水下电磁探测的发展趋势与展望论文_水下电磁探测的发展趋势与展望

传统的水下探测方法是声学探测技术，包括被动声学探测和主动声学探测。主动声探测具有探测目标长、功耗高、易暴露的特点，被动声探测具有探测距离有限、功耗低、隐蔽性强的特点。随着减振降噪技术的使用，水下目标的辐射噪声水平大大降低，由于声线弯曲和声混响等自然条件的制约，被动声探测的难度逐渐显现。为了提高水下目标的探测能力，迫切需要研究光、电、磁、红外、热尾流、地震波、压力场、重力场等非声探测技术。与声场和其他非声物理场相比，水下电磁场是水下目标的重要暴露源。国内外研究表明，舰船电磁场是一种可用于探测和识别目标的信号源。舰船磁场主要分为：稳恒磁场(铁磁磁场、感应磁场、涡流磁场)和交变磁场(轴频磁场、电磁设备辐射产生的磁场)。电场主要分为：稳态电场(与腐蚀有关的静电场、感应电场)和交变电场(轴频电场、工频电场、电磁设备辐射产生的电场等。).

水下电磁探测具有不受水文气象条件限制、探测性能稳定可靠、隐蔽性强、识别能力强、定位精度高等优点。它不仅可以应用于水下远距离探测，还可以应用于目标信号定位和识别。上世纪90年代，美国将电磁探测列为继声场探测之后的又一优先技术，作为声学探测的有效补充。近年来，世界各国的军事和研究机构都掀起了水下电磁探测的研究浪潮。

一、国外水下电磁探测研究现状

1.水下电磁探测系统的研究现状

早在第二次世界大战时，就出现了由磁信号操纵的磁引信。除了磁场探测，上世纪50年代，苏联陆续装备了锚雷非触发电场引信：、、2。20世纪60年代初，美加两国海军利用冰山架设电场探测电极，配合卫星定位系统搜寻航行在白令海峡的苏联潜艇，成功搜寻到“泰萨拉”号核潜艇的位置。20世纪60年代末，苏联成功研制出电磁海封控制系统，用于海湾或海岸军事要塞的安全警戒。20世纪70年代末，美国在得克萨斯州外的科珀斯克里斯蒂海峡测量了该舰的轴频电磁场，并在距离目标1.6公里处成功探测到该舰信号。通过匹配滤波技术，探测距离可达5公里。苏联测量了潜艇经过时内波切割地磁场产生的感应电场。结果表明，内波产生的感应电场可达几十V/m量级，信号周期约为600s.

80年代初，美国利用电场探测系统成功探测到了距离目标10km的电流源信号(信号源强度为1000A m)。苏联VNIIOFI研究所研制的Anagram水下预警系统(包括240个电极，两个电极之间的距离为250m，可以布置在沿岸100km范围内)，用于探测和跟踪潜艇和舰船信号，同时可以探测潜艇的下潜深度。进入90年代后，水下低频电磁探测技术有了新的进展。例如，美国学者研究了潜艇和舰船航行时尾流产生的感应电磁场，得出了尾流感响应电磁场传播距离长，slo

21世纪初，西班牙SAES公司开发了SIDS多物理场海洋预警系统，主要用于基于声、电场信号的重要港口水下预警。21世纪，美国研制成功水下电磁探测浮标(频率范围0.5 ~ 30 Hz)。作为声学探测的补充，该探测浮标解决了海洋环境中电磁噪声对探测系统的影响，可探测浮标周围800 ~ 2000 m范围内的潜艇目标。值得注意的是，日本也在大力投入水下电磁探测技术相关的研究。

目前，美、俄等国已经研制并安装了用于探测和攻击的潜艇预警监测网络，包括电节点和磁节点，如艾森豪威尔潜艇高速观测网、电磁封海系统、STL水下预警系统等世界各国水下电磁探测相关的阵列如表1所示。可以看出，目前海外水下监测网络非常发达，预警探测系统多种多样，探测目标的信息源涵盖声场、电磁场、磁场等各种物理场。

表1国外水下电磁探测相关系统

电磁场测量技术的现状

利用电场和磁场探测水下目标信号需要建立在精确测量的基础上。在海洋电场测量中，主要采用碳纤维电极和Ag/AgCl电极作为电场传感器，其中Ag/AgCl电极应用最为广泛。美国ISL公司、英国UltraElectronicsPMES公司、德国LudwigSystemtechnik公司、瑞典PolyampAB公司和西班牙SAES公司生产的Ag/Ag Cl电极具有低噪音、高稳定性的显著特点。截至2015年，国外典型海洋电场传感器技术水平汇总如表2所示。

