基于遺傳算法的目標(biāo)設(shè)定式電磁掃雷具結(jié)構(gòu)研究＊

劉旭東 閆 勇

（海軍蚌埠士官學(xué)校 蚌埠 233012）

1 引言

隨著信號處理技術(shù)的發(fā)展，水雷引信對目標(biāo)信號的采集和處理方法日新月異。具體到磁引信的設(shè)計，三軸磁場的采集和處理已經(jīng)是最為基礎(chǔ)的方法。這使得水雷對目標(biāo)的識別達(dá)到了前所未有的高度，老式電極式掃雷具和螺線管掃雷具基本不能掃動這類水雷［1～2］。在這個背景下，各國都在大力發(fā)展目標(biāo)設(shè)定式電磁掃雷具，考慮其工程實現(xiàn)情況，目前服役的目標(biāo)設(shè)定式電磁掃雷具基本采用單軸磁矩可控磁體［3～6］，即帶鐵芯的通電螺線管進(jìn)行掃雷具的設(shè)計，使用幾個可控磁矩磁體完成對目標(biāo)磁場的模擬，這種方式是否能達(dá)到我們所期望的目標(biāo)，是否有改進(jìn)的方法，本文就此問題開展討論。

2 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的目標(biāo)設(shè)定式電磁掃雷具磁場模擬效果

目標(biāo)設(shè)定式電磁掃雷具中使用的可控磁體多為一維磁矩，所以在對其進(jìn)行建模時，可以使用一個軸向偶極子的磁場模型。但是考慮到掃雷具工作時一般存在一個工作深度，在作戰(zhàn)海域深度相對不深時，這樣掃雷具各磁體形狀相對水雷處的影響不可以忽略，不能等效為偶極子，而更合適將其等效為旋轉(zhuǎn)橢球體模型，為了模型的廣泛性，對掃雷具建模這里選取旋轉(zhuǎn)橢球體磁場模型［7］。

空間任一點（x，y，z）的磁場：

采用此模型對，下面通過仿真實驗考察掃雷具對接艦船磁場的模擬效果。仿真使用數(shù)據(jù)：利用一型潛艇和一型護(hù)衛(wèi)艦實測磁場數(shù)據(jù)，在24m深度上，均勻分布于右舷、龍骨和左舷，左右橫距都為12m的三條磁場數(shù)據(jù)。取n的值為5～9，分別利用模型對艦船磁場擬合，各磁體均勻分布在在船艏到取n的值為5～9，分別利用模型對艦船磁場擬合，各磁體均勻分布在船艏到船艉，位于龍骨上方吃水線上。

表1 擬合誤差分布表

圖1 n為6時的目標(biāo)磁場擬合曲線

從仿真結(jié)果表1可知，利用單軸磁體對目標(biāo)磁場進(jìn)行擬合時，磁體數(shù)目大于等于7個，總體誤差范圍在0.004內(nèi)，可以認(rèn)為再增加磁體數(shù)目不能帶來更精確的擬合效果。分析其原因可以從表1中發(fā)現(xiàn)，在擬合結(jié)果中正橫方向上的磁場誤差較大，且在增加磁體數(shù)目過程中沒有較大的改善。

從表1中可得知，總體誤差值在增加磁體后沒有隨之增加的原因在于在Y軸方向上的誤差值較大，且沒有隨著磁體的增加而有明顯的改進(jìn)。從圖1中可以發(fā)現(xiàn)在龍骨下的Y軸方向上磁場份量的大小為0，由于磁場的分布式連續(xù)性的，可以推測，這會使得在掃雷過程中在龍骨下方產(chǎn)生一個死區(qū)；同時在同一正橫距離的磁場曲線上，X軸方向和Z軸方向上的曲線的相似度極高。

這些問題的產(chǎn)生可以歸其為一個原因，目前使用的目標(biāo)設(shè)定式掃雷具的結(jié)構(gòu)為單軸磁體串聯(lián)結(jié)構(gòu)，只是在X軸方向上存在磁矩，故在龍骨下方的Y軸磁場份量較小；而掃雷具結(jié)構(gòu)在X軸方向上是對稱的，是的X軸和Z軸方向上的磁場曲線的相似度較高。這兩個缺陷都可以被水雷引信采取閾值判斷和相關(guān)性判斷判斷目標(biāo)為非艦船信號，從而使得目標(biāo)設(shè)定式掃雷具達(dá)不到預(yù)先的戰(zhàn)術(shù)目的。

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法及建模

從上述的分析得知，要提高目標(biāo)設(shè)定式掃雷具的磁場擬合效果和解決死區(qū)的問題，需要的不是增加磁體的個數(shù)，而是打破現(xiàn)有的目標(biāo)設(shè)定式掃雷具的結(jié)構(gòu)。既要考慮到增加Y軸方向上的磁矩，使得掃雷具可以在龍骨下方產(chǎn)生足夠大的磁場，消除死區(qū)；同時還需要破壞目標(biāo)設(shè)定式掃雷具在X軸上的對稱性，使得X軸和Z軸方向上的磁場曲線的相似度減小，基于這個設(shè)想，將目標(biāo)設(shè)定式掃雷具做如下改變。

