張朔寧，何展翔

（1.深圳市深遠(yuǎn)海油氣勘探技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（南方科技大學(xué)），廣東 深圳 518055；2.廣東省地球物理高精度成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518055；3.南方科技大學(xué) 地球與空間科學(xué)系，廣東 深圳 518055）

0 引言

近年來，非合作水下目標(biāo)頻繁出入我國海洋領(lǐng)土境內(nèi)，嚴(yán)重威脅了我國的海洋主權(quán)，然而目前傳統(tǒng)的聲學(xué)、光學(xué)探測手段面臨目標(biāo)聲光隱蔽能力加強(qiáng)、海洋環(huán)境干擾較大等問題使探測難度加大，故我國目前對于非合作水下目標(biāo)的出動情況仍不能很好掌握。水下目標(biāo)電磁探測技術(shù)因其信道穩(wěn)定、受干擾較小和探測距離遠(yuǎn)的優(yōu)勢，近年來逐漸受到廣泛的關(guān)注，并有望成為聲、光探測手段的重要補(bǔ)充。

軸頻電磁場是水下目標(biāo)體自產(chǎn)生的一種具有明顯頻譜特征的電磁場[1-2]，來源于水下目標(biāo)周圍分布的腐蝕電流和防腐電流。海水含鹽度高，是一種導(dǎo)電性很強(qiáng)的電解質(zhì)溶液，其中氯離子含量約占海水總離子數(shù)的55%，同時海水中溶有一定量的氧，且鋼制船身外殼與鎳銅合金制的螺旋槳的電化學(xué)活潑型不同，導(dǎo)致各自形成的電位不同，故暴露在海水環(huán)境中的目標(biāo)會不可避免地產(chǎn)生腐蝕效應(yīng)，進(jìn)而形成了電位差和腐蝕電流。為了應(yīng)對這種腐蝕效應(yīng)，最常使用的方法是在目標(biāo)周圍人為添加一定強(qiáng)度的陰極防護(hù)電流，進(jìn)而減弱腐蝕效應(yīng)的發(fā)生；故實(shí)際航行中的目標(biāo)周圍會形成腐蝕電流和防腐電流疊加的電流場。多年來的研究表明，當(dāng)螺旋槳發(fā)生轉(zhuǎn)動時，會調(diào)制上述的疊加電流，進(jìn)而形成以螺旋槳轉(zhuǎn)動頻率為基頻的極低頻（通常為1～7 Hz）的軸頻電磁場[1-4]，該場在海水環(huán)境下衰減較慢、傳播距離遠(yuǎn)，可以被用來偵察水下動目標(biāo)，具有很強(qiáng)的軍事應(yīng)用價值。

我國對于軸頻電磁場的研究較西方國家起步較晚，但20年來的研究從無到有不斷發(fā)展，并在軸頻電磁場的產(chǎn)生機(jī)理、數(shù)值模擬仿真計算和檢測方法方面取得了長足進(jìn)步，在仿真模擬研究方面初步形成了以時諧水平電偶極子為等效軸頻電磁場場源的認(rèn)知[2-3]。歷年來軸頻電磁場的數(shù)值模擬仿真計算對實(shí)際海洋環(huán)境條件的考慮逐漸復(fù)雜，從早期的半無限大海水介質(zhì)條件[4-5]到空氣-海水-海床3 層層狀介質(zhì)[6]再到水平n層導(dǎo)電半空間[7]，從早期的均勻海水條件[4-7]到海水分層條件[8]；對實(shí)際水下目標(biāo)場源的考慮逐漸多樣化，從靜止場源[1，4-5，7，9]到運(yùn)動場源[6，10-13]，從單槳目標(biāo)到雙槳目標(biāo)[14]。歷年來對軸頻電磁場的衰減特性研究也獲得了一定發(fā)展，例如考慮偶極子強(qiáng)度、位置、頻率的影響[9]，海水深度、海水電導(dǎo)率的影響[15]等等。

然而，現(xiàn)有軸頻電磁場的數(shù)值仿真模擬仍存在以下問題：

1）目前軸頻電磁場仿真模擬研究多集中于軸頻電場的衰減特性分析，對軸頻磁場的研究[16-18]較少，除此之外，現(xiàn)有研究對實(shí)際探測時基于軸頻電場、磁場的探測距離討論較少，尚無二者的對比研究。

