潛艇磁異常信號(hào)與方位對(duì)應(yīng)關(guān)系的研究＊

伍東凌 石 超 王 秀

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所 宜昌 443003）

1 引言

潛艇自誕生之日起，就以其隱蔽性能好、作戰(zhàn)能力強(qiáng)、靈活性好等特點(diǎn)著稱于世，使其成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中極具威脅的攻擊手段之一，在現(xiàn)代海戰(zhàn)中發(fā)揮著重要作用。而及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)敵方潛艇是建立反潛作戰(zhàn)系統(tǒng)的先決條件之一，也是在戰(zhàn)爭(zhēng)中取得優(yōu)勢(shì)地位的關(guān)鍵所在。

隨著潛艇降噪技術(shù)的發(fā)展，特別是具有水下高航速、高水平安靜性以及極強(qiáng)續(xù)航能力核潛艇的出現(xiàn)，使得傳統(tǒng)聲學(xué)探潛方式遭遇了新的挑戰(zhàn)，這就需要利用其他非聲探測(cè)裝備與聲學(xué)探測(cè)裝備配合使用、互相補(bǔ)充，以進(jìn)一步提高反潛作戰(zhàn)效能。由于潛艇外殼是由具有磁性的金屬材料制成的，盡管對(duì)其進(jìn)行過(guò)消磁處理，但也不可能徹底消除潛艇的磁性，而且潛艇本身長(zhǎng)期處于地磁場(chǎng)這個(gè)大環(huán)境中，也將不可避免的被地磁場(chǎng)磁化而產(chǎn)生磁性，所以潛艇的存在必然會(huì)引起地磁場(chǎng)的異常。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外先進(jìn)反潛飛機(jī)上裝備的磁異探測(cè)儀，就是通過(guò)探測(cè)潛艇引起的磁異常信號(hào)來(lái)判斷在其有效探測(cè)范圍內(nèi)有無(wú)潛艇等目標(biāo)的存在，且高性能磁異探測(cè)儀有效探測(cè)距離已接近1000m，因此利用高性能磁異探測(cè)儀對(duì)潛艇等目標(biāo)的真實(shí)方位作出快速準(zhǔn)確的判別在實(shí)戰(zhàn)中顯得極為重要。

本文通過(guò)Matlab建模仿真，分析了反潛飛機(jī)在不同搜潛航向下，機(jī)載磁異探測(cè)儀探測(cè)到不同航向潛艇的磁異常信號(hào)特征。利用這些磁異常信號(hào)建立數(shù)據(jù)庫(kù)，將反潛機(jī)在兩條相互垂直的搜潛航線下探測(cè)到的磁異常信號(hào)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的磁異常信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，可較為準(zhǔn)確的判別出目標(biāo)潛艇的真實(shí)方位。

2 航空磁探搜潛戰(zhàn)術(shù)簡(jiǎn)介

應(yīng)召反潛是航空反潛最基本和最常用的一種活動(dòng)方式，所謂應(yīng)召反潛是指反潛機(jī)在機(jī)場(chǎng)、艦載機(jī)或指定空域待命，當(dāng)獲得敵潛艇的活動(dòng)情況后，飛往發(fā)現(xiàn)潛艇的海域，搜索和攻擊敵潛艇的戰(zhàn)斗行動(dòng)［1～2］。在到達(dá)目標(biāo)海域后，反潛機(jī)首先利用一些搜索范圍廣、但定位精度低的設(shè)備（如聲納浮標(biāo)、搜潛雷達(dá)）進(jìn)行搜潛航行，發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo)行蹤后，再利用磁異探測(cè)儀進(jìn)行定位精度較高的搜潛航行。

反潛機(jī)使用磁異探測(cè)儀搜潛時(shí)，常用的方法有：圓周探測(cè)法、平行探測(cè)法等［3］。

磁異探測(cè)儀探頭安裝在飛機(jī)尾部可外伸式短艙內(nèi)的固定翼反潛機(jī)搜潛時(shí)一般采用圓周探測(cè)法，即以巡航速度飛向可能出現(xiàn)潛艇的位置點(diǎn)，若磁異探測(cè)器未顯示磁異常信號(hào)則繼續(xù)往前飛一段距離，仍無(wú)信號(hào)則轉(zhuǎn)為以該位置點(diǎn)為圓心的圓周搜潛飛行，若磁異探測(cè)器顯示水中可能有潛艇時(shí)，則投放標(biāo)示該位置點(diǎn)的標(biāo)志物，并使飛機(jī)轉(zhuǎn)彎爬升至投放反潛武器的高度，以垂直航向穿越標(biāo)志物，經(jīng)證實(shí)為潛艇時(shí)則投放反潛武器。若圓周搜潛飛行時(shí)仍未發(fā)現(xiàn)潛艇則改為螺旋探測(cè)法，以擴(kuò)大搜潛飛行范圍。而裝備拖曳式磁異探測(cè)儀的反潛直升機(jī)一般采用平行探測(cè)法，即將探頭吊放至離水面合適高度，從不同方向平行跟蹤，直到發(fā)現(xiàn)潛艇目標(biāo)。

