基于磁異常檢測的飛機測速定位系統的研究*

閆曉燕,秦建敏,喬記平

(1.太原理工大學物理與光電工程學院,新型傳感器與智能控制教育部重點實驗室,太原 030024;2.中北大學儀器與電子學院,太原 030051)

從軍事到民用、從客運到貨運,飛機的應用已經非常普遍了[1]。對飛機位置、速度等狀態信息的有效獲取是保障空運安全的重要手段。在軍事應用中,只有準確地獲取飛機的位置信息,才能實現反空襲的精確打擊。設計開發一種能在大區域范圍中快速檢測飛機速度及位置的系統具有很強的實際意義和應用價值[2]。

國內外對飛機測速定位系統的研究有很多,主要技術手段包括:雷達檢測技術、紅外成像技術、激光雷達技術以及磁力檢測技術[3]。傳統的雷達通過主動發射電磁波檢測回波信號,從而判斷目標的速度及距離信息。其技術成熟、結構簡單,但其信號源容易被偵測到,而且對超、亞音速飛機難以識別,以及對低空飛行的飛機與地面物體回波容易混淆[4-5]。紅外成像技術利用飛機發動機等部分產生的熱輻射判斷目標是否存在,例如一些攻擊機上用于空空打擊的定位系統。該技術隱蔽性高、可大致判斷目標形狀,但由于熱輻射量與物體溫度及被測距離都有關系,所以難以準確判斷目標的位置信息,沒有位置信息的輔助還影響目標速度的計算[6-7]。激光雷達技術是以激光作為輻射源的雷達系統,具有精度高、速度快等優點,但受環境影響大,不同氣象條件下工作性能波動較大[8]。磁力檢測技術的核心是磁力探測儀,其工作部分是由導線組成的金屬敏感元件探頭,通過磁力探測儀分析磁場擾動判斷目標的位置及速度,目前已有用于反潛飛機的報道。其優點是被動探測隱蔽性高、基本不受天氣環境的影響、虛警率低[9-11]。

本文研究的是一種通過檢測磁異常判斷分析飛機位置及速度的探測系統。由于飛機飛行過程中切割地磁場的磁感線,從而對地磁場造成擾動,系統通過對此擾動量進行分析計算獲得飛機的位置和速度信息。根據磁力探測儀可檢測的磁強度是飛機距離、飛行角度及飛行速度的函數,所以單一的磁探測器是不能完全檢出的,系統通過三點定位的思想對區域內任意位置的目標進行分析,可以獲得目標的準確位置及速度信息。

1　磁探測系統

1.1　基本原理

由法拉第電磁感應定律可知,電磁感應是導體在磁場中切割磁感線時,會產生感應電流的現象。感應電動勢的大小與目標的尺寸、速度、切割磁感線的角度以及與磁探測器的距離存在函數關系,所以可以通過計算磁通量求解目標的相關狀態信息。當對于飛機飛行過程中切割地磁場的過程而言,其感應電動勢為

(1)

其中,式(1)由兩部分組成,前部分是感生電動勢,主要是由于飛機飛過不同區域,地磁場磁感線密度不同造成的,后部分是動生電動勢,主要由于飛機切割磁力線產生的。由于地磁場一般在幾公里的范圍內變化很小,所以常常可以忽略此項進行計算。

飛機可以看作鐵磁性物體,鐵磁性物體實際上也可等效成雙極性偶極子的集合體,該集合體具有固定的極化方向,與地磁場作用產生感應電動勢。飛機在飛行過程中對地磁場造成擾動(如圖1所示),切割磁感線產生的感應電動勢攜帶了飛機距離、速度等信息。

圖1　地磁場受飛機飛行擾動示意圖

1.2　系統設計

飛機整個機身由金屬制造,具有很好的電磁特性,在飛行過程中切割地磁場造成磁擾動,系統結構如圖2所示。地磁場變化量由3個磁力探測儀采集,采集的數據發送給主處理系統,由接收模塊接收信號。經放大濾波電路獲得可以被AD處理的數字信號,最終通過處理器分析計算得到被測目標的位置及速度信息。3個磁力探測器的位置、距離都是已知的,所以當飛機以任意角度飛過3個磁力探測器覆蓋的區域時,可以通過3個磁力探測器在相應方向上的磁力分量求解飛機的飛行方向、速度及準確位置。

圖2　飛機飛行擾動地磁場示意圖

圖3　鐵磁介質的感應磁場及正交分解示意圖

2　理論值計算及仿真分析

設探測器位置為P,飛機翼展為l,磁力探測器到飛機的距離為R。則可建立坐標如圖3(a)所示,AB=l,在AB上取電流元Idl,則畢奧-薩伐爾定律求得P點磁感應強度有

(2)

(3)

由式(3)以及φ1≈φ2≈90°,R0≈r,化簡可得磁感應強度有

(4)

設時變電流的角頻率為ω,則感應電流有

I=I0e-jβr

(5)

