中国指挥与控制学会会刊 
在反潜战中,航空反潜以其速度快、机动性强、搜索效率高、受敌潜艇威胁小等优点受到世界各国海军的重视[1-2],成为搜潜、对潜定位、攻潜的一种重要手段。对于潜航状态的潜艇,其主要探测手段是声呐和磁探仪[3⇓-5],声呐由于探测距离远、定位精度低,一般用于大范围搜寻目标,最后的精确定位和目标识别则由磁探仪完成。由于磁探仪具有定位精度高,隐蔽性好,连续搜索,使用简单等优点,在航空反潜中发挥着越来越重要的作用。
目前国内外的磁探仪大都采用反潜巡逻机搭载的形式,其核心部件为光泵磁力仪[6-7],探测精度可达0.1 nT以上,对于中型潜艇的探测距离可达几百米。国内外关于航空磁探潜的研究较多,主要集中在磁探测模型分析[8⇓-10]、探测概率计算[11]、磁探仪系统设计[5]等方面,对航空磁探潜技术的研究都有一定的参考意义。航空磁探潜的效能与磁探飞机和潜艇之间的运动态势密切相关,飞机的飞行情况、潜艇的运动情况等都会影响磁探潜的效果。一些学者对相关问题进行了研究,文献[12⇓-14]分别从飞机航向、潜艇航向和潜艇磁矩等方面分析了各因素对磁探潜性能的影响,并得出了一些可供参考的仿真结果。但这些研究仅从某一个方面进行了分析,通过求解所设条件下的磁场分布曲线或探测曲线,获得了一些磁探潜的指导性结论,而某种态势条件下的磁探测区域没有直观显示,其探测规律的内在发掘存在不足,对实际航空磁探战术运用或潜艇规避的综合指导不够。基于上述问题,作者提出空中磁探包线的概念,试图通过对一定态势条件下空中磁探包线的直观显示和分析,综合变换潜艇航向、磁矩构成、纬度等态势条件,研究潜艇空中磁探包线分布特征,寻找磁探潜技术运用及潜艇规避规律,为在实际空中磁对抗中占得先机提供理论参考。
1 理论基础
1.1 潜艇磁场信号模型
潜艇的磁场有近场磁场和远场磁场之分[15],根据等效源原理,潜艇近场磁场可用一系列磁偶极子产生磁场的叠加表示,随着距离的增加,远场磁场可用单个磁偶极子磁场等效。无论近场磁场还是远场磁场,磁偶极子都是等效磁源的基本单元。直角坐标系下,单个磁偶极子产生的磁场可表示为
=
其中,r= ,Bx,By,Bz分别为磁偶极子磁场磁感应强度的三个分量,Mx、My、Mz为磁偶极子磁矩的三个分量。
由式(1)可以分别计算各等效磁偶极子磁场,然后叠加得到潜艇近场磁场,远场磁场则可由式(1)直接计算得到。需要注意的是,潜艇远场磁场也可由磁偶极子阵列等效计算得到,但其近场磁场则不能由单个磁偶极子等效计算获得。式(1)的单个磁偶极子磁场模型是航空磁探潜研究中常用的潜艇磁场信号模型。
1.2 磁探仪探测信号模型
研究磁探潜模型时,首先要将潜艇上方空中三分量磁场转换为光泵磁探仪测量得到的总量磁场信号,设θ为磁北方向到潜艇航向的逆时针角度(潜艇航向角),将潜艇的三分量磁感应强度投影到地磁场方向,则潜艇磁感应强度的水平分量Bh和垂直分量Bv的形式为
设γ为探测场点处的地磁倾角,沿地磁场方向的单位磁场向量为(cos γ,sin γ),则潜艇磁场的光泵测量值为
B=Bhcos γ+B vsin γ
由式(1)、式(2)、式(3)可得潜艇磁场的光泵测量信号表达为
B= {[(3x2-r2)cos γcos θ+3xycos γsin θ+3xzsin γ]M x+[3xycos γcos θ+(3y 2-r2)cos γsin θ+3yzsin γ]M y+[3xzcos γcos θ+3yzcos γsin θ+(3z 2-r2)sin γ]M z}
