彈體磁屏蔽效應(yīng)及目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)磁探測(cè)的影響

李 明,程晉偉

(北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中,對(duì)敵方關(guān)鍵區(qū)域如機(jī)場(chǎng)、防空陣地及交通樞紐等進(jìn)行打擊與封控是重要的制勝因素,隱埋式封控彈藥作為一種重要的威懾封控方式,可在空間和時(shí)間上對(duì)敵方重要區(qū)域進(jìn)行壓制打擊,實(shí)現(xiàn)封控效果。鋼鐵作為現(xiàn)代最重要的材質(zhì),被廣泛應(yīng)用于各種軍事裝備之中,使用鐵制目標(biāo)所固有的磁性特征作為其識(shí)別信號(hào),具有準(zhǔn)確率高、不受戰(zhàn)場(chǎng)煙塵、雨雪環(huán)境影響,抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)[1-2]。且各種新型材質(zhì)不斷被用于磁探測(cè)技術(shù),使其探測(cè)靈敏度等有很大提升[3-5]。使用基于磁探測(cè)的防排技術(shù)可顯著提高隱埋式彈藥的生存與封控能力,增強(qiáng)其作戰(zhàn)效能[6]。

目前對(duì)于彈體磁屏蔽效應(yīng)的主要研究方向?yàn)閷?duì)無(wú)磁環(huán)境如無(wú)磁實(shí)驗(yàn)室、線(xiàn)纜屏蔽層等需要隔絕外部磁場(chǎng),加強(qiáng)磁屏蔽效果的屏蔽層改良,應(yīng)用于彈藥領(lǐng)域的磁屏蔽研究則集中于彈體磁屏蔽對(duì)于彈體姿態(tài)解算的影響,未對(duì)減弱彈體的磁屏蔽的方式進(jìn)行深入研究。殼體屏蔽問(wèn)題可簡(jiǎn)化為旋轉(zhuǎn)橢球模型,用以分析磁引信殼體磁屏蔽效應(yīng)[7],長(zhǎng)徑比較大的殼體也可簡(jiǎn)化為無(wú)限長(zhǎng)圓柱腔體[8];從磁屏蔽角度可分析其對(duì)彈體軟磁誤差的規(guī)律[9];在大型磁屏蔽環(huán)境屏蔽層上的孔洞漏磁分析表明面積相同的圓形開(kāi)孔與方形開(kāi)孔對(duì)磁屏蔽效應(yīng)的影響接近[10];圓柱形磁屏蔽裝置上矩形開(kāi)孔的長(zhǎng)寬比及徑向與軸向開(kāi)孔位置對(duì)磁屏蔽效應(yīng)的影響,仿真分析表明面積一定時(shí),開(kāi)孔長(zhǎng)寬比越大,漏磁越少[11]。

對(duì)于車(chē)輛等目標(biāo)的磁特征信號(hào)研究主要是進(jìn)行簡(jiǎn)化仿真[12],對(duì)車(chē)輛側(cè)向經(jīng)過(guò)時(shí)的信號(hào)進(jìn)行了采集分析[13],車(chē)輛檢測(cè)算法方面集中在車(chē)流量識(shí)別、車(chē)型統(tǒng)計(jì)等領(lǐng)域[14-16],本文主要對(duì)目標(biāo)在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的磁特征信號(hào)變化規(guī)律進(jìn)行研究。

1 隱埋式彈體全屏蔽數(shù)理及仿真分析

由于彈體材質(zhì)的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)高于大氣環(huán)境及土壤的磁導(dǎo)率,穿過(guò)彈藥的磁感線(xiàn)會(huì)集中于彈體上,使彈體內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度減小,產(chǎn)生磁屏蔽效應(yīng),彈體的磁屏蔽效應(yīng)將對(duì)彈體內(nèi)部的磁探測(cè)裝置產(chǎn)生巨大的干擾。

