董 鵬，孫 哲，鄒念洋，李岳陽

(1. 海軍研究院，北京 100161；2. 中國船舶重工集團有限公司，北京 100097；3. 中國船舶重工集團公司第七一四研究所，北京 100101)

0 引 言

潛艇是一個具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的龐大鐵磁體。這種由強磁性材料所構(gòu)成的鋼殼艦艇，建造和航行在地磁場中，受到地磁場的磁化，使?jié)撏е車a(chǎn)生了艦艇磁場，這種艦艇磁場和地磁場同時存在，在局部空間形成了疊加于地磁場的附加磁場。這樣便使本來均勻分布的地磁場，在船體附近的局部空間產(chǎn)生了畸變，形成艦艇磁場。

潛艇磁場的構(gòu)成比較復(fù)雜，主要由固定磁場（地磁場，電纜電流和電力電子設(shè)備對艇體的持續(xù)磁化，是一個積累的磁場，不受潛艇的經(jīng)緯度和航態(tài)的影響，占主要成分）、感應(yīng)磁場（某一時刻地磁場對潛艇的磁化，是一個實時的磁場，與潛艇的經(jīng)緯度、航態(tài)有關(guān)，所占比例小于固定磁場）、雜散磁場（艇體凸出的附體的磁場，所占比例極?。┖徒蛔兇艌觯ㄖ芷谶\動的鐵磁體產(chǎn)生，所占比例極?。┙M成。

1 磁探儀技術(shù)原理

從磁場感應(yīng)范圍的角度出發(fā)，可以將磁探儀磁場傳感器分為3類：低強度磁場傳感器、中強度磁場傳感器、高強度磁場傳感器。其中低強度磁場傳感器又稱弱磁測量傳感器，通常被用來探測0.1 nT以下的磁場，是在反潛、反水雷等軍事領(lǐng)域中主要使用的磁傳感器。弱磁探測系統(tǒng)一般由磁探頭模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、信號處理與分析模塊等部分組成，搭載在相應(yīng)的平臺上進行工作。其工作模式一般為，磁探頭模塊接收磁場信號，并將其轉(zhuǎn)換為電信號，數(shù)據(jù)采集模塊將模擬信號數(shù)字化，信號處理與分析模塊對數(shù)字信號進行處理分析，獲得目標(biāo)信息。其中磁探頭模塊中的弱磁傳感器是磁探系統(tǒng)的關(guān)鍵元件。

弱磁傳感器種類繁多，性能和應(yīng)用場合各異，當(dāng)前弱磁測量主要是利用超導(dǎo)效應(yīng)法、磁共振法、磁光效應(yīng)法、磁電阻效應(yīng)法等測量方法，其采用的弱磁傳感器主要有磁通門磁力儀、光泵磁力儀、原子磁力儀、光纖磁力儀、質(zhì)子磁力儀、超導(dǎo)量子干涉儀和磁電阻傳感器，其中光泵磁力儀是目前反潛戰(zhàn)領(lǐng)域主要使用的標(biāo)量磁傳感器。

圖1 艦艇磁性分解圖Fig.1 Ship magnetic signal distribution

2 國外典型磁探儀裝備

美、俄、英、法、德等軍事強國都裝備有先進的磁探儀系統(tǒng)用于反潛作戰(zhàn)。其中美國是最早采用磁探儀探潛的國家，在反潛戰(zhàn)領(lǐng)域磁探儀裝備發(fā)展上有著近百年的歷史，其裝備技術(shù)水平處于世界前列。目前美國研發(fā)的AN/ASQ系列磁探儀裝備及反潛機、反潛直升機廣泛裝備于英國、日本、印度、加拿大、荷蘭、阿根廷、巴西、伊朗、挪威等世界多個國家，其磁探裝備具有一定代表性。

1）AN/ASQ-81（V）磁探儀

①基本情況

AN/ASQ-81（V）磁探儀是一種氦跟蹤式光泵磁探儀，儀器部分主要由探頭和磁共振跟蹤環(huán)路所組成。氦吸收室在1.08 m波長光和去取向射頻場作用下對外磁場產(chǎn)生磁共振吸收效應(yīng)，利用共振環(huán)路使壓控振蕩器跟蹤在外磁場的拉莫爾頻率上，當(dāng)有潛艇異常出現(xiàn)時外磁場發(fā)生變化，壓控振蕩器頻率產(chǎn)生相應(yīng)變化并轉(zhuǎn)換為模擬電壓，經(jīng)帶通濾波器處理后傳給控制臺顯示，從而檢測到潛艇異常。

