水下磁异常探测
水下磁异常探测
文稿归稿存档编号：[KKUY-KKIO69-OTM243-OLUI129-G00I-FDQS58-
基于水下磁异常的潜艇探测技术
0引言
目前以声响讯号探测水面下的人造物体成为运用最广泛的手段。但由于复杂的海洋环境，声纳探测的灵敏度受到一定的限制，同时，声纳探测还有自身的诸如“声影区”的局限，探测海洋中的运动物体（如潜艇）和海洋资源，非声探测技术将发挥重要的作用，其中水下磁场探测技术是一种基于磁异信号的目标探测技术，是近年来随着磁传感器的测量精度不断提高而新兴的一种目标磁探测技术。虽然电磁波在水中衰减的速率非常的高，但随着减声降噪技术的发展，磁测量定位可以准确地推算出磁体与探头之间的相对位置，获得磁体在不同的位置下准确的磁场信息，磁探测技术被广泛地应用于军事设施上可以定位侵入防护区域的磁性目标（坦克，潜水艇，导弹等）的探测。因此，开展水下目标磁探测研究，根据水下大型目标磁场的远场分布特征，建立目标磁场分布的探测模型，对水下大型目标进行远程探测，迅速准确地判断出目标物的类型，并进一步对其进行定向与定位，已成为在现代海战中取得决胜的关键性因素。
1水下目标磁异常探测原理
磁探测技术是各种非声探测中发展较早、技术较成熟的一种探测方法，与声纳技术相比具有识别能力高、运行时间短、定位精度高及成本低等优点。海洋磁探测是搜索水下磁性体最有效的手段之一，这些磁性体产生的感应磁场叠加在海洋磁背景场之上，会导致海洋磁背景场明显
畸变，会改变所在位置周围空间的地磁场分布，从而产生磁场异常信号，通过测试和处理磁异信号，可以得到反映磁性目标的探测信息，其物理基础为：含有铁磁性物质的物体会改变所在位置周围空间的地磁场分布，从而产生磁场异常信号，其原理如图1所示。
图 1 磁异常现象示意图
可见基于磁异信号的目标磁探测技术与磁异常场和地磁场有关。对磁性目标的探测信息的提取都是通过对磁异信号的测量，从地磁场（近似均匀场）为背景中提取出来的。
2水下磁异常探测研究现状
2.1潜艇磁场模型建立
分析目标的磁特性可以使磁异常探测系统准确确定目标，根据磁场来源可将用于水下目标探测的电磁场主要有四种：第一种是水下潜艇一般都是由不同金属构成的，不同金属之间会产生电化学腐蚀电流从而产生的感应电磁场，还有就是为了防止海水腐蚀金属，外加电流阴极保护系统(ICCP)产生的电磁场(CRE和CRM)；第二种是螺旋桨扰动腐蚀相关产生的轴频电磁场；第三种是舰船各种机电设备泄漏到海水中的电流产生的工频电磁场；第四种是水下目标的铁磁性金属结构的剩磁场和感应磁场。合理的建立目标模型可以从其磁感应磁场的分布特征判断出目标类型、大小以及位置。
目前潜艇磁场建模主要有两个方法：第一种是根据阴极保护系统参数计算出潜艇表面的电势分布，另一种方法就是利用电偶极子阵列和观
测数据来模拟。英国某公司已经根据第一种方法结合边界元法开发了潜艇建模软件Beasy[1]。加拿大Davis公司则利用了第二种方法对加拿大某海军舰船水下磁场进行建模和预报，通过实测数据和预测数据进行对比验证，证实了该方法的可行性。加拿大Davis为了降低舰船极低频电磁场，成功开发了有源轴接地系统。俄罗斯也基于同样的目的发明了绝缘工艺和电磁场补偿手段来降低其自身产生的磁场。张琦[2]将有限元法应用到计算潜艇磁场上；熊露[3]等计算了由螺旋桨切割地磁场产生的涡旋电磁场，给出了涡旋电磁场的空间分布；姚振宁[4]等将边界元法和磁体模拟法相结合对在磁性目标影响下的舰船进行磁场建模，并用舰船做了实验对其方法进行了验证。雷毅[5]等根据测量得到的潜艇某些数据，再通过磁场仿真计算给出了潜艇磁场空间分布特征。陈聪[6]等人提出了采用电偶极子首尾相接而成的电流线对潜艇磁场进行模拟仿真，分布特征明显。曲晓慧[7]对潜艇磁场各种建模方法，主要包括磁偶极子模型、均匀磁化的旋转椭球体模型、均匀磁化的旋转椭球体与磁偶极子阵列混合模型等等，并给出了各个方法的适用范围。杜充[8]等采用了物理光学法对舰船尾迹的RCS进行了分析，并得出舰船尾迹的RCS分布广并且规律性强。罗光成和周家新[9，10]等运用了要素间多维随机变量生成算法对水下潜艇的常规运动轨迹进行生成，并将其产生的虚拟航迹与真实航迹进行了验证。为了提高航空磁探测中潜艇磁场模型精度，对各种潜艇磁场建模方法进行了详细的分析。
2.2背景磁场分析及信号降噪
海洋内影响磁场特性的因素众多，因此研究海洋各种运动形式产生
的磁场，可以得到海洋背景磁场的分布规律，为水下探测潜艇等目标的识别技术提供海洋背景磁场，为目标磁场与背景磁场分离并分析目标类型以及位置提供理论依据，与此同时，水下目标磁探测受到海洋电磁噪声的一定限制，因此研究海水运动产生的背景噪声磁场将有助于消除其对水下探测精度的影响。图2为水下目标的干扰磁场组成。