式(4)即为航空磁探仪的探测信号模型,本文所做研究即以此为基础。
1.3 空中磁探包线
在航空磁探潜这种反潜飞机与潜艇的磁对抗中,一定条件下潜艇上方异常磁场的分布是一定的,反潜飞机根据飞行高度和磁探仪精度,在潜艇上方一定范围内能够探测到异常磁信号,该范围就是反潜飞机在空中某高度的有效探测区域,其边界包络线可称为空中磁探包线。因此空中磁探包线可定义为,在一定的磁探仪探测精度下,飞机在潜艇上方某一高度能探测到潜艇磁异常信号区域的包络线。
飞机在空中磁探包线内穿过时,将能够探测到潜艇磁异常信号,进而对目标进行识别和定位,并实施攻击。空中磁探包线可直观地显示某高度有效探测区域的大小,也体现了潜艇对抗空中磁探的能力。按照常规理解,潜艇磁场随高度而衰减,其空中磁探包线区域应该单调收缩递减,最后在某高度消失(如图2 所示),但实际探测中是否严格意义上的递减,是本文研究的一个问题。
2 仿真研究
反潜飞机采用光泵磁探仪探测潜艇时,空中磁探包线会随潜艇的航向、磁矩构成、所处纬度及探测高度等发生变化,本节试图通过仿真研究,揭示其中的一般规律。
1)仿真条件设定
磁源设定:仿真研究中潜艇目标磁源用磁偶极子阵列模型[16]代替,选用5个磁偶极子的阵列作为等效磁源,磁矩参数参照某型潜艇船模计算得到,包括固定磁矩和感应磁矩。
磁探仪精度:采用一般光泵磁探仪能够达到的探测精度0.2 nT,鉴于本文主要是研究磁探包线分布规律的目的,不考虑探测中的噪声影响。
仿真分析中,以中纬度地区(东海地区)的地磁场为基准地磁场(水平分量33 950 nT,垂直分量34 300 nT),磁探测信号由式(4)得到,通过变换潜艇航向、磁矩构成、所处纬度及探测高度等,研究空中磁探包线的变化,得到其分布规律,为航空磁探潜、潜艇磁对抗中进行规避等提供参考。
按照上述设定条件,可得到潜艇北航向(磁北航向)时300 m高度测量磁场的分布曲面,以及相应的空中磁探包线分布,如图3 所示。
磁场分布图可以直观地揭示一般规律,如由于光泵磁探仪测量信号的原理特点,其测量磁场曲面具有波峰和波谷,潜艇中心位置的投影基本处于波峰和波谷之间。而从磁探包线图中可以看出,在使用光泵磁探仪探测潜艇的情况下,空中磁探包线存在不连续情况,在潜艇南北航向时,沿南北方向探测时,中间会出现信号丢失的现象。从整体来看,南北方向的有效探测长度要大于东西方向的有效探测长度。
2)磁探包线随潜艇航向的变化
将潜艇航向由北航向依次变为西航向、东航向、南航向,其他条件不变,300 m高度的空中磁探包线如图4 所示。
由图4 中可以看出,潜艇位于东西航向和南航向时,磁探包线区域均有所变小,且包线区域中心均偏离潜艇中心上方。由此结果可知,当潜艇遇到反潜飞机进行磁探攻击时,调整航向至东西航向或南航向,可减小被探测到的概率。对于反潜飞机而言,东西方向飞行探测潜艇时,探测到潜艇磁信号的概率要相对大一些,因为大多数情况下,潜艇磁信号在南北方向的跨度要大一些。
3)磁探包线随潜艇磁矩构成的变化
由1)和2)的结果可知,上述分析中潜艇北航向的磁探包线最宽,探测区域最大,因为磁源中纵向固定磁矩主要沿艇首方向(可认为是北航向建造潜艇,纵向固定磁矩沿艇首方向)。假定潜艇为南航向建造,将纵向固定磁矩反向,得到沿艇尾方向的纵向固定磁矩(设固定磁矩最大值大于感应磁矩最大值),其他条件不变。北、西、南、东四个航向,300 m高度平面的磁探包线分布如图5 所示。