這兩種磁異探測(cè)方法只能確定，在以探測(cè)飛機(jī)為球心，磁異探測(cè)儀的有效作用范圍為半徑的一個(gè)半球面范圍內(nèi)有潛艇目標(biāo)存在，如能夠進(jìn)一步確定潛艇所在區(qū)域，將能有效提高反潛作戰(zhàn)效能。

3 任意航線下探測(cè)潛艇磁異常信號(hào)的數(shù)學(xué)模型

眾所周知，自然界的磁現(xiàn)象均可等效為若干個(gè)磁偶極子磁場(chǎng)的疊加，在特定情況下也可以等效為一個(gè)磁偶極子。在利用磁異常探測(cè)儀進(jìn)行探潛時(shí)，美國(guó)海軍就將潛艇的磁場(chǎng)近似為一個(gè)磁偶極子的磁場(chǎng)，且反潛飛機(jī)進(jìn)行小視場(chǎng)磁異常探潛時(shí)，潛艇縱向磁場(chǎng)占主導(dǎo)［4～9］。因此，我們將潛艇磁場(chǎng)近似為一個(gè)磁偶極子的磁場(chǎng)，且其縱向磁矩遠(yuǎn)大于其他兩個(gè)方向的磁矩。

圖1 潛艇磁矩坐標(biāo)系和飛機(jī)飛行坐標(biāo)系

建立潛艇磁矩坐標(biāo)系和飛機(jī)飛行坐標(biāo)系，如圖1所示。假定這兩個(gè)坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，潛艇磁矩坐標(biāo)系中x1軸與潛艇縱軸方向平行，指向艦艏方向?yàn)檎瑈1軸與潛艇橫軸平行，指向潛艇右側(cè)為正，z1軸與平面x1Oy1垂直，向下方向?yàn)檎瑯?gòu)成右手坐標(biāo)系；飛機(jī)飛行坐標(biāo)系中x2軸與飛機(jī)直線探測(cè)飛行方向重合，前進(jìn)的方向?yàn)檎瑈2軸與x2軸垂直，指向左側(cè)機(jī)翼為正，z2軸與平面x2Oy2垂直，向上方向?yàn)檎矘?gòu)成一個(gè)右手坐標(biāo)系。

假設(shè)反潛機(jī)在搜潛飛行時(shí)的磁航向角為α1，潛艇磁航向角為α2，潛艇在三軸方向上的磁矩分別為sx，sy，sz，由式（1）可知，利用旋轉(zhuǎn)矩陣便可將潛艇磁矩變換成在飛行坐標(biāo)系下三軸方向上的磁矩mx，my，mz。

則潛艇磁在距離其r遠(yuǎn)處（即飛機(jī)處）的磁感應(yīng)強(qiáng)度為

可得潛艇磁在探潛飛機(jī)飛行坐標(biāo)系三軸方向上產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為［11］

其中，x，y，z為飛行坐標(biāo)系中飛機(jī)所處的方位坐標(biāo)，即在飛行坐標(biāo)系下飛機(jī)與潛艇在三軸上的距離。

反潛機(jī)上磁異探測(cè)儀探測(cè)到的磁異常信號(hào)除了潛艇產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度以外，還有地磁場(chǎng)以及飛機(jī)本身運(yùn)動(dòng)所引起的磁干擾。磁干擾可用軟補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行補(bǔ)償，為使磁異探測(cè)儀直接輸出目標(biāo)潛艇磁異常信號(hào)，采用式（4）作為系統(tǒng)的輸出。

由此，設(shè)定各個(gè)參數(shù)，利用Matlab可仿真產(chǎn)生探潛飛機(jī)在任意搜潛航向下對(duì)任意航向潛艇探測(cè)到的磁異常信號(hào)，利用仿真產(chǎn)生的磁異常信號(hào)建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，用于與實(shí)時(shí)探測(cè)的磁異常信號(hào)進(jìn)行對(duì)比。

4 對(duì)潛艇磁異常信號(hào)的仿真分析

根據(jù)以上建立的數(shù)學(xué)模型，假設(shè)潛艇三軸磁矩分別為Sx＝1.5×104A·m2，Sy＝3000A·m2，Sz＝8000A·m2，當(dāng)?shù)氐卮趴倛?chǎng)為51200nT，地磁傾角為47.1°。可仿真生成探潛飛機(jī)在任意航向下，對(duì)任意航向的潛艇所探測(cè)到的磁異常信號(hào)。

圖2 探潛飛機(jī)搜潛示意圖

假設(shè)探潛飛機(jī)在應(yīng)召反潛中到達(dá)目標(biāo)海域后進(jìn)行如圖2所示搜潛航行，當(dāng)探潛飛機(jī)沿第一次探測(cè)航線搜潛航行時(shí)，根據(jù)飛行坐標(biāo)系的定義，我們可知真實(shí)目標(biāo)和虛擬目標(biāo)的飛行坐標(biāo)系如圖2中的位置1和位置3處所示。當(dāng)探潛飛機(jī)沿第二次探測(cè)航線搜潛航行時(shí)，我們可知真實(shí)目標(biāo)和虛擬目標(biāo)的飛行坐標(biāo)系如圖2中的位置2和位置4處所示。

