水下電磁探測技術的發展現狀

程錦房，張伽偉，姜潤翔，喻 鵬

（1.海軍工程大學 兵器工程學院；2.海軍工程大學 電氣工程學院，湖北 武漢 430033）

0 引言

傳統水下探測手段是聲探測技術，包括被動聲與主動聲探測兩種方法。主動聲探測存在探測目標遠、功耗大、易暴露等特點，而被動聲探測存在探測距離有限、功耗低、隱蔽性強等特點。隨著減振降噪技術的使用，水中目標的輻射噪聲級大幅度減小，再加上聲線彎曲、聲混響等自然條件的制約，被動聲探測的難度逐漸顯現。為了提高對水下目標的探測能力，亟需研究光、電、磁、紅外、熱尾流、地震波、壓力場、重力場等非聲探測技術。相比于聲場和其他非聲物理場，水下電磁場是水中目標的重要暴露源，國內外研究表明，艦船電磁場是一種可以用來對目標進行探測和識別的信號源[1-5]。艦船磁場主要分為：穩態磁場（鐵磁場、感應磁場、渦流磁場）和交變磁場（軸頻磁場、電磁設備輻射產生的磁場）。電場主要劃分為：穩態電場（腐蝕相關靜電場、感應電場）和交變電場（軸頻電場、工頻電場、電磁設備向外輻射產生的電場等）。

水下電磁探測具備不受水文氣象條件限制、探測性能穩定可靠、隱蔽性強、識別能力強和定位精度高等優點，不僅可應用于水下遠距離的探測，還可應用于對目標信號的定位和識別，20世紀90年代，美國將電磁探測列為繼聲場探測之后又一優先發展的技術，以作為聲探測的有效補充。近年來，在世界各國軍方和研究機構掀起了水下電磁探測的研究浪潮。

1 國外水下電磁探測的研究現狀

1.1 水下電磁探測系統的研究現狀

早在第二次世界大戰期間，就出現了利用磁信號動作的磁引信，除了磁場探測方面外，20世紀50年代，蘇聯還相繼裝備了非觸發電場引信錨雷：КСМ、УГМ 和 ПМ-2[6-7]。60年代初，美國和加拿大兩國海軍利用冰山設置電場探測電極，配合衛星定位系統對航行于白令海峽的蘇聯潛艇進行搜索，并成功搜索到了“特列沙拉”號核潛艇的位置[8]；60年代末期，蘇聯研制成功的Комоя電、磁封海控制系統，用來對海灣或海岸的軍事要塞實行安全保衛和警戒；70年代末期，美國在德克薩斯州外的科珀斯克里斯蒂航道內對艦船軸頻電磁場進行了測量，并成功探測到目標 1.6 km外的艦船信號，通過匹配濾波技術，探測距離可達5 km[9]；蘇聯對潛艇通過時內波切割地磁場產生的感應電場進行了測量，結果表明內波引起的感應電場可達幾十μV/m的量級，且信號周期在600 s左右。

80年代初，美國利用電場探測系統成功探測到了目標 10 km外的電流源信號（信號源強度為1 000 A·m）[10]，蘇聯 VNIIOFI研究院研制的Anagram水下預警系統（包含240個電極，兩電極之間的距離為250 m，可布設在沿岸100 km范圍內）用于探測、跟蹤潛艇和艦船信號，同時可探測潛艇的下潛深度[11]。進入90年代后，水下低頻電磁探測技術又得到了新的發展，如美國學者對潛艇及艦船航行過程中尾流產生的感應電磁場進行了研究，得到了尾流感應電磁場傳播距離遠、衰減慢、頻譜為0.1 Hz左右的線譜信號的結論。隨后，美、德等國對潛艇螺旋槳剩磁產生的軸頻磁場進行了研究，20世紀末西班牙研制的“MINEA”沉底型水雷（如圖1所示）和錨雷[12]，2011年意大利研制的“ASTERIA”沉底型水雷（如圖 2所示）除了采用靜電、靜磁場信號作為被動信號源，還采用了低頻電磁場作為其信號源[13]。