2）現(xiàn)有研究對軸頻電磁場空間分布特性的研究仍多停留在基于二維曲線的特征分析，對基于組網(wǎng)觀測的遠(yuǎn)距離軸頻電磁場空間分布特性認(rèn)知不夠。

3）現(xiàn)有研究中對目標(biāo)行進(jìn)方位對軸頻電磁場的分布影響考慮較少。

針對上述問題，本文在探測裝置位于海底的偵察場景下，基于積分方程法仿真模擬以時諧水平電偶極子為等效場源的軸頻電磁場海底分布特征，并研究參數(shù)變化分別對軸頻電場、軸頻磁場海底分布的影響；之后在上述基礎(chǔ)上分別討論基于組網(wǎng)觀測的軸頻電場、軸頻磁場探測距離問題；最后以電場Ey分量為例，討論目標(biāo)行進(jìn)方位對軸頻電磁場在海底分布的影響。上述研究均可為日后真正實(shí)現(xiàn)基于軸頻電磁場信息的水下目標(biāo)偵察手段提供理論依據(jù)。

1 方法理論基礎(chǔ)

1.1 軸頻電磁場的產(chǎn)生機(jī)理

目標(biāo)體在海水中運(yùn)動時，螺旋槳會發(fā)生轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致其軸系結(jié)構(gòu)中的電機(jī)電阻、推力軸承和軸接地裝置等阻值都會相應(yīng)變化[19]。有研究表明，從螺旋槳到船體的電阻是一個以螺旋槳旋轉(zhuǎn)頻率為自變量的函數(shù)[19]，這種可變的電阻率會調(diào)制防腐電流和腐蝕電流[20]，產(chǎn)生了以螺旋槳轉(zhuǎn)動頻率為基頻的變化電流，進(jìn)而產(chǎn)生了軸頻電磁場，如圖1所示。

圖1 軸頻電磁場產(chǎn)生機(jī)理Fig.1 Generation mechanism of axial-frequency electromagnetic field

1.2 場源模型的建立

針對軸頻電磁場的產(chǎn)生機(jī)理，可以采用時諧水平電偶極子進(jìn)行等效，其依據(jù)如下：

1）當(dāng)線電流源的長度小于其中心到觀測點(diǎn)之間距離的3～5 倍時，可近似為電偶極子場[9]，由于在實(shí)際應(yīng)用上主要對軸頻電磁場信號遠(yuǎn)程觀測，實(shí)際觀測距離會遠(yuǎn)大于假設(shè)線電流源的長度，故軸頻電磁場場源可以等效為具有一定電偶極矩的線電流源。

2）由于腐蝕電流和陰極防護(hù)電流均發(fā)生在陽極和螺旋槳之間，故電偶極子的長度可設(shè)置為目標(biāo)體所布設(shè)陽極和螺旋槳之間的距離。

又因電偶極子的電流強(qiáng)度是腐蝕電流和防護(hù)電流的疊加電流強(qiáng)度，而陰極防護(hù)電流規(guī)格一般選用在75～300 A 不等[21]，且腐蝕電流一般比防護(hù)電流小一個數(shù)量級[22]；故在本文的模擬中，設(shè)定水平電偶極子長度為50 m，電流強(qiáng)度為100 A，即軸頻場源的電偶極矩為5 000 A·m。

1.3 基于三層層狀介質(zhì)和水平電偶極子模型的軸頻電磁場方程

本文基于海底探測場景設(shè)置空氣-海水-海床三層層狀模型，介質(zhì)為均勻、各向同性線性介質(zhì)，坐標(biāo)平面X-O-Y與空氣-海水分界面重合，Z軸垂直向下；目標(biāo)源位于海水層中，并設(shè)置在一定深度z′處，即源中心位置坐標(biāo)為（x′，y′，z′），如圖2所示。前人研究[9]表明，在上述條件設(shè)置下，矢量磁位A在空氣、海水和海床層滿足如下方程：

圖2 空氣-海水-海床地電模型及探測場景示意圖Fig.2 Schematic diagram of air-seawater-seafloor geoelectric modeling and detection scenarios

