成建波 孫心毅

（中國人民解放軍92728部隊(duì)，上海，200436）

目前，世界海軍強(qiáng)國反潛裝備體系主要包括航空裝備、水面艦艇、潛艇和水下聲吶基陣等，其中航空裝備憑借其高速、高效、安全和機(jī)動靈活等特點(diǎn)，成為反潛裝備體系中不可或缺的重要力量。航空搜潛手段主要有吊放聲吶、聲吶浮標(biāo)、搜索雷達(dá)、紅外/電視搜索儀、磁探儀、電子偵察系統(tǒng)和目視觀察等。其中，搜索雷達(dá)、紅外/電視搜索儀、電子偵察系統(tǒng)等主要用于對通氣管、潛望鏡狀態(tài)潛艇進(jìn)行搜索；吊放聲吶、聲吶浮標(biāo)和磁探儀主要用于對水下狀態(tài)潛艇進(jìn)行搜索。聲音相對于其它信號，在水中傳播距離最遠(yuǎn)，因此吊放聲吶、聲吶浮標(biāo)是搜索水下潛艇目標(biāo)的主要探測手段。磁探儀與其他探測設(shè)備相比，具有不受水文氣象條件限制、可以連續(xù)搜索、使用簡單可靠、反應(yīng)迅速、定位精度高、隱蔽性好等優(yōu)點(diǎn)[1]，作為一種輔助探測手段，主要用于在聲吶設(shè)備發(fā)現(xiàn)水下目標(biāo)后，進(jìn)行目標(biāo)確認(rèn)和攻擊前的精確定位，有時(shí)也用于在狹窄海域或敵潛艇機(jī)動受限的小面積海域搜索。

隨著高靈敏磁異常傳感器及集成電路技術(shù)的發(fā)展，磁異常探潛越來越受到世界各海軍強(qiáng)國的重視，并被認(rèn)為是當(dāng)今目標(biāo)識別和提高對潛攻擊效率最可靠的手段之一。

1 航空磁異探測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

磁異常探測技術(shù)發(fā)展較早，美、德等海軍強(qiáng)國多年前就已研制出磁探儀，作為反潛作戰(zhàn)中的鑒別器材，并有多種型號磁探儀列裝使用。從探測原理劃分，主要有氦光泵磁探儀、銫光泵磁探儀、核磁共振式磁探儀和超導(dǎo)磁探儀等。

1.1 氦光泵磁探儀

氦光泵磁探儀發(fā)展較早，代表產(chǎn)品為美國德州儀器公司研制的跟蹤式光泵磁探儀 AN/ASQ-81（V），及其數(shù)字化改進(jìn)產(chǎn)品AN/ASQ-208，主要裝備于P-3、SH-2D、SH-3H、SH-60B、S-3等多種型號反潛飛機(jī)、反潛直升機(jī)。氦光泵磁探儀一般采用三光系探頭，用于解決在不同緯度區(qū)域內(nèi)的適應(yīng)性。AN/ASQ-81（V）磁探儀靜態(tài)靈敏度 10 pT·Hz-1/2，在淺海條件下對核潛艇（磁矩為 5×108Gs·cm3，下同）的作用距離為350 m，對常規(guī)潛艇（磁矩為2×108Gs·cm3，下同）作用距離為260 m，在深海條件下，對核潛艇的作用距離為 450 m。AN/ASQ-208型磁探儀靜態(tài)靈敏度約3 pT·Hz-1/2，探測性能比AN/ASQ-81（V）略高。

另外，美國 Polatomic公司還開發(fā)了更先進(jìn)的AN/ASQ-233型激光氦光泵磁探儀，靜態(tài)靈敏度指標(biāo)優(yōu)于0.3 pT·Hz-1/2，探測距離可達(dá)千米級，已在P-3C飛機(jī)上進(jìn)行了適用性驗(yàn)證。

1.2 銫光泵磁探儀

銫光泵磁探儀采用銫光泵磁傳感器進(jìn)行探測，為了解決全球范圍適用性，確保飛機(jī)各種機(jī)動狀態(tài)下儀器均能正常工作，探頭采用自定向機(jī)構(gòu)，用一套伺服機(jī)構(gòu)，始終保持光系處于最佳方向。代表產(chǎn)品主要有加拿大CAE公司生產(chǎn)的AN/ASQ-504磁探儀及其最新改進(jìn)的 AN/ASQ-508A磁探儀。AN/ASQ-504（V）磁探儀裝備于P-3C、P-1、SH-2、S-70B-2、C-295等反潛平臺。該型磁探儀靜態(tài)靈敏度為0.3 pT·Hz-1/2，在深海條件下對常規(guī)潛艇的作用距離最大800 m，對核潛艇的作用距離最大1 200 m，在淺海條件下，受地磁背景干擾，作用距離會有所下降。

