基于地磁場擾動探測的巡航導彈定位系統設計*

武錦輝，閆曉燕，王 高

（中北大學電子測試技術國家重點實驗室，山西太原 030051）

0 引言

巡航導彈［1］是兼具戰略、戰術性的突防能力很強、破壞力極大的現代化軍事武器，其作戰效能在歷次的局部戰爭中都有所體現。針對巡航導彈的發射方式、飛行軌跡等特征信息，建立一種可以有效地探測、識別、定位的導彈防御系統是現代戰爭發展的必由之路［2］。定位與防御的基礎是準確地在盡量遠的位置探測識別出巡航導彈的存在，才能提供足夠的反應時間，提高導彈攔截率。

在國外，針對巡航導彈的探測方法主要有雷達探測系統［3］、紅外探測系統［4］和磁力探測法［5］。雷達探測系統應用廣泛，但雷達工作采用主動發射電磁波的方式，容易暴露，并且易被電磁干擾。同時，對于尺寸小、速度接近或超過音速、低空及超低空飛行的物體難以識別［6］;紅外探測系統采用無源紅外探測器件，幾乎可以對任何存在熱輻射的物體進行探測，而巡航導彈尾噴口溫度都高達上千度，且巡航導彈的金屬外表也會產生大量的輻射，可有效地被紅外無源探測設備所探測到［7］。例如:美軍空軍配備的機載激光TMD戰術彈道導彈［8］、攻擊型機動發射車的TEL紅外探測系統［9］等。美國海軍研制的艦載紅外搜索與跟蹤系統（IRST）可將導彈航跡［10］等信息傳給艦載“宙斯盾”作戰系統進行防御;磁力探測法是采用磁力探測儀探測導彈位置的方法，主要用于現代反潛飛機，為固定翼反潛巡邏機常用的反潛探測設備。磁力探測儀的主要結構是帶導線的金屬敏感元件探頭，由探頭將導彈把探測器位置的磁場干擾記錄下來，從而定位導彈位置。這種方法的靈敏度高，虛警率低，探測效率取決于載機的寬度和工作速度。

綜上所述，各種探測方法各有所長:紅外探測方法對目標的依賴性小，可實現無源探測，但難準確定位，易受干擾;雷達探測方法搜索范圍大，靈敏度高，但難準確定位，易受環境影響;磁力探測方法精度高、定位能力強，但探測針對性強，抗干擾能力差。由此，本文設計了一種基于磁異常探測的反巡航導彈定位系統，該系統利用磁力探測器對地磁場變化進行探測分析，從而獲得由高速運行的巡航導彈產生的地磁變化。該方法利用地磁探測檢測空域大，由于高速運動物體磁異常明顯，所以，虛警率和靈敏度高。

1 系統設計

1．1 基本原理

根據法拉第電磁感應定律，當磁通發生變化時可以產生感應電動勢，所以，被擾動的磁場可以用來求解被測物體的特征信息，對于良導性的金屬而言，可以反演其位置、速度等信息。根據巡航導彈切割地球磁場磁力線的方式，其對應的感應電動勢的表達式有

由此可知，可以根據鐵磁性物體運動對地磁場的擾動來識別定位巡航導彈。由于地球磁場覆蓋范圍大、強度變化周期性好，而任何運動的鐵磁介質都可以看作是多個雙極性偶極子的集合模型，并且這些偶極子有固定的極化方向，從而反作用于地磁場產生擾動。當磁偶極子置于地磁場中，地磁場會扭曲和畸變，結果如圖1所示。當運動的鐵磁介質擾動地磁磁場時，磁傳感器探測到擾動并產生變化的電壓信號，該信號通過處理電路轉換為數字量，最終實現探測和定位。

1．2 系統構成

由于巡航導彈表皮為金屬，有良好的電磁特性，其在巡航過程中快速地切割地磁場的磁力線，從而使地磁場產生相應的擾動，由巡航導彈引起的地磁異常可以有效反映出導彈的位置、尺寸等特征信息。磁異常探測器就是通過鐵磁質運動過程中引起地磁場擾動從而獲取相應信息的，系統結構框圖如圖2所示。由此可知，探測器共分為4個模塊:地磁場擾動探測部分、探測信號處理與變換部分、有效數字信號分析識別定位部分、PC機通信顯示結果部分。

圖1 偶極子對地磁磁場擾動示意圖Fig 1 Schematic diagram of geomagnetic magnetic field disturbance by dipole

圖2 地磁擾動探測系統示意圖Fig 2 Schematic diagram of geomagnetic disturbance detection system

1．3 物理模型分析

通過電磁感應定律可知，在鐵磁介質中產生的感應電壓有

其中，v為鐵磁介質的速度，B為相應位置的地磁場強度，dS為鐵磁體的表面微分，dl為鐵磁體的長度微分，dt為時間微分。

由感應電壓得到的感應電流可以隨著鐵磁介質在地磁場中的運動而發生相應的變化，該變化與鐵磁介質的速率、地磁場方向都有關系。感應電流產生相應的附加磁場，若P為探測器的位置，鐵磁介質的長度是l，而探測器與鐵磁介質的距離是R，則在載流直導體上取電流元Idl后，通過畢奧—薩伐爾定律推導，P點的磁感應強度有