式中：A0、A1、A2分別為空氣層、海水層和海床層的矢量磁位；下標(biāo)y、z分別代表y、z2 個方向的分量；k0、k1、k2分別為空氣層、海水層和海床層的復(fù)波數(shù)；P為電偶極矩；μ0為真空磁導(dǎo)率；ρ1為海水電阻率，ρ2為海床電阻率，z為測點(diǎn)的深度（即接收機(jī)的深度）；d為海水層的厚度。本文采用積分方程法求解上述方程可以得到目標(biāo)在海水中不同位置時產(chǎn)生的軸頻電場和磁場，后續(xù)仿真模擬結(jié)果均基于該方法。

2 參數(shù)變化對海底軸頻電磁場幅值分布的影響

軸頻電磁場在海水介質(zhì)中的傳播會受到目標(biāo)頻率、下潛深度和海水深度等因素的影響，然而既有研究中對上述參數(shù)變化對軸頻電磁場的影響多基于單條測線考慮且源與接收器之間的距離設(shè)定較小，不符合實(shí)際應(yīng)用場景；本文假定在海底布設(shè)方形測網(wǎng)，多測線上的各接收器排列間隔為1 km，且接收裝置上搭載可測電場分量Ex、Ey和磁場分量Bx、By的傳感器，分別模擬不同目標(biāo)頻率、下潛深度和海水深度對軸頻電磁場幅值分布的影響；除考慮目標(biāo)下潛深度的影響之外，本節(jié)將目標(biāo)源均設(shè)置在（0，0，100）坐標(biāo)處，目標(biāo)朝向?yàn)镹 向，并將海水電阻率和海底電阻率分別設(shè)置為0.33 Ω·m和3 Ω·m，如圖2所示。

2.1 目標(biāo)源頻率對海底軸頻電磁場幅值分布的影響

目標(biāo)頻率信息對捕捉水下非合作目標(biāo)尤為重要，然而，實(shí)際應(yīng)用通常需得到實(shí)測信號利用頻譜搜索軸頻信號特征頻率來判斷是否有目標(biāo)經(jīng)過，對幅值信息利用不多；軸頻電磁場的頻率與目標(biāo)螺旋槳轉(zhuǎn)動頻率有關(guān)[20]，其范圍通常為1～7 Hz[1-4]。本文將源的下潛位置設(shè)定為水下100 m，設(shè)置海水深度為400 m，分別比較1 Hz、3 Hz、5 Hz、7 Hz 頻率下軸頻電場Ex、Ey幅值以及軸頻磁場Bx、By幅值在海底的分布特征，如圖3所示（圖3（a）、3（b）、3（c）、3（d）分別為頻率變化對軸頻電磁場Ex、Ey、Bx、By這4 個分量的影響）。由圖3（a）、3（b）可知，軸頻電場Ex、Ey分量幅值隨著頻率的增加衰減得越快。以Ey分量為例，如圖3（b）所示，在其他條件設(shè)置相同且在當(dāng)前源強(qiáng)度設(shè)置下，頻率為1 Hz 的信號在3 km 處的電場幅值為10 nV/m，而頻率為5 Hz的信號在未達(dá)到2 km 處就已經(jīng)衰減至相同的幅值量級，且測量距離越遠(yuǎn)，該現(xiàn)象越明顯。

圖3 目標(biāo)源頻率對海底軸頻電磁場幅值分布的影響Fig.3 Influence of target source frequency on amplitude distribution of seafloor axial-frequency electromagnetic field

軸頻磁場Bx、By分量也滿足類似的規(guī)律。以圖3（c）中Bx分量為例，當(dāng)頻率為1 Hz 時，在12 km 以外的區(qū)域仍有10 nT 量級的信號，而當(dāng)頻率減小到3 Hz 時，軸頻磁場傳播8 km 時其幅值就衰減至10 nT。同樣，與軸頻電場類似，該規(guī)律在測量距離較遠(yuǎn)時較為明顯。上述模擬結(jié)論表明，頻率主要影響遠(yuǎn)距離軸頻電場、磁場信號的衰減速率，這補(bǔ)充了文獻(xiàn)[9]中軸頻電磁場在近距離受頻率影響較小的結(jié)論，且當(dāng)實(shí)際頻譜信息雜亂，分辨不出軸頻信號特征頻率時，可通過遠(yuǎn)距離的軸頻電場、磁場幅值特性輔助捕捉水下非合作目標(biāo)。