AN/ASQ-508A是AN/ASQ-504的改進(jìn)產(chǎn)品，主要改進(jìn)點(diǎn)在于電子電路的數(shù)字化以及信號處理和識別軟件。該型磁探儀裝備于P-8I飛機(jī)上（P-8A飛機(jī)出口印度型），作用距離與AN/ASQ-504相當(dāng)。

1.3 核磁雙共振磁探儀

核磁雙共振磁探儀的代表產(chǎn)品主要有法國MARK-III型，該型磁探儀裝備于“大西洋”反潛機(jī)，該型磁探儀對深海航行的中型常規(guī)潛艇作用距離約290 m，對在淺海航行的中型常規(guī)潛艇作用距離約220 m。

1.4 超導(dǎo)磁探儀

除上述三類磁探儀外，德國還于 1982年開展了超導(dǎo)磁探儀MAD2000的研究工作，1993年試驗(yàn)證明其可行性，并在上世紀(jì)末通過了機(jī)載試驗(yàn)。據(jù)報(bào)道，MAD2000設(shè)備在2002年左右列裝，超導(dǎo)磁探儀的靈敏度可達(dá)0.01 pT·Hz-1/2，比現(xiàn)有磁探儀高出數(shù)百倍，而且體積小，可構(gòu)成陣列，能準(zhǔn)確地確定潛艇的位置、深度、運(yùn)動速度和航向。對磁矩為5×108Gs·cm3的核潛艇，在深海條件下，最大作用距離可達(dá)1 000 m以上。

1.5 磁探儀的發(fā)展趨勢

（1）為了適應(yīng)無人機(jī)、無人駕駛飛行器的使用，光泵磁探儀向數(shù)字化、小型化，低功耗發(fā)展。加拿大CAE公司目前定型的MAD-XR磁探儀，功耗30 W，重量2.7 kg，擬裝備于無人駕駛飛行器，采用銫光泵傳感器，據(jù)推測，其對淺海航行狀態(tài)常規(guī)潛艇探測距離500 m，對核潛艇可達(dá)1 200 m。

（2）探測目標(biāo)場源多樣化。國外在積極發(fā)展磁異探測技術(shù)的同時(shí)，也在對潛艇目標(biāo)的其它場源開展研究。美國ARETE公司在2008年公布的一份資料顯示，其研制的ELF甚低頻電磁場探測儀開展了海洋測試，磁探儀靈敏度為1～3 pT·Hz-1/2，頻帶0～500 Hz，在固定安裝方式下對水下潛艇目標(biāo)探測距離可超過1 000 m。ARETE公司為美國海軍研制搜潛裝備已有超過 20年歷史。上述資料證實(shí)了近年來對于磁特性搜潛的熱點(diǎn)研究集中在甚低頻磁場探測領(lǐng)域。此外，根據(jù)AN/ASQ-508A磁探儀的資料顯示，其采樣率在1.5 kHz，可在更高電磁頻譜進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。據(jù)此推斷其可能采用靜態(tài)磁異常+甚低頻磁場探測的方式，故有效提高了探測距離。

（3）無人機(jī)探潛技術(shù)越來越受到重視。為滿足美反潛作戰(zhàn)理念由低空向高空轉(zhuǎn)變的需要，美海軍正加緊研發(fā)新型反潛磁探無人機(jī)，以增強(qiáng) P-8A等高空反潛機(jī)對潛艇的磁探測和精確定位能力。該無人機(jī)配備高靈敏度磁探儀，由 P-8A在高空利用聲吶浮標(biāo)發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射后，飛至低空對敵方潛艇進(jìn)行自動跟蹤和精確定位，并將信息實(shí)時(shí)傳遞回P-8A。同時(shí)，該無人機(jī)最大程度限制磁性或?qū)щ姴牧系氖褂?，以確保自身磁靜音，預(yù)計(jì) 2020年前完成原型機(jī)制造和磁噪聲性能測試。

