水下磁异常探测

基于水下磁异常的潜艇探测技术0简介目前，用声音信号检测水面下的人工物体成为最广泛使用的手段。但是，由于复杂的海洋环境，声纳的灵敏度有一定的限制，水下磁场检测技术具有像“声域”这样的自身限制，这是近年来随着磁传感器测量精度的提高而新兴的目标磁检测技术。电磁波在水中以极高的速度衰减，但是随着减噪技术的发展，磁测量定位被广泛用于准确估计磁铁和探针之间的相对位置，从磁铁不同的位置获取准确的磁场信息，磁检测技术在军事设施中可能侵犯保护区域的磁目标(坦克、潜艇、导弹等)的检测。因此，进行了水下目标磁探测研究，基于水下大型目标磁场的远场分布特性，建立了目标磁场分布的探测模型，进行了水下大型目标的远场探测，快速准确地判断目标物体的类型，其方向和位置选择成为现代海战中的决定性关键。1水下目标磁异常检测原理磁检测技术是声纳中比较早发展和技术成熟的多种检测方法，与声纳相比，识别能力高，操作时间短，定位精度高，成本低。海洋磁探测是叠加在海洋磁背景场上搜索海洋磁背景场明显扭曲的水下磁探测体的最有效的手段之一，通过改变位置周围空间的地磁场分布，可以产生磁场异常信号，测试和处理与磁不同的信号，从而获得反映磁目标的探测信息，其物理依据是包含铁磁物质的物体改变位置周围空间的地磁场分布，从而产生磁场异常信号。其原理如图1所示。图1磁异常现象图可以看到磁异常场和地磁场相关的基于磁信号的目标磁检测技术。对磁目标的检测信息的提取都是通过对磁不同信号的测量，以地磁场(几乎均匀的场)为背景提取的。2水下磁异常检测研究现状2.1潜艇磁场模型的建立分析目标的磁特性，就能正确确定磁异常检测系统的目标，可用于水下目标检测的磁场主要有四种。第一种是水下潜艇通常由不同的金属组成，在不同的金属之间产生电化学腐蚀电流而产生的感应电磁场，以及由电流阴极保护系统(ICCP)产生的电磁场(CRE和CRM)，以防止海水腐蚀金属。二是与螺旋桨扰动腐蚀相关的轴频电磁场。第三是船舶的各种机械和电气设备由向海水泄漏的电流产生的工频电磁场；第四是水下目标铁磁金属结构的剩余磁场和感应磁场。合理的目标模型可以通过磁感应磁场的分布特性确定目标类型、大小和位置。目前潜艇磁场建模主要有两种方法。一是根据阴极保护系统参数计算潜艇表面电位分布，二是利用电偶极子阵列和观测数据进行模拟。英国一家公司已经根据最初的方法组合边界元素法开发了潜艇建模软件Beasy1。加拿大戴维斯用第二种方法对加拿大海军舰艇的水下磁场进行了建模和预测，并对实测数据和预测数据进行了比较验证，证实了该方法的可行性。加拿大戴维斯成功地开发了活动轴接地系统，以降低船舶极低频电磁场。俄罗斯也以同样的目的为基础，开发了绝缘工艺和电磁场补偿手段，降低了自身产生的磁场。张奇2有限元法在潜艇磁场计算中的应用；雄罗3等计算了螺旋桨切割地磁场所产生的涡流电磁场，给出了涡流电磁场的空间分布。姚振宁4等结合边界元法和磁铁模拟方法，进行了磁目标影响下船舶磁场建模，并对该方法进行了实验验证。雷伊5等具有探测到的潜艇的特定数据，通过磁场模拟计算，提出潜艇磁场的空间分布特性。陈cong 6等人提出，电偶极利用从头到尾连接的电流线模拟潜艇磁场，分布特征明显。Quxiao hui 7主要对潜艇磁场建模，包括磁偶极模型、均匀磁化的旋转椭球模型、均匀磁化的旋转椭球和磁偶极阵列混合模型，并提出了每种方法的应用范围。德忠等用物理光学方法分析了船舶尾迹的RCS，发现船舶尾迹的RCS分布广泛，具有规律性。罗光程和周家信9，10等使用元素间多维随机变量生成算法，生成水下潜艇的现有轨迹，并验证产生的虚拟轨迹和实际轨迹。为了提高航空磁探测中潜艇磁场模型的精度，详细分析了各种潜艇磁场建模方法。2.2背景磁场分析和信号降噪在海洋内部，影响磁场特性的因素很多，因此，研究海洋多种运动形式产生的磁场可以获得海洋背景磁场的分布规律，为水下探测潜艇等目标识别技术提供海洋背景磁场，并提供了将目标磁场与背景磁场分离，分析目标类型和位置的理论依据，同时，水下目标磁探测可能会受到海洋电磁噪声的一定限制，因此研究海水运动产生的背景噪声磁场将有助于消除对水下探测精度的影响。图2是水下目标的干涉磁场配置。图2水下目标干扰磁场组成海洋海水中富含多种盐类，含有大量电离子，导电性能好，大致可视为导体。20世纪中期，各国物理学家开始研究海水运动引起电磁场的机制，并开发各种测试仪器。阎小威11等研究了波诱导磁场矢量模型，分析了三分量波磁感应磁场的时域、频域和空间分布特性。给出了基于熊雄12等海浪海谱模型的快速模拟算法，在许多海浪计算中提高了计算速度。Hennings I和Yue R13，14等将洋流看作是周期变化缓慢的长周期模型，推导了流向海洋的流中任意两点的电位差以及海流磁感应磁场的空间分布特性。诱导洋流产生的磁场的方程，如米尔福德G15，以及海流磁感应磁场的空间分布特性。