復雜環境磁噪聲背景下反潛機運動態勢對OBF信號檢測方法的影響

摘" 要：航空磁探儀是對水下磁目標進行探測的一種有效手段，反潛機使用磁探儀進行低空飛行探測過程中海浪磁噪聲是影響探測識別的重要噪聲源。目前，航空磁探儀設備在對目標搜索過程中很少考慮海浪磁噪聲對目標信號識別的干擾，基于此，該文主要研究運動目標OBF方法對海浪磁噪聲疊加高斯噪聲等復雜背景干擾下，反潛機在不同飛行速度、飛行高度、飛行航向等運動態勢影響下，對OBF檢測性能影響，并進行仿真分析。由仿真結果可知，通過控制反潛機運動態勢，可有效降低海浪磁噪聲對航空磁探儀的干擾，有效提高反潛機航空磁探儀信號檢測能力。

關鍵詞：航空磁探儀；海浪磁場；運動態勢；信號檢測；正交基分解法

中圖分類號：E925.4" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）31-0001-04

Abstract： The aeromagnetic detector is an effective means to detecting underwater magnetic targets. The magnetic noise of sea waves is an important noise source that affects the detection and identification during the low altitude flight detection of the antisubmarine aircraft using the magnetic detector. At present， the interference of ocean wave magnetic noise on target signal recognition is rarely considered in the process of target search by aeromagnetic detector equipment. Based on this， this paper mainly studies the influence of anti submarine aircraft on OBF detection performance under the complex background interference of moving target OBF method on ocean wave magnetic noise plus Gaussian noise， and under the influence of different speed， flight altitude， flight heading and other movement situations， and carries out simulation analysis. From the simulation results， it can be seen that by controlling the movement situation of the antisubmarine aircraft， the interference of the sea wave magnetic noise to the aeromagnetic detector can be effectively reduced， and the signal detection capability of the antisubmarine aircraft aeromagnetic detector can be effectively improved.

Keywords： aeromagnetic detector; wave magnetic field; motion situation; signal detection; orthogonal basis decomposition method

航空磁探儀是對水下磁目標進行探測的一種有效手段，與航空聲納相比具有識別能力好、定位精度高、隱蔽性好等優點。但由于潛艇目標引起的磁異常信號遠小于地磁背景等干擾信號，對潛艇目標磁異常弱信號檢測方法的研究是極為有必要的。主要的潛艇磁信號檢測算法有：正交基（Orthogonal Basis Function，OBF）分解法[1]、隨機共振（Stochastic Resonance， SR）檢測[2]、熵濾波器檢測（Minimum Entropy Detector， MED）[3]和高階過零（High-Order Crossing， HOC）檢測[4-5]等。其中OBF的檢測方法，是將檢測信號與正交基函數作相關計算，并對相關系數的能量進行累加計算，構建為檢測統計量，并設置不同虛警率下的門限。OBF分解檢測方法是目前較為常用的檢測方法，但相關文獻[1，6-9]中，很少研究海浪背景磁噪聲對檢測算法的影響，以及很少研究反潛機運動態勢對磁信號檢測概率的影響。基于此，本文主要研究在海浪磁噪聲和高斯磁噪聲的復雜干擾條件下，反潛機飛行速度、飛行航向、飛行高度等因素對OBF方法的檢測概率分析。

1" 基于OBF的磁異常信號檢測方法

OBF分解是將潛艇磁偶極子模型下的磁場分解成由數個正交基的加權和的一種方法，OBF分解對磁異常信號檢測的方法是對各基函數的加權系數進行平方和運算，并作為檢測統計量的一種檢測方法，具體過程如下。

將接收信號分解為3個基函數的線性組合，即

式中：ai為基函數的系數，M為目標磁矩，R0為潛艇與磁探儀之間的距離，μ0=4π×10-7 H/m為真空磁導率，fi（w）為基函數

并且基函數之間具有正交性，即

其中，

傳統OBF分解的檢驗統計量為E=a12+a22+a32。

2" 航空磁探儀對運動目標的OBF信號檢測方法

傳統的OBF檢測算法主要是針對機動平臺探測靜止目標設計[1，6-8]，而本文研究的反潛機磁探儀對水下目標進行探測，是機動平臺探測運動目標的過程，需要對傳統OBF檢測算法進行改進。