磁屏蔽系數(shù)是描述鐵磁材質(zhì)磁屏蔽效果的一種量化參數(shù)。假設(shè)不存在鐵磁材質(zhì)磁屏蔽影響時(shí)某處的磁場(chǎng)強(qiáng)度為H0,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B0;存在磁屏蔽時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為Hs,磁感應(yīng)強(qiáng)度為Bs,則該鐵磁材質(zhì)對(duì)外加磁場(chǎng)的磁屏蔽系數(shù)S可以表示為[17]

(1)

本研究中即采用磁屏蔽系數(shù)S來(lái)評(píng)估全屏蔽狀態(tài)下隱埋式彈體的磁屏蔽效應(yīng),磁屏蔽系數(shù)S越大則磁屏蔽效果越強(qiáng)。對(duì)于長(zhǎng)徑比較大的彈體,當(dāng)外界磁場(chǎng)方向垂直于彈體縱軸時(shí),可以將彈體的磁屏蔽效應(yīng)簡(jiǎn)化為研究無(wú)限長(zhǎng)圓柱腔的磁屏蔽效應(yīng),如圖1所示。

圖1 無(wú)限長(zhǎng)圓柱腔體剖視圖

其磁屏蔽系數(shù)為

(2)

式(2)中:r1和r2分別為彈體的內(nèi)、外半徑;μr為彈體材質(zhì)相對(duì)磁導(dǎo)率。

(3)

(4)

式(4)中:彈體壁厚δ=r2-r1;彈體平均半徑R=(r1+r2)/2。該式表明在滿(mǎn)足上述約束條件的情況下,彈體的靜磁屏蔽系數(shù)與彈體材質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率、彈體壁厚成正相關(guān),與彈體的平均半徑成負(fù)相關(guān),外界環(huán)境磁場(chǎng)的大小不影響彈體的磁屏蔽系數(shù)。

隱埋式彈體磁屏蔽效應(yīng)的理論計(jì)算可以為其特性分析提供重要參考,但是其只能應(yīng)用于計(jì)算理想彈體,與實(shí)際結(jié)果差距較大。通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行有限元仿真,可以設(shè)置更多參數(shù)更加貼近真實(shí)情況,從而更加接近真實(shí)結(jié)果,為工程和研究提供更加準(zhǔn)確的參考依據(jù)。本文中主要使用電磁仿真軟件對(duì)隱埋式彈體的磁屏蔽效應(yīng)進(jìn)行建模仿真。建模如圖2所示。

圖2 隱埋式彈體仿真模型及空氣域

在不同的傳播介質(zhì)中,影響磁場(chǎng)及磁信號(hào)傳播的主要因素是傳播介質(zhì)的磁導(dǎo)率,空氣與土壤的相對(duì)磁導(dǎo)率均接近1,在仿真設(shè)置中可直接用空氣域代替隱埋式彈藥所處的土壤環(huán)境?？諝庥蛟O(shè)置為彈體直徑的5倍,為長(zhǎng)寬均750 mm的正方形,通過(guò)施加矢量磁位的方法在空氣域內(nèi)添加勻強(qiáng)磁場(chǎng)。其形成的磁感應(yīng)強(qiáng)度為

(5)

圖3 勻強(qiáng)磁場(chǎng)

彈體材質(zhì)對(duì)于彈體磁屏蔽效應(yīng)影響巨大,常用彈體材質(zhì)如不銹鋼、鑄鐵、45鋼、鋁等物質(zhì)相對(duì)磁導(dǎo)率由1到數(shù)千不等,根據(jù)式(4)可知,圓柱形彈體磁屏蔽系數(shù)與其外殼磁導(dǎo)率成正比,因此幾何參數(shù)相同但材質(zhì)不同的彈體磁屏蔽系數(shù)可以相差數(shù)千倍。常用的彈體材質(zhì)主要包括45鋼、鑄鐵、鋁等,本研究中擬使用這3種材質(zhì)的彈體進(jìn)行仿真,探尋彈體材質(zhì)對(duì)其磁屏蔽特性的影響。彈體設(shè)置為外環(huán)外徑75 mm,內(nèi)徑71 mm,內(nèi)環(huán)外徑22 mm,內(nèi)徑19 mm。

