磁探搜潛系統(tǒng)的目標信號識別＊

尹景涯

（中國人民解放軍第4724工廠 上海 200436）

1 引言

磁探儀是磁異常探測儀的簡稱，它是一種探測由于潛艇的存在而使所在位置的磁場發(fā)生變化，進而發(fā)現(xiàn)潛艇的儀器，所以有的時候也稱為磁力探測儀。它是反潛機的主要反潛探測設備，具有分類能力好、定位精度高、受淺海復雜水文氣象環(huán)境影響小等優(yōu)點。主要用于應召搜潛［1］。圖1為磁探儀的示意圖。

圖1 磁探儀探潛示意圖

磁探儀用來探測潛艇最早出現(xiàn)在第一次世界大戰(zhàn)的1924年，當時用的的是一種“磁飽和式”磁力儀，探測距離也只有120m左右。如果飛機在離海面50m飛行的時候只能探測水下70m左右的潛艇。到了上世紀50年代，又出現(xiàn)了“質(zhì)子旋進式”磁探儀，后來又出現(xiàn)了“光泵式”和“電子雙共振式”磁力儀。近年來，隨著超導技術的發(fā)展，科學家又在研究超導式磁探儀。

2 磁探儀的原理和結構

磁探儀按其探頭的安裝位置分為兩種：一種是固定式，探頭固定在反潛機內(nèi)的某個位置，一般安裝在尾部的無磁性探桿內(nèi)；另一種是拖曳式，探頭通過纜繩拖曳在反潛機后方某個高度上，見圖2（a）。一般固定翼飛機采用固定式，直升機采用拖曳式，拖曳式的最大優(yōu)點就是不需要對本機的磁干擾進行磁補償，缺點是使用不方便。現(xiàn)在科學家正在研究一種浮標式磁探儀，又稱 MAD浮標，見圖2（b），它的工作方式和聲納浮標比較類似，接收處理系統(tǒng)也在反潛機上，不同的是水下分機是磁探儀，而不是聲納。

圖2 拖曳式磁探儀及MAD浮標示意圖

磁探儀按照其傳感原理可以分為飽和式、質(zhì)子旋進式、光泵式、電子雙共振式和超導式磁探儀。以氦光泵磁探儀為核心的航空磁探儀系統(tǒng)組成主要有氦光泵探頭、三軸地磁傳感器、磁補償器、磁探儀、微處理器系統(tǒng)及記錄器等組成。氦光泵磁探儀完成對目標信號的檢測，由于使用的是總磁場磁力儀，磁信號是疊加在地磁總場上的。如果采用光泵式探頭，同樣也要檢測運載體（反潛機）本身引起的磁干擾。

三軸矢量磁力儀實質(zhì)上提供航向與姿態(tài)信號，這些信號用來完成對運載體產(chǎn)生的永久感應和渦流磁場的自動補償。補償方式由微處理機按程序執(zhí)行，最終產(chǎn)生的一種補償信號用來抵消來自光泵磁探儀的未補償信號中的復合磁干擾，最后在顯示器上或記錄器上的信號僅僅是目標信號［2～9］。氦光泵磁探儀主要由氦光泵探頭和磁共振跟蹤環(huán)路組成。環(huán)路部分包括氦吸收室、光敏監(jiān)測器、相敏監(jiān)測器和壓控振蕩器等。

