基于磁探包線的航空磁探潛仿真研究

張朝陽,孫心毅,洪 達

(中國人民解放軍92728部隊,上海 200080)

在反潛戰(zhàn)中,航空反潛以其速度快、機動性強、搜索效率高、受敵潛艇威脅小等優(yōu)點受到世界各國海軍的重視[1-2],成為搜潛、對潛定位、攻潛的一種重要手段。對于潛航狀態(tài)的潛艇,其主要探測手段是聲吶和磁探儀[3-5],聲吶由于探測距離遠(yuǎn)、定位精度低,一般用于大范圍搜尋目標(biāo),最后的精確定位和目標(biāo)識別則由磁探儀完成。由于磁探儀具有定位精度高,隱蔽性好,連續(xù)搜索,使用簡單等優(yōu)點,在航空反潛中發(fā)揮著越來越重要的作用。

目前國內(nèi)外的磁探儀大都采用反潛巡邏機搭載的形式,其核心部件為光泵磁力儀[6-7],探測精度可達0.1 nT以上,對于中型潛艇的探測距離可達幾百米。國內(nèi)外關(guān)于航空磁探潛的研究較多,主要集中在磁探測模型分析[8-10]、探測概率計算[11]、磁探儀系統(tǒng)設(shè)計[5]等方面,對航空磁探潛技術(shù)的研究都有一定的參考意義。航空磁探潛的效能與磁探飛機和潛艇之間的運動態(tài)勢密切相關(guān),飛機的飛行情況、潛艇的運動情況等都會影響磁探潛的效果。一些學(xué)者對相關(guān)問題進行了研究,文獻[12-14]分別從飛機航向、潛艇航向和潛艇磁矩等方面分析了各因素對磁探潛性能的影響,并得出了一些可供參考的仿真結(jié)果。但這些研究僅從某一個方面進行了分析,通過求解所設(shè)條件下的磁場分布曲線或探測曲線,獲得了一些磁探潛的指導(dǎo)性結(jié)論,而某種態(tài)勢條件下的磁探測區(qū)域沒有直觀顯示,其探測規(guī)律的內(nèi)在發(fā)掘存在不足,對實際航空磁探戰(zhàn)術(shù)運用或潛艇規(guī)避的綜合指導(dǎo)不夠?；谏鲜鰡栴},作者提出空中磁探包線的概念,試圖通過對一定態(tài)勢條件下空中磁探包線的直觀顯示和分析,綜合變換潛艇航向、磁矩構(gòu)成、緯度等態(tài)勢條件,研究潛艇空中磁探包線分布特征,尋找磁探潛技術(shù)運用及潛艇規(guī)避規(guī)律,為在實際空中磁對抗中占得先機提供理論參考。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 潛艇磁場信號模型

潛艇的磁場有近場磁場和遠(yuǎn)場磁場之分[15],根據(jù)等效源原理,潛艇近場磁場可用一系列磁偶極子產(chǎn)生磁場的疊加表示,隨著距離的增加,遠(yuǎn)場磁場可用單個磁偶極子磁場等效。無論近場磁場還是遠(yuǎn)場磁場,磁偶極子都是等效磁源的基本單元。直角坐標(biāo)系下,單個磁偶極子產(chǎn)生的磁場可表示為

(1)

由式(1)可以分別計算各等效磁偶極子磁場,然后疊加得到潛艇近場磁場,遠(yuǎn)場磁場則可由式(1)直接計算得到。需要注意的是,潛艇遠(yuǎn)場磁場也可由磁偶極子陣列等效計算得到,但其近場磁場則不能由單個磁偶極子等效計算獲得。式(1)的單個磁偶極子磁場模型是航空磁探潛研究中常用的潛艇磁場信號模型。

1.2 磁探儀探測信號模型

航空磁探儀探測潛艇時,一般是沿某一探測航線實施(如圖1所示),光泵磁探儀所探測得到的潛艇磁異常,是一總量磁場標(biāo)量信號,是探測場點處潛艇磁場在地磁場方向(圖1中BE)的投影[12]。

圖1 航空磁探潛示意圖

研究磁探潛模型時,首先要將潛艇上方空中三分量磁場轉(zhuǎn)換為光泵磁探儀測量得到的總量磁場信號,設(shè)θ為磁北方向到潛艇航向的逆時針角度(潛艇航向角),將潛艇的三分量磁感應(yīng)強度投影到地磁場方向,則潛艇磁感應(yīng)強度的水平分量Bh和垂直分量Bv的形式為

(2)

設(shè)γ為探測場點處的地磁傾角,沿地磁場方向的單位磁場向量為(cosγ,sinγ),則潛艇磁場的光泵測量值為

B=Bhcosγ+Bvsinγ

(3)

由式(1)、式(2)、式(3)可得潛艇磁場的光泵測量信號表達為

3xzsinγ]Mx+[3xycosγcosθ+(3y2-r2)cosγsinθ+

3yzsinγ]My+[3xzcosγcosθ+3yzcosγsinθ+

(3z2-r2)sinγ]Mz}

(4)