美國海軍把AN/ASQ-81（V）磁探儀作為整個反潛系統(tǒng)的一個分系統(tǒng)，主要功能是在浮標(biāo)和吊放聲吶探測的基礎(chǔ)上進行被動跟蹤、精確定位和識別。AN/ASQ-81（V）于20世紀(jì)70年代初開始研制，在20世紀(jì)70年代后期和80年代初大量裝備各種反潛飛機。AN/ASQ-81（V）磁探儀裝備在美國海軍P-3C反潛機、SH-60B/F反潛直升機。該磁探儀系統(tǒng)也裝備于日本海上自衛(wèi)隊P-3C反潛機、SH-60J/K反潛直升機。

②戰(zhàn)技性能

AN/ASQ-81（V）有4種配置，其中2種在飛機機架內(nèi)安裝，2種在飛機后拖曳：AN/ASQ-81（V）1和AN/ASQ-81（V）3為固定式磁探儀，安裝于固定翼飛機；AN/ASQ-81（V）2和AN/ASQ-81（V）4為拖曳式磁探儀，利用絞車和拖纜拖體安裝在直升機上。美國海軍使用AN/ASQ-81（V）1安裝在陸基P-3C反潛飛機機身內(nèi)。AN/ASQ-81（V）2為拖曳式磁探儀，裝備在臺灣地區(qū)MD-500反潛直升機。拖曳式AN/ASQ-81（V）4裝備于美國海軍SH-60B“海鷹”直升機，配置24～55 m 長的拖曳電纜，以 18.5～255.3 km/h 的速度提供理論最大探測距離達 1 000 m。AN/ASQ-81（V）1 和AN/ASQ-81（V）3使用DT-323磁探頭，AN/ASQ-81（V）2和AN/ASQ-81（V）4使用安裝在拖曳式機身內(nèi)的TB-623磁探頭。

該系統(tǒng)已經(jīng)升級為在型式、安裝和功能上是可替換的、數(shù)字化版本，采用微處理技術(shù)，以獲得自動飛機補償，并完成所有信號處理和機內(nèi)測試功能。升級版本性能得到提升，能夠去除多達13種專用輔助設(shè)備。

2）AN/ASQ-208（V）先進數(shù)字化磁探儀

①基本情況

AN/ASQ-208（V）是在AN/ASQ-81基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，該系統(tǒng)是基于光激發(fā)亞穩(wěn)態(tài)氦原子的原子特性的原理工作的，探測整個磁場密度的變化。AN/ASQ-208（V）是一種數(shù)字化磁探儀，采用微處理器技術(shù)，能夠?qū)︼w機運動進行補償、進行多通道濾波顯示以及門限處理。系統(tǒng)使用高密度氦探測單元，三通道濾波數(shù)據(jù)，能夠最優(yōu)操控顯示，信號識別性能強。系統(tǒng)可通過1553B數(shù)字接口進行在線控制或通過控制指示單元實現(xiàn)離線控制。為易于集成，系統(tǒng)還有RS-232接口，能夠直接與標(biāo)準(zhǔn)個人計算機連接，進行顯示和數(shù)據(jù)歸檔。

系統(tǒng)有2種配置模式，機內(nèi)安裝模式和拖曳安裝模式。系統(tǒng)配置為可在老式和新型飛機上安裝，兼容AN/ASQ-81（V）型號的使用。系統(tǒng)在型式、安裝和功能上與AN/ASQ-81（V）可替換，去除最多13種專用輔助設(shè)備。系統(tǒng)采用數(shù)字信號處理，與AN/ASQ-81（V）相比，在開放海域的探測能力提升25%，在近海水域的探測能力則提高50%。專用輔助設(shè)備數(shù)量的減少降低了系統(tǒng)初始成本，維護成本也大幅降低。

AN/ASQ-208（V）磁探儀設(shè)計用于探測處于淺水環(huán)境中的小型潛艇，可從固定翼飛機、直升機以及無人機上進行部署。低噪聲傳感器可封裝在浮標(biāo)中，設(shè)計為能夠探測電致發(fā)光鐵電輻射以及靜電偶極子電磁信號特征。該磁探儀技術(shù)能夠提供10倍于傳統(tǒng)諧振磁探儀的探測性能，而且成本相對低廉。

②戰(zhàn)技性能

AN/ASQ-208（V）磁探儀中的磁探測傳感器是固定的，被探測目標(biāo)則是移動的，可用于磁探儀浮標(biāo)、北極反潛戰(zhàn)陣列、淺水水下陣列或岸基監(jiān)視以及先進水雷用傳感器。它能夠?qū)Υ艌鲞M行絕對測量，實現(xiàn)對處于一定速度下的典型目標(biāo)產(chǎn)生的極低頻（1～5 mHz）信號的穩(wěn)定探測。