圖2 模式磁體結(jié)構(gòu)效果

掃雷具的磁體個數(shù)為6個，將6個磁體中的一個橫向放置（圖2），這樣一來就產(chǎn)生了一個Y軸磁矩，應(yīng)該可以在一定程度上提高橫向Y分量的擬合精度。同時改變另外5個磁體的狀態(tài)，使得其在XZ平面上產(chǎn)生一定的仰角，且仰角的度數(shù)不同，破壞掃雷具在X軸上的對稱型。

采取這種結(jié)構(gòu)時，目標(biāo)設(shè)定式掃雷具的磁場模型方程為。

mxj＝mj·cosαj，my＝m6，j取值為1～5，分別指5個磁體，i為數(shù)據(jù)點數(shù)。

系數(shù)矩陣

4 數(shù)據(jù)驗證及分析

針對改進(jìn)后的模型，借助GA算法對5個磁體仰角、橫向放置磁體的縱向坐標(biāo)進(jìn)行最優(yōu)搜索，通過最小二乘法，求得各磁體的單軸磁矩，然后以求得的參數(shù)，對目標(biāo)艦船磁場進(jìn)行擬合，表是以改進(jìn)結(jié)構(gòu)對目標(biāo)艦船的擬合誤差［7～9，12］。

圖3 基于GA的定位計算流程

結(jié)果分析：采用改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)對整個空間三條磁場數(shù)據(jù)的擬合總體誤差為0.138，比前面6個磁體方向一致時的總體擬合誤差有稍微增加，但是可以發(fā)現(xiàn)就Y分量而言，精度提高很大，考慮綜合指標(biāo)，該結(jié)構(gòu)在一定意義可以消除掃雷死區(qū)，又有很高的擬合精度，所以這種結(jié)構(gòu)可以滿足目標(biāo)設(shè)定掃雷具的戰(zhàn)技指標(biāo)。

表2 改進(jìn)后擬合誤差分布情況

結(jié)果分析：利用該模型對整個空間三條磁場數(shù)據(jù)的擬合總體誤差為0.138，比前面6個磁體方向一致時的總體擬合誤差有稍微增加，但是可以發(fā)現(xiàn)就Y分量而言，精度提高很大，考慮綜合指標(biāo)，該結(jié)構(gòu)在一定意義可以消除掃雷死區(qū)，又有很高的擬合精度，所以這種結(jié)構(gòu)可以滿足目標(biāo)設(shè)定掃雷具的戰(zhàn)技指標(biāo)。

5 結(jié)語

通過充分的理論分析與仿真實驗，證實了結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的電磁掃雷具，實現(xiàn)了利用少數(shù)個單軸磁矩磁體對目標(biāo)空間磁場的高精度擬合，且較易于實際工程實現(xiàn)，在實施導(dǎo)航掃雷前，利用一致目標(biāo)磁場信心，計算合適的參數(shù)值，適時對電磁掃雷具磁場進(jìn)行控制，從本章中數(shù)據(jù)指標(biāo)可以看出，該結(jié)構(gòu)實 現(xiàn)簡單，控制方便，應(yīng)用前景廣。

圖4 改善后的目標(biāo)磁場擬合曲線

［1］林春生.水雷磁引信設(shè)計原理［M］.武漢：海軍工程大學(xué)，2003：74～97

［2］林春生，龔沈光.艦船物理場［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，2007

［3］傅金祝，譯.目標(biāo)設(shè)定式掃雷系統(tǒng)［J］.水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù)，2004（2）：9～13

［4］傅金祝.國外非接觸掃雷具的發(fā)展概況與趨勢分析［J］.水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù)，2001（2）：15～20

［5］夏立新.國外反水雷艦艇和裝備最新發(fā)展綜述［J］.水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù)，2000（3）：45～49

［6］傅金祝.掃雷技術(shù)發(fā)展動向［J］.水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù)，2005（2）：46～53

［7］邊新迎.新型電磁掃雷具仿真驗?zāi)＜翱刂扑惴ㄑ芯浚跠］.海軍工程大學(xué)，2004

［8］Fogel L J，Owens A J，Walsh M J.Artificial Intelligence through Simulated Evolution［M］.New York：Wiley，1996

［9］雷英杰，張善文，等.MATLAB遺傳算法與工具箱應(yīng)用［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005：45～49

［10］吳平健，李智勇.目標(biāo)分配的遺傳算法改進(jìn)研究［J］.計算機與數(shù)字工程，2009，37（9）

［11］王勇.遺傳算法在人員征集選擇的仿真應(yīng)用研究［J］.計算機與數(shù)字工程，2010，38（1）

［12］王小平.遺傳算法理論、應(yīng)用與軟件實現(xiàn)［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2002：104～122