伍東凌 呂冰 陳正想

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所，宜昌，443003）

目標(biāo)磁異常信號(hào)特征分析

伍東凌 呂冰 陳正想

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所，宜昌，443003）

根據(jù)目標(biāo)磁偶極子等效模型，利用Matlab仿真生成不同探測(cè)方向下的目標(biāo)磁異常信號(hào)特征，同時(shí)將仿真生成的與同等條件下試驗(yàn)測(cè)得的目標(biāo)磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果證明了所采用方法的有效性。

磁異常探測(cè)；磁異常信號(hào)；磁偶極子模型

由于潛艇等目標(biāo)主要由具有磁性的金屬材料制成，盡管對(duì)其進(jìn)行過(guò)消磁處理，但也不可能徹底消除其磁性，而且這些目標(biāo)長(zhǎng)期處于地磁場(chǎng)這個(gè)大環(huán)境中，不可避免的被地磁場(chǎng)磁化，所以這些目標(biāo)的存在必然會(huì)引起地磁場(chǎng)的局部異常[1,2]。由于磁探儀具有不受傳播介質(zhì)特性的影響、可連續(xù)搜索、定位精度高、不受淺海復(fù)雜水聲環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn)，已成為一種有效的反潛探測(cè)設(shè)備，在航空反潛中得到廣泛應(yīng)用[3]。本文通過(guò)Matlab建模仿真，分析了磁探儀在不同航向下所探測(cè)到的目標(biāo)磁異常信號(hào)特征，并開(kāi)展了同等條件下的目標(biāo)測(cè)試試驗(yàn)。

1 目標(biāo)磁異常探測(cè)等效模型

在一定條件下，所有磁現(xiàn)象均可等效為若干個(gè)磁偶極子磁場(chǎng)的疊加，在特定情況下也可以等效為一個(gè)磁偶極子。利用磁探儀對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)時(shí)，當(dāng)探測(cè)距離大于磁性目標(biāo)自身尺寸的2.5倍時(shí)，磁性目標(biāo)可視為一個(gè)磁偶極子。對(duì)航空探潛而言，一般探測(cè)距離均大于潛艇自身的尺寸的2.5倍，因此，在仿真過(guò)程中，我們可將被測(cè)目標(biāo)近似看作磁偶極子進(jìn)行處理[4-6]?？紤]到實(shí)際開(kāi)展探測(cè)試驗(yàn)時(shí)，為了避免平臺(tái)對(duì)磁探儀造成的磁干擾，我們將磁力儀固定安裝在地面上，讓模擬目標(biāo)在距離磁探儀一定正橫距離下沿不同方向運(yùn)動(dòng)，如圖1所示。

圖1 實(shí)際探測(cè)系統(tǒng)示意圖

為了消除地磁日變?cè)斐傻挠绊?，可采用兩套磁探儀對(duì)目標(biāo)進(jìn)行差分探測(cè)，圖1中磁探儀A所測(cè)得的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)減去磁探儀B所測(cè)得的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)即為被測(cè)目標(biāo)的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。由相對(duì)運(yùn)動(dòng)可知，當(dāng)目標(biāo)由東向西運(yùn)動(dòng)時(shí)，可看作目標(biāo)不動(dòng)，而磁探儀在由西向東運(yùn)動(dòng)，且模擬目標(biāo)的磁矩方向可能為任意方向。

模擬目標(biāo)的磁矩方位定義為α1，磁探儀探測(cè)運(yùn)動(dòng)方位定義為α2，利用以下旋轉(zhuǎn)矩陣可將模擬目標(biāo)三個(gè)方向磁矩變換到探測(cè)運(yùn)動(dòng)方位上。

其中，x、y、z為磁探儀運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中目標(biāo)所處的方位坐標(biāo)，即在磁探儀運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系下探頭與目標(biāo)在三軸上的距離。根據(jù)以上數(shù)學(xué)模型，設(shè)定各個(gè)參數(shù)，即可得在任意探測(cè)方位下、磁矩處于任意方位的模擬目標(biāo)磁異常信號(hào)。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 仿真數(shù)據(jù)分析

實(shí)際試驗(yàn)中采用的模擬目標(biāo)由多片永磁體構(gòu)成，其磁矩大小和方向均為定值，根據(jù)以上建立的數(shù)學(xué)模型，假設(shè)目標(biāo)磁矩大小為470 A·m2，當(dāng)?shù)氐卮趴倛?chǎng)為55 500 nT，地磁傾角為60°，設(shè)定目標(biāo)磁矩所處的方位以及磁探儀探測(cè)運(yùn)動(dòng)方位即可得到不同特征的磁異常信號(hào)。由于實(shí)際開(kāi)展試驗(yàn)時(shí)，受試驗(yàn)場(chǎng)地限制，因此仿真時(shí)主要考慮磁探儀探測(cè)方向?yàn)檎龞|和正西時(shí)的情形。目標(biāo)正橫通過(guò)探頭時(shí)，目標(biāo)與探頭之間正橫距離為60 m。

