水下電磁探測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

程錦房，張伽偉，姜潤翔，喻 鵬

（1.海軍工程大學(xué) 兵器工程學(xué)院；2.海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430033）

0 引言

傳統(tǒng)水下探測手段是聲探測技術(shù)，包括被動(dòng)聲與主動(dòng)聲探測兩種方法。主動(dòng)聲探測存在探測目標(biāo)遠(yuǎn)、功耗大、易暴露等特點(diǎn)，而被動(dòng)聲探測存在探測距離有限、功耗低、隱蔽性強(qiáng)等特點(diǎn)。隨著減振降噪技術(shù)的使用，水中目標(biāo)的輻射噪聲級大幅度減小，再加上聲線彎曲、聲混響等自然條件的制約，被動(dòng)聲探測的難度逐漸顯現(xiàn)。為了提高對水下目標(biāo)的探測能力，亟需研究光、電、磁、紅外、熱尾流、地震波、壓力場、重力場等非聲探測技術(shù)。相比于聲場和其他非聲物理場，水下電磁場是水中目標(biāo)的重要暴露源，國內(nèi)外研究表明，艦船電磁場是一種可以用來對目標(biāo)進(jìn)行探測和識別的信號源[1-5]。艦船磁場主要分為：穩(wěn)態(tài)磁場（鐵磁場、感應(yīng)磁場、渦流磁場）和交變磁場（軸頻磁場、電磁設(shè)備輻射產(chǎn)生的磁場）。電場主要?jiǎng)澐譃椋悍€(wěn)態(tài)電場（腐蝕相關(guān)靜電場、感應(yīng)電場）和交變電場（軸頻電場、工頻電場、電磁設(shè)備向外輻射產(chǎn)生的電場等）。

水下電磁探測具備不受水文氣象條件限制、探測性能穩(wěn)定可靠、隱蔽性強(qiáng)、識別能力強(qiáng)和定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，不僅可應(yīng)用于水下遠(yuǎn)距離的探測，還可應(yīng)用于對目標(biāo)信號的定位和識別，20世紀(jì)90年代，美國將電磁探測列為繼聲場探測之后又一優(yōu)先發(fā)展的技術(shù)，以作為聲探測的有效補(bǔ)充。近年來，在世界各國軍方和研究機(jī)構(gòu)掀起了水下電磁探測的研究浪潮。

1 國外水下電磁探測的研究現(xiàn)狀

1.1 水下電磁探測系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

早在第二次世界大戰(zhàn)期間，就出現(xiàn)了利用磁信號動(dòng)作的磁引信，除了磁場探測方面外，20世紀(jì)50年代，蘇聯(lián)還相繼裝備了非觸發(fā)電場引信錨雷：КСМ、УГМ 和 ПМ-2[6-7]。60年代初，美國和加拿大兩國海軍利用冰山設(shè)置電場探測電極，配合衛(wèi)星定位系統(tǒng)對航行于白令海峽的蘇聯(lián)潛艇進(jìn)行搜索，并成功搜索到了“特列沙拉”號核潛艇的位置[8]；60年代末期，蘇聯(lián)研制成功的Комоя電、磁封海控制系統(tǒng)，用來對海灣或海岸的軍事要塞實(shí)行安全保衛(wèi)和警戒；70年代末期，美國在德克薩斯州外的科珀斯克里斯蒂航道內(nèi)對艦船軸頻電磁場進(jìn)行了測量，并成功探測到目標(biāo) 1.6 km外的艦船信號，通過匹配濾波技術(shù)，探測距離可達(dá)5 km[9]；蘇聯(lián)對潛艇通過時(shí)內(nèi)波切割地磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電場進(jìn)行了測量，結(jié)果表明內(nèi)波引起的感應(yīng)電場可達(dá)幾十μV/m的量級，且信號周期在600 s左右。

