李 晨 周建軍

（92730部隊 三亞 572000）

1 引言

航磁探測技術(shù)始于二戰(zhàn)，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(yōu)點［1］，經(jīng)過近八十年的發(fā)展，該技術(shù)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(jìn)。對于任何一項裝備，技術(shù)狀態(tài)通常決定其應(yīng)用方法，而應(yīng)用方法又反過來推動技術(shù)的革新進(jìn)步。本文首先從技術(shù)角度出發(fā)對飛機(jī)磁探測水下目標(biāo)涉及的關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展進(jìn)行了詳細(xì)的分析和介紹，然后從應(yīng)用角度出發(fā)，對航磁探測水下目標(biāo)的方法等問題進(jìn)行了分析。對深入了解目前該項技術(shù)最新發(fā)展和應(yīng)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(biāo)關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展

航磁探測水下目標(biāo)涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：提高磁探儀與飛機(jī)性能；飛機(jī)背景磁場建模與補(bǔ)償；水下目標(biāo)磁場建模與識別。

2.1 提高磁探儀與飛機(jī)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(jìn)而解算出飛機(jī)橫滾、搖擺和俯仰的姿態(tài)變化信息。飛機(jī)姿態(tài)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(jī)姿態(tài)變化信息［2］。光泵傳感器是測量磁場的敏感器件，精度遠(yuǎn)高于磁通門傳感器，但它測量的是磁場的標(biāo)量值［3］。近年來，應(yīng)用超導(dǎo)式磁探儀進(jìn)行航磁測量的方法得到了研究，超導(dǎo)式磁測儀具有非常高的精度，其靈敏度可高達(dá)7×10-6r，測程可從零到數(shù)千高斯，能響應(yīng)零到幾兆甚至到1000MHz的快速磁場變化［4～6］。最主要的是超導(dǎo)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(dǎo)磁探儀工作條件苛刻，易受環(huán)境影響，在地磁場中晃動，測量誤差高達(dá)10nT，因而還不具備直接應(yīng)用于工程實際的條件［7］。

用于航磁探測的飛機(jī)包括固定翼飛機(jī)、直升機(jī)以及無人機(jī)等。磁探儀在飛機(jī)上進(jìn)行探測時，飛機(jī)的磁場環(huán)境構(gòu)成了磁探儀工作的背景場，持續(xù)降低飛機(jī)平臺固有的背景磁噪聲對磁探測是非常重要的［8］。飛機(jī)的背景磁場包括飛機(jī)殼體的剩余磁場、飛機(jī)在地磁場環(huán)境下的感應(yīng)磁場以及飛機(jī)航行過程產(chǎn)生的渦流磁場。這些主要與建造飛機(jī)殼體的材料有關(guān)，應(yīng)選用低磁或無磁材料。飛機(jī)的背景磁場還包括飛機(jī)上其它電磁設(shè)備如發(fā)動機(jī)、無線電臺等產(chǎn)生的隨機(jī)磁場，該種干擾可通過監(jiān)測并在磁源周圍繞制補(bǔ)償線圈進(jìn)行硬抵消［9～10］。

此外，飛機(jī)的機(jī)動性也是影響航磁測量效果的重要因素，航行應(yīng)保持六自由度的穩(wěn)定性，因為飛機(jī)較大的抖動會給磁探儀造成較大的干擾［11］，對于直升機(jī)平臺來說，磁探儀通常安裝在拖曳式的吊艙內(nèi)，除直升機(jī)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(jī)，無人機(jī)機(jī)動性及控制性較弱，磁場環(huán)境的分布也不同，因而需調(diào)整傳感器的安裝位置，在磁干擾補(bǔ)償方法方面也需要進(jìn)行改進(jìn)［13］。飛機(jī)還應(yīng)當(dāng)具備較好的低空飛行能力，以增大飛機(jī)在探測時的搜索半徑。為提高探測效能，飛機(jī)平臺也向著大型平臺化和遠(yuǎn)程化方向發(fā)展，以增強(qiáng)裝載能力和續(xù)航能力。如目前美P-8A飛機(jī)較P-3C飛機(jī)，最大起飛重量由64t 提高到了85t，最大續(xù)航力由7667km提高到了9260km［14］。

