復(fù)雜環(huán)境磁噪聲背景下反潛機(jī)運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)對(duì)OBF信號(hào)檢測(cè)方法的影響

摘" 要：航空磁探儀是對(duì)水下磁目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)的一種有效手段，反潛機(jī)使用磁探儀進(jìn)行低空飛行探測(cè)過(guò)程中海浪磁噪聲是影響探測(cè)識(shí)別的重要噪聲源。目前，航空磁探儀設(shè)備在對(duì)目標(biāo)搜索過(guò)程中很少考慮海浪磁噪聲對(duì)目標(biāo)信號(hào)識(shí)別的干擾，基于此，該文主要研究運(yùn)動(dòng)目標(biāo)OBF方法對(duì)海浪磁噪聲疊加高斯噪聲等復(fù)雜背景干擾下，反潛機(jī)在不同飛行速度、飛行高度、飛行航向等運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)影響下，對(duì)OBF檢測(cè)性能影響，并進(jìn)行仿真分析。由仿真結(jié)果可知，通過(guò)控制反潛機(jī)運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)，可有效降低海浪磁噪聲對(duì)航空磁探儀的干擾，有效提高反潛機(jī)航空磁探儀信號(hào)檢測(cè)能力。

關(guān)鍵詞：航空磁探儀；海浪磁場(chǎng)；運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)；信號(hào)檢測(cè)；正交基分解法

中圖分類號(hào)：E925.4" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）31-0001-04

Abstract： The aeromagnetic detector is an effective means to detecting underwater magnetic targets. The magnetic noise of sea waves is an important noise source that affects the detection and identification during the low altitude flight detection of the antisubmarine aircraft using the magnetic detector. At present， the interference of ocean wave magnetic noise on target signal recognition is rarely considered in the process of target search by aeromagnetic detector equipment. Based on this， this paper mainly studies the influence of anti submarine aircraft on OBF detection performance under the complex background interference of moving target OBF method on ocean wave magnetic noise plus Gaussian noise， and under the influence of different speed， flight altitude， flight heading and other movement situations， and carries out simulation analysis. From the simulation results， it can be seen that by controlling the movement situation of the antisubmarine aircraft， the interference of the sea wave magnetic noise to the aeromagnetic detector can be effectively reduced， and the signal detection capability of the antisubmarine aircraft aeromagnetic detector can be effectively improved.

Keywords： aeromagnetic detector; wave magnetic field; motion situation; signal detection; orthogonal basis decomposition method

航空磁探儀是對(duì)水下磁目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)的一種有效手段，與航空聲納相比具有識(shí)別能力好、定位精度高、隱蔽性好等優(yōu)點(diǎn)。但由于潛艇目標(biāo)引起的磁異常信號(hào)遠(yuǎn)小于地磁背景等干擾信號(hào)，對(duì)潛艇目標(biāo)磁異常弱信號(hào)檢測(cè)方法的研究是極為有必要的。主要的潛艇磁信號(hào)檢測(cè)算法有：正交基（Orthogonal Basis Function，OBF）分解法[1]、隨機(jī)共振（Stochastic Resonance， SR）檢測(cè)[2]、熵濾波器檢測(cè)（Minimum Entropy Detector， MED）[3]和高階過(guò)零（High-Order Crossing， HOC）檢測(cè)[4-5]等。其中OBF的檢測(cè)方法，是將檢測(cè)信號(hào)與正交基函數(shù)作相關(guān)計(jì)算，并對(duì)相關(guān)系數(shù)的能量進(jìn)行累加計(jì)算，構(gòu)建為檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量，并設(shè)置不同虛警率下的門限。OBF分解檢測(cè)方法是目前較為常用的檢測(cè)方法，但相關(guān)文獻(xiàn)[1，6-9]中，很少研究海浪背景磁噪聲對(duì)檢測(cè)算法的影響，以及很少研究反潛機(jī)運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)對(duì)磁信號(hào)檢測(cè)概率的影響?；诖?，本文主要研究在海浪磁噪聲和高斯磁噪聲的復(fù)雜干擾條件下，反潛機(jī)飛行速度、飛行航向、飛行高度等因素對(duì)OBF方法的檢測(cè)概率分析。