該磁探儀采用了陣列信號處理技術(shù)，在水下和北極陣測試中實現(xiàn)了對背景噪聲80 dB的抑制效果。每個傳感器單元由2套組件構(gòu)成：基本傳感器和相關(guān)電子配件。傳感器直徑10.16 cm、長25.4 cm，電子遙測外殼直徑12.7 cm、長63.5 cm。傳感器和電子配件以及電池總質(zhì)量 10 kg。

圖2 AN/ASQ-208（V）先進數(shù)字化磁探儀Fig.2 AN/ASQ-208 (V) magnetic anomaly detector

3）AN/ASQ-208（V）先進數(shù)字化磁探儀

①基本情況

AN/ASQ-504（V）先進綜合磁探儀系統(tǒng)（AIMS）由加拿大CAE公司研制，采用內(nèi)置式設(shè)計，是一種設(shè)計用來裝備直升機和固定翼飛機的全自動磁探儀系統(tǒng)，在提高探測效率的同時大大降低操作員的工作量。探測磁頭通常安裝于直升機內(nèi)部，當(dāng)直升機停留在目標(biāo)上方時，能消除拖曳陣聲納探測系統(tǒng)-固有的延遲，真正實現(xiàn)在第一時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。

AN/ASQ-504（V）是一種銫自激式自定向光泵磁探儀，用銫蒸氣作為工作氣體，由高靈敏度探頭、多功能數(shù)字信號處理機和高精度自動磁補償器構(gòu)成，包括1個81 cm長的探頭、1個放大器/計算機、1個向量磁強計和1個控制指示器。臺灣海軍S-2T型反潛機和S-70C（M）1反潛直升機裝備有AN/ASQ-504（V）先進磁探儀。

②戰(zhàn)技性能

AN/ASQ-504（V）磁探儀具備靈敏性和精確性，且操作簡單，可消除飛機產(chǎn)生的干擾場，傳輸連續(xù)的特征識別。提供視覺、聽覺探測警報。它能夠顯示作用距離使操作員來判斷是否在目標(biāo)獲取范圍內(nèi)。

由于采用了計算機自動判斷和處理，檢測概率高、作用距離遠、能進行高精度的自動磁補償，并能在武器投放后6 min內(nèi)對補償進行自動修正。由于AN/ASQ-504（V）系統(tǒng)是單光系探頭，因此有較低的靜態(tài)噪聲和高的靈敏度。它具有多功能的信號處理機，處理由探頭傳輸來的對應(yīng)于外磁場拉莫爾頻率的外磁場信息，并給出潛艇信號和報警信號。在直升機上安裝固定探頭，不需要絞車、拖纜和拖體，因此大大提高了直升機反潛能力。它重量輕，綜合性能好，是一種先進的磁探儀。

表1 ASQ-504（V）先進磁探儀性能列表Tab.1 ASQ-504 (V) magnetic anomaly detector

AIMS消除了拖曳系統(tǒng)自身存在的不足，允許高速監(jiān)視和機動，因此增加了巡邏范圍，提高了探測能力并降低了虛警率。當(dāng)與吊放聲吶一起使用時，能夠很快很好地從一個系統(tǒng)切換到另一個系統(tǒng)。AMIS重26.3 kg，由1個0.005 nT的光驅(qū)動磁探儀、1個矢量磁探儀、1個放大器計算機以及1個光控指示器組成。系統(tǒng)由單相位、115 V、400 Hz電源供電。AIMS系統(tǒng)靈活，即可單獨運行，也可通過1 553 B數(shù)據(jù)總線接受并執(zhí)行來自通用控制/顯示單元的命令。

4）AN/ASQ-233（V）磁探儀

AN/ASQ-233數(shù)字化磁探儀設(shè)備（DMAD）是1個設(shè)計為MQ-8B無人機和反潛戰(zhàn)直升機裝備的先進激光泵氦磁探儀。AN/ASQ-233適合在固定翼飛機或者直升機上部署。

AN/ASQ-233數(shù)字化磁探儀設(shè)備（DMAD）系統(tǒng)由2種武器可更換組件（WRAs）組成。

傳感器：配有電子和激光組件的多軸換算器和重力梯度磁力計。傳感器使用由控制和顯示設(shè)備所提供的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，自動對飛機飛行所產(chǎn)生的此信號進行補償修正。

控制/顯示設(shè)備：用以控制DMAD模式和潛艇。控制/顯示設(shè)備接收原始的和補償?shù)拇艛?shù)據(jù)，對磁異常探測進行處理，規(guī)范化顯示、存儲和數(shù)據(jù)處理。該處理過程也能夠顯示極低頻信號。

