2018, Vol. 40
2. 中国船舶重工集团有限公司，北京 100097;
3. 中国船舶重工集团公司第七一四研究所，北京 100101
2. China Shipbuilding Industry Corporation, Beijing 100097, China;
3. The 714 Research Institute of CSIC, Beijing 100101, China
潜艇是一个具有复杂结构的庞大铁磁体。这种由强磁性材料所构成的钢壳舰艇，建造和航行在地磁场中，受到地磁场的磁化，使潜艇周围产生了舰艇磁场，这种舰艇磁场和地磁场同时存在，在局部空间形成了叠加于地磁场的附加磁场。这样便使本来均匀分布的地磁场，在船体附近的局部空间产生了畸变，形成舰艇磁场。
潜艇磁场的构成比较复杂，主要由固定磁场（地磁场，电缆电流和电力电子设备对艇体的持续磁化，是一个积累的磁场，不受潜艇的经纬度和航态的影响，占主要成分）、感应磁场（某一时刻地磁场对潜艇的磁化，是一个实时的磁场，与潜艇的经纬度、航态有关，所占比例小于固定磁场）、杂散磁场（艇体凸出的附体的磁场，所占比例极小）和交变磁场（周期运动的铁磁体产生，所占比例极小）组成。
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图 1 舰艇磁性分解图 Fig. 1 Ship magnetic signal distribution |
从磁场感应范围的角度出发，可以将磁探仪磁场传感器分为3类：低强度磁场传感器、中强度磁场传感器、高强度磁场传感器。其中低强度磁场传感器又称弱磁测量传感器，通常被用来探测0.1 nT以下的磁场，是在反潜、反水雷等军事领域中主要使用的磁传感器。弱磁探测系统一般由磁探头模块、数据采集模块、信号处理与分析模块等部分组成，搭载在相应的平台上进行工作。其工作模式一般为，磁探头模块接收磁场信号，并将其转换为电信号，数据采集模块将模拟信号数字化，信号处理与分析模块对数字信号进行处理分析，获得目标信息。其中磁探头模块中的弱磁传感器是磁探系统的关键元件。
弱磁传感器种类繁多，性能和应用场合各异，当前弱磁测量主要是利用超导效应法、磁共振法、磁光效应法、磁电阻效应法等测量方法，其采用的弱磁传感器主要有磁通门磁力仪、光泵磁力仪、原子磁力仪、光纤磁力仪、质子磁力仪、超导量子干涉仪和磁电阻传感器，其中光泵磁力仪是目前反潜战领域主要使用的标量磁传感器。
2 国外典型磁探仪装备美、俄、英、法、德等军事强国都装备有先进的磁探仪系统用于反潜作战。其中美国是最早采用磁探仪探潜的国家，在反潜战领域磁探仪装备发展上有着近百年的历史，其装备技术水平处于世界前列。目前美国研发的AN/ASQ系列磁探仪装备及反潜机、反潜直升机广泛装备于英国、日本、印度、加拿大、荷兰、阿根廷、巴西、伊朗、挪威等世界多个国家，其磁探装备具有一定代表性。
1）AN/ASQ-81（V）磁探仪
①基本情况
AN/ASQ-81（V）磁探仪是一种氦跟踪式光泵磁探仪，仪器部分主要由探头和磁共振跟踪环路所组成。氦吸收室在1.08 m波长光和去取向射频场作用下对外磁场产生磁共振吸收效应，利用共振环路使压控振荡器跟踪在外磁场的拉莫尔频率上，当有潜艇异常出现时外磁场发生变化，压控振荡器频率产生相应变化并转换为模拟电压，经带通滤波器处理后传给控制台显示，从而检测到潜艇异常。
美国海军把AN/ASQ-81（V）磁探仪作为整个反潜系统的一个分系统，主要功能是在浮标和吊放声呐探测的基础上进行被动跟踪、精确定位和识别。AN/ASQ-81（V）于20世纪70年代初开始研制，在20世纪70年代后期和80年代初大量装备各种反潜飞机。AN/ASQ-81（V）磁探仪装备在美国海军P-3C反潜机、SH-60B/F反潜直升机。该磁探仪系统也装备于日本海上自卫队P-3C反潜机、SH-60J/K反潜直升机。