潜艇磁矩构成改变后,磁探包线在各航向分布较前述(1)、(2)结果有所变化,南航向磁探包线扩展,北航向收缩,东西航向变化较小,潜艇在南航向时被探测到的概率增大,北航向则明显变小,原因主要是纵向固定磁矩发生了变化。
在潜艇磁矩构成中,纵向固定磁矩一般是磁源的主要构成之一,不同的潜艇会存在方向性差异,而横向固定磁矩则相对较小,垂向磁矩相对固定,不随航向变化,因此,在讨论磁对抗时,主要考虑影响最大的纵向固定磁矩的变化。综合(1)-(3)结果分析可知,为对抗航空磁探,潜艇应首先掌握自身磁矩分布规律,以避开与纵向固定磁矩方向一致的航向(可反方向或东西航向航行)。
4)磁探包线随纬度的变化
纬度变化的影响主要是由于地磁场的不同,使得潜艇感应磁矩和空中磁场分布发生变化,进而引起空中磁探包线分布的变化。各取低纬度地区一处(地磁水平分量40 580 nT,垂直分量3 940 nT)、高纬度地区一处(地磁水平分量15 160 nT,垂直分量53 200 nT),其余条件同(1),分别计算300 m高度的空中磁探包线分布(潜艇北航向),如图6 所示。
通过和(1)的结果(中纬度)对比可知,潜艇在不同纬度地区活动时,其上方空中磁探包线随之变化,但随纬度变化的规律与潜艇本身感应磁矩和固定磁矩的构成比例有关系。就本文仿真所用磁源而言,通过结果比较,各条件不变时,潜艇处于中纬度地区的磁探包线区域相对大些,高纬度和低纬度的磁探包线区域相对较小。主要原因:低纬度时垂向感应磁矩变小,但纵向感应磁矩增加,高纬度时纵向感应磁矩减小,但垂向感应磁矩增加较多,此消彼长,总体磁性变化不大,反而处于中纬度地区时,纵向感应磁矩和垂向感应磁矩均处于中位值时,总体磁性表现较大,更容易被反潜飞机探测到。
5)磁探包线随探测高度的变化
按照1)中所设仿真条件,通过初步计算可知550 m高度时已无法探测到潜艇磁信号,磁探包线面积为0。将探测高度从50 m到550 m间隔50 m变化,分别计算各高度磁探包线面积,磁探包线面积随高度的变化曲线如图7 所示。
由计算结果可以看出,磁探包线并非严格地随高度增加而单调收缩,而是先随高度进行一定程度的“外扩”(200 m高度以内),然后随高度增加逐渐收缩直至消失。通过不同情况的仿真分析计算可知,一般潜艇上方250 m以内高度空间,空中磁探包线存在“外扩”现象,250 m以上空间才单调收缩。
3 结束语
在航空磁探潜中,空中磁探包线能够反映一定条件下的磁对抗态势,可作为研究航空磁探潜的一种直观有效方法。反潜飞机在磁探包线内穿越飞行,可以获得有效接触信号,进而完成探测、识别、跟踪及攻潜等过程,在磁探包线外飞行,则无法探测到潜艇。潜艇可根据自身磁探包线,调整规避策略,降低被发现的概率。通过本文仿真研究,可以得到以下结论:
1)空中磁探包线可直观反映一定态势条件下反潜飞机的有效探测区域,也能反映潜艇对抗航空磁探能力的强弱;
2)反潜飞机探测潜艇时,沿东西方向飞行探测概率要相对大一些;
3)在一定条件下,潜艇东西航向的磁探包线较南北航向的磁探包线要窄,东西航向航行被探测到的概率相对要小;
4)战时潜艇应掌握自身磁矩构成情况,可利用纵向固定磁矩的方向变化调整航向,减小磁探包线面积,降低被发现的概率;
5)磁探包线随纬度的变化规律与潜艇本身感应磁矩和固定磁矩的构成比例有关;
6)磁探包线并非随高度增加单调收缩,250 m高度以内存在“外扩”现象,250 m以上随高度增加逐渐收缩到零。
下一步将在本文基础上开展不同对抗条件下的航空反潜效能评估研究,并结合开展反潜手段运用、反潜战法研究等。