2 航空磁異探測能力需求分析

2.1 典型反潛作戰(zhàn)流程

航空反潛平臺進(jìn)行反潛作戰(zhàn)時(shí)，一般需經(jīng)歷搜索、探測、識別、定位、跟蹤和攻擊等階段。以反潛巡邏飛機(jī)為例，在飛抵近海海域巡邏未發(fā)現(xiàn)潛艇跡象之前，一般采用雷達(dá)、紅外或目視觀察方式對海面上處于潛望鏡狀態(tài)或通氣管狀態(tài)航行的潛艇進(jìn)行搜索。當(dāng)發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)海面有潛艇航行的跡象時(shí)，或通過數(shù)據(jù)鏈通道獲得在某海域發(fā)現(xiàn)潛艇的信息時(shí)，飛機(jī)立即飛往目標(biāo)上空布設(shè)聲吶浮標(biāo)搜索陣，監(jiān)視和等待目標(biāo)信號。經(jīng)識別確認(rèn)存在潛艇后，對潛艇進(jìn)行概略定位。初步定位后，飛機(jī)降至100～120 m高度，速度320～380 km/h，采用磁探儀進(jìn)一步對目標(biāo)進(jìn)行識別和精確定位。在目標(biāo)范圍比較明確時(shí)，也可直接使用磁探儀進(jìn)行搜索和定位。

當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動參數(shù)被確定后，即可展開攻擊行動，使用魚雷或深水炸彈進(jìn)行打擊摧毀，或使用深水炸彈進(jìn)行警告性驅(qū)離。如果只對其繼續(xù)進(jìn)行跟蹤，則一般使用磁探儀，并配合聲吶浮標(biāo)對其保持連續(xù)接觸。

2.2 磁探儀能力需求分析

從上述典型反潛作戰(zhàn)流程可以看出，目前磁探儀受其作用距離限制，主要用于搜潛最后階段對潛艇進(jìn)行識別、定位，還不具備對大面積海域水下目標(biāo)的快速搜索能力。要使磁探儀成為對水下目標(biāo)搜索的主要手段，則需大幅提高其作用距離。

假設(shè)600 km外某海域，1艘敵潛艇上浮水面被發(fā)現(xiàn)后，隨即潛入水下。P-3C飛機(jī)根據(jù)截獲潛艇的概略位置信息后，以600 km/h速度抵達(dá)任務(wù)海域，布放聲吶浮標(biāo)陣進(jìn)行搜索。通常浮標(biāo)陣布放時(shí)間約為40 min，布放和監(jiān)聽的時(shí)間總和在1 h左右。在此期間，假定潛艇以6 kn的速度、任意航向水下航行，則潛艇在浮標(biāo)陣布陣完成前，可能散布區(qū)域面積約為1 551 km2。按浮標(biāo)作用距離5 km、成活率80%計(jì)，需投放25枚浮標(biāo)才能覆蓋潛艇可能散布區(qū)域。

當(dāng)使用磁探儀搜索時(shí)，磁探儀的探測寬度與磁探儀的作用距離、反潛飛機(jī)飛行高度和潛艇的航行深度有關(guān)，通常描述為如下形式[2-4]：

其中，R為磁探儀作用距離，H為反潛飛機(jī)飛行高度，h為潛艇航行深度。

如果 P-3C反潛巡邏飛機(jī)抵達(dá)任務(wù)海域后，以100 m高度、500 km/h速度使用磁探儀對潛艇進(jìn)行搜索，搜索海域?yàn)闈撏Э赡苌⒉紖^(qū)域的外切矩形。如要在1 h內(nèi)完成對200 m深度敵潛艇的探測，則磁探儀作用距離應(yīng)不小于2 km。即當(dāng)磁探儀作用距離達(dá)2 km時(shí)，其搜索效能和聲吶浮標(biāo)基本相當(dāng)，考慮到聲吶浮標(biāo)為一次性使用的消耗品，如將磁探儀作為對潛艇的主要搜索手段，將極大的節(jié)省經(jīng)費(fèi)，具有較大的軍事、經(jīng)濟(jì)意義。

3 磁異探測技術(shù)發(fā)展分析

3.1 影響磁探儀作用距離的關(guān)鍵因素分析

磁探儀在反潛過程中，根據(jù)磁探儀工作原理，在目標(biāo)磁矩一定的情況下，其作用距離受磁探儀的靜態(tài)噪聲，磁探儀因飛機(jī)運(yùn)動所產(chǎn)生的動態(tài)噪聲及目標(biāo)所處的海洋磁環(huán)境背景噪聲影響。其中，靜態(tài)噪聲主要與磁探儀的靜態(tài)靈敏度、傳感器工作時(shí)自身電流所產(chǎn)生的磁干擾噪聲有關(guān)，噪聲大小主要取決于磁探儀的器件和設(shè)計(jì)水平，通常約為靜態(tài)靈敏度的10倍左右。