2.2 目標(biāo)下潛深度對海底軸頻電磁場幅值分布的影響

目標(biāo)的下潛深度是水下目標(biāo)的關(guān)鍵特性之一，當(dāng)非合作目標(biāo)下潛深度較深時，往往單獨(dú)依靠聲吶手段難以捕捉目標(biāo)體的位置，這對于實(shí)際水下戰(zhàn)場局勢尤為不利，故研究目標(biāo)下潛深度對軸頻電磁場空間分布的影響尤為關(guān)鍵。本文以在海底布設(shè)電磁探測裝置網(wǎng)的前提下，設(shè)定其他參數(shù)不變，設(shè)置海水深度為400 m，目標(biāo)源頻率為1 Hz，設(shè)定不同的目標(biāo)下潛狀態(tài)分別為 0（水面航行）、100 m、200 m 和300 m，其軸頻電場Ex、Ey分量和軸頻磁場Bx、By分量在海底的分布分別如圖4（a）、4（b）、4（c）、4（d）所示。分析圖4（a）、4（b），其電場分布模擬結(jié)果表明，隨著下潛深度逐漸增大、與探測裝置距離逐漸減小，近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)會呈現(xiàn)不同的規(guī)律。以圖4（b）為例，當(dāng)距源3 km 時，Ey分量幅值無法反映目標(biāo)下潛深度的變化（圖中反映為10 nV/m 的等值線重合），然而當(dāng)距源較遠(yuǎn)為10 km 時，目標(biāo)下潛深度越深，Ey的幅值越小。分析圖4（c）、4（d），其磁場分布規(guī)律與電場相同，以圖4（d）為例，當(dāng)距源4 km 時，下潛深度為100 m、200 m 和300 m 的By分量幅值等值線幾乎重合，無法反映下潛深度的變化，然而當(dāng)衰減距離為8 km 時，可以反映其變化，且隨著下潛深度增加，磁場幅值會逐漸減小。上述模擬結(jié)果表明，只有在距離源較遠(yuǎn)時才會在電磁場幅值上體現(xiàn)下潛深度的變化，同時，下潛深度越小，電磁場幅值反而越大。其原因是在海洋環(huán)境下的電磁場傳播需要考慮空氣波的影響[23]，空氣波是指目標(biāo)源激發(fā)的電磁波會垂直向上傳播到海面，之后經(jīng)過空氣與海水的分界面滑行一段距離（該傳播過程幾乎無能量衰減），再經(jīng)過折射，進(jìn)而向下垂直傳播的電磁波[23]，這使得在遠(yuǎn)區(qū)（即離源較遠(yuǎn)的位置）接收到的電磁波中含較多空氣波成分，且當(dāng)目標(biāo)下潛深度越深，由于電磁波在海水中垂直向上（或向下）的衰減距離越長，導(dǎo)致接收機(jī)接收到的空氣波能量越弱，故接收到的電場、磁場幅值越小。上述模擬結(jié)果表明，捕捉目標(biāo)下潛深度的變化只有在遠(yuǎn)距離觀測時才有效，同時，下潛深度越淺，受空氣波影響的軸頻電磁場能量越強(qiáng)，該特征可為遠(yuǎn)距離判斷目標(biāo)的下潛深度提供理論依據(jù)。

圖4 目標(biāo)下潛深度對海底軸頻電磁場幅值分布的影響Fig.4 Influence of target depth on amplitude distribution of seafloor axial-frequency electromagnetic field