圖3 沿第一次探測(cè)航線飛行時(shí)探測(cè)到的潛艇磁異常信號(hào)

進(jìn)行中第一次探測(cè)航線方向（假設(shè)此時(shí)磁航向角為0°）搜潛航行，并探測(cè)到如圖3所示目標(biāo)潛艇磁異常信號(hào)。將此信號(hào)與數(shù)據(jù)庫(kù)中探潛飛機(jī)磁航向角為0°時(shí)對(duì)任意航向潛艇探測(cè)的磁異常信號(hào)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，此磁異常信號(hào)與圖2中標(biāo)示出的沿磁航向角45°方向航行的真實(shí)目標(biāo)潛艇以及沿磁航向角315°方向航行的虛擬目標(biāo)潛艇產(chǎn)生的磁異常信號(hào)相同。因此僅靠一次探測(cè)飛行并不能較為準(zhǔn)確的確定目標(biāo)潛艇方位。而此時(shí)真實(shí)目標(biāo)潛艇與探潛飛機(jī)在飛行坐標(biāo)系下的距離為y2＝300m，z2＝260m；虛擬目標(biāo)潛艇與探潛飛機(jī)在飛行坐標(biāo)系下的距離為y2＝－300m，z2＝260m。

圖4 沿第二次探測(cè)航線飛行時(shí)探測(cè)到的潛艇磁異常信號(hào)

如記錄下磁異探測(cè)儀輸出潛艇信號(hào)峰值時(shí)飛機(jī)所處位置的GPS信息，標(biāo)記此位置為A點(diǎn)。在探測(cè)到本次潛艇磁異常信號(hào)后，飛機(jī)立即轉(zhuǎn)向，沿航向角90°方向過(guò)A點(diǎn)垂直于第一航線（即圖2中第二航線）作第二次探測(cè)飛行，必能探測(cè)到潛艇信號(hào)。為便于分析問題，假設(shè)飛機(jī)轉(zhuǎn)向的這段時(shí)間，真實(shí)目標(biāo)潛艇和虛擬目標(biāo)潛艇航行至圖2所示相應(yīng)位置。探潛飛機(jī)沿第二次探測(cè)航線進(jìn)行搜潛飛行時(shí)，磁異探測(cè)儀輸出的磁異常信號(hào)如圖4所示。

圖5 沿第二次探測(cè)航線飛行時(shí)探測(cè)到的虛擬目標(biāo)潛艇磁場(chǎng)信號(hào)

將此信號(hào)與數(shù)據(jù)庫(kù)中探潛飛機(jī)磁航向角為90°時(shí)對(duì)任意航向潛艇探測(cè)的磁異常信號(hào)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，其與圖2中真實(shí)目標(biāo)潛艇產(chǎn)生的磁異常信號(hào)相同，而此時(shí)對(duì)圖2中虛擬目標(biāo)潛艇，其產(chǎn)生的磁異常信號(hào)如圖5所示，故可確定出真實(shí)目標(biāo)潛艇所在的大致方位。由此分析可見，經(jīng)過(guò)上述兩個(gè)航次的搜潛航行，可進(jìn)一步明確目標(biāo)潛艇所處的方位。

由于探潛飛機(jī)在搜潛航行中實(shí)際的磁航向角是已知的，只要將實(shí)時(shí)探測(cè)到的磁異常信號(hào)與數(shù)據(jù)庫(kù)中探潛飛機(jī)相同磁航向角下對(duì)任意航向潛艇探測(cè)的磁異常信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)上述兩個(gè)航次的搜潛航行，便可對(duì)目標(biāo)潛艇所處方位作出較為準(zhǔn)確的判斷。探潛飛機(jī)兩次航線把可能存在潛艇的目標(biāo)區(qū)域劃分為4個(gè)象限，一般可判斷出真實(shí)目標(biāo)潛艇處于其中某一個(gè)象限之中，并能大致判斷出目標(biāo)潛艇當(dāng)時(shí)的磁航向角。故采用此種航空磁探搜潛方法可較好的判別出目標(biāo)潛艇的方位，有效提高反潛作戰(zhàn)效能。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)matlab仿真生成了反潛機(jī)上在各個(gè)搜潛航向下，對(duì)目標(biāo)潛艇各個(gè)航向下磁異探測(cè)器探測(cè)輸出的磁場(chǎng)信號(hào)，并利用生成的磁異常信號(hào)建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)仿真反潛機(jī)在兩個(gè)相互垂直航次的搜潛航行過(guò)程中探測(cè)到目標(biāo)潛艇磁異常信號(hào)，將探測(cè)到的磁異常信號(hào)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的磁異常信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比，可快速判別出目標(biāo)潛艇的方位，從而為后續(xù)對(duì)潛攻擊提供了有利的先決條件。

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