經(jīng)過(guò)查詢(xún)可知,鋁的相對(duì)磁導(dǎo)率為1,鑄鐵為60,45鋼常用B-H曲線(xiàn)(表示某種鐵磁材質(zhì)在磁化過(guò)程中磁感強(qiáng)度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間關(guān)系的曲線(xiàn))來(lái)表示其磁導(dǎo)率。其最大相對(duì)磁導(dǎo)率一般在600～700之間。其仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 3種材質(zhì)彈體的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

從圖4中可知,由于鋁的相對(duì)磁導(dǎo)率接近1,與空氣類(lèi)似,所以其未對(duì)勻強(qiáng)磁場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng),無(wú)磁屏蔽效應(yīng);45鋼在此磁場(chǎng)強(qiáng)度作用下相對(duì)磁導(dǎo)率大于鑄鐵,其對(duì)勻強(qiáng)磁場(chǎng)的擾動(dòng)顯著強(qiáng)于鑄鐵,磁屏蔽效應(yīng)也更加明顯。勻強(qiáng)磁場(chǎng)與隱埋式彈體沿X軸(橫軸)完全對(duì)稱(chēng),故取彈體上半?yún)^(qū)域內(nèi)均勻分布的6個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行采樣,各觀測(cè)點(diǎn)位置坐標(biāo)及其磁感應(yīng)強(qiáng)度如圖5及表1所示(3種材質(zhì)磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度單位:μT)。

圖5 各觀測(cè)點(diǎn)位置示意圖

表1 3種材質(zhì)彈體內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度

由表1可得,鑄鐵材質(zhì)彈體內(nèi)部平均磁感應(yīng)強(qiáng)度為27.84 μT,其磁屏蔽系數(shù)S鑄鐵=H0/H鑄鐵≈2.395,由公式(4)推算出鑄鐵彈體理論磁屏蔽系數(shù)為2.644,仿真值與理論值接近;45鋼材質(zhì)彈體內(nèi)部平均磁感應(yīng)強(qiáng)度為7.003 μT,其磁屏蔽系數(shù)為S45鋼≈9.52,顯著高于鑄鐵材質(zhì)。

2 彈體開(kāi)孔優(yōu)化與目標(biāo)磁特征信號(hào)仿真

2.1 彈體開(kāi)孔仿真及優(yōu)化

隱埋式彈體出于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與成本考慮,其彈體主要材質(zhì)為鋼鐵材質(zhì),鋼鐵作為鐵磁類(lèi)材質(zhì),相對(duì)磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于空氣、土壤等傳播介質(zhì)。由上一小節(jié)可知,鋼制彈體對(duì)磁場(chǎng)和磁信號(hào)具有較強(qiáng)的屏蔽作用,會(huì)對(duì)磁探測(cè)裝置造成極大的影響。為了減輕彈體磁屏蔽效應(yīng)對(duì)磁探測(cè)的影響,本文中選擇在彈體側(cè)壁中線(xiàn)處進(jìn)行開(kāi)孔,并使用鋁合金或奧氏不銹鋼等非鐵磁類(lèi)物質(zhì)對(duì)開(kāi)孔進(jìn)行填充,恢復(fù)彈體的密封性及部分結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;同時(shí)使得外界磁場(chǎng)的變化可經(jīng)由開(kāi)孔進(jìn)入彈體內(nèi)部被磁傳感器捕獲,從而減輕彈體的磁屏蔽效果。為了使磁傳感器捕獲更多的外界磁信號(hào),其安放位置為緊貼彈體開(kāi)孔填充物質(zhì)內(nèi)壁的中心位置,本文中所述開(kāi)孔處磁感應(yīng)強(qiáng)度即該位置磁傳感器所捕獲的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

