磁探仪搜潜模拟仿真设计方法

摘 要:磁探仪是目前广泛应用的一种搜潜设备。利用模拟训练器进行相关训练能有效突破实装训练的局限性,本文重点讨论了磁探仪对潜搜索模型及仿真程序结构设计方法。

关键词:磁探仪 搜潜 仿真

中图分类号:TJ630 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2011)01-0042-01

引言

航空磁探仪(简称磁探仪)具有对潜识别能力强、定位精度高、隐蔽性好、抗干扰能力强等优点,特别适合对大面积海域进行快速搜索;也可以与其它探潜设备联合使用,在其它搜潜设备已发现潜艇的大致方位时,用磁探仪来对潜艇坐标进行精确定位。在潜艇静音效果越来越好,海洋背景噪声不断增大、声环境复杂的形势下,磁探仪搜潜受到高度重视。利用模拟训练器进行相关模拟训练能有效突破实装训练的局限性。本文重点讨论了磁探仪对潜搜索模型及仿真程序结构设计方法。

1、基本原理

磁探仪又称磁异常探测仪或磁力探测仪,利用由于潜艇磁场存在引发地磁场扰动原理研制的。潜艇的磁场是暴露自己的重要物理场,装有高灵敏度磁探仪的飞机可在数百米高空探测到水下潜艇,并能对其精确定位。磁探仪最早出现在第二次世界大战期间,但因其结构简单,工作稳定可靠,且作用距离己大大提高,目前仍被广泛使用。

1.1 磁探仪基本工作原理

磁探仪主要是测量由潜艇存在而引起的地磁场变化,并将变化记录在记录仪的记录纸上,如图1所示。T地磁为没有潜艇存在时的地磁场矢量,T潜艇为潜艇磁矢量,由于潜艇磁场的存在,此时合成的磁场为T总。

当潜艇磁场扰动地磁场发生变化时,在地磁场矢量T地磁方向上得到一个磁场矢量增量ΔT,磁探仪就是通过检测ΔT来判断潜艇的存在与否。记录仪能记录下ΔT的变化量,在选择好适当的灵敏度后,如果没有潜艇的存在,则磁噪声值较小,一般不超过阈值;当潜艇引起的地磁场矢量变化时,磁噪声值变大,表现为记录纸上记录的信号增大,当超过阈值时认为有潜艇存在。

1.2 潜艇磁场强度

潜艇一般都由高强度合金制成,是铁磁性物质,这些良好的磁化件在地磁场的作用下会被磁化,进而在其周围形成感应磁场。潜艇磁场强度用球体数学模型来描述,如图2所示,类似于地球磁场的处理方法,设M为均匀磁化球体的磁矩;r为球心O至圆周上任意一点P的矢径。

以磁矩轴线ON为基准建立球面坐标系。θ为磁矩轴ON与矢径OP(长度为r)之间的夹角,由图2可知θ与φ是互余的关系。均匀磁性球体在距其球心r处的磁场强度为:

因此,磁性物体周围磁场与方位有关。虽然潜艇这样的大型探测目标严格地说并不是均匀球体,其磁场分布规律也与磁偶极子的磁场有一定的差别,但当我们用一个旋转椭球体的磁场来等效潜艇的磁场时,其计算值与真实值之间的差异并不大。

2、仿真探测模型

磁探仪的搜索宽度和信号持续时间与潜艇的磁场强度、磁探仪的作用距离、下潜深度和飞机的飞行高度有关。若磁探仪载机飞行高度到潜艇航行深度的距离为h,磁探仪能够探测到的最大宽度定为d(h)。建立磁探仪的仿真探测模型,如图3所示。

图中,H－达到最大探测宽度的高度;h－探头至目标的垂直距离;s－探头至目标的水平距离,Smax－磁探仪探头的最大作用距离为,D－最大探测宽度。

一般情况下,当探头距离潜艇高度h满足条件h≤Smax时,探测宽度d(h)为:

特别的,在最大探测宽度,探头到该宽度的高度H满足

假定某个时刻,目标距离探头的距离为a,其水平距离为b,垂直距离为c。根据飞机和潜艇的运动信息,可实时的解算出磁探仪与潜艇间的距离和位置信息,如果同时满足以下判断条件则可以确定目标处在磁探仪的可探测范围内。即:

如果判断目标在磁探仪探头的探测范围内,则进一步求出探测到的信号强度。潜艇磁异常信号随距离R3衰减,利用以下潜艇磁场强度的经验公式来计算信号强度T=C×M/R3。其中,T-距离为R处的潜艇磁场强度;C-经验参数,不同的探测设备有不同的取值;M-潜艇的等效磁距;R-探头与潜艇的距离。

3、仿真系统体系结构设计

为达到较好效果,模拟训练系统采用半实物仿真方法,即在硬件结构上,对人机交互界面进行实物模拟,按照与实装一致的逻辑关系,产生各种控制信号、输出视频及音响信号。

3.1 体系结构

磁探仪系统的人机交互界面主要包括控制台、显示器和音响设备。模拟器采用与实装操作部件基本一致的元器件,按照实装的逻辑关系,对人机交互界面进行实物模拟;以仿真训练系统主计算机为核心,完成系统模型建立、信号处理仿真和运算的平台;以工控机系统完成控制台多种开关的监视和状态指示的控制,产生各种控制信号,控制面板上的各种指示灯,输出视频信号给显示器,播放音响信号。

受训者、模拟操作界面、接口计算机、主控计算机和其它外部设备共同组成一个闭环仿真系统。系统的工作过程如下:受训者通过模拟操作界面使用训练系统,接口计算机采集受训者的输入操作并通过网络发送到主控计算机,由仿真计算模块综合受训者的操作信息、战场环境和敌我双方态势信息,解算出输出信号,通过网络实时的发送给显示器和音响。

3.2 软件结构

模拟磁探仪系统的软件结构主要由4个模块组成,各模块的功能为:(1)接口及通信管理摸块:实现人机交互;负责接收操作面板上的操作信号,转换成相应的控制信号;实现与其它分系统的通信。(2)潜艇控制模块:设置潜艇类型、位置、状态,以及运动样式等信息。(3)探测仿真计算模块:根据磁探仪的探测模型,模拟利用磁探仪对水下潜艇进行搜索、跟踪、定位的过程;(4)记录显示模块:利用显示器模拟磁探仪的记录显示装置,对不同情况下的输出信号进行模拟显示。

4、结语

本文通过对磁探仪工作原理的分析,建立了目标探测的仿真物理模型。仿真系统采用半实物的方式,在硬件结构上,对开关旋钮等可视设备及人机交互界面进行实物模拟;利用计算机虚拟显示的方法, 在显示器上实现了记录仪的仿真显示,既可实时模拟信号在记录纸上的显示情况, 又可在训练后重现探测结果。利用模拟训练器进行相关模拟训练能有效突破实装训练的局限性,所提出的方案能够满足训练及战术发展的需求。

参考文献

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