5）AN/ASQ-508（V）先進磁探儀

AN/ASQ-508（V）系統(tǒng)被稱磁異常探測系統(tǒng)（MAD）由加拿大CAE公司研制，部署在美國海軍P-3，SH-60，SH-2直升機上。該系統(tǒng)由一個高靈敏度磁力計組成，能夠感知因金屬目標(biāo)移動而造成的地磁場變化，安裝于飛機尾部以最小化磁干擾，磁異常探測范圍并不確定，但通?？梢詸z測到1 200 m。MAD系統(tǒng)被用在反潛戰(zhàn)（ASW）的飛機上，包括固定翼和旋轉(zhuǎn)翼飛機，也被使用主動探測的潛艇。

CAE公司目前正在開發(fā)一種新型軟件，可對側(cè)面和垂直分開的潛艇進行探測，能夠?qū)︼w機戰(zhàn)術(shù)飛行路徑進行優(yōu)化，更好地對目標(biāo)定位和探測。系統(tǒng)采用大帶寬頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)，降低了較高頻率情況下的背景噪聲，因此，具有更好的探測能力和潛艇信號特征的潛在分類能力。其先進綜合磁探儀系統(tǒng)（AIMS）就是一個完全集成探頭、放大器計算機、磁力計裝置的MAD系統(tǒng)。AIMS系統(tǒng)也可以包括一個數(shù)字記錄和顯示單元（DRDU）。

探頭：使用一個傳感器監(jiān)視地磁場并探測由磁異常所引起的變化。

放大器計算機：為系統(tǒng)運行提供所有的接口技術(shù)和電力。該單元進行信息收集、補償校正、檢波過程并提交數(shù)字輸出。

磁力計裝置：監(jiān)視地磁場相對于飛機位置的橫向、縱向、垂向向量并定向補償飛機操縱。

圖3 AN/ASQ-504（V）磁探儀裝入 CP-140 海上巡邏機Fig.3 CP-140 maritime patrol aircraft equipped with AN/ASQ-504 (V) magnetic anomaly detector

3 發(fā)展趨勢

1）發(fā)展新型磁探儀裝備，有望改變反潛戰(zhàn)現(xiàn)狀

2009年美國海軍研究實驗室正式立項研究德拜效應(yīng)，探索將其用于反潛的可行性。隨后美海軍研究實驗室宣布潛艇尾流、航行時產(chǎn)生的水下擾動、舵面產(chǎn)生的微型漩渦都能形成德拜效應(yīng)，德拜效應(yīng)在反潛領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。目前，美海軍德拜效應(yīng)研究仍處于實驗室階段，未來計劃引入超導(dǎo)以及量子領(lǐng)域的研究成果，以實現(xiàn)對微弱磁信號探測。

德拜效應(yīng)磁探儀一旦實現(xiàn)對微弱信號的大范圍搜索，將對水下戰(zhàn)裝備產(chǎn)生深刻影響。由于德拜效應(yīng)只和潛艇周邊水的受迫運動有關(guān)，將使當(dāng)前潛艇采取的低磁材料、臨時線圈消磁、固定繞組消磁統(tǒng)等消磁措施失效，為降低德拜效應(yīng)，未來潛艇可能在艇型及推進方面進行改進。

2）研究無人系統(tǒng)航磁測量技術(shù)，拓展反潛作戰(zhàn)模式

無人系統(tǒng)具有操作簡單、成本低廉、隱蔽性好等突出優(yōu)點，在反潛作戰(zhàn)中使用無人系統(tǒng)探潛可有效補充載人探潛平臺，提升掃海作業(yè)效率。早在21世紀(jì)初，國外就開展了無人系統(tǒng)航磁測量相關(guān)研究。2009年美國海軍在波音公司“掃描鷹”無人機上裝備磁異常探測儀，用于低空探潛艇試驗；同年美國DARPA提出“海獵人”反潛無人艇（ACTUV）研制計劃，該無人艇搭載磁力計陣、聲吶等探潛設(shè)備，可航磁探測并跟蹤敵方潛艇。該無人艇已于2016年4月下水，并開展了海試。

無人系統(tǒng)是目前水下戰(zhàn)領(lǐng)域發(fā)展熱點，為加強無人系統(tǒng)反潛作戰(zhàn)能力，各軍事強國圍繞磁力測量系統(tǒng)的小型化與模塊化、遠距離測控與大信息傳輸、無人系統(tǒng)本機電磁干擾等方面開展研究攻關(guān)，以使無人機、無人潛航器等中小型無人系統(tǒng)搭載磁探設(shè)備，拓展反潛作戰(zhàn)手段。