隱埋式彈藥由空中平臺(tái)投放后通過(guò)傘降降落至地面附近,而后完成戰(zhàn)斗部署。在此過(guò)程中,隱埋式彈藥的自身姿態(tài)處于高度不可控狀態(tài),致使戰(zhàn)斗部完成部署進(jìn)入封控狀態(tài)時(shí)自身姿態(tài)難以確定。定義彈藥進(jìn)入封控狀態(tài)后,其彈體縱軸與鉛垂線(xiàn)之間的夾角為落角φ,縱軸在水平面上的投影與地磁場(chǎng)水平分量夾角為偏角θ;彈體開(kāi)孔朝向在水平面上的投影與地磁場(chǎng)水平分量的夾角為旋轉(zhuǎn)角γ,這3個(gè)角度限定了彈體在落地后的姿態(tài),如圖6所示。

其中落角φ和偏角θ共同作用限定了彈體的縱軸朝向,旋轉(zhuǎn)角γ限定了彈體相對(duì)于地磁場(chǎng)水平分量的旋轉(zhuǎn)程度;本文中將彈體縱軸在XOZ平面及垂直面上的投影與z軸之間的夾角簡(jiǎn)稱(chēng)為鉛垂角;將旋轉(zhuǎn)角γ簡(jiǎn)稱(chēng)為水平角。

圖6 彈體姿態(tài)示意圖

表2 北京地區(qū)地磁場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)值

隱埋式彈體總體結(jié)構(gòu)為一圓柱體,中間有一條供射流通過(guò)的孔洞。其外徑為150 mm,內(nèi)徑38 mm,外壁厚度4 mm,內(nèi)壁厚度3 mm,高度為220 mm。設(shè)置外加勻強(qiáng)磁場(chǎng)方向沿X軸正方向,磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為66.67 μT,彈體建模及磁場(chǎng)分布如圖7所示。

對(duì)彈體進(jìn)行三維建模仿真時(shí),要控制的主要變量是開(kāi)孔的大小、水平面上開(kāi)孔朝向與外界磁場(chǎng)的夾角以及鉛垂面上開(kāi)孔朝向與外界磁場(chǎng)的夾角。使用45鋼作為彈體材質(zhì),令偏角θ為90°,旋轉(zhuǎn)角γ為0°,落角φ即為鉛垂面上開(kāi)孔朝向與外界磁場(chǎng)的夾角,該夾角及開(kāi)孔大小對(duì)開(kāi)孔處磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響仿真結(jié)果如圖8所示;令偏角θ為90°,落角φ為0°,旋轉(zhuǎn)角γ即為水平面上開(kāi)孔朝向與外界磁場(chǎng)的夾角,該夾角及開(kāi)孔大小對(duì)開(kāi)孔處磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響仿真結(jié)果如圖9所示。

圖7 彈體三維建模及磁場(chǎng)分布

圖8 不同水平角及開(kāi)孔直徑下開(kāi)孔處磁感應(yīng)強(qiáng)度大小

圖9 不同鉛垂角及開(kāi)孔直徑下開(kāi)孔處磁感應(yīng)強(qiáng)度大小

由圖8及圖9可知,在彈體開(kāi)孔直徑小于20 mm且與外界磁場(chǎng)夾角大于60°時(shí),彈體開(kāi)孔處磁感應(yīng)強(qiáng)度受到開(kāi)孔處彈體邊界磁感線(xiàn)擴(kuò)散及外界磁場(chǎng)的綜合作用下,其變化趨勢(shì)較為混亂;彈體開(kāi)孔直徑大于20 mm后,各夾角下開(kāi)孔處磁感應(yīng)強(qiáng)度均隨開(kāi)孔直徑增加而增加;各夾角下開(kāi)孔直徑在10～20 mm內(nèi)均可達(dá)到開(kāi)孔直徑130 mm時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度衰減3 dB強(qiáng)度。