式(4)即為航空磁探儀的探測信號模型,本文所做研究即以此為基礎(chǔ)。

1.3 空中磁探包線

在航空磁探潛這種反潛飛機與潛艇的磁對抗中,一定條件下潛艇上方異常磁場的分布是一定的,反潛飛機根據(jù)飛行高度和磁探儀精度,在潛艇上方一定范圍內(nèi)能夠探測到異常磁信號,該范圍就是反潛飛機在空中某高度的有效探測區(qū)域,其邊界包絡(luò)線可稱為空中磁探包線。因此空中磁探包線可定義為,在一定的磁探儀探測精度下,飛機在潛艇上方某一高度能探測到潛艇磁異常信號區(qū)域的包絡(luò)線。

飛機在空中磁探包線內(nèi)穿過時,將能夠探測到潛艇磁異常信號,進而對目標(biāo)進行識別和定位,并實施攻擊?？罩写盘桨€可直觀地顯示某高度有效探測區(qū)域的大小,也體現(xiàn)了潛艇對抗空中磁探的能力。按照常規(guī)理解,潛艇磁場隨高度而衰減,其空中磁探包線區(qū)域應(yīng)該單調(diào)收縮遞減,最后在某高度消失(如圖2所示),但實際探測中是否嚴(yán)格意義上的遞減,是本文研究的一個問題。

圖2 空中磁探包線變化示意圖

2 仿真研究

反潛飛機采用光泵磁探儀探測潛艇時,空中磁探包線會隨潛艇的航向、磁矩構(gòu)成、所處緯度及探測高度等發(fā)生變化,本節(jié)試圖通過仿真研究,揭示其中的一般規(guī)律。

1)仿真條件設(shè)定

磁源設(shè)定:仿真研究中潛艇目標(biāo)磁源用磁偶極子陣列模型[16]代替,選用5個磁偶極子的陣列作為等效磁源,磁矩參數(shù)參照某型潛艇船模計算得到,包括固定磁矩和感應(yīng)磁矩。

磁探儀精度:采用一般光泵磁探儀能夠達到的探測精度0.2 nT,鑒于本文主要是研究磁探包線分布規(guī)律的目的,不考慮探測中的噪聲影響。

仿真分析中,以中緯度地區(qū)(東海地區(qū))的地磁場為基準(zhǔn)地磁場(水平分量33 950 nT,垂直分量34 300 nT),磁探測信號由式(4)得到,通過變換潛艇航向、磁矩構(gòu)成、所處緯度及探測高度等,研究空中磁探包線的變化,得到其分布規(guī)律,為航空磁探潛、潛艇磁對抗中進行規(guī)避等提供參考。

按照上述設(shè)定條件,可得到潛艇北航向(磁北航向)時300 m高度測量磁場的分布曲面,以及相應(yīng)的空中磁探包線分布,如圖3所示。

圖3 磁探儀測量磁場及空中磁探包線分布(300 m)

磁場分布圖可以直觀地揭示一般規(guī)律,如由于光泵磁探儀測量信號的原理特點,其測量磁場曲面具有波峰和波谷,潛艇中心位置的投影基本處于波峰和波谷之間。而從磁探包線圖中可以看出,在使用光泵磁探儀探測潛艇的情況下,空中磁探包線存在不連續(xù)情況,在潛艇南北航向時,沿南北方向探測時,中間會出現(xiàn)信號丟失的現(xiàn)象。從整體來看,南北方向的有效探測長度要大于東西方向的有效探測長度。

2)磁探包線隨潛艇航向的變化

將潛艇航向由北航向依次變?yōu)槲骱较?、東航向、南航向,其他條件不變,300 m高度的空中磁探包線如圖4所示。

由圖4中可以看出,潛艇位于東西航向和南航向時,磁探包線區(qū)域均有所變小,且包線區(qū)域中心均偏離潛艇中心上方。由此結(jié)果可知,當(dāng)潛艇遇到反潛飛機進行磁探攻擊時,調(diào)整航向至東西航向或南航向,可減小被探測到的概率。對于反潛飛機而言,東西方向飛行探測潛艇時,探測到潛艇磁信號的概率要相對大一些,因為大多數(shù)情況下,潛艇磁信號在南北方向的跨度要大一些。

圖4 潛艇不同航向時的空中磁探包線

3)磁探包線隨潛艇磁矩構(gòu)成的變化

由1)和2)的結(jié)果可知,上述分析中潛艇北航向的磁探包線最寬,探測區(qū)域最大,因為磁源中縱向固定磁矩主要沿艇首方向(可認(rèn)為是北航向建造潛艇,縱向固定磁矩沿艇首方向)。假定潛艇為南航向建造,將縱向固定磁矩反向,得到沿艇尾方向的縱向固定磁矩(設(shè)固定磁矩最大值大于感應(yīng)磁矩最大值),其他條件不變。北、西、南、東四個航向,300 m高度平面的磁探包線分布如圖5所示。