1" 基于OBF的磁異常信號(hào)檢測(cè)方法

OBF分解是將潛艇磁偶極子模型下的磁場(chǎng)分解成由數(shù)個(gè)正交基的加權(quán)和的一種方法，OBF分解對(duì)磁異常信號(hào)檢測(cè)的方法是對(duì)各基函數(shù)的加權(quán)系數(shù)進(jìn)行平方和運(yùn)算，并作為檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量的一種檢測(cè)方法，具體過(guò)程如下。

將接收信號(hào)分解為3個(gè)基函數(shù)的線性組合，即

式中：ai為基函數(shù)的系數(shù)，M為目標(biāo)磁矩，R0為潛艇與磁探儀之間的距離，μ0=4π×10-7 H/m為真空磁導(dǎo)率，fi（w）為基函數(shù)

并且基函數(shù)之間具有正交性，即

其中，

傳統(tǒng)OBF分解的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為E=a12+a22+a32。

2" 航空磁探儀對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的OBF信號(hào)檢測(cè)方法

傳統(tǒng)的OBF檢測(cè)算法主要是針對(duì)機(jī)動(dòng)平臺(tái)探測(cè)靜止目標(biāo)設(shè)計(jì)[1，6-8]，而本文研究的反潛機(jī)磁探儀對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，是機(jī)動(dòng)平臺(tái)探測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的過(guò)程，需要對(duì)傳統(tǒng)OBF檢測(cè)算法進(jìn)行改進(jìn)。

由文獻(xiàn)[9-10]可知，航空磁探儀探測(cè)動(dòng)目標(biāo)的磁異常信號(hào)模型

Fi（w）為正交基

動(dòng)目標(biāo)磁異常信號(hào)Bm在正交基F0（w）、F1（w）、F2（w）組成的空間（OBF空間）上的能量為E，表示為E=A+A+A，將E作為判決統(tǒng)計(jì)量，有

式中：T為選定的門限，H0為假設(shè)目標(biāo)不存在，H1為假設(shè)目標(biāo)存在。由式（4）可知，若t時(shí)刻目標(biāo)信號(hào)為Bm（t），則能量系數(shù)Cj（t）為

3" 海浪磁噪聲模型

基于Weaver海浪磁場(chǎng)理論，在地磁場(chǎng)HEgt;gt;|B|的條件下，磁探儀探測(cè)信號(hào)幅度hB（z，θ）表示為

式中：a、ω、k分別為單頻波幅度、頻率、波數(shù)，g為重力加速度，I為磁傾角，γ為磁偏角，θ為波浪傳播方向，HE為地磁場(chǎng)矢量。

t時(shí)刻海平面上方zm高度的運(yùn)動(dòng)磁力計(jì)檢測(cè)到的海浪磁場(chǎng)表達(dá)式為

式中：ω、k分別為海浪頻率和波數(shù)；τ（ω，θ）是初始時(shí)刻相位，在（0，2π）之間均勻分布；θ為海浪傳播方向與x軸的夾角；S（ω，θ）為方向譜。

方向譜S（ω，θ）由頻率和角度相關(guān)的2個(gè)函數(shù)組成，可表示為

式中：S（ω）為海浪頻譜，G（ω，θ）為海浪方向分布函數(shù)，A（ω，θ）為簡(jiǎn)諧波振幅。

目前較常用的海浪頻譜S（ω）為Person-Moscowitz譜模型，簡(jiǎn)稱為P-M譜

式中：ω為頻率；α=0.008 1；β=0.74；g為重力加速度；U為海面上19.5 m處風(fēng)速，譜峰頻率為ωn=8.565/U。

由公式（12），可仿真出2級(jí)海況條件下的海浪能量分布圖，如圖1所示。

由圖1的海浪PM能量分布曲線圖可知：海浪的PM譜屬于窄帶譜，主要集中在低頻部分，這與線性海浪理論是相符合的。反潛機(jī)航空磁探儀探測(cè)到的潛艇目標(biāo)信號(hào)能量也主要集中在低頻部分，正好與海浪環(huán)境磁噪聲信號(hào)相重疊，因此，海浪環(huán)境磁噪聲會(huì)影響航空磁探儀對(duì)目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)。