當(dāng)開(kāi)孔直徑大于20 mm時(shí),開(kāi)孔朝向?qū)﹂_(kāi)孔處磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響越發(fā)明顯,夾角為90°與0°時(shí)差值可以達(dá)到2倍以上,開(kāi)孔直徑為70 mm時(shí),不同水平面夾角下磁感應(yīng)強(qiáng)度可擬合為

(6)

不同鉛垂面夾角下磁感應(yīng)強(qiáng)度擬合為

(7)

為保證磁特征信號(hào)能夠盡可能詳細(xì)地被磁傳感器獲取,彈體開(kāi)孔應(yīng)達(dá)到20 mm以上,為減小開(kāi)孔朝向?qū)Υ盘綔y(cè)系統(tǒng)的影響,則應(yīng)以鋁合金或奧氏體不銹鋼代替磁傳感器處的環(huán)狀彈體,使得周向磁信號(hào)均可進(jìn)入彈體內(nèi)部。

2.2 目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度對(duì)其磁特征信號(hào)的影響仿真

對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行仿真時(shí),由于進(jìn)行三維瞬態(tài)仿真計(jì)算量大且難以分析,故使用二維瞬態(tài)仿真對(duì)三維情況進(jìn)行近似。仿真工況如圖10所示。

從仿真波形可以看出，引入虛擬電容后，牽引過(guò)程中直流電壓及電池電流的震蕩程度明顯減小，電壓最大震蕩幅值為±200 V，系統(tǒng)穩(wěn)定性得到很好的改善。

圖10 仿真工況示意圖

目標(biāo)外形尺寸為2 m×2 m×4 m,彈體開(kāi)孔直徑為70 mm,地磁場(chǎng)方向、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向與彈體開(kāi)口朝向相同;由于本彈藥所針對(duì)的目標(biāo)速度較低,工作速度大多處于0.1～10 km/h,因此仿真目標(biāo)速度為0.5、1、1.5、2 m/s,不同速度下目標(biāo)在彈體開(kāi)孔處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度如圖11所示。

圖11 目標(biāo)不同速度下彈體開(kāi)孔處磁感應(yīng)強(qiáng)度

由圖11可知,當(dāng)目標(biāo)以不同速度接近彈體時(shí),其磁感應(yīng)強(qiáng)度僅與其所處位置,即目標(biāo)與彈體之間的距離有關(guān),因此目標(biāo)速度的不同導(dǎo)致了彈體開(kāi)孔處磁感應(yīng)強(qiáng)度變化的斜率不同,而初始位置與最終位置的同步使得不同速度下彈體開(kāi)孔處的初始與最終磁感應(yīng)強(qiáng)度相同。

2.3 目標(biāo)運(yùn)動(dòng)朝向?qū)ζ浯盘卣餍盘?hào)的影響實(shí)驗(yàn)與仿真

本實(shí)驗(yàn)中主要為采集不同運(yùn)動(dòng)朝向下目標(biāo)在其前方產(chǎn)生的磁特征信號(hào)變化情況。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地為學(xué)校西操場(chǎng),實(shí)驗(yàn)裝置主要包括推車(chē)、鐵板、磁力計(jì)與計(jì)算機(jī)。本實(shí)驗(yàn)中使用推車(chē)及鐵板來(lái)模擬小尺寸目標(biāo),推車(chē)尺寸為0.9 m×0.6 m×0.9 m,車(chē)身材質(zhì)主體為塑料,把手、螺栓、加強(qiáng)筋及萬(wàn)向輪轉(zhuǎn)向裝置為鋼制。單塊鐵板尺寸為0.3 m×0.3 m×0.05 m,質(zhì)量約為3.53 kg;實(shí)驗(yàn)中共使用5塊鐵板,為體現(xiàn)出目標(biāo)前后差異,采用前三后二布置,鐵板之間通過(guò)氣泡膜隔開(kāi),以減少鐵板之間的碰撞與滑動(dòng),如圖12所示。