圖5 磁矩構(gòu)成變化后空中磁探包線分布

潛艇磁矩構(gòu)成改變后,磁探包線在各航向分布較前述(1)、(2)結(jié)果有所變化,南航向磁探包線擴展,北航向收縮,東西航向變化較小,潛艇在南航向時被探測到的概率增大,北航向則明顯變小,原因主要是縱向固定磁矩發(fā)生了變化。

在潛艇磁矩構(gòu)成中,縱向固定磁矩一般是磁源的主要構(gòu)成之一,不同的潛艇會存在方向性差異,而橫向固定磁矩則相對較小,垂向磁矩相對固定,不隨航向變化,因此,在討論磁對抗時,主要考慮影響最大的縱向固定磁矩的變化。綜合(1)-(3)結(jié)果分析可知,為對抗航空磁探,潛艇應(yīng)首先掌握自身磁矩分布規(guī)律,以避開與縱向固定磁矩方向一致的航向(可反方向或東西航向航行)。

4)磁探包線隨緯度的變化

緯度變化的影響主要是由于地磁場的不同,使得潛艇感應(yīng)磁矩和空中磁場分布發(fā)生變化,進而引起空中磁探包線分布的變化。各取低緯度地區(qū)一處(地磁水平分量40 580 nT,垂直分量3 940 nT)、高緯度地區(qū)一處(地磁水平分量15 160 nT,垂直分量53 200 nT),其余條件同(1),分別計算300 m高度的空中磁探包線分布(潛艇北航向),如圖6所示。

圖6 不同緯度的空中磁探包線分布

通過和(1)的結(jié)果(中緯度)對比可知,潛艇在不同緯度地區(qū)活動時,其上方空中磁探包線隨之變化,但隨緯度變化的規(guī)律與潛艇本身感應(yīng)磁矩和固定磁矩的構(gòu)成比例有關(guān)系。就本文仿真所用磁源而言,通過結(jié)果比較,各條件不變時,潛艇處于中緯度地區(qū)的磁探包線區(qū)域相對大些,高緯度和低緯度的磁探包線區(qū)域相對較小。主要原因:低緯度時垂向感應(yīng)磁矩變小,但縱向感應(yīng)磁矩增加,高緯度時縱向感應(yīng)磁矩減小,但垂向感應(yīng)磁矩增加較多,此消彼長,總體磁性變化不大,反而處于中緯度地區(qū)時,縱向感應(yīng)磁矩和垂向感應(yīng)磁矩均處于中位值時,總體磁性表現(xiàn)較大,更容易被反潛飛機探測到。

5)磁探包線隨探測高度的變化

按照1)中所設(shè)仿真條件,通過初步計算可知550 m高度時已無法探測到潛艇磁信號,磁探包線面積為0。將探測高度從50 m到550 m間隔50 m變化,分別計算各高度磁探包線面積,磁探包線面積隨高度的變化曲線如圖7所示。

圖7 磁探包線面積隨高度的變化

由計算結(jié)果可以看出,磁探包線并非嚴(yán)格地隨高度增加而單調(diào)收縮,而是先隨高度進行一定程度的“外擴”(200 m高度以內(nèi)),然后隨高度增加逐漸收縮直至消失。通過不同情況的仿真分析計算可知,一般潛艇上方250 m以內(nèi)高度空間,空中磁探包線存在“外擴”現(xiàn)象,250 m以上空間才單調(diào)收縮。

3 結(jié)束語

在航空磁探潛中,空中磁探包線能夠反映一定條件下的磁對抗態(tài)勢,可作為研究航空磁探潛的一種直觀有效方法。反潛飛機在磁探包線內(nèi)穿越飛行,可以獲得有效接觸信號,進而完成探測、識別、跟蹤及攻潛等過程,在磁探包線外飛行,則無法探測到潛艇。潛艇可根據(jù)自身磁探包線,調(diào)整規(guī)避策略,降低被發(fā)現(xiàn)的概率。通過本文仿真研究,可以得到以下結(jié)論:

1)空中磁探包線可直觀反映一定態(tài)勢條件下反潛飛機的有效探測區(qū)域,也能反映潛艇對抗航空磁探能力的強弱;

2)反潛飛機探測潛艇時,沿東西方向飛行探測概率要相對大一些;

3)在一定條件下,潛艇東西航向的磁探包線較南北航向的磁探包線要窄,東西航向航行被探測到的概率相對要小;

4)戰(zhàn)時潛艇應(yīng)掌握自身磁矩構(gòu)成情況,可利用縱向固定磁矩的方向變化調(diào)整航向,減小磁探包線面積,降低被發(fā)現(xiàn)的概率;

5)磁探包線隨緯度的變化規(guī)律與潛艇本身感應(yīng)磁矩和固定磁矩的構(gòu)成比例有關(guān);

6)磁探包線并非隨高度增加單調(diào)收縮,250 m高度以內(nèi)存在“外擴”現(xiàn)象,250 m以上隨高度增加逐漸收縮到零。

下一步將在本文基礎(chǔ)上開展不同對抗條件下的航空反潛效能評估研究,并結(jié)合開展反潛手段運用、反潛戰(zhàn)法研究等。