基于重力異常的水下潛艇避障方法研究＊

蔡華杰

（中國艦船研究設(shè)計中心 武漢 430064）

一般來說，探測目標(biāo)相對于周圍介質(zhì)（空氣或海水）來說存在密度異常。重力學(xué)中的反演問題定義為：由實(shí)測重力異常Δg及其導(dǎo)數(shù)的數(shù)值大小、空間分布和變換規(guī)律，定性和定量推斷客觀存在的異常地質(zhì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和地質(zhì)體的形狀、產(chǎn)狀及剩余密度分布。因此，基于重力梯度的目標(biāo)探測技術(shù)，是將探測目標(biāo)視為異常地質(zhì)體，將基于重力梯度的目標(biāo)探測問題轉(zhuǎn)換為重力梯度異常的反演問題。

由實(shí)測重力異常Δg及其導(dǎo)數(shù)的數(shù)值大小、空間分布和變換規(guī)律，定性和定量推斷客觀存在的異常地質(zhì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和地質(zhì)體的形狀、產(chǎn)狀及剩余密度分布?？捎霉奖硎鋈缦拢?/p>

任意形態(tài)物體所引起的重力異常Δg（x，y）表達(dá)式可寫為：

由此，反演問題可轉(zhuǎn)換為一個數(shù)學(xué)問題：由觀測面上重力異常Δg（x，y）及其導(dǎo)數(shù)的分布，在給定約束（如設(shè)物體密度均勻，形態(tài)規(guī)則）條件下，反演物體的密度參數(shù)和幾何參數(shù)。

定義坐標(biāo)系如下：把海平面當(dāng)成水平面，置x軸和y軸于此平面內(nèi)，使z軸的方向垂直向上。設(shè)x、y、z為重力梯度儀在三個坐標(biāo)軸上的坐標(biāo)，ε、η、ζ為第i個物質(zhì)單元的坐標(biāo)，δi表示第i個物質(zhì)單元的密度。則由某個不明障礙物體所引起的重力梯度異常的計算公式如下：

1 引言

利用多種傳感器探測和感知戰(zhàn)場環(huán)境是艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)的最重要組成部分之一。對海軍各型潛艇來說，及時探測并規(guī)避不明障礙物不僅可以有效確保其安全和隱蔽，更是其順利完成作戰(zhàn)任務(wù)的保障手段。據(jù)統(tǒng)計，20世紀(jì)以來，國外潛艇發(fā)生了近500起非戰(zhàn)時海損事故，導(dǎo)致84艘潛艇沉沒大海，其中核潛艇7艘。在這些事故中，碰撞沉沒事故占20%以上，這其中有上浮時與水面艦艇之間的相撞，水下潛艇之間的相撞，也有潛艇觸礁事件。此外，由于擱淺、觸底而造成破損或沉沒的事故也常有發(fā)生。2005年，美國海軍“舊金山”號核潛艇，在關(guān)島基地東南方猛撞了海圖中沒有標(biāo)注的、深度為152.4m的海底山峰，艦體嚴(yán)重受損，險遭沉沒［1］。

以上潛艇事故的原因有三個方面：操作失誤、地貌不清、設(shè)備故障。由于現(xiàn)有的探測手段并不完善，而潛艇上所載的海圖，有些測量的年份已經(jīng)久遠(yuǎn)，由于海底火山活動、珊瑚生長、河口泥沙沉積，海底的淺點(diǎn)會有所變化，海圖也并不是完全可靠。因此，對于長期在水下航行的潛艇來說，需要一種實(shí)時、精確的探測避障技術(shù)，來對海底山峰、其他潛艇或艦船等不明障礙物進(jìn)行規(guī)避，以保證潛艇在水下航行的安全［2］。

從20世紀(jì)70年代以來，新型的重力梯度儀和全張量重力梯度測量技術(shù)在國外開始得到重視和發(fā)展，在海洋勘探及目標(biāo)探測領(lǐng)域開始得到應(yīng)用，并表現(xiàn)出良好的前景，目前我國也在大力發(fā)展重力梯度技術(shù)［3～5］。由于萬有引力的作用，海底山峰等障礙物會產(chǎn)生重力異常，本文提出的基于重力異常的潛艇避障方法，根據(jù)艇載重力梯度儀探測的重力異常，可推算障礙物的大致信息，由此為潛艇的規(guī)避提供參考。這種探測障礙物的方式不向外輻射信號，保證了潛艇的隱蔽性，是一種值得關(guān)注和研究的新方法。

2 基于重力異常的避障基本原理

2.1 基于重力異常的障礙物探測

一般來說，探測目標(biāo)相對于周圍介質(zhì)（空氣或海水）來說存在密度異常。重力學(xué)中的反演問題定義為：由實(shí)測重力異常Δg及其導(dǎo)數(shù)的數(shù)值大小、空間分布和變換規(guī)律，定性和定量推斷客觀存在的異常地質(zhì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和地質(zhì)體的形狀、產(chǎn)狀及剩余密度分布。因此，基于重力梯度的目標(biāo)探測技術(shù)，是將探測目標(biāo)視為異常地質(zhì)體，將基于重力梯度的目標(biāo)探測問題轉(zhuǎn)換為重力梯度異常的反演問題。