圖12 目標(biāo)磁特征信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)環(huán)境

本實(shí)驗(yàn)中主要驗(yàn)證的是目標(biāo)運(yùn)動(dòng)朝向?qū)ζ浯盘卣餍盘?hào)的影響,實(shí)驗(yàn)流程如下所示。

磁力計(jì)直接放置在地面,3個(gè)敏感軸分別指向西、北、天,另一端接入計(jì)算機(jī);目標(biāo)運(yùn)動(dòng)朝向自北向南運(yùn)動(dòng)軌跡長(zhǎng)度為3 m,運(yùn)動(dòng)速度接近0.5 m/s,自遠(yuǎn)處逐漸接近磁力計(jì)探頭,至推車(chē)前緣稍稍越過(guò)磁力計(jì)上方為止;之后將方向倒轉(zhuǎn),推車(chē)自南向北重復(fù)該過(guò)程。

得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

由于實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中無(wú)法準(zhǔn)確控制推車(chē)前進(jìn)速度,而且每次抵達(dá)終點(diǎn)的位置有微小差距,因此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在時(shí)間軸上并不完全同步,其磁特征信號(hào)波形在橫軸上方向有些許位移。

從地磁場(chǎng)總場(chǎng)的變化來(lái)看,其初始的標(biāo)量值為49.91 μT,目標(biāo)自不同方向接近過(guò)程中其變化在47.9～55.75 μT之間。目標(biāo)與北南方向夾角為0°時(shí),其磁特征信號(hào)幅值一直在減少;夾角為180°時(shí),磁特征信號(hào)先升后降。

西向分量較為微弱,變化范圍在1.567～5.563 μT之間,其變化規(guī)律是夾角為180°時(shí)磁特征信號(hào)先升高后降低,為0°時(shí)則持續(xù)降低;北向分量變化范圍在23.769～29.995 μT之間;天向分量變化范圍最大,在-48.016～-41.303 μT之間,夾角為0°時(shí)有一個(gè)較小的減小過(guò)程,之后增大;夾角為180°時(shí)幅值磁特征信號(hào)持續(xù)增大。

圖13 各敏感軸分量及總場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度

由以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)以下步驟可計(jì)算出當(dāng)?shù)氐卮艌?chǎng)的方向。

1) 求取3個(gè)敏感軸方向及磁總場(chǎng)量在初始狀態(tài)下的磁感應(yīng)強(qiáng)度,求得其均值如表3所示。

表3 三軸及總場(chǎng)初始磁感應(yīng)強(qiáng)度

2) 計(jì)算磁傾角α和磁偏角β

(8)

(9)

由上述計(jì)算結(jié)果可知,實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的背景地磁場(chǎng)與北京地區(qū)總體地磁場(chǎng)基本一致,磁傾角為向下53.13°,磁偏角為北偏西7.913°。

由圖13可知,當(dāng)推車(chē)目標(biāo)接近磁力計(jì)探頭1 m范圍時(shí),其三軸磁場(chǎng)分量及總場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生明顯變化。由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中難以控制目標(biāo)速度始終如一,因此其發(fā)生明顯變化的距離與時(shí)間點(diǎn)難以確定。

為對(duì)目標(biāo)磁特征信號(hào)變化原因進(jìn)行更加精準(zhǔn)的分析,現(xiàn)對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行仿真復(fù)現(xiàn)。因進(jìn)行三維瞬態(tài)求解所需計(jì)算量過(guò)大,結(jié)合上文所述目標(biāo)靜態(tài)磁場(chǎng)與動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)高度一致,因此采用靜磁場(chǎng)仿真求解器,在原運(yùn)動(dòng)軌跡上設(shè)置一系列觀測(cè)點(diǎn)用以采集目標(biāo)距離磁力計(jì)探頭不同距離下的磁特征信號(hào),如圖14所示。

