吳 芳， 吳 銘， 楊日杰， 熊 雄

(1. 海軍航空工程學院 電子信息工程系， 山東 煙臺 264001； 2. 海軍航空兵學院 作戰(zhàn)指揮系， 遼寧省 葫蘆島市 125001)

反潛巡邏機運動態(tài)勢對潛艇磁異常信號的影響分析

吳 芳1， 吳 銘2， 楊日杰1， 熊 雄1

(1. 海軍航空工程學院 電子信息工程系， 山東 煙臺 264001； 2. 海軍航空兵學院 作戰(zhàn)指揮系， 遼寧省 葫蘆島市 125001)

反潛巡邏機具有速度快、 航程遠、 續(xù)航時間長等特點,是重要的航空反潛兵力. 磁探儀具有不受水文氣象條件限制、 可以連續(xù)搜索、 使用簡單可靠、 分類能力好、 定位精度高等特點,是現(xiàn)代反潛飛機,尤其是固定翼反潛巡邏機普遍使用的反潛探測設備. 本文依據(jù)反潛巡邏機磁探儀實際搜潛過程， 建立了磁探儀探潛的地磁北坐標系和磁探儀探測相遇坐標系， 并基于這兩種坐標系， 建立了目標磁異常信號模型， 仿真分析了反潛巡邏機飛行航向、 飛行速度、 飛行高度及反潛機與目標橫向距離的變化對目標磁異常信號分布的影響.

反潛巡邏機； 磁探儀； 磁異常； 潛艇

0 引 言

反潛巡邏機相對反潛直升機具有速度快、 航程遠、 續(xù)航時間長和裝載反潛設備種類、 數(shù)量多等特點， 有很強的搜索、 攻擊能力， 是重要的航空反潛兵力， 主要擔負應召搜索和近海警戒、 巡邏等任務. 與其他探潛設備相比， 磁探儀具有不受水文氣象條件限制、 可以連續(xù)搜索、 使用簡單可靠、 分類能力好、 定位精度高等特點， 是現(xiàn)代反潛飛機， 尤其是固定翼反潛巡邏機普遍使用的反潛探測設備[1]. 目前國內(nèi)外對反潛巡邏機磁探儀搜潛技術做了大量相關研究， 主要是圍繞磁探儀搜潛原理的定性描述[1-7]， 未考慮反潛巡邏機飛行航向、 飛行速度、 飛行高度及反潛機與目標橫向距離等運動態(tài)勢對潛艇磁異常信號的影響. 而反潛巡邏機運動態(tài)勢對磁探儀搜潛效能的影響是不能低估的. 因此， 本文通過建立目標磁異常信號模型， 仿真分析反潛巡邏機飛行航向、 飛行速度、 飛行高度及反潛機與目標橫向距離的變化對目標磁異常信號分布的影響， 可為磁探儀目標檢測、 搜索、 識別等提供依據(jù).

1 磁探儀探潛坐標系

反潛巡邏機到達指定任務海域后， 使用磁探儀低空飛行搜索目標. 假設在該區(qū)域內(nèi)地磁場均勻分布， 而且大小基本不變. 當遇到水下潛艇目標時可由磁探儀測出潛艇擾動地磁場所產(chǎn)生的磁異常變化. 根據(jù)反潛巡邏機磁探儀的實際探潛過程， 反潛機和目標的運動態(tài)勢如圖 1 所示. 圖 1 中，h表示反潛巡邏機的飛行高度，L表示反潛巡邏機的相對飛行路徑與目標位置點的橫向距離，R0表示反潛巡邏機相對搜索航路與目標最近距離點，HE表示地磁場， N和S分別表示地磁北方向和地磁南方向，p表示目標磁矩.

由目標磁場隨距離衰減規(guī)律可知， 距離越遠， 目標磁場越小. 因此， 圖 1 中磁異常探測系統(tǒng)檢測到信號強度最大的點為目標與磁探儀航路最近距離點(Closest Point of Approach, CPA). 因磁探儀被動探測， 作用距離較小， 在CPA點前后較短的時間段內(nèi)磁異常探測系統(tǒng)接收到磁異常信號是有效目標磁異常信號. 根據(jù)磁探儀探潛原理可建立反潛巡邏機磁探儀探潛坐標系， 如圖 2 所示.

圖 1 反潛機和目標運動態(tài)勢圖Fig.1 Airborne magnetic anomaly detection scenario

以目標位置點O為坐標系的中心點， 建立兩個坐標系：

1) 地磁北坐標系OXYZ.XOY位于水平面，Y軸指向磁北方向， 與地磁場HE方向相同，X軸指向磁東方向，Z軸垂直于XOY平面.

