航空磁異常探潛技術發(fā)展綜述

成建波 孫心毅

（中國人民解放軍92728部隊，上海，200436）

目前，世界海軍強國反潛裝備體系主要包括航空裝備、水面艦艇、潛艇和水下聲吶基陣等，其中航空裝備憑借其高速、高效、安全和機動靈活等特點，成為反潛裝備體系中不可或缺的重要力量。航空搜潛手段主要有吊放聲吶、聲吶浮標、搜索雷達、紅外/電視搜索儀、磁探儀、電子偵察系統(tǒng)和目視觀察等。其中，搜索雷達、紅外/電視搜索儀、電子偵察系統(tǒng)等主要用于對通氣管、潛望鏡狀態(tài)潛艇進行搜索；吊放聲吶、聲吶浮標和磁探儀主要用于對水下狀態(tài)潛艇進行搜索。聲音相對于其它信號，在水中傳播距離最遠，因此吊放聲吶、聲吶浮標是搜索水下潛艇目標的主要探測手段。磁探儀與其他探測設備相比，具有不受水文氣象條件限制、可以連續(xù)搜索、使用簡單可靠、反應迅速、定位精度高、隱蔽性好等優(yōu)點[1]，作為一種輔助探測手段，主要用于在聲吶設備發(fā)現(xiàn)水下目標后，進行目標確認和攻擊前的精確定位，有時也用于在狹窄海域或敵潛艇機動受限的小面積海域搜索。

隨著高靈敏磁異常傳感器及集成電路技術的發(fā)展，磁異常探潛越來越受到世界各海軍強國的重視，并被認為是當今目標識別和提高對潛攻擊效率最可靠的手段之一。

1 航空磁異探測技術的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

磁異常探測技術發(fā)展較早，美、德等海軍強國多年前就已研制出磁探儀，作為反潛作戰(zhàn)中的鑒別器材，并有多種型號磁探儀列裝使用。從探測原理劃分，主要有氦光泵磁探儀、銫光泵磁探儀、核磁共振式磁探儀和超導磁探儀等。

1.1 氦光泵磁探儀

氦光泵磁探儀發(fā)展較早，代表產(chǎn)品為美國德州儀器公司研制的跟蹤式光泵磁探儀 AN/ASQ-81（V），及其數(shù)字化改進產(chǎn)品AN/ASQ-208，主要裝備于P-3、SH-2D、SH-3H、SH-60B、S-3等多種型號反潛飛機、反潛直升機。氦光泵磁探儀一般采用三光系探頭，用于解決在不同緯度區(qū)域內(nèi)的適應性。AN/ASQ-81（V）磁探儀靜態(tài)靈敏度 10 pT·Hz-1/2，在淺海條件下對核潛艇（磁矩為 5×108Gs·cm3，下同）的作用距離為350 m，對常規(guī)潛艇（磁矩為2×108Gs·cm3，下同）作用距離為260 m，在深海條件下，對核潛艇的作用距離為 450 m。AN/ASQ-208型磁探儀靜態(tài)靈敏度約3 pT·Hz-1/2，探測性能比AN/ASQ-81（V）略高。

另外，美國 Polatomic公司還開發(fā)了更先進的AN/ASQ-233型激光氦光泵磁探儀，靜態(tài)靈敏度指標優(yōu)于0.3 pT·Hz-1/2，探測距離可達千米級，已在P-3C飛機上進行了適用性驗證。

1.2 銫光泵磁探儀

銫光泵磁探儀采用銫光泵磁傳感器進行探測，為了解決全球范圍適用性，確保飛機各種機動狀態(tài)下儀器均能正常工作，探頭采用自定向機構，用一套伺服機構，始終保持光系處于最佳方向。代表產(chǎn)品主要有加拿大CAE公司生產(chǎn)的AN/ASQ-504磁探儀及其最新改進的 AN/ASQ-508A磁探儀。AN/ASQ-504（V）磁探儀裝備于P-3C、P-1、SH-2、S-70B-2、C-295等反潛平臺。該型磁探儀靜態(tài)靈敏度為0.3 pT·Hz-1/2，在深海條件下對常規(guī)潛艇的作用距離最大800 m，對核潛艇的作用距離最大1 200 m，在淺海條件下，受地磁背景干擾，作用距離會有所下降。

AN/ASQ-508A是AN/ASQ-504的改進產(chǎn)品，主要改進點在于電子電路的數(shù)字化以及信號處理和識別軟件。該型磁探儀裝備于P-8I飛機上（P-8A飛機出口印度型），作用距離與AN/ASQ-504相當。

1.3 核磁雙共振磁探儀

核磁雙共振磁探儀的代表產(chǎn)品主要有法國MARK-III型，該型磁探儀裝備于“大西洋”反潛機，該型磁探儀對深海航行的中型常規(guī)潛艇作用距離約290 m，對在淺海航行的中型常規(guī)潛艇作用距離約220 m。