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

2.2 飛機(jī)背景磁場建模與補(bǔ)償

對于固定翼飛機(jī)和無人機(jī)，其背景磁場主要包括剩余磁場，感應(yīng)磁場和渦流磁場。剩余磁場是由飛機(jī)內(nèi)的鐵磁性物體的剩余磁化而產(chǎn)生，感應(yīng)磁場是由于飛機(jī)內(nèi)的鐵磁性物體受地磁場磁化而產(chǎn)生，渦流磁場是由飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼等大的金屬片或金屬殼切割地磁場產(chǎn)生。1944年美國人Tolles 和Lawson 建立了經(jīng)典的飛機(jī)背景磁場模型，即TOLLES-LAWSON 方程［16］。在TOLLES-LAWSON模型的基礎(chǔ)上，研究發(fā)現(xiàn)飛機(jī)背景磁場還包括發(fā)動機(jī)，無線電臺等工作時產(chǎn)生的無規(guī)則變化的磁場，稱為隨機(jī)磁場，因而又對TOLLES-LAWSON 進(jìn)行了修正［17］。對于直升機(jī)，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(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型［12］。

求解飛機(jī)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(jī)與無人機(jī)，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(jī)在實際探測前進(jìn)行預(yù)先學(xué)習(xí)飛行來求解參數(shù)，即在四個不同的航向上分別做俯仰、橫滾、搖擺三種機(jī)動動作，采集磁測信息用于解算模型參數(shù)。無人飛行器由于操控性較弱，當(dāng)無法在360°方向完成四航向?qū)W習(xí)飛行時，可進(jìn)行折線航行或者只進(jìn)行二航向?qū)W習(xí)飛行來求解模型參數(shù)，但其本質(zhì)與Bickel提出的小信號模型求解法相同［13，19］。另有相關(guān)報道指出俄羅斯學(xué)習(xí)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(wěn)態(tài)法”［20］，該種方法要求飛機(jī)在學(xué)習(xí)時進(jìn)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(shù)的補(bǔ)償精度低。求解直升機(jī)背景模型同樣采用了小信號模型的求解方法，但由于參數(shù)更多，需要采集八個航向的學(xué)習(xí)飛行數(shù)據(jù)，同時，仿真驗證表明其求解的參數(shù)補(bǔ)償精度可達(dá)到90%［12］。

飛機(jī)在進(jìn)行航磁探測時，需要實時補(bǔ)償飛機(jī)的背景磁干擾。具體方法是利用學(xué)習(xí)飛行求得的模型參數(shù)，結(jié)合飛機(jī)姿態(tài)、航速、高度等信息直接計算出飛機(jī)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(shù)求解精度決定了補(bǔ)償?shù)木?，但求解的模型參?shù)還可通過自適應(yīng)方法進(jìn)一步進(jìn)行修正，因而當(dāng)學(xué)習(xí)飛行后，即使參數(shù)求解精度不高，也能在實際探測過程中降低飛機(jī)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(biāo)磁場建模與識別

水下目標(biāo)的磁場主要為靜磁場，目前對靜磁場的建模方法已經(jīng)相當(dāng)成熟。應(yīng)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(biāo)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(tǒng)，會在海水與目標(biāo)，以及目標(biāo)內(nèi)部回路產(chǎn)生電流，這種電流經(jīng)主軸調(diào)制會產(chǎn)生以主軸轉(zhuǎn)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(biāo)的磁異常信號源。另外目標(biāo)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(yīng)［24～25］。

對水下目標(biāo)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(biāo)信號特征的檢測方法，主要為OBF 檢測方法，其原理是標(biāo)量磁異常信號可通過3個正交基函數(shù)（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(tǒng)計無明顯變化，而信號的高階過零統(tǒng)計有顯著變化［26］。無論是HOC 還是MED 檢測方法，都是針對平穩(wěn)隨機(jī)噪聲，當(dāng)噪聲具有非平穩(wěn)特性時，其檢測效果就會受到影響。補(bǔ)償后的實際飛機(jī)背景磁噪聲具有非平穩(wěn)特性，當(dāng)噪聲強(qiáng)度略高于目標(biāo)強(qiáng)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(jié)合小波、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和自適應(yīng)等算法，衍生出了許多改進(jìn)型檢測方法［28～29］。上述檢測方法都是針對磁標(biāo)量信息的檢測方法，隨著磁矢量測量技術(shù)的研究，基于磁矢量的檢測方法也得到了發(fā)展，近期有學(xué)者推導(dǎo)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(shù)，可實現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的磁異常檢測，2019年，中科院運用激光測磁技術(shù)，通過測量照射地表上方85km～100km 鈉層反射回來的光子，實現(xiàn)了空間磁場的測量，但精度還不高［25］。

