武錦輝，閆曉燕，王 高

（中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051）

0 引言

巡航導(dǎo)彈［1］是兼具戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)性的突防能力很強(qiáng)、破壞力極大的現(xiàn)代化軍事武器，其作戰(zhàn)效能在歷次的局部戰(zhàn)爭(zhēng)中都有所體現(xiàn)。針對(duì)巡航導(dǎo)彈的發(fā)射方式、飛行軌跡等特征信息，建立一種可以有效地探測(cè)、識(shí)別、定位的導(dǎo)彈防御系統(tǒng)是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)發(fā)展的必由之路［2］。定位與防御的基礎(chǔ)是準(zhǔn)確地在盡量遠(yuǎn)的位置探測(cè)識(shí)別出巡航導(dǎo)彈的存在，才能提供足夠的反應(yīng)時(shí)間，提高導(dǎo)彈攔截率。

在國(guó)外，針對(duì)巡航導(dǎo)彈的探測(cè)方法主要有雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)［3］、紅外探測(cè)系統(tǒng)［4］和磁力探測(cè)法［5］。雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，但雷達(dá)工作采用主動(dòng)發(fā)射電磁波的方式，容易暴露，并且易被電磁干擾。同時(shí)，對(duì)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(shí)別［6］;紅外探測(cè)系統(tǒng)采用無源紅外探測(cè)器件，幾乎可以對(duì)任何存在熱輻射的物體進(jìn)行探測(cè)，而巡航導(dǎo)彈尾噴口溫度都高達(dá)上千度，且巡航導(dǎo)彈的金屬外表也會(huì)產(chǎn)生大量的輻射，可有效地被紅外無源探測(cè)設(shè)備所探測(cè)到［7］。例如:美軍空軍配備的機(jī)載激光TMD戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈［8］、攻擊型機(jī)動(dòng)發(fā)射車的TEL紅外探測(cè)系統(tǒng)［9］等。美國(guó)海軍研制的艦載紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)（IRST）可將導(dǎo)彈航跡［10］等信息傳給艦載“宙斯盾”作戰(zhàn)系統(tǒng)進(jìn)行防御;磁力探測(cè)法是采用磁力探測(cè)儀探測(cè)導(dǎo)彈位置的方法，主要用于現(xiàn)代反潛飛機(jī)，為固定翼反潛巡邏機(jī)常用的反潛探測(cè)設(shè)備。磁力探測(cè)儀的主要結(jié)構(gòu)是帶導(dǎo)線的金屬敏感元件探頭，由探頭將導(dǎo)彈把探測(cè)器位置的磁場(chǎng)干擾記錄下來，從而定位導(dǎo)彈位置。這種方法的靈敏度高，虛警率低，探測(cè)效率取決于載機(jī)的寬度和工作速度。

綜上所述，各種探測(cè)方法各有所長(zhǎng):紅外探測(cè)方法對(duì)目標(biāo)的依賴性小，可實(shí)現(xiàn)無源探測(cè)，但難準(zhǔn)確定位，易受干擾;雷達(dá)探測(cè)方法搜索范圍大，靈敏度高，但難準(zhǔn)確定位，易受環(huán)境影響;磁力探測(cè)方法精度高、定位能力強(qiáng)，但探測(cè)針對(duì)性強(qiáng)，抗干擾能力差。由此，本文設(shè)計(jì)了一種基于磁異常探測(cè)的反巡航導(dǎo)彈定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用磁力探測(cè)器對(duì)地磁場(chǎng)變化進(jìn)行探測(cè)分析，從而獲得由高速運(yùn)行的巡航導(dǎo)彈產(chǎn)生的地磁變化。該方法利用地磁探測(cè)檢測(cè)空域大，由于高速運(yùn)動(dòng)物體磁異常明顯，所以，虛警率和靈敏度高。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1．1 基本原理

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)磁通發(fā)生變化時(shí)可以產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，所以，被擾動(dòng)的磁場(chǎng)可以用來求解被測(cè)物體的特征信息，對(duì)于良導(dǎo)性的金屬而言，可以反演其位置、速度等信息。根據(jù)巡航導(dǎo)彈切割地球磁場(chǎng)磁力線的方式，其對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式有

由此可知，可以根據(jù)鐵磁性物體運(yùn)動(dòng)對(duì)地磁場(chǎng)的擾動(dòng)來識(shí)別定位巡航導(dǎo)彈。由于地球磁場(chǎng)覆蓋范圍大、強(qiáng)度變化周期性好，而任何運(yùn)動(dòng)的鐵磁介質(zhì)都可以看作是多個(gè)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(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)。當(dāng)磁偶極子置于地磁場(chǎng)中，地磁場(chǎng)會(huì)扭曲和畸變，結(jié)果如圖1所示。當(dāng)運(yùn)動(dòng)的鐵磁介質(zhì)擾動(dòng)地磁磁場(chǎng)時(shí)，磁傳感器探測(cè)到擾動(dòng)并產(chǎn)生變化的電壓信號(hào)，該信號(hào)通過處理電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，最終實(shí)現(xiàn)探測(cè)和定位。