图 2 水下目标干扰磁场组成
海洋海水中富含各种盐类物质，因而含有大量电离子，富有导电性，可近似看做导体。20世纪中期各国物理学家开始研究海水运动产生电磁场的产生机理，并研制了各种检测仪器。闫晓伟[11]等对海浪感应磁场矢量模型进行了研究，分析了三分量的海浪磁感应磁场的时域、频域和空间分布特征；熊雄[12]等基于海浪海谱模型给出了基于四叉树的快速仿真算法，提高了计算大量海浪情况下的计算速度。Hennings I和Yue R[13,14]等将海流看作是周期变化缓慢的长周期的模型，并推导出海流中任意两点的电势差，以及海流磁感应磁场空间分布特征。Milford G[15]等通过推导得出海流产生磁场的方程，以及海流磁感应磁场的空间分布特征。魏仪文[16]等基于Kd V方程建立了内波传播模型，并计算了内波存在对大尺寸电磁散射特性的影响，并分析了不同内波参数不同海况下内波对海面散射和多普勒的影响。
2.3探磁设备
水下电磁场是潜艇除了声场外在水下最重要的目标特征，由于海洋系统复杂的磁场特性，且在水下环境中地磁场强度具有衰减的特征，水
下磁异常检测需要高效能的水下磁场传感器，尤其是低频（100mHz～1kHz）磁场传感器。低频磁异常探测技术检测的是潜艇的极低频电磁场特征，重点是其轴频磁场和尾流磁场等低频交变磁场特征。在此频段内，舰船的水下电磁场特征明显且传播距离较远。
在探磁设备方面，磁探测能力随着高精度海洋磁力仪研发大大提高，从1933年世界上出现了第一台磁通门磁力仪到现在广泛使用的光泵磁力仪，海洋磁场探测仪器的测量精度、灵敏度、采样率、稳定性大大提高，并且海洋磁力仪阵列的问世，使得海洋磁场探测的能力大大提高。普通的海洋质子旋进式磁力仪可以达到 0.1n T 灵敏度，新型的光泵式磁力仪可以达到 0.001n T 灵敏度，超导磁力仪可以达到 0.00001n T 灵敏度[17,18,19]。超导量子干涉磁力仪是目前为止测量磁场灵敏度最高的仪器，其灵敏度高达10-5~10-6nT。Blakely R J等[20]开发了用于识别磁异常或其他局部磁性体产生的异常磁矢量测量系统。由磁通门磁强计形成的磁梯度计尺寸小和功率低，灵敏度相对较高，磁噪声补偿关键，因为磁力计必须靠近磁噪声源工作。Pei Y H[21]等研制了集成磁性梯度仪的小型无人磁探测潜航器,并在实测中取得了较为理想的效果。2012年，中国船舶重工集团公司715研究所研制了 RS-YGB6A型海洋光泵磁力仪,分辨率达到0.001nT,量程范围35000~70000nT, 工作性能稳定,被广泛应用于管线探测、水下障碍物排查等海洋工程中。2014年,该研究所又推出了RS-HC3海洋张量磁梯度仪,系统动态范围为±100μT[22]。刘晓娜[23]等研究了薄膜线圈式地磁传感器和磁阻传感器的测姿原理，设计了基于磁阻传感器的高速动能弹姿态角测试系统。姚雨林[24]等针对弹体剩磁和舵机干
扰等众多影响地磁传感器准确测量的因素，设计了抗干扰的地磁测磁系统。该系统主要是通过带通滤波器的设计，滤除弹体剩磁导致地磁传感器输出的直流偏置以及衰减通频带之外的感生磁场多倍频信号，以达到抗干扰的目的，并同时试验基于光敏器件和太阳方位角的绝对滚转角测量系统与所设计的抗干扰系统，经测量验证了抗干扰系统的有效性。Wang Y[25]等基于巨磁效应，通过减少内部噪声源，设计了具有极低等效磁噪声的压电纤维磁电磁场传感器，ME系数在低频时为52Vcm0908081 Oe0908081，1Hz等效磁噪声为 5.1pT Hz0908081/2，磁场灵敏度为10nT。Deans C[26]等设计了一个2×2阵列的射频原子磁力计。在空气和盐水中演示了导电的非磁性目标的主动探测，定位和实时跟踪。由于传感器的灵敏度和可调性以及磁感应探测的主动性，实现了不同介质中的穿透和检测。自动检测成功率为100％，在空气和水中自动定位成功率可达93％，距离传感器平面（水下100毫米）最远190毫米。
3发展趋势
海洋磁测在军事海洋工程及其他海洋工程应用中具有无法取代的作用，
其工作方式也由传统的船舶拖拽转向搭载小型无人潜航器AUV，可实现更高效率、方便的水下地磁异常测量。
微型化，智能化，集成化，节能环保
4结束语
本文对基于水下磁异常的潜艇探测技术的原理进行了说明，并针对水下磁异常探测中水下目标磁场模型、背景磁场分析及信号降噪、探磁
设备三个核心技术方面的国内外研究现状进行了归纳总结，为水下磁异常探测技术的实际应用提供技术参考。
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