80年代初，美國利用電場探測系統(tǒng)成功探測到了目標(biāo) 10 km外的電流源信號（信號源強(qiáng)度為1 000 A·m）[10]，蘇聯(lián) VNIIOFI研究院研制的Anagram水下預(yù)警系統(tǒng)（包含240個(gè)電極，兩電極之間的距離為250 m，可布設(shè)在沿岸100 km范圍內(nèi)）用于探測、跟蹤潛艇和艦船信號，同時(shí)可探測潛艇的下潛深度[11]。進(jìn)入90年代后，水下低頻電磁探測技術(shù)又得到了新的發(fā)展，如美國學(xué)者對潛艇及艦船航行過程中尾流產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場進(jìn)行了研究，得到了尾流感應(yīng)電磁場傳播距離遠(yuǎn)、衰減慢、頻譜為0.1 Hz左右的線譜信號的結(jié)論。隨后，美、德等國對潛艇螺旋槳剩磁產(chǎn)生的軸頻磁場進(jìn)行了研究，20世紀(jì)末西班牙研制的“MINEA”沉底型水雷（如圖1所示）和錨雷[12]，2011年意大利研制的“ASTERIA”沉底型水雷（如圖 2所示）除了采用靜電、靜磁場信號作為被動(dòng)信號源，還采用了低頻電磁場作為其信號源[13]。

圖1 “MINEA”沉底型水雷Fig.1 “MINEA”submerged mine

圖2 意大利“ASTERIA”水雷Fig.2 “ASTERIA”mine of Italy

21世紀(jì)初，西班牙SAES公司研制了SIDS多物理場海洋警戒系統(tǒng)是基于聲和電場信號基礎(chǔ)上，主要用于對重要港口的水下警戒。美國于 21世紀(jì)研制成功了水下電磁探測浮標(biāo)（頻率范圍為0.5～30 Hz），作為聲探測的補(bǔ)充，該探測浮標(biāo)解決了海洋環(huán)境電磁場噪聲對探測系統(tǒng)的影響，可對浮標(biāo)周圍800～2 000 m范圍內(nèi)的潛艇目標(biāo)進(jìn)行探測[14]。值得注意的是，日本也在大力投入水下電磁探測技術(shù)相關(guān)的研究。

目前，美、俄等國均研制和列裝了包含電、磁節(jié)點(diǎn)在內(nèi)的探測和攻擊的海底預(yù)警監(jiān)測網(wǎng)，如艾森豪威爾海底高速觀測網(wǎng)、Комоя電磁封海系統(tǒng)、STL水下警戒系統(tǒng)等，世界各國與水下電磁探測相關(guān)的陣列如表1所示。由此可知當(dāng)前國外的水下監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)十分發(fā)達(dá)，具有多種信號的預(yù)警探測系統(tǒng)，探測目標(biāo)信息源涵蓋了聲場、電磁、磁場等多種物理場。

表1 國外水下電磁探測相關(guān)系統(tǒng)Table 1 Foreign underwater electromagnetic detection systems

1.2 電磁場測量技術(shù)現(xiàn)狀

利用電、磁場探測水下目標(biāo)信號，需建立在準(zhǔn)確測量的基礎(chǔ)上。在海洋電場測量方面，主要使用碳纖維電極和 Ag/AgCl電極作為電場傳感器，其中，Ag/AgCl電極的使用最為普遍。美國 ISL公司（Information systems laboratories）、英國 Ultra Elec tronics PMES 公司、德國的Ludwig Systemtechnik公司、瑞典的Polyamp AB公司、西班牙SAES公司生產(chǎn)的Ag/AgCl電極具有低噪聲、高穩(wěn)定性的顯著特點(diǎn)。截止到2015年，國外典型的海洋電場傳感器技術(shù)水平匯總表如表2所示。

