m 高度的水平平面內(nèi)，解算獲得的地磁坐標(biāo)系中艦船的磁異常信號分布如圖2 所示。艦船磁航向相差180°時磁異常信號的分布相同;信號分為正、負(fù)2 個區(qū)域，正值區(qū)域位于艦船南側(cè)，負(fù)值區(qū)域位于艦船北側(cè);信號大致左右對稱分布，對稱軸在南北方向附近，其偏離南北方向的角度與艦船磁航向有關(guān);信號強(qiáng)度受艦船磁航向變化影響顯著，當(dāng)艦船沿磁南、磁北航向時，磁異常信號最強(qiáng)，當(dāng)艦船沿磁東、磁西航向時，磁異常信號最弱;不同方向的信號梯度不同，不論艦船航向如何，沿磁南、磁北方向的信號梯度均遠(yuǎn)大于沿磁東、磁西方向的信號梯度。

圖2 艦船上方200 m 高度水平面內(nèi)的磁異常信號分布Fig.2 The MAD signal distributing on the plane of 200 m above ship

4 結(jié) 語

在地磁場中，艦船感應(yīng)磁性產(chǎn)生的磁異常信號與艦船的磁航向密切相關(guān)，當(dāng)艦船沿磁東、磁西附近航行時，磁異常信號較弱;磁異常信號的水平變化方向性明顯，沿磁南、磁北方向的磁異常信號梯度最大。為了減小艦船的磁異常信號，艦船應(yīng)盡量沿磁東、磁西方向航行;為了提高對艦船的探測能力，應(yīng)盡量沿磁南、磁北方向搜索。

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