圖1 “MINEA”沉底型水雷Fig.1 “MINEA”submerged mine

圖2 意大利“ASTERIA”水雷Fig.2 “ASTERIA”mine of Italy

21世紀初，西班牙SAES公司研制了SIDS多物理場海洋警戒系統是基于聲和電場信號基礎上，主要用于對重要港口的水下警戒。美國于 21世紀研制成功了水下電磁探測浮標（頻率范圍為0.5～30 Hz），作為聲探測的補充，該探測浮標解決了海洋環境電磁場噪聲對探測系統的影響，可對浮標周圍800～2 000 m范圍內的潛艇目標進行探測[14]。值得注意的是，日本也在大力投入水下電磁探測技術相關的研究。

目前，美、俄等國均研制和列裝了包含電、磁節點在內的探測和攻擊的海底預警監測網，如艾森豪威爾海底高速觀測網、Комоя電磁封海系統、STL水下警戒系統等，世界各國與水下電磁探測相關的陣列如表1所示。由此可知當前國外的水下監測網絡十分發達，具有多種信號的預警探測系統，探測目標信息源涵蓋了聲場、電磁、磁場等多種物理場。

表1 國外水下電磁探測相關系統Table 1 Foreign underwater electromagnetic detection systems

1.2 電磁場測量技術現狀

利用電、磁場探測水下目標信號，需建立在準確測量的基礎上。在海洋電場測量方面，主要使用碳纖維電極和 Ag/AgCl電極作為電場傳感器，其中，Ag/AgCl電極的使用最為普遍。美國 ISL公司（Information systems laboratories）、英國 Ultra Elec tronics PMES 公司、德國的Ludwig Systemtechnik公司、瑞典的Polyamp AB公司、西班牙SAES公司生產的Ag/AgCl電極具有低噪聲、高穩定性的顯著特點。截止到2015年，國外典型的海洋電場傳感器技術水平匯總表如表2所示。

表2 海洋電場傳感器性能列表Table 2 Performance list of ocean electric field sensors

前置放大器的噪聲水平直接影響測量系統的噪聲，國外早期在海洋環境電場測量中，為了減小前置放大器在低頻段的噪聲，使用了斬波放大器。進入20世紀80年代以后，隨著低噪聲差分放大器和儀表放大器的出現，普遍使用了差分放大器或儀表放大器對一對電極之間的電位差信號進行前置放大，其噪聲指標相對于80年代的水平，降低了80%，如Ultra Electronics PMES公司生產的前置放大器的噪聲

在磁場測量領域常用的磁測儀器主要有：磁通門磁強計、感應式磁傳感器、光泵磁強計、質子旋進磁力儀等。磁通門傳感器因測量磁矢量信號，主要被用作水雷磁引信的接收單元，如“MINEA”、“ASTERIA”、“STONE FISH”水雷的磁接收單元均采用了磁通門傳感器，但磁通門傳感器分辨率較低，探測距離有限。

光泵磁強計和質子旋進磁力儀傳感器分辨率較高，但功耗較大，通常可達幾十W的量級，主要應用于航空磁探，如美國的 P-3反潛巡邏機使用的AN/ASQ-081氦光泵磁強計。感應式磁傳感器主要是基于法拉第電磁感應定律接收磁場變化信號的接收器，其信號靈敏度較高，如烏克蘭生產的LEMI120磁傳感器的靈敏度可達0.1 pT@1Hz，且傳感器為無源接收器，適合于水下長期工作，其缺點是接收的磁場信號與目標的航速關系密切，且接收方向單一，尺寸較大。國內外部分磁場傳感器技術水平匯總如表3所示[15]。

