目標(biāo)磁異常信號特征分析

伍東凌 呂冰 陳正想

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所，宜昌，443003）

目標(biāo)磁異常信號特征分析

伍東凌 呂冰 陳正想

（中國船舶重工集團(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仿真生成不同探測方向下的目標(biāo)磁異常信號特征，同時(shí)將仿真生成的與同等條件下試驗(yàn)測得的目標(biāo)磁場信號進(jìn)行對比，對比結(jié)果證明了所采用方法的有效性。

磁異常探測；磁異常信號；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，盡管對其進(jìn)行過消磁處理，但也不可能徹底消除其磁性，而且這些目標(biāo)長期處于地磁場這個(gè)大環(huán)境中，不可避免的被地磁場磁化，所以這些目標(biāo)的存在必然會引起地磁場的局部異常[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設(shè)備，在航空反潛中得到廣泛應(yīng)用[3]。本文通過Matlab建模仿真，分析了磁探儀在不同航向下所探測到的目標(biāo)磁異常信號特征，并開展了同等條件下的目標(biāo)測試試驗(yàn)。

1 目標(biāo)磁異常探測等效模型

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。利用磁探儀對目標(biāo)進(jìn)行探測時(shí)，當(dāng)探測距離大于磁性目標(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。對航空探潛而言，一般探測距離均大于潛艇自身的尺寸的2.5倍，因此，在仿真過程中，我們可將被測目標(biāo)近似看作磁偶極子進(jìn)行處理[4-6]。考慮到實(shí)際開展探測試驗(yàn)時(shí)，為了避免平臺對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)際探測系統(tǒng)示意圖

為了消除地磁日變造成的影響，可采用兩套磁探儀對目標(biāo)進(jìn)行差分探測，圖1中磁探儀A所測得的磁場數(shù)據(jù)減去磁探儀B所測得的磁場數(shù)據(jù)即為被測目標(biāo)的磁場數(shù)據(jù)。由相對運(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)，即可得在任意探測方位下、磁矩處于任意方位的模擬目標(biāo)磁異常信號。

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)氐卮趴倛鰹?5 500 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運(yùn)動(dòng)方位即可得到不同特征的磁異常信號。由于實(shí)際開展試驗(yàn)時(shí)，受試驗(yàn)場地限制，因此仿真時(shí)主要考慮磁探儀探測方向?yàn)檎龞|和正西時(shí)的情形。目標(biāo)正橫通過探頭時(shí)，目標(biāo)與探頭之間正橫距離為60 m。

磁探儀探測方向均為正東（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)磁場信號見圖2～圖6。

圖2 磁矩方位為0°時(shí)的目標(biāo)磁異常信號

圖3 磁矩方位為45°時(shí)的目標(biāo)磁異常信號

圖4 磁矩方位為90°時(shí)的目標(biāo)磁異常信號

圖5 磁矩方位為135°時(shí)的目標(biāo)磁異常信號

圖6 磁矩方位垂直向上時(shí)的目標(biāo)磁異常信號

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對其進(jìn)行往返探測時(shí)，得到的目標(biāo)磁異常信號特征呈中心對稱關(guān)系；（2）當(dāng)磁探儀探測方位固定不變時(shí)，目標(biāo)磁矩方位變化180°所測得的目標(biāo)磁異常信號也呈中心對稱關(guān)系；（3）磁探儀從目標(biāo)正橫距離處通過時(shí)刻附近，所得的磁異常信號一定出現(xiàn)峰值；（4）若目標(biāo)處于磁探儀探測線路兩側(cè)呈對稱關(guān)系位置時(shí)，磁探儀沿同一方位分別對處于這兩個(gè)位置的同一目標(biāo)進(jìn)行探測，所得到的目標(biāo)磁異常信號完全相同。因此，若采用單探頭對目標(biāo)進(jìn)行一次探測所得到的目標(biāo)磁異常信號特征還不足以對目標(biāo)進(jìn)行定位，至少需要經(jīng)過兩次探測，才能對目標(biāo)進(jìn)行有效定位。

2.2 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)以上仿真時(shí)設(shè)置的磁異常探測場景，開展了模擬目標(biāo)的探測試驗(yàn)。試驗(yàn)中，采用多片磁片構(gòu)成被測的模擬目標(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)過程中可根據(jù)需要來調(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)，測得的目標(biāo)磁場信號見圖7～圖11。

圖7 磁矩方位為0°時(shí)所探測到的目標(biāo)信號

圖8 磁矩方位為45°時(shí)所探測到的目標(biāo)信號

圖9 磁矩方位為90°時(shí)所探測到的目標(biāo)信號

圖10 磁矩方位為135°時(shí)所探測到的目標(biāo)信號

圖11 磁矩方位垂直向上時(shí)所探測到的目標(biāo)信號

對比同等條件下獲取的仿真數(shù)據(jù)以及試驗(yàn)探測數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，無論是信號特征還是信號幅度均具有極高的相似度，這說明了所采用仿真計(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)磁異常信號特征，建立磁異常信號特征數(shù)據(jù)庫。實(shí)際探測時(shí)，根據(jù)探測方向及目標(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，通過對所獲取數(shù)據(jù)的分析，可知單個(gè)磁探儀不能一次探測對目標(biāo)進(jìn)行定位，可通過二次探測定位。這對實(shí)際航空磁探中的探測方式具有一定的參考價(jià)值。

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