2) 磁探儀探測相遇坐標系OX′Y′Z′.X′軸平行于磁探儀相對潛艇的運動方向，Z′軸垂直于X′軸并且指向CPA點，Y′軸垂直于X′OZ′平面.

2 目標磁異常信號模型

2.1 標量磁探測系統(tǒng)磁異常信號表示方法

現(xiàn)有航空磁異常探潛系統(tǒng)大多為標量磁異常探測系統(tǒng)， 因此， 本節(jié)主要針對標量磁異常探測的特點， 分析目標磁異常信號. 假定目標在磁傳感器位置產(chǎn)生的磁場為B， 標量磁傳感器測量的是總磁場TT， 并經(jīng)濾波去除其中的恒定分量HE， 得到目標的磁異常信號B， 如圖 3 所示.

圖 3 總磁場與地磁場以及目標磁異常場的關系Fig.3 Relationship of total measured field geomagnetic field and magnetic abnormal field

由圖 3 可知

設偶極子場B與地磁場的夾角為g， 則有

因地磁場HE?B， 式(2)由泰勒級數(shù)展開可以近似表示為

設標量磁力計探測到的目標磁異常信號為Bm， 則有

Bm=HT-HE≈Bcosγ.

Bm?

可見， 標量磁探儀測得的磁異常信號實際上是潛艇磁場在地磁場方向上的投影值.

2.2 磁探儀探測中目標磁異常信號模型

反潛巡邏機磁探儀一般為遠場探測， 目標模型可表示為磁偶極子模型， 基于磁探儀探潛坐標系OX′Y′Z′， 目標在距離r處產(chǎn)生的磁感應強度

假設l,m,n為目標磁矩p在OX′Y′Z′坐標系中的方向余弦， 若i′,j′,k′分別表示OX′Y′Z′坐標系中三軸方向的單位矢量， 則在OX′Y′Z′坐標系中目標磁矩p的單位矢量

′.

設CPA距離為R0， 坐標點(s,0,R)表示磁探儀在OX′Y′Z′坐標系中的位置點， 則磁探儀與目標的距離矢量r在OX′Y′Z′坐標軸中可以表示為

r=si′+R0k′.

r的單位矢量

將式(7)和式(9)代入式(6)可以得到

假設l1,m1,n1為地磁場矢量HE在OX′Y′Z′坐標系中的方向余弦， 在OX′Y′Z′坐標系中HE的單位矢量

設Bm表示標量磁力計探測到的目標磁異常場， 將式(10)， 式(11)代入式(5)可得到

令

則有

設磁探儀相對潛艇的速度為v， 則有

|r|

令

則式(14)可表示為

假設地磁場傾角為Φ， 指向水平面以下為正， 在OXYZ坐標系中， 地磁場矢量HE的單位矢量

式中：φ表示相對航向與磁北方向的夾角，δ表示目標與CPA點連線與Z軸的夾角.

根據(jù)文獻[8]可得到OXYZ坐標系下向量(x,y,z)到OX′Y′Z′坐標系下向量(x′,y′,z′)的轉換

于是有

i′=isinφ+jcosφ,

j′=-icosδcosφ+jcosδsinφ+ksinδ,

k′=isinδcosφ-jsinδsinφ+kcosδ.

則由式(19)， 式(21)可以得到

由式(20)， 式(21)則可得到

由式(13)， 式(18)， 式(23)和式(24)即可得到探潛坐標系下磁探儀探測動目標磁異常信號模型.

3 仿真分析

反潛巡邏機磁探儀探測中要準確判別水下磁性目標信號， 實現(xiàn)對水中磁性目標的有效檢測， 必須深入分析磁性目標的信號特征及其影響因素. 本節(jié)以目標磁異常信號模型為基礎， 仿真分析反潛巡邏機飛行航向、 飛行速度、 飛行高度及反潛機與目標橫向距離的變化對目標磁異常信號分布的影響， 可為磁探儀目標檢測、 搜索、 識別等提供依據(jù).

3.1 飛行航向對探測磁信號影響分析

反潛巡邏機探測航向分別為0°, 45°, 90°, 180°, 225°, 270°, 315°條件下， 磁探儀探測到目標磁異常信號變化曲線如圖 4 所示.

圖 4 不同反潛機飛行航向條件下目標磁異常信號變化特征圖Fig.4 Magnetic signal detected with different flying courses

由圖 4 可知， 在潛艇磁矩恒定和航向恒定的條件下， 反潛機采用不同航向探測， 目標信號幅度大小有明顯的差異.

3.2 飛行速度對探測磁信號影響分析

反潛巡邏機飛行速度分別為200km/h， 300km/h， 400km/h， 500km/h條件下， 磁探儀探測到目標磁異常信號變化曲線如圖 5 所示.