②战技性能
AN/ASQ-81（V）有4种配置，其中2种在飞机机架内安装，2种在飞机后拖曳：AN/ASQ-81（V）1和AN/ASQ-81（V）3为固定式磁探仪，安装于固定翼飞机；AN/ASQ-81（V）2和AN/ASQ-81（V）4为拖曳式磁探仪，利用绞车和拖缆拖体安装在直升机上。美国海军使用AN/ASQ-81（V）1安装在陆基P-3C反潜飞机机身内。AN/ASQ-81（V）2为拖曳式磁探仪，装备在台湾地区MD-500反潜直升机。拖曳式AN/ASQ-81（V）4装备于美国海军SH-60B“海鹰”直升机，配置24~55 m长的拖曳电缆，以18.5~255.3 km/h的速度提供理论最大探测距离达1 000 m。AN/ASQ-81（V）1和AN/ASQ-81（V）3使用DT-323磁探头，AN/ASQ-81（V）2和AN/ASQ-81（V）4使用安装在拖曳式机身内的TB-623磁探头。
该系统已经升级为在型式、安装和功能上是可替换的、数字化版本，采用微处理技术，以获得自动飞机补偿，并完成所有信号处理和机内测试功能。升级版本性能得到提升，能够去除多达13种专用辅助设备。
2）AN/ASQ-208（V）先进数字化磁探仪
①基本情况
AN/ASQ-208（V）是在AN/ASQ-81基础上发展而来的，该系统是基于光激发亚稳态氦原子的原子特性的原理工作的，探测整个磁场密度的变化。AN/ASQ-208（V）是一种数字化磁探仪，采用微处理器技术，能够对飞机运动进行补偿、进行多通道滤波显示以及门限处理。系统使用高密度氦探测单元，三通道滤波数据，能够最优操控显示，信号识别性能强。系统可通过1553B数字接口进行在线控制或通过控制指示单元实现离线控制。为易于集成，系统还有RS-232接口，能够直接与标准个人计算机连接，进行显示和数据归档。
系统有2种配置模式，机内安装模式和拖曳安装模式。系统配置为可在老式和新型飞机上安装，兼容AN/ASQ-81（V）型号的使用。系统在型式、安装和功能上与AN/ASQ-81（V）可替换，去除最多13种专用辅助设备。系统采用数字信号处理，与AN/ASQ-81（V）相比，在开放海域的探测能力提升25%，在近海水域的探测能力则提高50%。专用辅助设备数量的减少降低了系统初始成本，维护成本也大幅降低。
AN/ASQ-208（V）磁探仪设计用于探测处于浅水环境中的小型潜艇，可从固定翼飞机、直升机以及无人机上进行部署。低噪声传感器可封装在浮标中，设计为能够探测电致发光铁电辐射以及静电偶极子电磁信号特征。该磁探仪技术能够提供10倍于传统谐振磁探仪的探测性能，而且成本相对低廉。
②战技性能
AN/ASQ-208（V）磁探仪中的磁探测传感器是固定的，被探测目标则是移动的，可用于磁探仪浮标、北极反潜战阵列、浅水水下阵列或岸基监视以及先进水雷用传感器。它能够对磁场进行绝对测量，实现对处于一定速度下的典型目标产生的极低频（1~5 mHz）信号的稳定探测。
该磁探仪采用了阵列信号处理技术，在水下和北极阵测试中实现了对背景噪声80 dB的抑制效果。每个传感器单元由2套组件构成：基本传感器和相关电子配件。传感器直径10.16 cm、长25.4 cm，电子遥测外壳直径12.7 cm、长63.5 cm。传感器和电子配件以及电池总质量10 kg。
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图 2 AN/ASQ-208（V）先进数字化磁探仪 Fig. 2 AN/ASQ-208 (V) magnetic anomaly detector |
3）AN/ASQ-208（V）先进数字化磁探仪
①基本情况
AN/ASQ-504（V）先进综合磁探仪系统（AIMS）由加拿大CAE公司研制，采用内置式设计，是一种设计用来装备直升机和固定翼飞机的全自动磁探仪系统，在提高探测效率的同时大大降低操作员的工作量。探测磁头通常安装于直升机内部，当直升机停留在目标上方时，能消除拖曳阵声纳探测系统-固有的延迟，真正实现在第一时间内发现目标。
