張朝陽(yáng),孫心毅,洪 達(dá)

(中國(guó)人民解放軍92728部隊(duì),上海 200080)

在反潛戰(zhàn)中,航空反潛以其速度快、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、搜索效率高、受敵潛艇威脅小等優(yōu)點(diǎn)受到世界各國(guó)海軍的重視[1-2],成為搜潛、對(duì)潛定位、攻潛的一種重要手段。對(duì)于潛航狀態(tài)的潛艇,其主要探測(cè)手段是聲吶和磁探儀[3-5],聲吶由于探測(cè)距離遠(yuǎn)、定位精度低,一般用于大范圍搜尋目標(biāo),最后的精確定位和目標(biāo)識(shí)別則由磁探儀完成。由于磁探儀具有定位精度高,隱蔽性好,連續(xù)搜索,使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),在航空反潛中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

目前國(guó)內(nèi)外的磁探儀大都采用反潛巡邏機(jī)搭載的形式,其核心部件為光泵磁力儀[6-7],探測(cè)精度可達(dá)0.1 nT以上,對(duì)于中型潛艇的探測(cè)距離可達(dá)幾百米。國(guó)內(nèi)外關(guān)于航空磁探潛的研究較多,主要集中在磁探測(cè)模型分析[8-10]、探測(cè)概率計(jì)算[11]、磁探儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)[5]等方面,對(duì)航空磁探潛技術(shù)的研究都有一定的參考意義。航空磁探潛的效能與磁探飛機(jī)和潛艇之間的運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)密切相關(guān),飛機(jī)的飛行情況、潛艇的運(yùn)動(dòng)情況等都會(huì)影響磁探潛的效果。一些學(xué)者對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了研究,文獻(xiàn)[12-14]分別從飛機(jī)航向、潛艇航向和潛艇磁矩等方面分析了各因素對(duì)磁探潛性能的影響,并得出了一些可供參考的仿真結(jié)果。但這些研究?jī)H從某一個(gè)方面進(jìn)行了分析,通過(guò)求解所設(shè)條件下的磁場(chǎng)分布曲線或探測(cè)曲線,獲得了一些磁探潛的指導(dǎo)性結(jié)論,而某種態(tài)勢(shì)條件下的磁探測(cè)區(qū)域沒有直觀顯示,其探測(cè)規(guī)律的內(nèi)在發(fā)掘存在不足,對(duì)實(shí)際航空磁探戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用或潛艇規(guī)避的綜合指導(dǎo)不夠?；谏鲜鰡?wèn)題,作者提出空中磁探包線的概念,試圖通過(guò)對(duì)一定態(tài)勢(shì)條件下空中磁探包線的直觀顯示和分析,綜合變換潛艇航向、磁矩構(gòu)成、緯度等態(tài)勢(shì)條件,研究潛艇空中磁探包線分布特征,尋找磁探潛技術(shù)運(yùn)用及潛艇規(guī)避規(guī)律,為在實(shí)際空中磁對(duì)抗中占得先機(jī)提供理論參考。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 潛艇磁場(chǎng)信號(hào)模型

潛艇的磁場(chǎng)有近場(chǎng)磁場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)磁場(chǎng)之分[15],根據(jù)等效源原理,潛艇近場(chǎng)磁場(chǎng)可用一系列磁偶極子產(chǎn)生磁場(chǎng)的疊加表示,隨著距離的增加,遠(yuǎn)場(chǎng)磁場(chǎng)可用單個(gè)磁偶極子磁場(chǎng)等效。無(wú)論近場(chǎng)磁場(chǎng)還是遠(yuǎn)場(chǎng)磁場(chǎng),磁偶極子都是等效磁源的基本單元。直角坐標(biāo)系下,單個(gè)磁偶極子產(chǎn)生的磁場(chǎng)可表示為

(1)

由式(1)可以分別計(jì)算各等效磁偶極子磁場(chǎng),然后疊加得到潛艇近場(chǎng)磁場(chǎng),遠(yuǎn)場(chǎng)磁場(chǎng)則可由式(1)直接計(jì)算得到。需要注意的是,潛艇遠(yuǎn)場(chǎng)磁場(chǎng)也可由磁偶極子陣列等效計(jì)算得到,但其近場(chǎng)磁場(chǎng)則不能由單個(gè)磁偶極子等效計(jì)算獲得。式(1)的單個(gè)磁偶極子磁場(chǎng)模型是航空磁探潛研究中常用的潛艇磁場(chǎng)信號(hào)模型。