表2海洋电场传感器性能列表

前置放大器的噪声水平直接影响测量系统的噪声。国外早期在海洋环境电场测量中，采用斩波放大器来降低前置放大器在低频段的噪声。20世纪80年代以来，随着低噪声差分放大器和仪表放大器的出现，差分放大器或仪表放大器被广泛用于一对电极间电位差信号的前置放大，其噪声指标比80年代水平降低了80%。比如UltraElectronicsPMES公司生产的前置放大器，在1 Hz时噪声小于0.4 NV/Hz。

磁场测量领域常用的磁测量仪器主要有磁通门磁力仪、感应式磁传感器、光泵磁力仪、质子旋进磁力仪等。磁通门传感器主要用作水雷磁引信的接收单元，因为它测量磁矢量信号。比如MINEA、ASTERIA、STONEFISH矿的磁接收单元都采用了磁通门传感器，但是磁通门传感器分辨率低，探测距离有限。

光泵磁力仪和质子旋进磁力仪传感器分辨率高，但功耗高，通常在几十W量级，主要用于航空磁力勘探，如美国P-3反潜巡逻机使用的AN/ASQ-081氦光泵磁力仪。电感式磁传感器主要是基于法拉第电磁感应定律接收磁场变化信号，信号灵敏度高。比如乌克兰生产的LEMI120磁传感器，灵敏度为0.1pT@1Hz，传感器为无源接收器，适合水下长时间工作。其缺点是接收的磁场信号与目标的速度密切相关，接收方向单一，尺寸较大。表3总结了国内外部分磁场传感器的技术水平。

表3一些磁场传感器的性能指标

二、中国水下电磁探测研究现状

我国对铁磁磁场的探测研究较早，而对电场和交变磁场的研究较晚。水下电场的研究始于20世纪80年代，电场测量技术的研究始于90年代末。经过多年的发展，我已经取得了很大的进步

(1)阐明了水下目标电磁场的产生机理，解决了水下电磁场的建模、仿真和反演计算问题；

(2)研制了低噪声Ag/Ag Cl电极和电场测量系统。电极的噪声大大降低，性能基本达到国外先进水平。

(3)具有研制高精度磁场传感器的能力，研制的磁通门传感器、感应式磁传感器、光泵磁力仪均可达到国际先进水平。

与国外先进国家相比，国内的不足主要体现在：

(1)电磁场特性分析和水下电磁场微弱信号信息处理技术。

海洋环境电磁场信号作为目标信号的主要背景干扰源，直接影响目标探测的概率和精度。一方面，由于国内获得的数据有限，特别是高海况下海洋环境中电磁信号的缺乏，对背景信号特征的认识还存在局限性；另一方面，国内基于小波变换、EMD分解、1.5维线谱提取的低频电场信号检测算法多为静态检测，而在水下检测中，更注重信号的实时检测；最后，由于水下检测系统的低功耗要求，实时检测算法要简单，但在微弱信号的实时提取方面，我国与国外仍有较大差距。

(2)水下电磁场定位与识别技术。

国内研究的电磁探测系统大多基于单节点系统，所做的工作仍然是针对单节点系统中电磁传感器噪声大、探测距离有限等问题。早在上世纪80年代，苏联就利用电磁阵列实现了对潜艇目标的精确定位，定位深度误差小于10m。

(3)电磁和其他物理场联合探测技术。

国外不仅较早开展了这项工作，而且形成了水下联合预警探测装置，而国内的装备还没有成型。

水下电磁探测的发展趋势和前景

随着海洋资源开发利用的更加广泛和深入，考虑到自身的战略安全，当今的军事大国大多将战略重点放在了海洋上。为了建立一个庞大的情报网络，他们越来越重视水下监视网络的发展。水下电磁探测作为重点研究和突破的非声探测手段，是目前最热门的研究技术之一。水下电磁探测技术的发展趋势可以从以下几个方面来看。

(1)集成化和智能化。

集成：集成了电、磁、甚至声、水压等物理场测量、数字信号输出、信息存储与记忆、逻辑判断、双向通信、自检、自校准、自补偿、数值处理等功能，使传感器测量单元成为标准件，可增加检测系统的便携性和互换性。

智能化：能够在复杂多变的环境中，快速、有效、准确地获取、分析、处理和综合各种物理场的传感器信息，基于多传感器信息融合、模式识别等手段做出正确描述，实现对水下目标的探测、识别、定位和决策。

(2)系统化、无人化。

随着无人机、无人水下航行器和无人艇技术的发展，水下电磁探测设备被封装成一个系统模块，可以作为无人平台的可选载体，在必要时执行对水下目标的预警或探测任务，增加了水下电磁探测系统的灵活性，扩大了其应用范围。

(3)多元化和网络化。

多样化：目前国外成熟的水下监测系统大多采用多手段联合探测，可以取长补短，充分发挥系统效能。比如电、磁、和声的结合可以弥补便便的问题

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