基于韦一文16等Kd V方程，建立了内波传播模型，计算了内波存在对大电磁散射特性的影响，分析了不同内波参数对不同海条件下海面散射和多普勒的影响。2.3磁勘探设备除声场外，水下电磁场是潜艇最重要的目标特性，由于海洋系统复杂的磁场特性和水下环境中地磁强度衰减特性，水下磁异常检测需要高性能水下磁场传感器，尤其是低频(100mHz至1kHz)磁场传感器。低频磁异常检测技术检测潜艇极低频电磁场的特性，着重研究低频交变磁场特性，如轴频磁场和尾流磁场。在这个频段上，船舶的水下电磁场明显，传播距离很远。对于磁探测设备来说，随着高精度海洋磁力仪的研究和开发，磁探测能力有了很大提高，从1933年世界上第一个磁通门磁力仪到目前广泛使用的光泵磁力仪，海洋磁场探测器的测量精度、灵敏度、取样速度、稳定性都有了很大提高，海洋磁力仪阵列的出现，海洋磁场探测能力也有了很大提高。通常，海洋质子旋进磁力仪可以获得0.1n T灵敏度，新型光泵磁力仪可以获得0.001n T灵敏度，超导磁力仪可以获得0.0001n T灵敏度17，18，19。超导量子干涉磁力仪是迄今为止磁场灵敏度最高的测量，其灵敏度达到10-5-10-6 nt。Blakely R J等20开发了由磁异常或其他局部本身产生的异常磁矢量测量系统。磁力仪必须在磁噪声源附近工作，因此磁力仪磁力仪形成的磁力仪体积小，功率低，灵敏度相对高。Pei Y H21等开发了具有集成磁测斜仪的小型无人探测潜航机，实测也取得了比较理想的结果。2012年，中国船舶重工集团715研究所开发了RS-YGB6A海洋光泵磁力仪，分辨率达0.001nT，范围35000 70000nT，工作性能稳定，广泛应用于管道检测、水下障碍物调查等海洋工程。2014年，发现RS-HC3海洋张量磁梯度装置的系统动态范围为100T22。研究了类星体23等薄膜线圈地磁传感器和磁阻传感器的姿态测量原理，设计了基于磁阻传感器的高速动能弹性姿态测试系统。姚雨林24等针对影响发射体残余磁和伺服干扰等地磁传感器精确测量的诸多因素，设计了抗干扰地磁磁测量系统。该系统主要通过滤除发射体残余磁力引起的地磁传感器输出的直流偏置和衰减通过带以外的感应磁场多频信号，达到了抗干扰目的，并对基于光敏装置和太阳方位角的绝对滚角测量系统和设计的抗干扰系统进行了测试，验证了抗干扰系统的有效性。基于Wang Y25等巨磁效应，设计了具有极低等效磁噪声的压电光纤磁电磁场传感器，低频时52Vcm0908081 Oe0908081，1Hz等效磁噪声为5.1pt Hz 09080881/2，磁场灵敏度为10nT。Deans C26等设计了22阵列RF原子磁力仪。在空气和盐水中演示了导电非磁性目标的主动探测、定位和实时跟踪。传感器的灵敏度和可调节性，以及磁感应传感器主动工作，可以在各种介质中渗透和检测。自动检测成功率为100%，在空气和水中自动定位的成功率为93%，在传感器平面(水下100毫米)上最高为190毫米。3发展趋势海洋磁测量在军事海洋工程和其他海洋工程应用中具有不可替代的作用，从传统的船舶拖放过渡到小型无人潜水器AUV，实现了更高效、更方便的水下地磁异常测量。小型化、智能化、整合、节能和环境保护4结束语本文阐述了基于水下磁异常的潜艇检测技术的原理，总结了水下目标磁场模型、背景磁场分析和信号降噪、磁探测设备三种关键技术的国内外研究现状，并为水下磁异常检测技术的实际应用提供了技术参考。5参考资料1高俊吉、犹名、姚琼辉、等。用边界圆法估算潜艇空间磁场的试验检验J。兵工学报，2006，27 (5) 3336869-872。2张智、范梦春、陈文香等。潜艇磁化场的有限元方法研究J。船舶科学技术，2009，31 (1) :575-78。3熊鲁、比索普、张家威。船舶金属螺旋桨旋转产生的涡流电场模型J。检测和控制日志，2016，38(2):57-59。4姚金宁、刘大明、周国华等。磁目标干涉下的舰船磁场建模J。哈尔滨工业大学学报，2014(1):53-57。5雷伊，王林。潜艇磁场模拟计算技术应用研究J。船舶电气技术，2016，36 (8) 333665-67。6陈聪、魏勇、姚路鹏、等人。电流线等效潜艇磁场估算与仿真J。电子和信息日志，2015，37 (2) :11-467。7曲孝惠，杨一杰，段超。潜艇磁场建模方法分析与比较J。船舶科学技术，2011，33(3):7-11。8杜忠、杨威、齐智。潜艇内波建模中的电磁散射分析J。电子品质，2013 (10) 33363678-82。9罗光城、金鼎、超津郡、等。反潜作战中潜艇水下运动模型建模与仿真J。航空武器，2013 (6) :149-52。10周家信、陈建勇、单智超等。航空磁探测潜艇磁场建模方法分析J。海军航空工程学院学报，2017，32 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