航磁探測水下目標關鍵技術發展及應用*

李 晨 周建軍

（92730部隊 三亞 572000）

1 引言

航磁探測技術始于二戰，因具有隱蔽被動探測、定位精度高、單位時間搜索面積大等優點［1］，經過近八十年的發展，該技術在使用平臺、探測性能以及探測方法等諸多方面都有了巨大的變化與改進。對于任何一項裝備，技術狀態通常決定其應用方法，而應用方法又反過來推動技術的革新進步。本文首先從技術角度出發對飛機磁探測水下目標涉及的關鍵技術與發展進行了詳細的分析和介紹，然后從應用角度出發，對航磁探測水下目標的方法等問題進行了分析。對深入了解目前該項技術最新發展和應用情況，明晰研究方向有較好的參考意義。

2 航磁探測水下目標關鍵技術及發展

航磁探測水下目標涉及的關鍵技術主要包括：提高磁探儀與飛機性能；飛機背景磁場建模與補償；水下目標磁場建模與識別。

2.1 提高磁探儀與飛機性能

在航空磁性探測中使用的磁傳感器主要有三軸磁通門傳感器與光泵傳感器。三軸磁通門傳感器用于測量地磁場的三軸矢量，進而解算出飛機橫滾、搖擺和俯仰的姿態變化信息。飛機姿態信息還可通過其它方法獲得，如利用GPS代替磁通門解算飛機姿態變化信息［2］。光泵傳感器是測量磁場的敏感器件，精度遠高于磁通門傳感器，但它測量的是磁場的標量值［3］。近年來，應用超導式磁探儀進行航磁測量的方法得到了研究，超導式磁測儀具有非常高的精度，其靈敏度可高達7×10-6r，測程可從零到數千高斯，能響應零到幾兆甚至到1000MHz的快速磁場變化［4～6］。最主要的是超導磁探儀可測量磁場梯度全張量，豐富的磁場信息可更靈敏、快速的探測和定位水下磁異常。但由于超導磁探儀工作條件苛刻，易受環境影響，在地磁場中晃動，測量誤差高達10nT，因而還不具備直接應用于工程實際的條件［7］。

用于航磁探測的飛機包括固定翼飛機、直升機以及無人機等。磁探儀在飛機上進行探測時，飛機的磁場環境構成了磁探儀工作的背景場，持續降低飛機平臺固有的背景磁噪聲對磁探測是非常重要的［8］。飛機的背景磁場包括飛機殼體的剩余磁場、飛機在地磁場環境下的感應磁場以及飛機航行過程產生的渦流磁場。這些主要與建造飛機殼體的材料有關，應選用低磁或無磁材料。飛機的背景磁場還包括飛機上其它電磁設備如發動機、無線電臺等產生的隨機磁場，該種干擾可通過監測并在磁源周圍繞制補償線圈進行硬抵消［9～10］。

此外，飛機的機動性也是影響航磁測量效果的重要因素，航行應保持六自由度的穩定性，因為飛機較大的抖動會給磁探儀造成較大的干擾［11］，對于直升機平臺來說，磁探儀通常安裝在拖曳式的吊艙內，除直升機自身的抖動外，吊艙擺動也是引起磁干擾的重要因素，也必須減小吊艙的擺動幅度［12］。較固定翼飛機，無人機機動性及控制性較弱，磁場環境的分布也不同，因而需調整傳感器的安裝位置，在磁干擾補償方法方面也需要進行改進［13］。飛機還應當具備較好的低空飛行能力，以增大飛機在探測時的搜索半徑。為提高探測效能，飛機平臺也向著大型平臺化和遠程化方向發展，以增強裝載能力和續航能力。如目前美P-8A飛機較P-3C飛機，最大起飛重量由64t 提高到了85t，最大續航力由7667km提高到了9260km［14］。

目前搭載磁探儀的飛機平臺主要有美P-8A、P-3C 巡邏機、S-3 北歐海盜艦載巡邏機、S-70B 艦載海鷹直升機、MQ-8B 無人偵察機，美海軍還研制了可從水下發射的無人機，可裝載小型磁異探測器［15］。除美國外，法國“大西洋”巡邏機、俄羅斯“伊爾-38”巡邏機、英國獵迷MRA4 巡邏機、俄羅斯卡-27 直升機、英國MK2 海王直升機、中國臺灣地區MD-500直升機均裝備有磁異常探測器［14］。