磁探儀探測(cè)方向均為正東（90°）和正西（270°），目標(biāo)磁矩方向分別為正北（0°）、正東（90°）、東南（135°）、垂直向上等所得到的目標(biāo)磁場(chǎng)信號(hào)見(jiàn)圖2～圖6。

圖2 磁矩方位為0°時(shí)的目標(biāo)磁異常信號(hào)

圖3 磁矩方位為45°時(shí)的目標(biāo)磁異常信號(hào)

圖4 磁矩方位為90°時(shí)的目標(biāo)磁異常信號(hào)

圖5 磁矩方位為135°時(shí)的目標(biāo)磁異常信號(hào)

圖6 磁矩方位垂直向上時(shí)的目標(biāo)磁異常信號(hào)

由于篇幅原因，只列舉上述仿真結(jié)果。根據(jù)仿真得到的結(jié)果，可以總結(jié)出以下規(guī)律：（1）當(dāng)目標(biāo)磁矩方向處于任意方向時(shí)，磁探儀沿著同一直線(xiàn)對(duì)其進(jìn)行往返探測(cè)時(shí)，得到的目標(biāo)磁異常信號(hào)特征呈中心對(duì)稱(chēng)關(guān)系；（2）當(dāng)磁探儀探測(cè)方位固定不變時(shí)，目標(biāo)磁矩方位變化180°所測(cè)得的目標(biāo)磁異常信號(hào)也呈中心對(duì)稱(chēng)關(guān)系；（3）磁探儀從目標(biāo)正橫距離處通過(guò)時(shí)刻附近，所得的磁異常信號(hào)一定出現(xiàn)峰值；（4）若目標(biāo)處于磁探儀探測(cè)線(xiàn)路兩側(cè)呈對(duì)稱(chēng)關(guān)系位置時(shí)，磁探儀沿同一方位分別對(duì)處于這兩個(gè)位置的同一目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，所得到的目標(biāo)磁異常信號(hào)完全相同。因此，若采用單探頭對(duì)目標(biāo)進(jìn)行一次探測(cè)所得到的目標(biāo)磁異常信號(hào)特征還不足以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，至少需要經(jīng)過(guò)兩次探測(cè)，才能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行有效定位。

2.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)以上仿真時(shí)設(shè)置的磁異常探測(cè)場(chǎng)景，開(kāi)展了模擬目標(biāo)的探測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)中，采用多片磁片構(gòu)成被測(cè)的模擬目標(biāo)，其磁矩大小為470 A·m2左右。由于所選磁片磁矩方向垂直于磁片表面，因此在試驗(yàn)過(guò)程中可根據(jù)需要來(lái)調(diào)整磁矩的方位。采用的兩套磁探儀靈敏度較高，探頭具體安裝位置如圖1所示，固定安裝、相距約100 m，以消除地磁日變的影響。參數(shù)設(shè)置同2.1節(jié)，測(cè)得的目標(biāo)磁場(chǎng)信號(hào)見(jiàn)圖7～圖11。

圖7 磁矩方位為0°時(shí)所探測(cè)到的目標(biāo)信號(hào)

圖8 磁矩方位為45°時(shí)所探測(cè)到的目標(biāo)信號(hào)

圖9 磁矩方位為90°時(shí)所探測(cè)到的目標(biāo)信號(hào)

圖10 磁矩方位為135°時(shí)所探測(cè)到的目標(biāo)信號(hào)

圖11 磁矩方位垂直向上時(shí)所探測(cè)到的目標(biāo)信號(hào)

對(duì)比同等條件下獲取的仿真數(shù)據(jù)以及試驗(yàn)探測(cè)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是信號(hào)特征還是信號(hào)幅度均具有極高的相似度，這說(shuō)明了所采用仿真計(jì)算方法的正確性。

3 結(jié)論

利用這種仿真計(jì)算方法可得到任意條件下的目標(biāo)磁異常信號(hào)特征，建立磁異常信號(hào)特征數(shù)據(jù)庫(kù)。實(shí)際探測(cè)時(shí)，根據(jù)探測(cè)方向及目標(biāo)磁異常特征即可判斷出目標(biāo)可能的方位以及航向。另外，通過(guò)對(duì)所獲取數(shù)據(jù)的分析，可知單個(gè)磁探儀不能一次探測(cè)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，可通過(guò)二次探測(cè)定位。這對(duì)實(shí)際航空磁探中的探測(cè)方式具有一定的參考價(jià)值。

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