2.3 海水深度對海底軸頻電磁場幅值分布的影響

實(shí)際水下目標(biāo)在行進(jìn)過程中，會途徑不同深度的海水域，故研究軸頻電磁場在不同海水深度的幅值變化對捕捉目標(biāo)十分必要。與前文相同，假定在海底布設(shè)電磁接收器測網(wǎng)，設(shè)置目標(biāo)的下潛深度為100 m 不變、目標(biāo)源激發(fā)頻率為1 Hz，并模擬不同的海水深度200 m、400 m、600 m 和1 000 m 對軸頻電磁場幅值在海底分布的影響，模擬結(jié)果如圖5所示，其軸頻電場Ex、Ey分量和軸頻磁場Bx、By分量在海底的分布分別如圖5（a）、5（b）、5（c）、5（d）所示。隨著海水深度逐漸加深，軸頻電場Ex、Ey分量和軸頻磁場Bx、By分量的幅值在所設(shè)測網(wǎng)范圍內(nèi)均明顯減小。電場變化以圖5（a）為例，模擬結(jié)果表明，水深200 m 時在3 km 的距離理論可測得10 nV/m 的電場，而當(dāng)水深為600 m 時，在距源2 km 的位置就衰減至10 nV/m 的量級。磁場變化以圖5（c）為例，在當(dāng)前源的設(shè)置下，磁場Bx分量在水深600 m 時在12 km 處幅值量級衰減至10 nT，而當(dāng)水深增大到1 000 m 時，在8 km處就衰減至相同的10 nT 量級；該規(guī)律在近區(qū)也同樣適用，水深200 m 時，磁場Bx分量幅值在5 km時衰減至1 μT，而當(dāng)水深為600 m 時，磁場傳播3.5 km 就達(dá)到了相同的幅值量級。比較不同海水深度下軸頻電場、磁場的幅值衰減，以圖5（a）、5（d）為例，隨著海水深度增大到1 000 m，軸頻電場Ex分量幅值在1 km 左右就衰減至10-8V/m 的數(shù)值量級，而軸頻磁場By分量幅值在1 000 m 水深時，傳播5 km 才衰減至相同的數(shù)值量級。上述模擬結(jié)果可為基于不同海水深度海域測網(wǎng)的實(shí)際水下目標(biāo)探測應(yīng)用提供相應(yīng)的軸頻電場、磁場的理論幅值信息，同時發(fā)現(xiàn)軸頻磁場相對軸頻電場衰減緩慢，特別在海水深度較深時，該現(xiàn)象愈加明顯，實(shí)際探測可多利用軸頻磁場幅值信息在較遠(yuǎn)距離捕捉水下非合作目標(biāo)。

圖5 海水深度對海底軸頻電磁場幅值分布的影響Fig.5 Influence of sea depth on amplitude distribution of seafloor axial-frequency electromagnetic field

3 基于海底觀測組網(wǎng)的軸頻電場和磁場探測距離分析

在實(shí)際探測場景下，合理布設(shè)一定面積的海底觀測組網(wǎng)、進(jìn)而判斷水下非合作目標(biāo)距我方的大致距離對及時調(diào)遣機(jī)動力量進(jìn)而準(zhǔn)確、高效捕捉目標(biāo)位置尤為重要，然而現(xiàn)有研究中尚無對觀測組網(wǎng)探測距離的討論。本文假定在海底布設(shè)20 km×20 km 面積的測網(wǎng)，海底探測裝置之間橫縱間隔為1 km，并假定源的行進(jìn)方向?yàn)檎毕?，即目?biāo)行進(jìn)方位與x方向夾角為90°，如圖6所示?；谇拔牡哪M結(jié)果，以電場分量Ey和磁場分量Bx為例，模擬計算一定參數(shù)設(shè)定下（目標(biāo)源強(qiáng)度為5 000 A·m，目標(biāo)源頻率為1 Hz，目標(biāo)下潛深度為100 m、海水深度為200 m），圖6所示的海底觀測組網(wǎng)對軸頻電場和軸頻磁場在200 m 水深的極限探測距離（不考慮其他干擾因素，假定儀器對電場的分辨率為1 nV/m，對磁場的分辨率為10 nT），其模擬結(jié)果如圖7所示。圖7（a）、7（b）分別為目標(biāo)距測網(wǎng)5 km 和進(jìn)入測網(wǎng)并在測網(wǎng)上方行進(jìn)10 km 時軸頻電場Ey的幅值分布情況，圖7（c）、7（e）、7（f）分別為目標(biāo)距測網(wǎng)5 km、10 km 和15 km 時軸頻磁場Bx的幅值分布情況，圖7（d）為目標(biāo)進(jìn)入測網(wǎng)并在測網(wǎng)上方行進(jìn)10 km時軸頻磁場Bx的幅值分布情況。圖7（a）表明，在目標(biāo)距測網(wǎng)5 km 時，當(dāng)前測網(wǎng)中只有小于1 km的區(qū)域理論可以識別出軸頻電場信號；圖7（b）表明，當(dāng)目標(biāo)沿測網(wǎng)邊緣行進(jìn)，在其橫向偏移7 km的位置電場幅值就衰減到了1 nV/m。綜合分析圖7（a）、7（b）可知，當(dāng)前設(shè)置下的測網(wǎng)在200 m水深區(qū)域最多只能在組網(wǎng)外5～7 km 的范圍通過測量軸頻電場的方式捕獲下潛深度為100 m 的目標(biāo)。對比圖7（a）、7（c）和圖7（b）、7（d），與軸頻電場相比，軸頻磁場的可探測距離更大，以圖7（d）為例，其橫向可探測距離為19 km。如圖7（e）、7（f）所示，在當(dāng)前行進(jìn)姿態(tài)下，當(dāng)目標(biāo)距測網(wǎng)大于15 km，當(dāng)前設(shè)置的測網(wǎng)捕捉不到目標(biāo)的軸頻磁場。綜合分析圖7（c）、7（d）、7（e）、7（f）可知，當(dāng)前設(shè)置下的20 km×20 km測網(wǎng)在200 m 水深區(qū)域最多能在組網(wǎng)外15～19 km的范圍通過磁場測量的方式捕獲下潛深度為100 m 的目標(biāo)。然而，當(dāng)目標(biāo)源頻率減小、下潛深度增大或海水深度增加，由前文分析結(jié)論可知，基于當(dāng)前大小的組網(wǎng)的軸頻電磁場探測距離會進(jìn)一步縮小，實(shí)際應(yīng)用時可通過增大測網(wǎng)面積來擴(kuò)大組網(wǎng)探測范圍。除此之外，由于本文未考慮電極距的長度影響和更高分辨率的磁探測器，實(shí)際可通過增大電極距的手段來提高對軸頻電場的探測能力、通過使用更高分辨率的磁探測器來提高對目標(biāo)軸頻磁場的探測能力。