3 磁目標的信號識別

氦光泵磁探儀工作時，從氦燈發(fā)出的光通過充有亞穩(wěn)態(tài)氦原子的吸收室，然后利用紅外光敏元件接收通過吸收室的光。氦吸收室在1.08μm波長的光和射頻場的作用下，對外磁場產(chǎn)生磁共振吸收效應，利用共振環(huán)路使壓控振蕩器跟蹤在磁場的拉摩爾頻率上，當有潛艇出現(xiàn)時，外磁場就發(fā)生變化，壓控振蕩器頻率產(chǎn)生相應的變化，從而檢測出潛艇存在的異常信號。它主要利用的是光泵亞穩(wěn)態(tài)氦原子的磁共振特性來檢測總磁場強度的變化，即在垂直光軸方向的頻率和外磁場拉摩爾頻率F1相同的取向時，處于光泵取向狀態(tài)下的氦亞穩(wěn)態(tài)原子會產(chǎn)生磁共振吸收，F(xiàn)1為受低頻調(diào)制的壓控振蕩器頻率。F0為地磁拉摩爾頻率。當F1＞F0時，氦光泵控頭只有調(diào)制頻率的二次諧波；當F1＝F0時，產(chǎn)生相應為負的調(diào)制頻率基波光信號；當F1＜F0時，產(chǎn)生相位為正的基波光信號，利用此特性再用光敏元件將光信號變?yōu)榻切盘柦?jīng)信號放大、相敏檢波、積分后再通過控制振蕩器的頻率，使其鎖定在地磁場拉摩爾頻率上。這樣就構成了跟蹤式光泵磁探儀。磁測量存在如下的關系：

式中：H0為地磁場；F1為壓控振蕩器頻率；R為氦亞穩(wěn)定電子旋磁比。

為了充分發(fā)揮高精度磁探儀的探測效果，必須克服運載體運動時所造成的電磁干擾，而這種電磁干擾的強度通常比目標信號的強度大數(shù)十倍，頻帶范圍亦落在目標信號的通頻帶內(nèi)，所以檢測目標信號的難度是非常大的。

而反潛機磁干擾主要由三部分組成：永久場、感應場和渦流磁場。永久場Hpd由機上各種恒磁性物質(zhì)和電流源產(chǎn)生，可分解成與反潛機縱軸L、橫軸T和垂直軸V相平行的分量P1，P2，P3。磁探儀所檢測的是這些分量在地磁場He上的投影感應場Hid是機上鐵磁性物質(zhì)在地磁感應下產(chǎn)生的磁場在地磁總場上的投影。渦流磁場Hw是導電材料在反潛機運動中切割地磁場所產(chǎn)生電流引起的磁場。在高精度的磁探測中，通常把目標信號等效為磁偶極子場。光泵磁探儀檢測的是地磁總場，它包括地磁場和目標產(chǎn)生的偶極子場之和。

圖3 搜潛坐標系

通常在搜潛的過程中，假定反潛機沿著AB飛行，而且認為目標相對為靜止狀態(tài)，則在一次飛行中，如果反潛機的速度v已知，則e＝vt均勻變化，而角度α、β不變，則可以建立搜潛坐標系如圖3所示。

本系統(tǒng)采用的是模式識別方案，對目標進行自動識別、報警和位置估計。

按照目標參數(shù)和搜潛坐標系中給定的位置參數(shù)（e、α、β），理論上目標信號有無窮多個。用模式識別中的聚類算法，可優(yōu)化一定數(shù)目的樣本。這些樣本通過驗證后預先進入內(nèi)存，定義為

式中，i為第i號模式，j為第j個測量點；Xij為i號模式中的第j個測量值（經(jīng)過了歸一化）。只要判定：

就可識別是否為目標信號，同時給出報警信號。式中的J＊為預定值。由于樣本經(jīng)過量化［10］，在報警時，通過計算機反演就可計算出目標與反潛機的相對距離，從而完成對目標位置的估計。

4 結語

光泵式磁探儀通過目標信號的等效，采用模式識別的方案，運用聚類算法、樣本量化等手段完成對目標位置的基本定位。

近年來，隨著超導材料的出現(xiàn)，利用超導材料及技術做成的超導磁探儀也投入了應用。超導磁探儀與一般常規(guī)磁力儀相比具有靈敏度高、相應頻帶寬、量程廣、靈活性大等特點，因此在未來的航空搜潛中將發(fā)揮巨大的作用，能大幅度提高探測距離，實現(xiàn)對磁干擾的自動補償，提高識別目標的準確性和速度。超導磁探儀是未來磁探儀反展的重要方向之一。

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