1.4 超導磁探儀

除上述三類磁探儀外，德國還于 1982年開展了超導磁探儀MAD2000的研究工作，1993年試驗證明其可行性，并在上世紀末通過了機載試驗。據(jù)報道，MAD2000設備在2002年左右列裝，超導磁探儀的靈敏度可達0.01 pT·Hz-1/2，比現(xiàn)有磁探儀高出數(shù)百倍，而且體積小，可構成陣列，能準確地確定潛艇的位置、深度、運動速度和航向。對磁矩為5×108Gs·cm3的核潛艇，在深海條件下，最大作用距離可達1 000 m以上。

1.5 磁探儀的發(fā)展趨勢

（1）為了適應無人機、無人駕駛飛行器的使用，光泵磁探儀向數(shù)字化、小型化，低功耗發(fā)展。加拿大CAE公司目前定型的MAD-XR磁探儀，功耗30 W，重量2.7 kg，擬裝備于無人駕駛飛行器，采用銫光泵傳感器，據(jù)推測，其對淺海航行狀態(tài)常規(guī)潛艇探測距離500 m，對核潛艇可達1 200 m。

（2）探測目標場源多樣化。國外在積極發(fā)展磁異探測技術的同時，也在對潛艇目標的其它場源開展研究。美國ARETE公司在2008年公布的一份資料顯示，其研制的ELF甚低頻電磁場探測儀開展了海洋測試，磁探儀靈敏度為1～3 pT·Hz-1/2，頻帶0～500 Hz，在固定安裝方式下對水下潛艇目標探測距離可超過1 000 m。ARETE公司為美國海軍研制搜潛裝備已有超過 20年歷史。上述資料證實了近年來對于磁特性搜潛的熱點研究集中在甚低頻磁場探測領域。此外，根據(jù)AN/ASQ-508A磁探儀的資料顯示，其采樣率在1.5 kHz，可在更高電磁頻譜進行數(shù)據(jù)分析。據(jù)此推斷其可能采用靜態(tài)磁異常+甚低頻磁場探測的方式，故有效提高了探測距離。

（3）無人機探潛技術越來越受到重視。為滿足美反潛作戰(zhàn)理念由低空向高空轉變的需要，美海軍正加緊研發(fā)新型反潛磁探無人機，以增強 P-8A等高空反潛機對潛艇的磁探測和精確定位能力。該無人機配備高靈敏度磁探儀，由 P-8A在高空利用聲吶浮標發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射后，飛至低空對敵方潛艇進行自動跟蹤和精確定位，并將信息實時傳遞回P-8A。同時，該無人機最大程度限制磁性或導電材料的使用，以確保自身磁靜音，預計 2020年前完成原型機制造和磁噪聲性能測試。

2 航空磁異探測能力需求分析

2.1 典型反潛作戰(zhàn)流程

航空反潛平臺進行反潛作戰(zhàn)時，一般需經(jīng)歷搜索、探測、識別、定位、跟蹤和攻擊等階段。以反潛巡邏飛機為例，在飛抵近海海域巡邏未發(fā)現(xiàn)潛艇跡象之前，一般采用雷達、紅外或目視觀察方式對海面上處于潛望鏡狀態(tài)或通氣管狀態(tài)航行的潛艇進行搜索。當發(fā)現(xiàn)和確認海面有潛艇航行的跡象時，或通過數(shù)據(jù)鏈通道獲得在某海域發(fā)現(xiàn)潛艇的信息時，飛機立即飛往目標上空布設聲吶浮標搜索陣，監(jiān)視和等待目標信號。經(jīng)識別確認存在潛艇后，對潛艇進行概略定位。初步定位后，飛機降至100～120 m高度，速度320～380 km/h，采用磁探儀進一步對目標進行識別和精確定位。在目標范圍比較明確時，也可直接使用磁探儀進行搜索和定位。

當目標運動參數(shù)被確定后，即可展開攻擊行動，使用魚雷或深水炸彈進行打擊摧毀，或使用深水炸彈進行警告性驅離。如果只對其繼續(xù)進行跟蹤，則一般使用磁探儀，并配合聲吶浮標對其保持連續(xù)接觸。

2.2 磁探儀能力需求分析

從上述典型反潛作戰(zhàn)流程可以看出，目前磁探儀受其作用距離限制，主要用于搜潛最后階段對潛艇進行識別、定位，還不具備對大面積海域水下目標的快速搜索能力。要使磁探儀成為對水下目標搜索的主要手段，則需大幅提高其作用距離。