表2 海洋電場傳感器性能列表Table 2 Performance list of ocean electric field sensors

前置放大器的噪聲水平直接影響測量系統(tǒng)的噪聲，國外早期在海洋環(huán)境電場測量中，為了減小前置放大器在低頻段的噪聲，使用了斬波放大器。進(jìn)入20世紀(jì)80年代以后，隨著低噪聲差分放大器和儀表放大器的出現(xiàn)，普遍使用了差分放大器或儀表放大器對一對電極之間的電位差信號進(jìn)行前置放大，其噪聲指標(biāo)相對于80年代的水平，降低了80%，如Ultra Electronics PMES公司生產(chǎn)的前置放大器的噪聲

在磁場測量領(lǐng)域常用的磁測儀器主要有：磁通門磁強(qiáng)計(jì)、感應(yīng)式磁傳感器、光泵磁強(qiáng)計(jì)、質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀等。磁通門傳感器因測量磁矢量信號，主要被用作水雷磁引信的接收單元，如“MINEA”、“ASTERIA”、“STONE FISH”水雷的磁接收單元均采用了磁通門傳感器，但磁通門傳感器分辨率較低，探測距離有限。

光泵磁強(qiáng)計(jì)和質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀傳感器分辨率較高，但功耗較大，通常可達(dá)幾十W的量級，主要應(yīng)用于航空磁探，如美國的 P-3反潛巡邏機(jī)使用的AN/ASQ-081氦光泵磁強(qiáng)計(jì)。感應(yīng)式磁傳感器主要是基于法拉第電磁感應(yīng)定律接收磁場變化信號的接收器，其信號靈敏度較高，如烏克蘭生產(chǎn)的LEMI120磁傳感器的靈敏度可達(dá)0.1 pT@1Hz，且傳感器為無源接收器，適合于水下長期工作，其缺點(diǎn)是接收的磁場信號與目標(biāo)的航速關(guān)系密切，且接收方向單一，尺寸較大。國內(nèi)外部分磁場傳感器技術(shù)水平匯總?cè)绫?所示[15]。

表3 部分磁場傳感器性能指標(biāo)Table 3 Performance indexes of some magnetic field sensors

2 國內(nèi)水下電磁探測研究現(xiàn)狀

國內(nèi)在鐵磁性磁場的探測方面研究較早，而在電場和交變磁場方面的研究較晚。20世紀(jì)80年代開始研究水下電場，90年代末開始研究電場測量技術(shù)，經(jīng)過多年的發(fā)展，國內(nèi)在水中目標(biāo)水下電磁場產(chǎn)生機(jī)理、建模、傳播規(guī)律、探測及隱身、標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)等軍事應(yīng)用領(lǐng)域及在海洋電磁法勘探、環(huán)境監(jiān)測等海洋勘探領(lǐng)域取得長足發(fā)展。初步打破了國外在低噪聲電場電極、磁通門傳感器、電磁場建模及反演、檢測算法等方面的技術(shù)封鎖，具體體現(xiàn)在：