3 航磁探測水下目標(biāo)應(yīng)用

在應(yīng)用航磁探測技術(shù)搜索水下目標(biāo)時，固定翼飛機(jī)、無人機(jī)與直升機(jī)因其機(jī)動能力、控制方式等的不同，其搜索、協(xié)同等均會存在差別。以下僅以固定翼飛機(jī)搜索目標(biāo)為例，對航磁探測水下目標(biāo)涉及的有關(guān)問題進(jìn)行介紹。

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

圖1 飛機(jī)搜索示意圖

實際應(yīng)用中，因水下目標(biāo)深度是不確定的，因而飛機(jī)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(biāo)可能航行深度進(jìn)行估計的前提下，建立平均搜索寬度概念，經(jīng)過仿真計算，使用平均搜索寬度可為飛機(jī)搜索決策提供較為科學(xué)的依據(jù)［31］。

固定翼飛機(jī)磁探儀搜潛方法主要包括應(yīng)召搜索和巡邏搜索。應(yīng)召搜索是指在通過情報或者聲納浮標(biāo)等手段獲取水下目標(biāo)明顯活動征候時，再使用航磁探測技術(shù)來確定目標(biāo)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(jī)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(qū)，為增大縱深，常采用弓字形搜索。

飛機(jī)實際搜索過程中，航路規(guī)劃是影響搜索效能最重要的因素，航路規(guī)劃的制定不僅與飛機(jī)自身的機(jī)動性能和探測精度有關(guān)，還與水下目標(biāo)的初始位置、初始距離以及航速有關(guān)。有學(xué)者以飛機(jī)苜蓿葉搜索為例，建立了航路模型，分析了水下目標(biāo)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(biāo)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(jié)合航磁探測水下目標(biāo)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用情況，提出以下幾點注意事項，對于飛機(jī)：

1）應(yīng)選擇良好的天氣條件執(zhí)行搜索任務(wù)；

2）為增大探測距離，應(yīng)盡量保持低空飛行；

3）飛機(jī)轉(zhuǎn)彎時的搜索精度較直線平穩(wěn)飛行時的精度要低，為減少虛警率，提高定位精度，飛機(jī)應(yīng)盡可能保持平穩(wěn)直線飛行；

4）執(zhí)行搜索任務(wù)前，應(yīng)對搜索海域的海洋地磁環(huán)境具有先驗知識，即掌握海域中沉船、海底礦產(chǎn)等地磁異常區(qū)域。

為規(guī)避飛機(jī)磁探儀搜索，水下目標(biāo)應(yīng)注意：

1）天氣條件良好時應(yīng)提高警惕性，發(fā)現(xiàn)飛機(jī)時，應(yīng)增大下潛深度；

2）由于鐵磁體的退磁效應(yīng)，東西航行比南北航行被飛機(jī)磁探儀發(fā)現(xiàn)的概率要低；

3）可有效利用海域中沉船、或海底礦產(chǎn)區(qū)域規(guī)避磁探測；

4）應(yīng)定期消磁，減少自身固定磁場強(qiáng)度，高緯度的磁場強(qiáng)度大，較低緯度更易磁化；

5）規(guī)避飛機(jī)磁定位時，應(yīng)定時改變航向，避免直線航行。

4 結(jié)語

航磁探測技術(shù)產(chǎn)生于二戰(zhàn)時期，由于其獨到的優(yōu)勢，該項技術(shù)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(biāo)中磁探儀與飛機(jī)性能、飛機(jī)磁干擾建模與補(bǔ)償、水下目標(biāo)磁信號建模與識別等關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展情況。從應(yīng)用角度，介紹了飛機(jī)航磁探測水下目標(biāo)方法，探討了搜索寬度、航路規(guī)劃等有關(guān)問題，并從飛機(jī)搜索與水下目標(biāo)規(guī)避出發(fā)，提出了幾點注意事項。隨著磁矢量測量、磁遙感技術(shù)等新型探測技術(shù)的發(fā)展，航磁探測將向著更高的精度、更遠(yuǎn)的探測距離發(fā)展，這也將推動航磁探測水下目標(biāo)方法產(chǎn)生新的變化。