基于遺傳算法的目標設定式電磁掃雷具結構研究＊

劉旭東 閆 勇

（海軍蚌埠士官學校 蚌埠 233012）

1 引言

隨著信號處理技術的發展，水雷引信對目標信號的采集和處理方法日新月異。具體到磁引信的設計，三軸磁場的采集和處理已經是最為基礎的方法。這使得水雷對目標的識別達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，各國都在大力發展目標設定式電磁掃雷具，考慮其工程實現情況，目前服役的目標設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行掃雷具的設計，使用幾個可控磁矩磁體完成對目標磁場的模擬，這種方式是否能達到我們所期望的目標，是否有改進的方法，本文就此問題開展討論。

2 現有結構的目標設定式電磁掃雷具磁場模擬效果

目標設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。仿真使用數據：利用一型潛艇和一型護衛艦實測磁場數據，在24m深度上，均勻分布于右舷、龍骨和左舷，左右橫距都為12m的三條磁場數據。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時的目標磁場擬合曲線

從仿真結果表1可知，利用單軸磁體對目標磁場進行擬合時，磁體數目大于等于7個，總體誤差范圍在0.004內，可以認為再增加磁體數目不能帶來更精確的擬合效果。分析其原因可以從表1中發現，在擬合結果中正橫方向上的磁場誤差較大，且在增加磁體數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。從圖1中可以發現在龍骨下的Y軸方向上磁場份量的大小為0，由于磁場的分布式連續性的，可以推測，這會使得在掃雷過程中在龍骨下方產生一個死區；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。

這些問題的產生可以歸其為一個原因，目前使用的目標設定式掃雷具的結構為單軸磁體串聯結構，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；而掃雷具結構在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性判斷判斷目標為非艦船信號，從而使得目標設定式掃雷具達不到預先的戰術目的。

3 結構改進方法及建模

從上述的分析得知，要提高目標設定式掃雷具的磁場擬合效果和解決死區的問題，需要的不是增加磁體的個數，而是打破現有的目標設定式掃雷具的結構。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生足夠大的磁場，消除死區；同時還需要破壞目標設定式掃雷具在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，基于這個設想，將目標設定式掃雷具做如下改變。

圖2 模式磁體結構效果

掃雷具的磁體個數為6個，將6個磁體中的一個橫向放置（圖2），這樣一來就產生了一個Y軸磁矩，應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，使得其在XZ平面上產生一定的仰角，且仰角的度數不同，破壞掃雷具在X軸上的對稱型。

采取這種結構時，目標設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為數據點數。

系數矩陣

4 數據驗證及分析

針對改進后的模型，借助GA算法對5個磁體仰角、橫向放置磁體的縱向坐標進行最優搜索，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，對目標艦船磁場進行擬合，表是以改進結構對目標艦船的擬合誤差［7～9，12］。

圖3 基于GA的定位計算流程

結果分析：采用改進后的結構對整個空間三條磁場數據的擬合總體誤差為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，但是可以發現就Y分量而言，精度提高很大，考慮綜合指標，該結構在一定意義可以消除掃雷死區，又有很高的擬合精度，所以這種結構可以滿足目標設定掃雷具的戰技指標。

表2 改進后擬合誤差分布情況

結果分析：利用該模型對整個空間三條磁場數據的擬合總體誤差為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，但是可以發現就Y分量而言，精度提高很大，考慮綜合指標，該結構在一定意義可以消除掃雷死區，又有很高的擬合精度，所以這種結構可以滿足目標設定掃雷具的戰技指標。

5 結語

通過充分的理論分析與仿真實驗，證實了結構改進后的電磁掃雷具，實現了利用少數個單軸磁矩磁體對目標空間磁場的高精度擬合，且較易于實際工程實現，在實施導航掃雷前，利用一致目標磁場信心，計算合適的參數值，適時對電磁掃雷具磁場進行控制，從本章中數據指標可以看出，該結構實 現簡單，控制方便，應用前景廣。

圖4 改善后的目標磁場擬合曲線

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