1）厘清了水中目標(biāo)電磁場的產(chǎn)生機(jī)理，解決了水下電磁場建模仿真和反演計(jì)算的問題；

2）研制出了低噪聲Ag/AgCl電極和電場測量系統(tǒng)，電極噪聲大幅度降低，性能基本達(dá)到國外的先進(jìn)水平；

3）具備高精度磁場傳感器研制能力，研制的磁通門傳感器、感應(yīng)式磁傳感、光泵磁強(qiáng)計(jì)等均能達(dá)到國際先進(jìn)水平。

與國外先進(jìn)國家相比，國內(nèi)的不足主要體現(xiàn)在：

1）電磁場特征分析及水下電磁場微弱信號信息處理技術(shù)。

海洋環(huán)境電磁場信號作為目標(biāo)信號的主要背景干擾源，直接影響目標(biāo)檢測概率和準(zhǔn)確性。一方面，由于國內(nèi)獲取的數(shù)據(jù)有限，尤其是缺乏高海況下的海洋環(huán)境電磁場信號，導(dǎo)致對背景信號的特征認(rèn)識尚存在局限性；另一方面，國內(nèi)所提的基于小波變換、EMD分解、1.5維線譜提取等低頻電場信號檢測算法多為靜態(tài)檢測，而在水下探測中，更關(guān)注的是信號的實(shí)時(shí)檢測；最后，受水下探測系統(tǒng)低功耗的要求，實(shí)時(shí)檢測算法應(yīng)簡單易行，而國內(nèi)目前在微弱信號實(shí)時(shí)提取方面與國外仍存在較大差距。

2）水下電磁場定位與識別技術(shù)。

國內(nèi)研究的電磁探測系統(tǒng)多是基于單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的，所做的工作還是針對單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)電磁傳感器噪聲較大、探測距離有限的問題進(jìn)行的，蘇聯(lián)早在20世紀(jì)80年代，即利用電磁陣列實(shí)現(xiàn)了對潛艇目標(biāo)的準(zhǔn)確定位，定位深度誤差小于10 m。

3）電磁與其他物理場聯(lián)合探測技術(shù)。

國外不僅開展此方面的工作較早，還形成了水下聯(lián)合預(yù)警探測的裝置，而國內(nèi)目前還未形成相應(yīng)的裝備。

3 水下電磁探測的發(fā)展趨勢與展望

隨著對海洋資源更加廣泛深入的開發(fā)利用，以及對自身戰(zhàn)略安全考慮，當(dāng)今各軍事強(qiáng)國大多將戰(zhàn)略的重心放到了海上，為建立龐大的情報(bào)網(wǎng)絡(luò)，越來越重視水下監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，水下電磁探測作為重點(diǎn)研究和突破的非聲探測手段是目前最為熱門的研究技術(shù)之一。水下電磁探測技術(shù)的發(fā)展趨勢可以從以下幾方面來看。

1）集成化和智能化。

集成化：實(shí)現(xiàn)電、磁，甚至聲、水壓等多物理場測量的集成，數(shù)字信號輸出、信息存儲(chǔ)和記憶、邏輯判斷、雙向通信、自檢、自校準(zhǔn)、自補(bǔ)償、數(shù)值處理等功能，使得傳感測量單元成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件，可增加探測系統(tǒng)的移植性和互換性。

智能化：能夠在復(fù)雜而多變的環(huán)境中，迅速、有效、準(zhǔn)確地獲取、分析、處理和綜合各物理場傳感器信息，基于多傳感器信息融合、模式識別等多種手段做出正確的描述，實(shí)現(xiàn)對水中目標(biāo)探測、識別、定位和決策處理。

2）系統(tǒng)化和無人化。

隨著無人機(jī)、無人水下航行器、無人艇技術(shù)的發(fā)展成熟，將水下電磁探測設(shè)備封裝為一個(gè)系統(tǒng)化模塊，作為無人平臺的一個(gè)可選擇搭載，在需要時(shí)執(zhí)行警戒或探測水中目標(biāo)的任務(wù)，可增加水下電磁探測系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性，亦可拓展應(yīng)用范圍。

3）多元化和網(wǎng)絡(luò)化。

多元化：目前國外成熟的水下監(jiān)測系統(tǒng)，大多采用的是多手段聯(lián)合探測，多手段可以相互取長補(bǔ)短，充分發(fā)揮系統(tǒng)效能，例如電、磁和聲的結(jié)合即可彌補(bǔ)聲抗干擾能力差、虛警率高的問題，也可解決電、磁探測距離不足的問題。

網(wǎng)絡(luò)化：由多個(gè)單一探測節(jié)點(diǎn)組合成探測陣列、監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)融合，增加監(jiān)測系統(tǒng)的控制范圍。

展望未來，在“智慧海洋”、“透明海洋”中，水下電磁探測技術(shù)必然發(fā)揮重要作用。