2.2 飛機背景磁場建模與補償

對于固定翼飛機和無人機，其背景磁場主要包括剩余磁場，感應磁場和渦流磁場。剩余磁場是由飛機內的鐵磁性物體的剩余磁化而產生，感應磁場是由于飛機內的鐵磁性物體受地磁場磁化而產生，渦流磁場是由飛機機身、機翼等大的金屬片或金屬殼切割地磁場產生。1944年美國人Tolles 和Lawson 建立了經典的飛機背景磁場模型，即TOLLES-LAWSON 方程［16］。在TOLLES-LAWSON模型的基礎上，研究發現飛機背景磁場還包括發動機，無線電臺等工作時產生的無規則變化的磁場，稱為隨機磁場，因而又對TOLLES-LAWSON 進行了修正［17］。對于直升機，平臺本身的背景磁場同樣滿足TOLLES-LAWSON 模型，除平臺背景磁場外，在航測時的磁干擾還包括吊艙擺動引起的磁干擾和航跡波動引起的磁干擾，均可建立統一的數學模型［12］。

求解飛機背景磁場模型是另一個需要重點解決的問題，對于固定翼飛機與無人機，目前主要方法為Bickel 提出的小信號模型法［18］。該方法要求飛機在實際探測前進行預先學習飛行來求解參數，即在四個不同的航向上分別做俯仰、橫滾、搖擺三種機動動作，采集磁測信息用于解算模型參數。無人飛行器由于操控性較弱，當無法在360°方向完成四航向學習飛行時，可進行折線航行或者只進行二航向學習飛行來求解模型參數，但其本質與Bickel提出的小信號模型求解法相同［13，19］。另有相關報道指出俄羅斯學習求解時采用圓周飛行的方法。早期用于航空物探部門的另一種求解方法為“穩態法”［20］，該種方法要求飛機在學習時進行更多架次與航向的飛行，而且該種方法易受外界磁場的干擾，求解參數的補償精度低。求解直升機背景模型同樣采用了小信號模型的求解方法，但由于參數更多，需要采集八個航向的學習飛行數據，同時，仿真驗證表明其求解的參數補償精度可達到90%［12］。

飛機在進行航磁探測時，需要實時補償飛機的背景磁干擾。具體方法是利用學習飛行求得的模型參數，結合飛機姿態、航速、高度等信息直接計算出飛機的背景磁干擾，然后用光泵測量的總場減去這一干擾值。模型參數求解精度決定了補償的精度，但求解的模型參數還可通過自適應方法進一步進行修正，因而當學習飛行后，即使參數求解精度不高，也能在實際探測過程中降低飛機背景磁干擾，該方法得到了仿真和實際試驗的驗證［21］。

2.3 水下目標磁場建模與識別

水下目標的磁場主要為靜磁場，目前對靜磁場的建模方法已經相當成熟。應用較多的等效模型有橢球體模型，橢球體加磁偶極子陣列模型［22］。此外，目標在海水中航行，由于殼體的腐蝕，以及為了防止殼體腐蝕而加裝的防腐系統，會在海水與目標，以及目標內部回路產生電流，這種電流經主軸調制會產生以主軸轉動速率為基頻的極低頻電磁場及其諧波成分，這種磁場成分稱為軸頻磁場［23］。軸頻磁場也可以作為識別目標的磁異常信號源。另外目標航行過程中的尾流也會在水下與水上空間造成一定的磁場異常，稱之為德拜效應［24～25］。

對水下目標磁場的檢測方法從信號處理的對象分包括兩類，一類是基于目標信號特征的檢測方法，主要為OBF 檢測方法，其原理是標量磁異常信號可通過3個正交基函數（OBF）的線性組合表示出來，磁異常信號的OBF 能量集中，而噪聲信號的OBF 能量分散。另一類是基于噪聲信號特征的檢測方法，主要有信息熵MED 檢測方法和高階過零檢測HOC方法。MED檢測方法的原理是噪聲信號的信息熵大，而信號的信息熵小。HOC 檢測方法的原理是噪聲的高階過零統計無明顯變化，而信號的高階過零統計有顯著變化［26］。無論是HOC 還是MED 檢測方法，都是針對平穩隨機噪聲，當噪聲具有非平穩特性時，其檢測效果就會受到影響。補償后的實際飛機背景磁噪聲具有非平穩特性，當噪聲強度略高于目標強度時，運用HOC 檢測方法時，其檢測效果不明顯［27］。此外圍繞兩類檢測方法，結合小波、神經網絡和自適應等算法，衍生出了許多改進型檢測方法［28～29］。上述檢測方法都是針對磁標量信息的檢測方法，隨著磁矢量測量技術的研究，基于磁矢量的檢測方法也得到了發展，近期有學者推導出了一種兼具豐富磁場信息及抗晃動的矢量磁梯度OBF 檢測器［30］。磁遙測是一種顛覆性的探測技術，可實現超遠距離的磁異常檢測，2019年，中科院運用激光測磁技術，通過測量照射地表上方85km～100km 鈉層反射回來的光子，實現了空間磁場的測量，但精度還不高［25］。