1.2 磁探儀探測(cè)信號(hào)模型

航空磁探儀探測(cè)潛艇時(shí),一般是沿某一探測(cè)航線實(shí)施(如圖1所示),光泵磁探儀所探測(cè)得到的潛艇磁異常,是一總量磁場(chǎng)標(biāo)量信號(hào),是探測(cè)場(chǎng)點(diǎn)處潛艇磁場(chǎng)在地磁場(chǎng)方向(圖1中BE)的投影[12]。

圖1 航空磁探潛示意圖

研究磁探潛模型時(shí),首先要將潛艇上方空中三分量磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為光泵磁探儀測(cè)量得到的總量磁場(chǎng)信號(hào),設(shè)θ為磁北方向到潛艇航向的逆時(shí)針角度(潛艇航向角),將潛艇的三分量磁感應(yīng)強(qiáng)度投影到地磁場(chǎng)方向,則潛艇磁感應(yīng)強(qiáng)度的水平分量Bh和垂直分量Bv的形式為

(2)

設(shè)γ為探測(cè)場(chǎng)點(diǎn)處的地磁傾角,沿地磁場(chǎng)方向的單位磁場(chǎng)向量為(cosγ,sinγ),則潛艇磁場(chǎng)的光泵測(cè)量值為

B=Bhcosγ+Bvsinγ

(3)

由式(1)、式(2)、式(3)可得潛艇磁場(chǎng)的光泵測(cè)量信號(hào)表達(dá)為

3xzsinγ]Mx+[3xycosγcosθ+(3y2-r2)cosγsinθ+

3yzsinγ]My+[3xzcosγcosθ+3yzcosγsinθ+

(3z2-r2)sinγ]Mz}

(4)

式(4)即為航空磁探儀的探測(cè)信號(hào)模型,本文所做研究即以此為基礎(chǔ)。

1.3 空中磁探包線

在航空磁探潛這種反潛飛機(jī)與潛艇的磁對(duì)抗中,一定條件下潛艇上方異常磁場(chǎng)的分布是一定的,反潛飛機(jī)根據(jù)飛行高度和磁探儀精度,在潛艇上方一定范圍內(nèi)能夠探測(cè)到異常磁信號(hào),該范圍就是反潛飛機(jī)在空中某高度的有效探測(cè)區(qū)域,其邊界包絡(luò)線可稱為空中磁探包線。因此空中磁探包線可定義為,在一定的磁探儀探測(cè)精度下,飛機(jī)在潛艇上方某一高度能探測(cè)到潛艇磁異常信號(hào)區(qū)域的包絡(luò)線。

飛機(jī)在空中磁探包線內(nèi)穿過(guò)時(shí),將能夠探測(cè)到潛艇磁異常信號(hào),進(jìn)而對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別和定位,并實(shí)施攻擊?？罩写盘桨€可直觀地顯示某高度有效探測(cè)區(qū)域的大小,也體現(xiàn)了潛艇對(duì)抗空中磁探的能力。按照常規(guī)理解,潛艇磁場(chǎng)隨高度而衰減,其空中磁探包線區(qū)域應(yīng)該單調(diào)收縮遞減,最后在某高度消失(如圖2所示),但實(shí)際探測(cè)中是否嚴(yán)格意義上的遞減,是本文研究的一個(gè)問(wèn)題。

圖2 空中磁探包線變化示意圖

2 仿真研究

反潛飛機(jī)采用光泵磁探儀探測(cè)潛艇時(shí),空中磁探包線會(huì)隨潛艇的航向、磁矩構(gòu)成、所處緯度及探測(cè)高度等發(fā)生變化,本節(jié)試圖通過(guò)仿真研究,揭示其中的一般規(guī)律。

1)仿真條件設(shè)定

磁源設(shè)定:仿真研究中潛艇目標(biāo)磁源用磁偶極子陣列模型[16]代替,選用5個(gè)磁偶極子的陣列作為等效磁源,磁矩參數(shù)參照某型潛艇船模計(jì)算得到,包括固定磁矩和感應(yīng)磁矩。

磁探儀精度:采用一般光泵磁探儀能夠達(dá)到的探測(cè)精度0.2 nT,鑒于本文主要是研究磁探包線分布規(guī)律的目的,不考慮探測(cè)中的噪聲影響。