其中,β=ω/c,c為光速。在大氣環境中空氣為弱導電媒質(電導率約等于0),磁場強度有

(6)

因為飛機的翼展是固定的,在計算磁感應強度時作為常數。而正常飛行過程中角度的變化也是很小的,所以由式(6)可知,被測磁場強度主要取決于角頻率和探測距離,則對這兩個參數進行仿真分析如圖4所示。

圖4　磁場強度H關于角頻率ω和探測距離r的函數圖

根據仿真結果可知,磁場強度隨探測距離的增大而以指數形式下降,系統的探測距離主要取決于磁力探測器的能力,以常用磁力探測器的探測精度而言,理論上系統可實現20 km以內的飛機定位。根據仿真結果可知,磁場強度隨著角頻率的增大而增大,但角頻率對磁場強度的影響較小。為了獲取更好地檢測磁場強度,可以通過增大調制頻率和適當縮小探測距離的方法。距離超過1 km后,可通過仿真圖中看出,磁場強度變化趨于平緩,在到4 km時,磁場強度仍保持在10-7量級上,當距離近一步增大超過10 km時,磁場強度大約下降到10-8量級,當超過20 km時,磁場強度衰減就比較明顯了,與磁力探測器的檢測水平相近,即大約在10-9量級。根據仿真分析可知,在100 m的距離改變下,磁力探測結果有較明顯的差異,則系統的理論探測精度為100 m。由此可見,該探測模型可以實現較大區域的信號檢測。

3　實驗

3.1　實驗環境

將飛機尺寸等比例縮小,其切割地磁場主要是機翼,所以將金屬棒看作飛機機翼,其長度為10 mm×20 mm×200 mm。金屬棒由皮帶(非鐵磁性物質,不引起感應磁場)牽引前進,有恒定的速度及行進角度。探測器采用光纖磁力探測器,記錄由于金屬棒造成的磁場變化。

3.2　實驗結果

整個實驗過程模擬飛機穿過地磁場,飛機尺寸、速度等與飛機到探測器距離等比例縮小,記錄分析金屬棒穿過磁場時的磁場變化。由于磁場長度與距離、金屬棒切割磁感線面的長度都是線性關系,即一次正比關系,所以,按照比例關系當金屬棒速度約小于飛機速度1(2個數量級時,其產生的感應磁場強度和對應距離上的強度相當,所以將金屬棒的飛行速度設定在5 m/s(60 m/s之間,相當于飛機500 km/h(1 000 km/h,即可滿足設計要求。則分析金屬棒在不同速度下磁力探測器所采集得到的磁場強度值,再通過該磁場強度反演金屬棒的速度與標準速度作對比。3個磁力探測器分別放置在等邊三角形區域的3個頂角位置,金屬棒以任意方向角穿過被測區域,如圖3所示。當金屬棒飛過被測區域時,在金屬棒不同飛行速度下P點上磁力探測器的實驗數據如表1所示。

表1　不同速度下3個磁力探測器的磁場強度

在金屬棒從飛入磁場到飛出磁場每個位置都有不同的磁場感應強度,以上只給出了在某一時,即P點位置的磁場強度。磁場強度采集點密度由系統響應時間決定,影響系統定位的空間分辨精度。從表1中可知,隨之金屬棒速度的增大,感應磁場強度也隨之增強,而相同速度下由于金屬棒到探測器的有效距離不同,所以感應磁場強度差異也很大。將不同位置時采集到的磁場強度信息融合,就可以計算出金屬棒的位置信息,而根據已知的金屬棒長度、地磁強度,再代入3個磁力探測器的感應磁場強度數據,就可以計算金屬棒的飛行速度了。在實際檢測過程中,如果有快速飛行的導彈、炮彈碎片等也在被測區域內,對飛機測速及定位是不影響的,因為如導彈而言,飛行方向橫截面不超過1 m,相比飛機機翼小得多,速度在3 Ma～6 Ma左右,引起的磁擾動要比飛機小約一個數量級,很容易區分。即使多個目標同時存在也不會有太大影響,因為3個磁力探測器是在定位的基礎上實現測速的,多個弱磁相應目標由于位置不同,不產生疊加效應,相比飛機目標可以看作噪聲處理。

4　結論

設計了一種通過檢測感應磁場強度判斷飛機穿越地磁場時的位置、速度的系統,該系統通過3個磁力探測器對穿過被測區域的飛機進行探測,由三組磁場強度數據反演飛機的速度,由多次采集的數據計算飛機的位置,從而實現飛機的定位與測速。通過理論推導及MATLAB仿真計算,在相應的測試距離中,產生的感應磁場強度可以有效地被磁力探測器采集。模擬實驗采用金屬棒代替飛機,按照比例關系測試磁場強度,證明了系統的可行性。

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閆曉燕(1977-),女,講師,在讀博士,主要研究方向為測試計量技術及儀器等。