表3 部分磁場傳感器性能指標Table 3 Performance indexes of some magnetic field sensors

2 國內水下電磁探測研究現狀

國內在鐵磁性磁場的探測方面研究較早，而在電場和交變磁場方面的研究較晚。20世紀80年代開始研究水下電場，90年代末開始研究電場測量技術，經過多年的發展，國內在水中目標水下電磁場產生機理、建模、傳播規律、探測及隱身、標準建設等軍事應用領域及在海洋電磁法勘探、環境監測等海洋勘探領域取得長足發展。初步打破了國外在低噪聲電場電極、磁通門傳感器、電磁場建模及反演、檢測算法等方面的技術封鎖，具體體現在：

1）厘清了水中目標電磁場的產生機理，解決了水下電磁場建模仿真和反演計算的問題；

2）研制出了低噪聲Ag/AgCl電極和電場測量系統，電極噪聲大幅度降低，性能基本達到國外的先進水平；

3）具備高精度磁場傳感器研制能力，研制的磁通門傳感器、感應式磁傳感、光泵磁強計等均能達到國際先進水平。

與國外先進國家相比，國內的不足主要體現在：

1）電磁場特征分析及水下電磁場微弱信號信息處理技術。

海洋環境電磁場信號作為目標信號的主要背景干擾源，直接影響目標檢測概率和準確性。一方面，由于國內獲取的數據有限，尤其是缺乏高海況下的海洋環境電磁場信號，導致對背景信號的特征認識尚存在局限性；另一方面，國內所提的基于小波變換、EMD分解、1.5維線譜提取等低頻電場信號檢測算法多為靜態檢測，而在水下探測中，更關注的是信號的實時檢測；最后，受水下探測系統低功耗的要求，實時檢測算法應簡單易行，而國內目前在微弱信號實時提取方面與國外仍存在較大差距。

2）水下電磁場定位與識別技術。

國內研究的電磁探測系統多是基于單節點系統的，所做的工作還是針對單節點系統電磁傳感器噪聲較大、探測距離有限的問題進行的，蘇聯早在20世紀80年代，即利用電磁陣列實現了對潛艇目標的準確定位，定位深度誤差小于10 m。

3）電磁與其他物理場聯合探測技術。

國外不僅開展此方面的工作較早，還形成了水下聯合預警探測的裝置，而國內目前還未形成相應的裝備。

3 水下電磁探測的發展趨勢與展望

隨著對海洋資源更加廣泛深入的開發利用，以及對自身戰略安全考慮，當今各軍事強國大多將戰略的重心放到了海上，為建立龐大的情報網絡，越來越重視水下監視網絡的發展，水下電磁探測作為重點研究和突破的非聲探測手段是目前最為熱門的研究技術之一。水下電磁探測技術的發展趨勢可以從以下幾方面來看。

1）集成化和智能化。

集成化：實現電、磁，甚至聲、水壓等多物理場測量的集成，數字信號輸出、信息存儲和記憶、邏輯判斷、雙向通信、自檢、自校準、自補償、數值處理等功能，使得傳感測量單元成為一個標準件，可增加探測系統的移植性和互換性。

智能化：能夠在復雜而多變的環境中，迅速、有效、準確地獲取、分析、處理和綜合各物理場傳感器信息，基于多傳感器信息融合、模式識別等多種手段做出正確的描述，實現對水中目標探測、識別、定位和決策處理。

2）系統化和無人化。

隨著無人機、無人水下航行器、無人艇技術的發展成熟，將水下電磁探測設備封裝為一個系統化模塊，作為無人平臺的一個可選擇搭載，在需要時執行警戒或探測水中目標的任務，可增加水下電磁探測系統應用的靈活性，亦可拓展應用范圍。

3）多元化和網絡化。

多元化：目前國外成熟的水下監測系統，大多采用的是多手段聯合探測，多手段可以相互取長補短，充分發揮系統效能，例如電、磁和聲的結合即可彌補聲抗干擾能力差、虛警率高的問題，也可解決電、磁探測距離不足的問題。

網絡化：由多個單一探測節點組合成探測陣列、監測網絡，實現多節點數據融合，增加監測系統的控制范圍。

展望未來，在“智慧海洋”、“透明海洋”中，水下電磁探測技術必然發揮重要作用。