假設600 km外某海域，1艘敵潛艇上浮水面被發(fā)現(xiàn)后，隨即潛入水下。P-3C飛機根據(jù)截獲潛艇的概略位置信息后，以600 km/h速度抵達任務海域，布放聲吶浮標陣進行搜索。通常浮標陣布放時間約為40 min，布放和監(jiān)聽的時間總和在1 h左右。在此期間，假定潛艇以6 kn的速度、任意航向水下航行，則潛艇在浮標陣布陣完成前，可能散布區(qū)域面積約為1 551 km2。按浮標作用距離5 km、成活率80%計，需投放25枚浮標才能覆蓋潛艇可能散布區(qū)域。

當使用磁探儀搜索時，磁探儀的探測寬度與磁探儀的作用距離、反潛飛機飛行高度和潛艇的航行深度有關，通常描述為如下形式[2-4]：

其中，R為磁探儀作用距離，H為反潛飛機飛行高度，h為潛艇航行深度。

如果 P-3C反潛巡邏飛機抵達任務海域后，以100 m高度、500 km/h速度使用磁探儀對潛艇進行搜索，搜索海域為潛艇可能散布區(qū)域的外切矩形。如要在1 h內(nèi)完成對200 m深度敵潛艇的探測，則磁探儀作用距離應不小于2 km。即當磁探儀作用距離達2 km時，其搜索效能和聲吶浮標基本相當，考慮到聲吶浮標為一次性使用的消耗品，如將磁探儀作為對潛艇的主要搜索手段，將極大的節(jié)省經(jīng)費，具有較大的軍事、經(jīng)濟意義。

3 磁異探測技術發(fā)展分析

3.1 影響磁探儀作用距離的關鍵因素分析

磁探儀在反潛過程中，根據(jù)磁探儀工作原理，在目標磁矩一定的情況下，其作用距離受磁探儀的靜態(tài)噪聲，磁探儀因飛機運動所產(chǎn)生的動態(tài)噪聲及目標所處的海洋磁環(huán)境背景噪聲影響。其中，靜態(tài)噪聲主要與磁探儀的靜態(tài)靈敏度、傳感器工作時自身電流所產(chǎn)生的磁干擾噪聲有關，噪聲大小主要取決于磁探儀的器件和設計水平，通常約為靜態(tài)靈敏度的10倍左右。

動態(tài)噪聲的產(chǎn)生則是由于飛機平臺含有一些恒磁性物質和電流源對磁探頭產(chǎn)生的磁干擾噪聲、機載電子設備工作時產(chǎn)生的磁干擾噪聲、以及平臺機動飛行時所產(chǎn)生的磁干擾噪聲等，上述噪聲疊加后通常比靜態(tài)噪聲大數(shù)十倍，需要通過提高平臺的無磁化水平，并通過相應的噪聲抑制和補償算法對噪聲進行抑制。

海洋磁環(huán)境背景噪聲則包括目標所區(qū)域的地質噪聲，洋流、海浪運動等引起的地磁干擾噪聲等，需要通過數(shù)據(jù)庫比對、磁異常信號處理與識別技術等進行抑制。一般情況下，深海區(qū)域的環(huán)境噪聲會小于淺海區(qū)域的環(huán)境噪聲。

磁探儀作用距離進行估算時，通常依據(jù)以下公式[5]：

其中，M為潛艇磁矩，S/N為磁探儀報警的最低可檢測信噪比，S為磁異常信號，N為噪聲；NM為磁探儀探頭因飛機運動產(chǎn)生的動態(tài)噪聲；NS為磁探儀設備的靜態(tài)噪聲；NE為海洋環(huán)境噪聲。

根據(jù)公式可知，上述三類噪聲中任何一種過大都會影響磁探儀的探測作用距離。因此，只有三類噪聲得到有效抑制，才能提高磁探儀的作用距離。同理，提高磁探儀報警的最低可檢測信噪比，也能有效提高磁探儀的作用距離。

3.2 磁異探測技術發(fā)展方向

針對前述影響磁探儀作用距離的關鍵因素，結合技術實現(xiàn)難度，今后一段時間內(nèi)，如下技術將成為磁探儀發(fā)展的重點方向。

（1）反潛平臺磁噪聲干擾抑制及補償技術。通過研究各型航空磁異常探測平臺的磁干擾，分析磁干擾特性，建立適用各型平臺的自動磁干擾補償技術；并結合航空磁異常探測系統(tǒng)上的磁場測量設備，對平臺的磁干擾進行實時補償，為磁異常探測器提供準確的目標磁場數(shù)據(jù)。通過該技術，可以有效降低平臺噪聲對磁探儀的影響，進而提高磁探儀的作用距離。