圖6 海底觀測組網(wǎng)與目標(biāo)行進(jìn)路徑示意圖Fig.6 Schematic diagram of seafloor observation network and target traveling paths

圖7 組網(wǎng)觀測下目標(biāo)不同行進(jìn)距離對海底軸頻電磁場幅值的影響Fig.7 Influence of target traveling distances on amplitude of electromagnetic field under network observation

4 水下目標(biāo)不同行進(jìn)角度對軸頻電磁場海底分布的影響（以Ey 分量為例）

目標(biāo)在水下航行時，其行進(jìn)軌跡通常會與海底布設(shè)測網(wǎng)之間形成一定的夾角，在實(shí)際探測場景下，合理判斷目標(biāo)行進(jìn)的角度變化可使我方更準(zhǔn)確掌握目標(biāo)行進(jìn)方位。本節(jié)考慮目標(biāo)以低航速運(yùn)動。有文獻(xiàn)研究表明低航速運(yùn)動下的運(yùn)動目標(biāo)在某一測點(diǎn)處觀測的軸頻電磁場幅值曲線可以看成目標(biāo)在不同靜止位置時在該觀測點(diǎn)產(chǎn)生場值的疊加[6]。限于篇幅和前文對軸頻電磁場各水平分量特征的討論，本文以軸頻電場Ey分量為例，假定水下100 m 目標(biāo)在海水深度為200 m 的區(qū)域沿不同的方位行進(jìn)并經(jīng)過圖6所示布設(shè)的海底測網(wǎng)，模擬了目標(biāo)行進(jìn)路線方位分別為E 偏N 10°、E 偏N 30°、E偏N 45°和E 偏N 60°時海底觀測組網(wǎng)的電場幅值變化規(guī)律（以目標(biāo)徑向行進(jìn)距離為10 km 為例，目標(biāo)徑向行進(jìn)距離為目標(biāo)中心距測網(wǎng)原點(diǎn)的距離，如圖8所示）。并單獨(dú)提取測網(wǎng)范圍中的E 向測線（如圖6所示紅色測線），在長為20 km 的測線上提取彼此間隔為5 km 的不同測點(diǎn)，并分析不同行進(jìn)角度的目標(biāo)產(chǎn)生軸頻電場的幅值特征（如圖9所示）。無論基于測網(wǎng)亦或是測線觀測，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過軸頻電場幅值的變化規(guī)律均可以識別目標(biāo)的行進(jìn)角度變化。分析圖8 可發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)行進(jìn)方向與測網(wǎng)邊緣夾角越小，電場幅值等值線的彎曲程度越大；目標(biāo)行進(jìn)角度為45°時特征明顯，等值線最為平滑。如圖8（c）所示，目標(biāo)行進(jìn)角度為10°時，電場幅值等值線的彎曲程度最大，如圖8（a）所示。如圖8（b）、8（d）所示，目標(biāo)行進(jìn)角度為30°和60°時，等值線形態(tài)分別為內(nèi)凹型和外凸型，其電場分布等值線彎曲程度幾乎相同。提取圖6所示紅色測線分析，如圖9所示，目標(biāo)的不同行進(jìn)方位在測線上反映為不同測點(diǎn)所測電場幅值峰值的位置和大小變化。