由文獻[9-10]可知，航空磁探儀探測動目標的磁異常信號模型

Fi（w）為正交基

動目標磁異常信號Bm在正交基F0（w）、F1（w）、F2（w）組成的空間（OBF空間）上的能量為E，表示為E=A+A+A，將E作為判決統計量，有

式中：T為選定的門限，H0為假設目標不存在，H1為假設目標存在。由式（4）可知，若t時刻目標信號為Bm（t），則能量系數Cj（t）為

3" 海浪磁噪聲模型

基于Weaver海浪磁場理論，在地磁場HEgt;gt;|B|的條件下，磁探儀探測信號幅度hB（z，θ）表示為

式中：a、ω、k分別為單頻波幅度、頻率、波數，g為重力加速度，I為磁傾角，γ為磁偏角，θ為波浪傳播方向，HE為地磁場矢量。

t時刻海平面上方zm高度的運動磁力計檢測到的海浪磁場表達式為

式中：ω、k分別為海浪頻率和波數；τ（ω，θ）是初始時刻相位，在（0，2π）之間均勻分布；θ為海浪傳播方向與x軸的夾角；S（ω，θ）為方向譜。

方向譜S（ω，θ）由頻率和角度相關的2個函數組成，可表示為

式中：S（ω）為海浪頻譜，G（ω，θ）為海浪方向分布函數，A（ω，θ）為簡諧波振幅。

目前較常用的海浪頻譜S（ω）為Person-Moscowitz譜模型，簡稱為P-M譜

式中：ω為頻率；α=0.008 1；β=0.74；g為重力加速度；U為海面上19.5 m處風速，譜峰頻率為ωn=8.565/U。

由公式（12），可仿真出2級海況條件下的海浪能量分布圖，如圖1所示。

由圖1的海浪PM能量分布曲線圖可知：海浪的PM譜屬于窄帶譜，主要集中在低頻部分，這與線性海浪理論是相符合的。反潛機航空磁探儀探測到的潛艇目標信號能量也主要集中在低頻部分，正好與海浪環境磁噪聲信號相重疊，因此，海浪環境磁噪聲會影響航空磁探儀對目標信號的檢測。

4" 仿真分析

本節主要仿真分析了高斯白噪聲疊加海浪磁噪聲背景下，反潛機的飛行速度、飛行航向、飛行高度等運動態勢對OBF磁異常信號檢測方法的效能影響，其結論可為航空磁探儀降低噪聲干擾，提高對潛艇磁目標信號的檢測能力。

仿真條件為：地磁場HE=50 000 nT，地磁傾角為30°，地磁偏角為10°，重力加速度為9.8 m/s2，海水的磁導率為4π×10-7 H/m，海水電導率為5 s/m，采樣頻率為10 Hz，波浪傳播主方向為45°。

4.1" OBF對復雜背景磁噪聲的抑制能力分析

圖2—圖5為在高斯白噪聲疊加海浪磁噪聲背景下，本文OBF方法對運動目標的信號檢測結果。可見，OBF檢測能較好地抑制海浪磁場背景噪聲的影響。

4.2" 反潛機運動速度對OBF檢測能力影響分析

仿真反潛機在100、150、200 m/s飛行速度條件下，對磁探儀OBF檢測概率的影響，如圖6所示。

由仿真結果可見，隨著反潛機飛行速度的增加，磁異常信號能量減弱，OBF檢測概率降低。

4.3" 反潛機飛行航向對OBF檢測能力影響分析

仿真反潛機與目標同向、垂直過頂條件下，磁探儀OBF檢測結果。

圖2、圖5為反潛機與目標同向過頂條件下，磁探儀OBF檢測結果。圖7和圖8為反潛機與目標垂直過頂條件下，磁探儀OBF檢測結果。

通過對仿真結果比較，發現反潛機與目標同向過頂時，探測的磁異常信號為雙峰，OBF檢測抑制復雜噪聲能力強；反潛機與目標垂直過頂時，探測的磁異常信號為單峰，OBF檢測抑制復雜噪聲能力相對較弱。

4.4" 反潛機飛行高度對OBF檢測能力影響分析

仿真反潛機在100～300 m飛行高度條件下，對磁探儀OBF檢測概率的影響，如圖9所示。由仿真結果可見，隨著反潛機飛行高度的增加，磁異常信號能量減弱，OBF檢測概率降低。

5" 結論

本文通過研究在海浪磁噪聲疊加高斯噪聲等復雜背景干擾下，反潛機在不同飛行速度、飛行高度、飛行航向等運動態勢對OBF檢測方法的性能影響，提出了可通過控制反潛機運動態勢，降低海浪磁噪聲對航空磁探儀的干擾，有效提高反潛機航空磁探儀信號檢測能力。

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