動態(tài)噪聲的產(chǎn)生則是由于飛機(jī)平臺含有一些恒磁性物質(zhì)和電流源對磁探頭產(chǎn)生的磁干擾噪聲、機(jī)載電子設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的磁干擾噪聲、以及平臺機(jī)動飛行時(shí)所產(chǎn)生的磁干擾噪聲等，上述噪聲疊加后通常比靜態(tài)噪聲大數(shù)十倍，需要通過提高平臺的無磁化水平，并通過相應(yīng)的噪聲抑制和補(bǔ)償算法對噪聲進(jìn)行抑制。

海洋磁環(huán)境背景噪聲則包括目標(biāo)所區(qū)域的地質(zhì)噪聲，洋流、海浪運(yùn)動等引起的地磁干擾噪聲等，需要通過數(shù)據(jù)庫比對、磁異常信號處理與識別技術(shù)等進(jìn)行抑制。一般情況下，深海區(qū)域的環(huán)境噪聲會小于淺海區(qū)域的環(huán)境噪聲。

磁探儀作用距離進(jìn)行估算時(shí)，通常依據(jù)以下公式[5]：

其中，M為潛艇磁矩，S/N為磁探儀報(bào)警的最低可檢測信噪比，S為磁異常信號，N為噪聲；NM為磁探儀探頭因飛機(jī)運(yùn)動產(chǎn)生的動態(tài)噪聲；NS為磁探儀設(shè)備的靜態(tài)噪聲；NE為海洋環(huán)境噪聲。

根據(jù)公式可知，上述三類噪聲中任何一種過大都會影響磁探儀的探測作用距離。因此，只有三類噪聲得到有效抑制，才能提高磁探儀的作用距離。同理，提高磁探儀報(bào)警的最低可檢測信噪比，也能有效提高磁探儀的作用距離。

3.2 磁異探測技術(shù)發(fā)展方向

針對前述影響磁探儀作用距離的關(guān)鍵因素，結(jié)合技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度，今后一段時(shí)間內(nèi)，如下技術(shù)將成為磁探儀發(fā)展的重點(diǎn)方向。

（1）反潛平臺磁噪聲干擾抑制及補(bǔ)償技術(shù)。通過研究各型航空磁異常探測平臺的磁干擾，分析磁干擾特性，建立適用各型平臺的自動磁干擾補(bǔ)償技術(shù)；并結(jié)合航空磁異常探測系統(tǒng)上的磁場測量設(shè)備，對平臺的磁干擾進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，為磁異常探測器提供準(zhǔn)確的目標(biāo)磁場數(shù)據(jù)。通過該技術(shù)，可以有效降低平臺噪聲對磁探儀的影響，進(jìn)而提高磁探儀的作用距離。

（2）磁異傳感器運(yùn)動產(chǎn)生的動態(tài)噪聲抑制技術(shù)。磁探儀裝載于航空平臺時(shí)，在其高速運(yùn)動過程中，與地球磁場相互作用后，產(chǎn)生的動態(tài)噪聲會影響磁探儀的探測作用距離。通過開展磁異傳感器運(yùn)動產(chǎn)生的動態(tài)噪聲抑制技術(shù)研究，探索磁異傳感器動態(tài)噪聲產(chǎn)生機(jī)理，建立動態(tài)噪聲模型，并在此基礎(chǔ)上開展相應(yīng)的抑制技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)對磁探儀運(yùn)動產(chǎn)生的噪聲有效抑制。

（3）低磁性無人機(jī)平臺技術(shù)。由于有人駕駛固定翼飛機(jī)自身存在的磁噪聲，嚴(yán)重影響了磁探儀探測性能的發(fā)揮，基于無人機(jī)的磁異常探潛越來越受到重視。無人機(jī)操作使用方便，部署靈活機(jī)動，具有良好的伴隨性。最重要的是，無人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、重量輕，可廣泛采用非金屬材料制成，大大降低環(huán)境平臺噪聲對磁探儀的影響。同時(shí)，由于無人機(jī)重量輕、任務(wù)載荷小，對磁探儀的小型化、智能化程度要求極高。因此開展適用于無人機(jī)的小型智能化磁異常探測關(guān)鍵技術(shù)研究也是降低平臺磁噪聲的一種有效途徑。