3 航磁探測水下目標應用

在應用航磁探測技術搜索水下目標時，固定翼飛機、無人機與直升機因其機動能力、控制方式等的不同，其搜索、協同等均會存在差別。以下僅以固定翼飛機搜索目標為例，對航磁探測水下目標涉及的有關問題進行介紹。

磁探儀搜索寬度是航磁探測水下目標基本的評價指標。搜索寬度定義如下：假設R是磁探儀的最大探測距離，h是飛機與目標的垂直距離，h1是飛機與海平面的高度，h2是目標與海平面的距離。W是搜索的寬度。那么由圖1 的幾何關系可知。由該式可以看出，飛機要探測到水下目標，磁探儀的探測距離R必須大于飛機與水下目標的垂直距離h。當R=h時，飛機只能在一條線上進行探測，當R越大，飛機的搜索寬度越大，搜索面積也越大。此外，飛機飛行高度越低，飛機的搜索寬度也越大。

圖1 飛機搜索示意圖

實際應用中，因水下目標深度是不確定的，因而飛機搜索寬度也是不確定的，不利于搜索方法的制定。針對該問題，可在對目標可能航行深度進行估計的前提下，建立平均搜索寬度概念，經過仿真計算，使用平均搜索寬度可為飛機搜索決策提供較為科學的依據［31］。

固定翼飛機磁探儀搜潛方法主要包括應召搜索和巡邏搜索。應召搜索是指在通過情報或者聲納浮標等手段獲取水下目標明顯活動征候時，再使用航磁探測技術來確定目標精確的運動要素。搜索基本方法包括螺旋搜索、“苜蓿葉”搜索等。螺旋搜索覆蓋范圍大，但因飛機抖動較直線飛行大，其精度較苜蓿葉搜索精度低。因而定位時常使用苜蓿葉搜索方式。巡邏搜索通常在寬度不大的海峽和水道實施，用以建立水下封鎖區，為增大縱深，常采用弓字形搜索。

飛機實際搜索過程中，航路規劃是影響搜索效能最重要的因素，航路規劃的制定不僅與飛機自身的機動性能和探測精度有關，還與水下目標的初始位置、初始距離以及航速有關。有學者以飛機苜蓿葉搜索為例，建立了航路模型，分析了水下目標不同初始位置、初始距離及航速下的搜索效能，指出初始位置誤差越大，搜索效能越低，目標航速越大，搜索效能越低，而初始距離對搜索效能沒有太大影響［32］。

結合航磁探測水下目標關鍵技術與應用情況，提出以下幾點注意事項，對于飛機：

1）應選擇良好的天氣條件執行搜索任務；

2）為增大探測距離，應盡量保持低空飛行；

3）飛機轉彎時的搜索精度較直線平穩飛行時的精度要低，為減少虛警率，提高定位精度，飛機應盡可能保持平穩直線飛行；

4）執行搜索任務前，應對搜索海域的海洋地磁環境具有先驗知識，即掌握海域中沉船、海底礦產等地磁異常區域。

為規避飛機磁探儀搜索，水下目標應注意：

1）天氣條件良好時應提高警惕性，發現飛機時，應增大下潛深度；

2）由于鐵磁體的退磁效應，東西航行比南北航行被飛機磁探儀發現的概率要低；

3）可有效利用海域中沉船、或海底礦產區域規避磁探測；

4）應定期消磁，減少自身固定磁場強度，高緯度的磁場強度大，較低緯度更易磁化；

5）規避飛機磁定位時，應定時改變航向，避免直線航行。

4 結語

航磁探測技術產生于二戰時期，由于其獨到的優勢，該項技術目前越來越受到世界各國的重視，本文分析了航磁探測水下目標中磁探儀與飛機性能、飛機磁干擾建模與補償、水下目標磁信號建模與識別等關鍵技術發展情況。從應用角度，介紹了飛機航磁探測水下目標方法，探討了搜索寬度、航路規劃等有關問題，并從飛機搜索與水下目標規避出發，提出了幾點注意事項。隨著磁矢量測量、磁遙感技術等新型探測技術的發展，航磁探測將向著更高的精度、更遠的探測距離發展，這也將推動航磁探測水下目標方法產生新的變化。