1．2 系統(tǒng)構(gòu)成

由于巡航導(dǎo)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(chǎng)的磁力線，從而使地磁場(chǎng)產(chǎn)生相應(yīng)的擾動(dòng)，由巡航導(dǎo)彈引起的地磁異?？梢杂行Х从吵鰧?dǎo)彈的位置、尺寸等特征信息。磁異常探測(cè)器就是通過鐵磁質(zhì)運(yùn)動(dòng)過程中引起地磁場(chǎng)擾動(dòng)從而獲取相應(yīng)信息的，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。由此可知，探測(cè)器共分為4個(gè)模塊:地磁場(chǎng)擾動(dòng)探測(cè)部分、探測(cè)信號(hào)處理與變換部分、有效數(shù)字信號(hào)分析識(shí)別定位部分、PC機(jī)通信顯示結(jié)果部分。

圖1 偶極子對(duì)地磁磁場(chǎng)擾動(dòng)示意圖Fig 1 Schematic diagram of geomagnetic magnetic field disturbance by dipole

圖2 地磁擾動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)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(yīng)定律可知，在鐵磁介質(zhì)中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓有

其中，v為鐵磁介質(zhì)的速度，B為相應(yīng)位置的地磁場(chǎng)強(qiáng)度，dS為鐵磁體的表面微分，dl為鐵磁體的長(zhǎng)度微分，dt為時(shí)間微分。

由感應(yīng)電壓得到的感應(yīng)電流可以隨著鐵磁介質(zhì)在地磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生相應(yīng)的變化，該變化與鐵磁介質(zhì)的速率、地磁場(chǎng)方向都有關(guān)系。感應(yīng)電流產(chǎn)生相應(yīng)的附加磁場(chǎng)，若P為探測(cè)器的位置，鐵磁介質(zhì)的長(zhǎng)度是l，而探測(cè)器與鐵磁介質(zhì)的距離是R，則在載流直導(dǎo)體上取電流元Idl后，通過畢奧—薩伐爾定律推導(dǎo)，P點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度有

由于探測(cè)位置通常與被測(cè)物距離很遠(yuǎn)，而被測(cè)鐵磁介質(zhì)實(shí)際尺寸為幾米到幾十米，所以，基本可以忽略被測(cè)介質(zhì)（導(dǎo)彈）的尺寸造成的影響，從而化簡(jiǎn)式（3）可得

2 仿真分析

由式（4）可知，對(duì)磁擾動(dòng)強(qiáng)度H的主要影響因素是被測(cè)鐵磁介質(zhì)與探測(cè)器的距離、被測(cè)鐵磁介質(zhì)的長(zhǎng)度以及被測(cè)鐵磁介質(zhì)的速度。通過仿真分析可以獲得這3個(gè)主要參數(shù)與磁擾動(dòng)強(qiáng)度H的函數(shù)關(guān)系，從而分析通過該系統(tǒng)可獲得的探測(cè)范圍與精度。

2．1 探測(cè)距離

從仿真圖3可以看出:在0～1000 m的范圍內(nèi)，磁擾動(dòng)強(qiáng)度H隨著r的不斷增大而明顯減小。當(dāng)超過1 000 m以后，能量衰減就不是很明顯了，其磁場(chǎng)擾動(dòng)強(qiáng)度基本保持在1個(gè)數(shù)量級(jí)上。同時(shí)，這種緩慢遞減是相對(duì)平穩(wěn)的，所以，在采用磁擾動(dòng)強(qiáng)度變化探測(cè)遠(yuǎn)距離的巡航導(dǎo)彈時(shí)，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性較好。當(dāng)然，由于距離越遠(yuǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度越弱，所以，需要根據(jù)探測(cè)巡航導(dǎo)彈的范圍而選擇靈敏度適合的磁探測(cè)器，即需要的探測(cè)范圍越大，采用越高靈敏度的磁探測(cè)器。

圖3 探測(cè)距離r和地磁擾動(dòng)強(qiáng)度H的函數(shù)關(guān)系Fig 3 Function relation between detection distance r and intensity of geomagnetic disturbances H

2．2 被測(cè)鐵磁介質(zhì)的尺寸

所描述的被測(cè)鐵磁介質(zhì)在本文中主要指巡航導(dǎo)彈，由于巡航導(dǎo)彈是金屬表皮的，所以有良好的導(dǎo)電性。由圖4可知，磁擾動(dòng)強(qiáng)度H與鐵磁介質(zhì)的長(zhǎng)度L為正比的線性關(guān)系，即對(duì)于型號(hào)不同的巡航導(dǎo)彈即使速度、距離都相同，其產(chǎn)生的磁擾動(dòng)強(qiáng)度也是不同的。