由實(shí)測重力異常Δg及其導(dǎo)數(shù)的數(shù)值大小、空間分布和變換規(guī)律，定性和定量推斷客觀存在的異常地質(zhì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和地質(zhì)體的形狀、產(chǎn)狀及剩余密度分布?？捎霉奖硎鋈缦拢?/p>

任意形態(tài)物體所引起的重力異常Δg（x，y）表達(dá)式可寫為：

其中：∏（ξ，η，ζ）為物體的形態(tài)函數(shù)，由物體邊界確定，也可稱物體邊界位置函數(shù)，該函數(shù)在物體內(nèi)值為1，在物體外值為0，呈階梯狀；ρ（ξ，η，ζ）為物體密度分布函數(shù)；它們共同確定了物體狀態(tài)。G為萬有引力常量。

由此，反演問題可轉(zhuǎn)換為一個數(shù)學(xué)問題：由觀測面上重力異常Δg（x，y）及其導(dǎo)數(shù)的分布，在給定約束（如設(shè)物體密度均勻，形態(tài)規(guī)則）條件下，反演物體的密度參數(shù)和幾何參數(shù)。

2.2 重力異常反演

定義坐標(biāo)系如下：把海平面當(dāng)成水平面，置x軸和y軸于此平面內(nèi)，使z軸的方向垂直向上。設(shè)x、y、z為重力梯度儀在三個坐標(biāo)軸上的坐標(biāo)，ε、η、ζ為第i個物質(zhì)單元的坐標(biāo)，δi表示第i個物質(zhì)單元的密度。則由某個不明障礙物體所引起的重力梯度異常的計算公式如下：

如果目標(biāo)物體的距離遠(yuǎn)大于目標(biāo)本身大小，則以上公式經(jīng)過近似和推導(dǎo)可得：

由式中前兩項(xiàng)可以推測目標(biāo)物體的方位角，在預(yù)估物體質(zhì)量的基礎(chǔ)上，可根據(jù)第三項(xiàng)推測目標(biāo)物體的距離。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

潛艇在水下航行時，通過艇載全張量重力梯度儀連續(xù)測量各個方向上的重力信息，由于萬有引力的存在，當(dāng)具有一定質(zhì)量的目標(biāo)靠近時，重力梯度儀會測量到和目標(biāo)質(zhì)量、相對位置有關(guān)的重力異常變化。我們將障礙物假設(shè)成一個質(zhì)點(diǎn)，考慮如圖1所示的兩種情況：（a）潛艇航跡直接指向障礙物；（b）潛艇航跡經(jīng)過障礙物附近但不與障礙物接觸。潛艇沿著航跡前進(jìn)時，艇載重力梯度儀實(shí)時探測障礙物所引起的重力梯度異常，這兩種航跡上的重力梯度異常如圖2所示。

圖1 潛艇航跡與障礙物的空間位置關(guān)系

根據(jù)重力梯度的變化曲線，我們可以大致推測障礙物與潛艇航跡之間的相對位置關(guān)系。

假定障礙物處于靜止?fàn)顟B(tài)，潛艇在航行中連續(xù)測量重力梯度異常，代入式（8），則可以實(shí)時計算障礙物的方位，經(jīng)過多次測量和障礙物質(zhì)量估計，就可以進(jìn)一步確定障礙物的位置。如圖3所示，“潛艇航跡”、“障礙物位置”及“反演障礙物方位”分別表示在圖中。

圖2 重力梯度變化曲線

圖3 反演障礙物位置示意圖

4 結(jié)語

在我國大力發(fā)展重力梯度傳感器及測量技術(shù)的環(huán)境下，本文對重力異常和重力梯度在艦船方面的應(yīng)用進(jìn)行了預(yù)先研究，提出了一種通過重力異常反演去探測障礙物大致信息的水下潛艇避障方法，該方法借鑒了地球科學(xué)領(lǐng)域的重力異常測量和補(bǔ)償理論和技術(shù)，創(chuàng)造性地運(yùn)用于艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)和水下探測感知領(lǐng)域，促進(jìn)了學(xué)科融合，具有重要的理論和實(shí)用價值。

［1］孫曄飛，聶其武.從美核潛艇觸礁看非戰(zhàn)時潛艇事故原因［J］.環(huán)球軍事，2005（8）：53～58

［2］海鷹.美軍核潛艇關(guān)島觸礁內(nèi)幕［J］.艦載武器，2005（3）：17～21

［3］邊少鋒，紀(jì)兵.重力梯度儀的發(fā)展及其應(yīng)用［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2006，21（2）：660～664

［4］Lin Wu，Jinwen Tian.Automated Gravity Gradient Tensor Inversion for Underwater Object Detection［J］.Journal of Geophysics and Engineering，2010，7（4）：410～416

［5］Lin Wu，Xin Tian，Jie Ma，et al.Underwater Object Detection Based on Gravity Gradient［J］.IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters，2009，7（2）：362～265