由于探測位置通常與被測物距離很遠，而被測鐵磁介質實際尺寸為幾米到幾十米，所以，基本可以忽略被測介質（導彈）的尺寸造成的影響，從而化簡式（3）可得

2 仿真分析

由式（4）可知，對磁擾動強度H的主要影響因素是被測鐵磁介質與探測器的距離、被測鐵磁介質的長度以及被測鐵磁介質的速度。通過仿真分析可以獲得這3個主要參數與磁擾動強度H的函數關系，從而分析通過該系統可獲得的探測范圍與精度。

2．1 探測距離

從仿真圖3可以看出:在0～1000 m的范圍內，磁擾動強度H隨著r的不斷增大而明顯減小。當超過1 000 m以后，能量衰減就不是很明顯了，其磁場擾動強度基本保持在1個數量級上。同時，這種緩慢遞減是相對平穩的，所以，在采用磁擾動強度變化探測遠距離的巡航導彈時，數據的穩定性較好。當然，由于距離越遠磁場強度越弱，所以，需要根據探測巡航導彈的范圍而選擇靈敏度適合的磁探測器，即需要的探測范圍越大，采用越高靈敏度的磁探測器。

圖3 探測距離r和地磁擾動強度H的函數關系Fig 3 Function relation between detection distance r and intensity of geomagnetic disturbances H

2．2 被測鐵磁介質的尺寸

所描述的被測鐵磁介質在本文中主要指巡航導彈，由于巡航導彈是金屬表皮的，所以有良好的導電性。由圖4可知，磁擾動強度H與鐵磁介質的長度L為正比的線性關系，即對于型號不同的巡航導彈即使速度、距離都相同，其產生的磁擾動強度也是不同的。

圖4 鐵磁介質長度L和地磁擾動強度H的函數關系圖Fig 4 Function relation between ferromagnetic medium length L and intensity of geomagnetic disturbances H

2．3 被測鐵磁介質的速度

想要有效地攔截巡航導彈不但需要知道它的軌跡，還需要知道它的速度信息，又因為切割磁力線的速度會影響磁擾動強度的大小，所以，分析被測鐵磁介質的速度對磁擾動強度的影響是必要的。如圖5所示，在同一時刻不同速度下所對應的磁擾動強度H是不一樣的，曲線說明速度越大磁場強度H越大，但這個過程是動態的，因為距離會越來越近，所以，這是個綜合影響的過程。

圖5 被測介質速度v和地磁擾動強度H的函數關系圖Fig 5 Function relation between measured medium speed v and intensity of geomagnetic disturbances H

3 實驗

3．1實驗條件

實驗采用金屬圓柱體（φ10 mm×30 mm）模擬巡航導彈，通過彈射器給該金屬柱一定的初速度，速度和出射角度事先可求，采用光纖磁力儀獲取金屬柱飛過某一區域對該區域磁場產生的擾動。其中，金屬柱、給定區域磁場、探測器靈敏度按照真實巡航導彈飛過地磁場（以實驗地緯度為準）的比例計算而成。

3．2 實驗數據分析

實驗過程采用金屬圓柱體穿過磁場，再由光纖磁力儀探測磁場的擾動情況。實驗固定金屬柱的飛行方向，將探測器放置在距金屬柱軌跡不同距離的地方進行探測，分別測試不同速度對應的磁擾動強度，從而獲得被測物的相關特征信息。實驗數據如表1所示。

表1 速度與距離產生的磁擾動強度H（10－9A/m）Tab 1 Intensity of magnetic disturbance H generated by speed and distance（10－9A/m）

根據表1中數據顯示，隨著速度的增大，磁擾動強度也隨之增大，也就是速度越快越容易被磁探測器檢測到。在縱向可以看到，隨著距離的增大，產生的磁擾動強度也隨之減小，且遞減速度較大，說明探測器與被測物的距離對磁擾動強度的貢獻明顯。整個實驗的磁擾動強度在10－8～10－10A/m量級變化，如果距離更大、或者速度更快，可以根據需要調整磁探測器的量程范圍或更換更高靈敏度的磁探測器。通過該種方法可以獲得速度、距離與已知被測體的函數關系式，通過該函數即可識別定位被測物的特征信息，實現巡航導彈的有效識別與定位。

4 結論

在對目前巡航導彈識別定位的各種探測方法的優缺點進行分析的基礎上，設計了一種基于地磁場擾動探測的巡航導彈識別定位系統，通過磁場擾動反演巡航導彈位置、距離等特征信息。通過仿真計算可知，磁場擾動強度主要取決于被測物與磁探測器的距離、被測物的尺寸以及被測物的速度。距離越大，磁擾動強度越低;被測物尺寸越大，磁擾動強度越高;被測物速度越大，磁擾動強度越高，并通過Matlab給出了3個參數與磁場擾動強度的函數關系圖。實驗采用金屬柱等比例模擬巡航導彈飛行穿過恒磁場的物理過程，證明了可以通過磁擾動強度的變化反演被測物的特征信息，為實現大范圍準確識別、精確定位巡航導彈提供了一種新的思路。

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