AN/ASQ-504（V）是一种铯自激式自定向光泵磁探仪，用铯蒸气作为工作气体，由高灵敏度探头、多功能数字信号处理机和高精度自动磁补偿器构成，包括1个81 cm长的探头、1个放大器/计算机、1个向量磁强计和1个控制指示器。台湾海军S-2T型反潜机和S-70C（M）1反潜直升机装备有AN/ASQ-504（V）先进磁探仪。
②战技性能
AN/ASQ-504（V）磁探仪具备灵敏性和精确性，且操作简单，可消除飞机产生的干扰场，传输连续的特征识别。提供视觉、听觉探测警报。它能够显示作用距离使操作员来判断是否在目标获取范围内。
由于采用了计算机自动判断和处理，检测概率高、作用距离远、能进行高精度的自动磁补偿，并能在武器投放后6 min内对补偿进行自动修正。由于AN/ASQ-504（V）系统是单光系探头，因此有较低的静态噪声和高的灵敏度。它具有多功能的信号处理机，处理由探头传输来的对应于外磁场拉莫尔频率的外磁场信息，并给出潜艇信号和报警信号。在直升机上安装固定探头，不需要绞车、拖缆和拖体，因此大大提高了直升机反潜能力。它重量轻，综合性能好，是一种先进的磁探仪。
AIMS消除了拖曳系统自身存在的不足，允许高速监视和机动，因此增加了巡逻范围，提高了探测能力并降低了虚警率。当与吊放声呐一起使用时，能够很快很好地从一个系统切换到另一个系统。AMIS重26.3 kg，由1个0.005 nT的光驱动磁探仪、1个矢量磁探仪、1个放大器计算机以及1个光控指示器组成。系统由单相位、115 V、400 Hz电源供电。AIMS系统灵活，即可单独运行，也可通过1 553 B数据总线接受并执行来自通用控制/显示单元的命令。
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表 1 ASQ-504（V）先进磁探仪性能列表 Tab.1 ASQ-504 (V) magnetic anomaly detector |
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图 3 AN/ASQ-504（V）磁探仪装入CP-140海上巡逻机 Fig. 3 CP-140 maritime patrol aircraft equipped with AN/ASQ-504 (V) magnetic anomaly detector |
4）AN/ASQ-233（V）磁探仪
AN/ASQ-233数字化磁探仪设备（DMAD）是1个设计为MQ-8B无人机和反潜战直升机装备的先进激光泵氦磁探仪。AN/ASQ-233适合在固定翼飞机或者直升机上部署。
AN/ASQ-233数字化磁探仪设备（DMAD）系统由2种武器可更换组件（WRAs）组成。
传感器：配有电子和激光组件的多轴换算器和重力梯度磁力计。传感器使用由控制和显示设备所提供的准确数据，自动对飞机飞行所产生的此信号进行补偿修正。
控制/显示设备：用以控制DMAD模式和潜艇。控制/显示设备接收原始的和补偿的磁数据，对磁异常探测进行处理，规范化显示、存储和数据处理。该处理过程也能够显示极低频信号。
5）AN/ASQ-508（V）先进磁探仪
AN/ASQ-508（V）系统被称磁异常探测系统（MAD）由加拿大CAE公司研制，部署在美国海军P-3，SH-60，SH-2直升机上。该系统由一个高灵敏度磁力计组成，能够感知因金属目标移动而造成的地磁场变化，安装于飞机尾部以最小化磁干扰，磁异常探测范围并不确定，但通常可以检测到1 200 m。MAD系统被用在反潜战（ASW）的飞机上，包括固定翼和旋转翼飞机，也被使用主动探测的潜艇。