仿真分析中,以中緯度地區(qū)(東海地區(qū))的地磁場(chǎng)為基準(zhǔn)地磁場(chǎng)(水平分量33 950 nT,垂直分量34 300 nT),磁探測(cè)信號(hào)由式(4)得到,通過(guò)變換潛艇航向、磁矩構(gòu)成、所處緯度及探測(cè)高度等,研究空中磁探包線的變化,得到其分布規(guī)律,為航空磁探潛、潛艇磁對(duì)抗中進(jìn)行規(guī)避等提供參考。

按照上述設(shè)定條件,可得到潛艇北航向(磁北航向)時(shí)300 m高度測(cè)量磁場(chǎng)的分布曲面,以及相應(yīng)的空中磁探包線分布,如圖3所示。

圖3 磁探儀測(cè)量磁場(chǎng)及空中磁探包線分布(300 m)

磁場(chǎng)分布圖可以直觀地揭示一般規(guī)律,如由于光泵磁探儀測(cè)量信號(hào)的原理特點(diǎn),其測(cè)量磁場(chǎng)曲面具有波峰和波谷,潛艇中心位置的投影基本處于波峰和波谷之間。而從磁探包線圖中可以看出,在使用光泵磁探儀探測(cè)潛艇的情況下,空中磁探包線存在不連續(xù)情況,在潛艇南北航向時(shí),沿南北方向探測(cè)時(shí),中間會(huì)出現(xiàn)信號(hào)丟失的現(xiàn)象。從整體來(lái)看,南北方向的有效探測(cè)長(zhǎng)度要大于東西方向的有效探測(cè)長(zhǎng)度。

2)磁探包線隨潛艇航向的變化

將潛艇航向由北航向依次變?yōu)槲骱较?、東航向、南航向,其他條件不變,300 m高度的空中磁探包線如圖4所示。

由圖4中可以看出,潛艇位于東西航向和南航向時(shí),磁探包線區(qū)域均有所變小,且包線區(qū)域中心均偏離潛艇中心上方。由此結(jié)果可知,當(dāng)潛艇遇到反潛飛機(jī)進(jìn)行磁探攻擊時(shí),調(diào)整航向至東西航向或南航向,可減小被探測(cè)到的概率。對(duì)于反潛飛機(jī)而言,東西方向飛行探測(cè)潛艇時(shí),探測(cè)到潛艇磁信號(hào)的概率要相對(duì)大一些,因?yàn)榇蠖鄶?shù)情況下,潛艇磁信號(hào)在南北方向的跨度要大一些。

圖4 潛艇不同航向時(shí)的空中磁探包線

3)磁探包線隨潛艇磁矩構(gòu)成的變化

由1)和2)的結(jié)果可知,上述分析中潛艇北航向的磁探包線最寬,探測(cè)區(qū)域最大,因?yàn)榇旁粗锌v向固定磁矩主要沿艇首方向(可認(rèn)為是北航向建造潛艇,縱向固定磁矩沿艇首方向)。假定潛艇為南航向建造,將縱向固定磁矩反向,得到沿艇尾方向的縱向固定磁矩(設(shè)固定磁矩最大值大于感應(yīng)磁矩最大值),其他條件不變。北、西、南、東四個(gè)航向,300 m高度平面的磁探包線分布如圖5所示。

圖5 磁矩構(gòu)成變化后空中磁探包線分布

潛艇磁矩構(gòu)成改變后,磁探包線在各航向分布較前述(1)、(2)結(jié)果有所變化,南航向磁探包線擴(kuò)展,北航向收縮,東西航向變化較小,潛艇在南航向時(shí)被探測(cè)到的概率增大,北航向則明顯變小,原因主要是縱向固定磁矩發(fā)生了變化。

在潛艇磁矩構(gòu)成中,縱向固定磁矩一般是磁源的主要構(gòu)成之一,不同的潛艇會(huì)存在方向性差異,而橫向固定磁矩則相對(duì)較小,垂向磁矩相對(duì)固定,不隨航向變化,因此,在討論磁對(duì)抗時(shí),主要考慮影響最大的縱向固定磁矩的變化。綜合(1)-(3)結(jié)果分析可知,為對(duì)抗航空磁探,潛艇應(yīng)首先掌握自身磁矩分布規(guī)律,以避開與縱向固定磁矩方向一致的航向(可反方向或東西航向航行)。

4)磁探包線隨緯度的變化

緯度變化的影響主要是由于地磁場(chǎng)的不同,使得潛艇感應(yīng)磁矩和空中磁場(chǎng)分布發(fā)生變化,進(jìn)而引起空中磁探包線分布的變化。各取低緯度地區(qū)一處(地磁水平分量40 580 nT,垂直分量3 940 nT)、高緯度地區(qū)一處(地磁水平分量15 160 nT,垂直分量53 200 nT),其余條件同(1),分別計(jì)算300 m高度的空中磁探包線分布(潛艇北航向),如圖6所示。

