深海殺手的「剋星」——磁場探測技術在海戰場中的應用

戰略級核潛艇不僅續航力大，潛深大，隱蔽性強，而且裝備有先進的作戰系統、魚雷、水雷及可在水下發射的遠程攻擊武器，是名副其實的深海殺手。隨著潛艇性能的不斷提升，現代潛艇的自雜訊越來越小，發現潛艇變得越來越困難。磁異測量系統(Magnetic Anomaly Dection System，MAD)是反潛作戰中用以鑒別目標性質的重要設備。鐵質為主的潛艇在航行時不可避免地會引起磁場變化，利用磁異測量系統可以測定潛艇在水下活動時引起的上空地磁場變化，從而對目標性質進行鑒別，這種鑒別技術在反潛作戰中十分重要。

磁異探潛是一項古老而充滿活力的技術。MAD用於目標探測始於20世紀40年代，發展至目前美軍P-3C和P-8A「海神」反潛偵察機，該系統已成為機載反潛戰平台的必備探測手段。磁異探潛技術非常有效，以至於前蘇聯為對抗MAD而使用不含鐵的鈦合金來建造部分潛艇的殼體。隨著數字化磁圖和更高靈敏度磁力儀的出現，磁異探潛技術得到了進一步地發展，其探測性能將大大提高。

圖1 P-3C反潛巡邏機

圖2 MAD中核心設備（P-2000 激光氦光泵磁力儀）

1 磁異探潛的原理

地磁場在小範圍內可看作大小相等方向相同的均勻場，鐵磁物體的存在局部改變了地磁場的正常分布，進而引起的磁異常是決定磁性探測原理的基本條件。這種磁異常不受空氣、海水、泥砂等介質的影響，對磁性探測呈現「透明」特性，使得磁異探測具有不同於聲、電等設備的鮮明特徵。磁異探測能連續、快速地測量地磁場及其微小變化，可在較大磁梯度環境下正常工作，準確檢測出鐵磁物質所引起的磁異常。

圖3 MAD磁異探測示意圖

2磁異探潛的技術分析

潛艇模型

常用的潛艇磁場模型有均勻磁化旋轉橢球體模型、均勻磁化旋轉橢球體陣列模型、磁偶極子模型、磁偶極子陣列模型、旋轉橢球體與磁偶極子混合陣列模型等。水下磁探測信號的極值點位置由地磁傾角和水深決定。地磁傾角的變化是非常緩慢的，在一個相當的範圍內可認為地磁傾角是一致的。這樣，磁探測信號曲線的極值點位置主要由水深決定。由於磁探測信號的這些極值點在確定水下目標的位置中具有特別重要的作用，磁探測工作的重點為精確找到這些磁探測特徵點。

高靈敏度磁感測器

由於潛艇導致的磁異常非常微弱，需要高靈敏度的磁場感測器。光泵磁探儀是一種總場磁探儀，可連續、自動測量外磁場及其微小變化。它無零點漂移、無須嚴格定向，對周圍磁場梯度要求不嚴，因此，在海洋磁探測中使用廣泛。

以美國、加拿大、俄羅斯為代表的海軍強國均在反潛巡邏機上裝配MAD，美國Polatomic公司研製的P-2000型光泵磁力儀採用激光光源，雜訊水平低於0.1pT/Hz1/2，探測距離可達1~1.5km。加拿大的CAE公司專註於銫光泵磁力儀及研製，其代表產品為AN/ASQ-508(V) 型MAD系統。在商用產品方面，美國Scintrex公司生產的CS-3型銫光泵航空磁力儀、加拿大GEM公司生產的GSMP-35A型鉀光泵航空磁力儀和美國 Geometrics的 G-824A型銫光泵航空磁力儀佔據了全球90%以上的市場。

圖4 進口商用航空磁力儀

出於軍事實力保護等需要，高靈敏度磁力儀在西方發達國家被列為禁止出口對象。因此，擁有自己的弱磁探測核心技術和自主研發的高性能磁力儀迫在眉睫。我國國土資源航空物探遙感中心、杭州瑞聲海洋儀器有限公司和航天13所等單位研製了用於航空磁測的光泵磁力儀，具備了發展MAD系統的技術基礎。

圖5 國產航空磁力儀

航磁補償與目標定位演算法

對於航空測量來說,在磁力異常探測(MAD)頻帶內(0.04Hz到0.4Hz),除了磁力儀本身的雜訊外,還有搭載平台(飛機、直升機)和環境雜訊。要增大MAD的探測距離,一方面要提高磁力儀的靈敏度,另一方面要相應地降低和補償平台(飛機、直升機)和環境引起的磁雜訊。有了性能優異的磁力儀、相應的降低測量平台和環境雜訊的方法手段以及探測潛艇的演算法,就可從空中偵察到潛艇的存在並精確定位。

3展望

目前，美國、加拿大、日本等國家已經在反潛巡邏機上裝備MAD系統，並經受了戰場環境的考驗。我國在這一領域起步較晚，但研究進展較快，北京大學、清華大學、浙江大學、吉林大學紛紛開展高靈敏度磁力儀的研發，國土資源航空物探遙感中心、杭州瑞聲海洋儀器有限公司和航天13所等單位已完成光泵磁力儀的研製，磁力儀的探測靈敏度由早期的10nT量級逐步提高到了pT量級，甚至在弱磁環境下某些磁力儀能夠提供更高靈敏度，趨近fT量級，這就為探測距離更遠、更微弱的目標信號提供了可能。在不久的將來，MAD將成為海戰場上反潛機動作戰的堅固防線，令潛艇這一來自深海的殺手無所遁形。

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