CAE公司目前正在开发一种新型软件，可对侧面和垂直分开的潜艇进行探测，能够对飞机战术飞行路径进行优化，更好地对目标定位和探测。系统采用大带宽频率数字转换技术，降低了较高频率情况下的背景噪声，因此，具有更好的探测能力和潜艇信号特征的潜在分类能力。其先进综合磁探仪系统（AIMS）就是一个完全集成探头、放大器计算机、磁力计装置的MAD系统。AIMS系统也可以包括一个数字记录和显示单元（DRDU）。
探头：使用一个传感器监视地磁场并探测由磁异常所引起的变化。
放大器计算机：为系统运行提供所有的接口技术和电力。该单元进行信息收集、补偿校正、检波过程并提交数字输出。
磁力计装置：监视地磁场相对于飞机位置的横向、纵向、垂向向量并定向补偿飞机操纵。
3 发展趋势1）发展新型磁探仪装备，有望改变反潜战现状
2009年美国海军研究实验室正式立项研究德拜效应，探索将其用于反潜的可行性。随后美海军研究实验室宣布潜艇尾流、航行时产生的水下扰动、舵面产生的微型漩涡都能形成德拜效应，德拜效应在反潜领域有着良好的应用前景。目前，美海军德拜效应研究仍处于实验室阶段，未来计划引入超导以及量子领域的研究成果，以实现对微弱磁信号探测。
德拜效应磁探仪一旦实现对微弱信号的大范围搜索，将对水下战装备产生深刻影响。由于德拜效应只和潜艇周边水的受迫运动有关，将使当前潜艇采取的低磁材料、临时线圈消磁、固定绕组消磁统等消磁措施失效，为降低德拜效应，未来潜艇可能在艇型及推进方面进行改进。
2）研究无人系统航磁测量技术，拓展反潜作战模式
无人系统具有操作简单、成本低廉、隐蔽性好等突出优点，在反潜作战中使用无人系统探潜可有效补充载人探潜平台，提升扫海作业效率。早在21世纪初，国外就开展了无人系统航磁测量相关研究。2009年美国海军在波音公司“扫描鹰”无人机上装备磁异常探测仪，用于低空探潜艇试验；同年美国DARPA提出“海猎人”反潜无人艇（ACTUV）研制计划，该无人艇搭载磁力计阵、声呐等探潜设备，可航磁探测并跟踪敌方潜艇。该无人艇已于2016年4月下水，并开展了海试。
无人系统是目前水下战领域发展热点，为加强无人系统反潜作战能力，各军事强国围绕磁力测量系统的小型化与模块化、远距离测控与大信息传输、无人系统本机电磁干扰等方面开展研究攻关，以使无人机、无人潜航器等中小型无人系统搭载磁探设备，拓展反潜作战手段。
| [1] |
American Superconductor. High temperature superconductor degaussing cable system[R]. 2006.
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| [2] |
朱英富, 张国良, 编著. 舰船隐身技术[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社. 2005.
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| [3] |
Tarr, Paulo Bertell. Degaussing vulnerability display program. United States Patent Application Publication, 2006.
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| [4] |
GUO Cheng-bao, ZHANG Xiao-feng, XIAO Chang-han, et al. A new approach for optimal calibriation of ship degaussing system, UDT EUROPE 2007.
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