4" 仿真分析

本節(jié)主要仿真分析了高斯白噪聲疊加海浪磁噪聲背景下，反潛機(jī)的飛行速度、飛行航向、飛行高度等運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)對(duì)OBF磁異常信號(hào)檢測(cè)方法的效能影響，其結(jié)論可為航空磁探儀降低噪聲干擾，提高對(duì)潛艇磁目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)能力。

仿真條件為：地磁場(chǎng)HE=50 000 nT，地磁傾角為30°，地磁偏角為10°，重力加速度為9.8 m/s2，海水的磁導(dǎo)率為4π×10-7 H/m，海水電導(dǎo)率為5 s/m，采樣頻率為10 Hz，波浪傳播主方向?yàn)?5°。

4.1" OBF對(duì)復(fù)雜背景磁噪聲的抑制能力分析

圖2—圖5為在高斯白噪聲疊加海浪磁噪聲背景下，本文OBF方法對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的信號(hào)檢測(cè)結(jié)果?？梢?jiàn)，OBF檢測(cè)能較好地抑制海浪磁場(chǎng)背景噪聲的影響。

4.2" 反潛機(jī)運(yùn)動(dòng)速度對(duì)OBF檢測(cè)能力影響分析

仿真反潛機(jī)在100、150、200 m/s飛行速度條件下，對(duì)磁探儀OBF檢測(cè)概率的影響，如圖6所示。

由仿真結(jié)果可見(jiàn)，隨著反潛機(jī)飛行速度的增加，磁異常信號(hào)能量減弱，OBF檢測(cè)概率降低。

4.3" 反潛機(jī)飛行航向?qū)BF檢測(cè)能力影響分析

仿真反潛機(jī)與目標(biāo)同向、垂直過(guò)頂條件下，磁探儀OBF檢測(cè)結(jié)果。

圖2、圖5為反潛機(jī)與目標(biāo)同向過(guò)頂條件下，磁探儀OBF檢測(cè)結(jié)果。圖7和圖8為反潛機(jī)與目標(biāo)垂直過(guò)頂條件下，磁探儀OBF檢測(cè)結(jié)果。

通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)反潛機(jī)與目標(biāo)同向過(guò)頂時(shí)，探測(cè)的磁異常信號(hào)為雙峰，OBF檢測(cè)抑制復(fù)雜噪聲能力強(qiáng)；反潛機(jī)與目標(biāo)垂直過(guò)頂時(shí)，探測(cè)的磁異常信號(hào)為單峰，OBF檢測(cè)抑制復(fù)雜噪聲能力相對(duì)較弱。

4.4" 反潛機(jī)飛行高度對(duì)OBF檢測(cè)能力影響分析

仿真反潛機(jī)在100～300 m飛行高度條件下，對(duì)磁探儀OBF檢測(cè)概率的影響，如圖9所示。由仿真結(jié)果可見(jiàn)，隨著反潛機(jī)飛行高度的增加，磁異常信號(hào)能量減弱，OBF檢測(cè)概率降低。

5" 結(jié)論

本文通過(guò)研究在海浪磁噪聲疊加高斯噪聲等復(fù)雜背景干擾下，反潛機(jī)在不同飛行速度、飛行高度、飛行航向等運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)對(duì)OBF檢測(cè)方法的性能影響，提出了可通過(guò)控制反潛機(jī)運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)，降低海浪磁噪聲對(duì)航空磁探儀的干擾，有效提高反潛機(jī)航空磁探儀信號(hào)檢測(cè)能力。

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