圖14 實(shí)驗(yàn)仿真設(shè)置

地磁場(chǎng)設(shè)置為磁感應(yīng)強(qiáng)度49.89 μT,方向?yàn)檠豘軸負(fù)方向60°(磁傾角60°),沿X軸正方向7°(磁偏角7°),目標(biāo)簡(jiǎn)化為5塊30 mm×30 mm×0.5 mm的45鋼鐵板,鐵板上下間隔5 mm,前后間隔200 mm,觀測(cè)點(diǎn)位于鐵板中線(xiàn)處,以前部鐵板前沿下方150 mm處為原點(diǎn),以100 mm為間隔,向前延伸至1 m處。以Y軸正向?yàn)檎戏较?變換目標(biāo)朝向?yàn)?°和180°,得到其仿真結(jié)果如圖15所示。

圖15 實(shí)驗(yàn)仿真磁場(chǎng)分布圖

由圖15可知,鐵板目標(biāo)周邊的高磁場(chǎng)區(qū)與低磁場(chǎng)區(qū)隨著目標(biāo)運(yùn)動(dòng)朝向的改變而隨之變化。高磁場(chǎng)區(qū)總是出現(xiàn)在沿磁場(chǎng)方向的目標(biāo)前方與后方,并隨著目標(biāo)的形狀進(jìn)行調(diào)整,其中磁感應(yīng)強(qiáng)度最高的點(diǎn)一般出現(xiàn)在目標(biāo)表面凸起的地方。低磁場(chǎng)區(qū)則出現(xiàn)在垂直于磁場(chǎng)方向的目標(biāo)側(cè)邊,同樣隨著目標(biāo)形狀進(jìn)行調(diào)整。

圖16 夾角0°與180°仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比圖

由圖16可知,當(dāng)目標(biāo)朝向與地理北南夾角為0°與180°時(shí),實(shí)驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果在大體趨勢(shì)上是相互對(duì)應(yīng)的,其幅值與波形位置則有一些細(xì)微差距,主要是由于環(huán)境因素、推車(chē)鐵磁物質(zhì)及實(shí)驗(yàn)操作誤差等因素共同導(dǎo)致,可驗(yàn)證仿真及實(shí)驗(yàn)獲得規(guī)律的可信性。

3 結(jié)論

對(duì)隱埋式彈藥彈體磁屏蔽特性進(jìn)行了仿真研究,并得出以下結(jié)論:

1) 彈體磁屏蔽效應(yīng)隨其材質(zhì)磁導(dǎo)率增加而增加,若保證彈體自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,彈體材質(zhì)應(yīng)使用45鋼,其全屏蔽系數(shù)約為9.52,對(duì)磁探測(cè)造成較大影響。

2) 若通過(guò)彈體開(kāi)孔減弱彈體磁屏蔽,彈體開(kāi)孔直徑應(yīng)在20 mm以上;開(kāi)孔朝向與地磁場(chǎng)方向的夾角大小對(duì)磁屏蔽效應(yīng)影響較大。

3) 不同速度下的目標(biāo),其磁感應(yīng)強(qiáng)度僅與其所處位置,即彈目距離有關(guān),目標(biāo)速度的不同僅導(dǎo)致了彈體開(kāi)孔處磁感應(yīng)強(qiáng)度變化的斜率不同。

4) 目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)朝向?qū)δ繕?biāo)磁特征信號(hào)的斜率、幅值、及波形均產(chǎn)生較大影響,其中地磁場(chǎng)在垂直方向上的分量隨目標(biāo)接近磁感應(yīng)強(qiáng)度絕對(duì)值變化更大,更適合作為目標(biāo)識(shí)別的判據(jù)。