圖8 目標(biāo)不同行進(jìn)方位對軸頻電場幅值分布的影響（基于測網(wǎng)觀測）Fig.8 Impact of traveling directions on amplitude distribution of axial-frequency electric field（based on network observation）

分析圖9 可發(fā)現(xiàn)，隨著E-N 角度逐漸增大，峰值會向左偏移，同時幅值會相應(yīng)減小。對比2 種觀測方式，在實(shí)際探測場景下，測網(wǎng)觀測能夠更明顯反映目標(biāo)行進(jìn)方位的變化。上述結(jié)論可為實(shí)際捕捉水下非合作目標(biāo)行進(jìn)方位提供理論依據(jù)。

5 結(jié)論與展望

軸頻電磁場是未來水下目標(biāo)電磁探測的重要研究內(nèi)容，本文基于軸頻電磁場的產(chǎn)生機(jī)理，以時諧水平電偶極子作為等效場源，利用積分方程法分別研究接收機(jī)位于海底情形下，軸頻電場和軸頻磁場在海底的空間分布特性，并詳細(xì)討論了目標(biāo)源頻率、目標(biāo)下潛深度和海水深度對海底軸頻電磁場幅值的影響，特別對遠(yuǎn)距離軸頻電磁場的衰減特性進(jìn)行說明。本文討論了軸頻電場和磁場在基于海底組網(wǎng)觀測時的可探測范圍，并對二者進(jìn)行對比，得出在當(dāng)前儀器精度下軸頻磁場的可探測范圍更大的結(jié)論，同時指出電場可采用增加極距來提高偵察能力，這為后續(xù)軸頻電磁場的深入研究提供了理論基礎(chǔ)。本文以軸頻電場Ey分量為例，分別分析了基于組網(wǎng)觀測和單條測線觀測識別水下目標(biāo)不同行進(jìn)方位的效果，為日后高效準(zhǔn)確捕捉目標(biāo)行進(jìn)方位提供理論依據(jù)。筆者認(rèn)為未來軸頻電磁場的研究應(yīng)注重以下3 個方面：1）仿真更準(zhǔn)確的電流強(qiáng)度。不同的海浪條件對目標(biāo)的腐蝕作用強(qiáng)度不同[24-28]（例如層流和湍流），本文僅計算了特定電偶極矩（5 000 A·m）下的軸頻電磁場，沒有考慮不同海洋環(huán)境、不同目標(biāo)特性下的電流強(qiáng)度差異，未來應(yīng)結(jié)合實(shí)際海流特征準(zhǔn)確建模仿真軸頻電磁場的腐蝕電流和防腐電流。2）本文的模擬結(jié)果基于低速運(yùn)動的目標(biāo)，未考慮源在不同行進(jìn)速度狀態(tài)時對軸頻電磁場的影響，沒有考慮多普勒偏移。3）加大海洋電磁采集裝置的研發(fā)投入，并發(fā)展結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)的軸頻電磁場分析方法。歷年來對軸頻電磁場的理論特性研究已趨于成熟，然而在海洋環(huán)境下的相關(guān)實(shí)測數(shù)據(jù)較少，相關(guān)的數(shù)據(jù)處理方法發(fā)展受限，這不利于未來結(jié)合軸頻電磁場偵察目標(biāo)的實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化。總之，深入理解軸頻電磁場對提高我國未來的海洋國防水平尤為重要，值得進(jìn)一步深入研究。