圖 5 不同反潛機飛行速度條件下磁異常信號變化特征圖Fig.5 Magnetic signal detected with different flying speed

由圖 5 可知， 在潛艇磁矩恒定和航向恒定、 反潛機航向固定條件下， 反潛機采用不同飛行速度探測， 信號幅度基本不變， 有效信號時間則明顯減小.

3.3 飛行高度對探測磁信號影響分析

反潛機飛行高度分別為50m, 100m, 200m, 300m條件下， 磁探儀探測到目標磁異常信號變化曲線如圖 6 所示.

圖 6 不同反潛機飛行高度條件下磁異常信號變化特征圖Fig.6 Magnetic signal detected with different height

由圖 6 可知， 在潛艇磁矩恒定和航向恒定、 反潛機航向固定， 反潛機飛行速度固定， 橫向距離固定條件下， 目標信號幅度隨著探測高度的增加急劇減小.

3.4 橫向距離對探測磁信號影響分析

反潛巡邏機與目標的橫向距離分別為50m, 200m, 350m, 500m條件下， 磁探儀探測到目標磁異常信號變化曲線如圖 7 所示.

圖 7 不同橫向距離條件下磁異常信號變化特征圖Fig.7 Magnetic signal detected with different CPA distance

由圖 7 可知， 在潛艇磁矩恒定和航向恒定、 反潛機航向固定條件下， 反潛機飛行速度固定， 目標磁異常信號幅度隨著橫向距離的增加急劇減小.

由以上仿真結果可知， 高度越低， 距離目標越近， 反潛巡邏機磁探儀探測到的目標磁異常信號就越強.

4 結 論

本文依據(jù)反潛巡邏機磁探儀實際搜潛過程， 建立了磁探儀探潛的地磁北坐標系和磁探儀探測相遇坐標系， 并基于這兩種坐標系下， 建立了目標磁異常信號模型. 最后， 仿真分析了反潛巡邏機飛行航向、 飛行速度、 飛行高度及反潛機與目標橫向距離的變化對目標磁異常信號分布的影響， 得到以下主要結論：

1) 在潛艇磁矩恒定和航向恒定的條件下， 反潛機采用不同航向探測， 目標信號幅度大小有明顯的差異；

2) 在潛艇磁矩恒定和航向恒定、 反潛機航向固定條件下， 反潛機采用不同飛行速度探測， 信號幅度基本不變， 有效信號時間則明顯減??；

3) 在潛艇磁矩恒定和航向恒定、 反潛機航向固定， 反潛機飛行速度固定， 橫向距離固定條件下， 目標信號幅度隨著探測高度的增加急劇減??；

4) 在潛艇磁矩恒定和航向恒定、 反潛機航向固定條件下， 反潛機飛行速度固定， 目標磁異常信號幅度隨著橫向距離的增加急劇減?。?/p>

綜上所述， 反潛巡邏機的飛行高度越低， 距離目標越近， 磁探儀探測到的目標磁異常信號就越強.

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Analysis the Affection of the Anti-Submarine Aircraft’s Movement Situation to the Magnetic Anomaly Signal of Submarine

WU Fang1， WU Ming2， YANG Rijie1， XIONG Xiong1

(1. Dept.of Electronic Information Engineering, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001,China； 2. Dept. of commonding, Naval Aviation Arms University, Huludao 125001, China)

Anti-submarine patrol aircraft is an important aviation anti-submarine forces which has characteristics such as the speed is quick, the voyage is far, the cruising time is long and so on. The magnetic finder is a kind of anti-submarine detection equipment which is universally used by the modern anti-submarine aircraft, especially the fixed wing anti-submarine patrol aircraft. It has the characteristics such as not being restricted by the hydrological conditions, can continuously search , use is simply reliable, the classification ability is good, the positioning accuracy is high and so on. According to the actual process of searching for the submarine which is used by the magnetic anomaly detector of the anti-submarine patrol aircraft, this paper established the geomagnetic north coordinate system and the magnetic finder detection meet coordinate system which is used by the magnetic finder, and based on these two kinds of coordinate systems, the target magnetic anomaly signal model is established. Finally, simulations about the flight course, flight speed, flight altitude of the anti-submarine patrol aircraft and the influence of lateral distance change between the anti-submarine plane and the target to the target magnetic anomaly signal distribution are conducted.

anti-submarine patrol aircraft; magnetic anomaly detector; magnetic anomaly; submarine

2016-12-05

國家自然科學基金資助項目(61271444)

吳 芳(1981-)， 女， 講師， 博士， 主要從事航空反潛的研究.

1671-7449(2017)04-0283-07

TN915

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.04.002