圖6 不同緯度的空中磁探包線分布

通過(guò)和(1)的結(jié)果(中緯度)對(duì)比可知,潛艇在不同緯度地區(qū)活動(dòng)時(shí),其上方空中磁探包線隨之變化,但隨緯度變化的規(guī)律與潛艇本身感應(yīng)磁矩和固定磁矩的構(gòu)成比例有關(guān)系。就本文仿真所用磁源而言,通過(guò)結(jié)果比較,各條件不變時(shí),潛艇處于中緯度地區(qū)的磁探包線區(qū)域相對(duì)大些,高緯度和低緯度的磁探包線區(qū)域相對(duì)較小。主要原因:低緯度時(shí)垂向感應(yīng)磁矩變小,但縱向感應(yīng)磁矩增加,高緯度時(shí)縱向感應(yīng)磁矩減小,但垂向感應(yīng)磁矩增加較多,此消彼長(zhǎng),總體磁性變化不大,反而處于中緯度地區(qū)時(shí),縱向感應(yīng)磁矩和垂向感應(yīng)磁矩均處于中位值時(shí),總體磁性表現(xiàn)較大,更容易被反潛飛機(jī)探測(cè)到。

5)磁探包線隨探測(cè)高度的變化

按照1)中所設(shè)仿真條件,通過(guò)初步計(jì)算可知550 m高度時(shí)已無(wú)法探測(cè)到潛艇磁信號(hào),磁探包線面積為0。將探測(cè)高度從50 m到550 m間隔50 m變化,分別計(jì)算各高度磁探包線面積,磁探包線面積隨高度的變化曲線如圖7所示。

圖7 磁探包線面積隨高度的變化

由計(jì)算結(jié)果可以看出,磁探包線并非嚴(yán)格地隨高度增加而單調(diào)收縮,而是先隨高度進(jìn)行一定程度的“外擴(kuò)”(200 m高度以內(nèi)),然后隨高度增加逐漸收縮直至消失。通過(guò)不同情況的仿真分析計(jì)算可知,一般潛艇上方250 m以內(nèi)高度空間,空中磁探包線存在“外擴(kuò)”現(xiàn)象,250 m以上空間才單調(diào)收縮。

3 結(jié)束語(yǔ)

在航空磁探潛中,空中磁探包線能夠反映一定條件下的磁對(duì)抗態(tài)勢(shì),可作為研究航空磁探潛的一種直觀有效方法。反潛飛機(jī)在磁探包線內(nèi)穿越飛行,可以獲得有效接觸信號(hào),進(jìn)而完成探測(cè)、識(shí)別、跟蹤及攻潛等過(guò)程,在磁探包線外飛行,則無(wú)法探測(cè)到潛艇。潛艇可根據(jù)自身磁探包線,調(diào)整規(guī)避策略,降低被發(fā)現(xiàn)的概率。通過(guò)本文仿真研究,可以得到以下結(jié)論:

1)空中磁探包線可直觀反映一定態(tài)勢(shì)條件下反潛飛機(jī)的有效探測(cè)區(qū)域,也能反映潛艇對(duì)抗航空磁探能力的強(qiáng)弱;

2)反潛飛機(jī)探測(cè)潛艇時(shí),沿東西方向飛行探測(cè)概率要相對(duì)大一些;

3)在一定條件下,潛艇東西航向的磁探包線較南北航向的磁探包線要窄,東西航向航行被探測(cè)到的概率相對(duì)要小;

4)戰(zhàn)時(shí)潛艇應(yīng)掌握自身磁矩構(gòu)成情況,可利用縱向固定磁矩的方向變化調(diào)整航向,減小磁探包線面積,降低被發(fā)現(xiàn)的概率;

5)磁探包線隨緯度的變化規(guī)律與潛艇本身感應(yīng)磁矩和固定磁矩的構(gòu)成比例有關(guān);

6)磁探包線并非隨高度增加單調(diào)收縮,250 m高度以內(nèi)存在“外擴(kuò)”現(xiàn)象,250 m以上隨高度增加逐漸收縮到零。

下一步將在本文基礎(chǔ)上開展不同對(duì)抗條件下的航空反潛效能評(píng)估研究,并結(jié)合開展反潛手段運(yùn)用、反潛戰(zhàn)法研究等。