圖4 鐵磁介質(zhì)長(zhǎng)度L和地磁擾動(dòng)強(qiáng)度H的函數(shù)關(guān)系圖Fig 4 Function relation between ferromagnetic medium length L and intensity of geomagnetic disturbances H

2．3 被測(cè)鐵磁介質(zhì)的速度

想要有效地?cái)r截巡航導(dǎo)彈不但需要知道它的軌跡，還需要知道它的速度信息，又因?yàn)榍懈畲帕€的速度會(huì)影響磁擾動(dòng)強(qiáng)度的大小，所以，分析被測(cè)鐵磁介質(zhì)的速度對(duì)磁擾動(dòng)強(qiáng)度的影響是必要的。如圖5所示，在同一時(shí)刻不同速度下所對(duì)應(yīng)的磁擾動(dòng)強(qiáng)度H是不一樣的，曲線說明速度越大磁場(chǎng)強(qiáng)度H越大，但這個(gè)過程是動(dòng)態(tài)的，因?yàn)榫嚯x會(huì)越來越近，所以，這是個(gè)綜合影響的過程。

圖5 被測(cè)介質(zhì)速度v和地磁擾動(dòng)強(qiáng)度H的函數(shù)關(guān)系圖Fig 5 Function relation between measured medium speed v and intensity of geomagnetic disturbances H

3 實(shí)驗(yàn)

3．1實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)采用金屬圓柱體（φ10 mm×30 mm）模擬巡航導(dǎo)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(qū)域?qū)υ搮^(qū)域磁場(chǎng)產(chǎn)生的擾動(dòng)。其中，金屬柱、給定區(qū)域磁場(chǎng)、探測(cè)器靈敏度按照真實(shí)巡航導(dǎo)彈飛過地磁場(chǎng)（以實(shí)驗(yàn)地緯度為準(zhǔn)）的比例計(jì)算而成。

3．2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)過程采用金屬圓柱體穿過磁場(chǎng)，再由光纖磁力儀探測(cè)磁場(chǎng)的擾動(dòng)情況。實(shí)驗(yàn)固定金屬柱的飛行方向，將探測(cè)器放置在距金屬柱軌跡不同距離的地方進(jìn)行探測(cè)，分別測(cè)試不同速度對(duì)應(yīng)的磁擾動(dòng)強(qiáng)度，從而獲得被測(cè)物的相關(guān)特征信息。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 速度與距離產(chǎn)生的磁擾動(dòng)強(qiáng)度H（10－9A/m）Tab 1 Intensity of magnetic disturbance H generated by speed and distance（10－9A/m）

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)顯示，隨著速度的增大，磁擾動(dòng)強(qiáng)度也隨之增大，也就是速度越快越容易被磁探測(cè)器檢測(cè)到。在縱向可以看到，隨著距離的增大，產(chǎn)生的磁擾動(dòng)強(qiáng)度也隨之減小，且遞減速度較大，說明探測(cè)器與被測(cè)物的距離對(duì)磁擾動(dòng)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)明顯。整個(gè)實(shí)驗(yàn)的磁擾動(dòng)強(qiáng)度在10－8～10－10A/m量級(jí)變化，如果距離更大、或者速度更快，可以根據(jù)需要調(diào)整磁探測(cè)器的量程范圍或更換更高靈敏度的磁探測(cè)器。通過該種方法可以獲得速度、距離與已知被測(cè)體的函數(shù)關(guān)系式，通過該函數(shù)即可識(shí)別定位被測(cè)物的特征信息，實(shí)現(xiàn)巡航導(dǎo)彈的有效識(shí)別與定位。

4 結(jié)論

在對(duì)目前巡航導(dǎo)彈識(shí)別定位的各種探測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于地磁場(chǎng)擾動(dòng)探測(cè)的巡航導(dǎo)彈識(shí)別定位系統(tǒng)，通過磁場(chǎng)擾動(dòng)反演巡航導(dǎo)彈位置、距離等特征信息。通過仿真計(jì)算可知，磁場(chǎng)擾動(dòng)強(qiáng)度主要取決于被測(cè)物與磁探測(cè)器的距離、被測(cè)物的尺寸以及被測(cè)物的速度。距離越大，磁擾動(dòng)強(qiáng)度越低;被測(cè)物尺寸越大，磁擾動(dòng)強(qiáng)度越高;被測(cè)物速度越大，磁擾動(dòng)強(qiáng)度越高，并通過Matlab給出了3個(gè)參數(shù)與磁場(chǎng)擾動(dòng)強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系圖。實(shí)驗(yàn)采用金屬柱等比例模擬巡航導(dǎo)彈飛行穿過恒磁場(chǎng)的物理過程，證明了可以通過磁擾動(dòng)強(qiáng)度的變化反演被測(cè)物的特征信息，為實(shí)現(xiàn)大范圍準(zhǔn)確識(shí)別、精確定位巡航導(dǎo)彈提供了一種新的思路。

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