為滿足磁探儀在無人機(jī)上使用，要解決的關(guān)鍵技術(shù)主要有小型全向性氦光泵磁探儀設(shè)計(jì)技術(shù)、磁探儀集成技術(shù)、磁干擾補(bǔ)償技術(shù)，以及磁異常信號綜合處理技術(shù)。

（4）復(fù)雜地磁環(huán)境下的弱磁信號檢測技術(shù)

磁探儀依靠探測到的地磁異常變化來探測潛艇，通常距離較遠(yuǎn)時(shí)，潛艇的磁異信號較弱。而潛艇所處的地磁環(huán)境極其復(fù)雜，微弱的潛艇磁異信號易被復(fù)雜的地磁環(huán)境噪聲所掩蓋，影響對潛艇的探測、識別效率。為此，針對復(fù)雜地磁環(huán)境下磁異常檢測過程中出現(xiàn)的類目標(biāo)干擾較多、虛警率較高的現(xiàn)象，通過開展磁異常信號與干擾的多域別特征分析，磁異常信號與干擾的差異化特征提取技術(shù)研究，基于差異化特征的弱磁異常信號識別技術(shù)研究，復(fù)雜地磁環(huán)境數(shù)據(jù)庫的建立、地磁匹配校準(zhǔn)、目標(biāo)信號檢測技術(shù)研究等，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地磁環(huán)境下的弱磁信號檢測，提高磁探儀的探測性能。

（5）極低頻電磁場探潛技術(shù)

在利用電磁場反潛中，潛艇的極低頻電磁場輻射被廣泛地認(rèn)為是水下探測的重要組成部分。與通用的磁異常探潛手段相比，極低頻電磁場探潛方法具有不需要進(jìn)行路徑的地磁補(bǔ)償、對本地噪聲的要求降低、便于信號處理等優(yōu)點(diǎn)。發(fā)展極低頻電磁場探潛技術(shù)，將豐富對潛艇的探測手段，提高對潛艇的綜合探測能力。

通過開展?jié)撏螺S頻電磁場產(chǎn)生原理與建模、潛艇水下電磁場傳播規(guī)律、淺海環(huán)境電磁場特性研究、高靈敏度低噪聲的電磁傳感器設(shè)計(jì)與優(yōu)化、基于交變電場和交變磁場聯(lián)合的極低頻水下微弱電磁信號檢測方法研究等研究工作，發(fā)展極低頻電磁場探潛技術(shù)，提高航空平臺的對潛探測效能。

（6）基于SQUID的全張量磁場梯度矢量測量技術(shù)

目前，磁探儀廣泛采用磁通門式或光泵式磁探測器件，測量靈敏度較低，同時(shí)由于僅能測量到磁場標(biāo)量，導(dǎo)致無法對目標(biāo)進(jìn)行精確定位?；赟QUID（Superconductor Quantum Interference Devices）的全張量磁場梯度矢量測量技術(shù)，不僅可以提高磁探測的靈敏度，還可以實(shí)現(xiàn)對潛艇的精確定位，提高探測效率。

通過開展?jié)撏Т艌鎏綔y系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)研究，超導(dǎo) SQUID磁傳感器核心器件攻關(guān)，低溫集成、屏蔽及系統(tǒng)架構(gòu)研究，基于高速運(yùn)算電路的潛艇定位技術(shù)等研究工作，突破相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，研究一套基于超導(dǎo) SQUID器件的磁場探測潛艇系統(tǒng)。該系統(tǒng)依靠超導(dǎo) SQUID器件的高靈敏度來探測潛艇的微弱磁場矢量信號，通過載體背景磁場修正補(bǔ)償技術(shù)和基于磁場矢量的定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對潛艇目標(biāo)的探測和定位。

4 結(jié)束語

隨著潛艇降噪隱身技術(shù)及 AIP（Air Independence Propulsion）技術(shù)的飛速發(fā)展，潛艇在水下的長期潛航能力越來越強(qiáng)，對水面艦艇編隊(duì)的威脅也越來越大。磁探儀作為航空反潛平臺的一種重要手段，通過開展相關(guān)技術(shù)研究，提高其探測能力，將有效提升航空反潛效能，為扎牢水下籬笆，降低水下潛艇威脅，作出重要貢獻(xiàn)。