（2）磁異傳感器運動產(chǎn)生的動態(tài)噪聲抑制技術。磁探儀裝載于航空平臺時，在其高速運動過程中，與地球磁場相互作用后，產(chǎn)生的動態(tài)噪聲會影響磁探儀的探測作用距離。通過開展磁異傳感器運動產(chǎn)生的動態(tài)噪聲抑制技術研究，探索磁異傳感器動態(tài)噪聲產(chǎn)生機理，建立動態(tài)噪聲模型，并在此基礎上開展相應的抑制技術研究，實現(xiàn)對磁探儀運動產(chǎn)生的噪聲有效抑制。

（3）低磁性無人機平臺技術。由于有人駕駛固定翼飛機自身存在的磁噪聲，嚴重影響了磁探儀探測性能的發(fā)揮，基于無人機的磁異常探潛越來越受到重視。無人機操作使用方便，部署靈活機動，具有良好的伴隨性。最重要的是，無人機系統(tǒng)結構簡單、重量輕，可廣泛采用非金屬材料制成，大大降低環(huán)境平臺噪聲對磁探儀的影響。同時，由于無人機重量輕、任務載荷小，對磁探儀的小型化、智能化程度要求極高。因此開展適用于無人機的小型智能化磁異常探測關鍵技術研究也是降低平臺磁噪聲的一種有效途徑。

為滿足磁探儀在無人機上使用，要解決的關鍵技術主要有小型全向性氦光泵磁探儀設計技術、磁探儀集成技術、磁干擾補償技術，以及磁異常信號綜合處理技術。

（4）復雜地磁環(huán)境下的弱磁信號檢測技術

磁探儀依靠探測到的地磁異常變化來探測潛艇，通常距離較遠時，潛艇的磁異信號較弱。而潛艇所處的地磁環(huán)境極其復雜，微弱的潛艇磁異信號易被復雜的地磁環(huán)境噪聲所掩蓋，影響對潛艇的探測、識別效率。為此，針對復雜地磁環(huán)境下磁異常檢測過程中出現(xiàn)的類目標干擾較多、虛警率較高的現(xiàn)象，通過開展磁異常信號與干擾的多域別特征分析，磁異常信號與干擾的差異化特征提取技術研究，基于差異化特征的弱磁異常信號識別技術研究，復雜地磁環(huán)境數(shù)據(jù)庫的建立、地磁匹配校準、目標信號檢測技術研究等，實現(xiàn)復雜地磁環(huán)境下的弱磁信號檢測，提高磁探儀的探測性能。

（5）極低頻電磁場探潛技術

在利用電磁場反潛中，潛艇的極低頻電磁場輻射被廣泛地認為是水下探測的重要組成部分。與通用的磁異常探潛手段相比，極低頻電磁場探潛方法具有不需要進行路徑的地磁補償、對本地噪聲的要求降低、便于信號處理等優(yōu)點。發(fā)展極低頻電磁場探潛技術，將豐富對潛艇的探測手段，提高對潛艇的綜合探測能力。

通過開展?jié)撏螺S頻電磁場產(chǎn)生原理與建模、潛艇水下電磁場傳播規(guī)律、淺海環(huán)境電磁場特性研究、高靈敏度低噪聲的電磁傳感器設計與優(yōu)化、基于交變電場和交變磁場聯(lián)合的極低頻水下微弱電磁信號檢測方法研究等研究工作，發(fā)展極低頻電磁場探潛技術，提高航空平臺的對潛探測效能。

（6）基于SQUID的全張量磁場梯度矢量測量技術

目前，磁探儀廣泛采用磁通門式或光泵式磁探測器件，測量靈敏度較低，同時由于僅能測量到磁場標量，導致無法對目標進行精確定位?；赟QUID（Superconductor Quantum Interference Devices）的全張量磁場梯度矢量測量技術，不僅可以提高磁探測的靈敏度，還可以實現(xiàn)對潛艇的精確定位，提高探測效率。

通過開展?jié)撏Т艌鎏綔y系統(tǒng)的總體設計研究，超導 SQUID磁傳感器核心器件攻關，低溫集成、屏蔽及系統(tǒng)架構研究，基于高速運算電路的潛艇定位技術等研究工作，突破相關關鍵技術，研究一套基于超導 SQUID器件的磁場探測潛艇系統(tǒng)。該系統(tǒng)依靠超導 SQUID器件的高靈敏度來探測潛艇的微弱磁場矢量信號，通過載體背景磁場修正補償技術和基于磁場矢量的定位技術，實現(xiàn)對潛艇目標的探測和定位。

4 結束語

隨著潛艇降噪隱身技術及 AIP（Air Independence Propulsion）技術的飛速發(fā)展，潛艇在水下的長期潛航能力越來越強，對水面艦艇編隊的威脅也越來越大。磁探儀作為航空反潛平臺的一種重要手段，通過開展相關技術研究，提高其探測能力，將有效提升航空反潛效能，為扎牢水下籬笆，降低水下潛艇威脅，作出重要貢獻。