傳統(tǒng)水下探測(cè)手段是聲探測(cè)技術(shù)，包括被動(dòng)聲與主動(dòng)聲探測(cè)兩種方法。主動(dòng)聲探測(cè)存在探測(cè)目標(biāo)遠(yuǎn)、功耗大、易暴露等特點(diǎn)，而被動(dòng)聲探測(cè)存在探測(cè)距離有限、功耗低、隱蔽性強(qiáng)等特點(diǎn)。隨著減振降噪技術(shù)的使用，水中目標(biāo)的輻射噪聲級(jí)大幅度減小，再加上聲線彎曲、聲混響等自然條件的制約，被動(dòng)聲探測(cè)的難度逐漸顯現(xiàn)。為了提高對(duì)水下目標(biāo)的探測(cè)能力，亟需研究光、電、磁、紅外、熱尾流、地震波、壓力場(chǎng)、重力場(chǎng)等非聲探測(cè)技術(shù)。相比于聲場(chǎng)和其他非聲物理場(chǎng)，水下電磁場(chǎng)是水中目標(biāo)的重要暴露源，國(guó)內(nèi)外研究表明，艦船電磁場(chǎng)是一種可以用來(lái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別的信號(hào)源。艦船磁場(chǎng)主要分為：穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)（鐵磁場(chǎng)、感應(yīng)磁場(chǎng)、渦流磁場(chǎng)）和交變磁場(chǎng)（軸頻磁場(chǎng)、電磁設(shè)備輻射產(chǎn)生的磁場(chǎng)）。電場(chǎng)主要?jiǎng)澐譃椋悍€(wěn)態(tài)電場(chǎng)（腐蝕相關(guān)靜電場(chǎng)、感應(yīng)電場(chǎng)）和交變電場(chǎng)（軸頻電場(chǎng)、工頻電場(chǎng)、電磁設(shè)備向外輻射產(chǎn)生的電場(chǎng)等）。

水下電磁探測(cè)具備不受水文氣象條件限制、探測(cè)性能穩(wěn)定可靠、隱蔽性強(qiáng)、識(shí)別能力強(qiáng)和定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，不僅可應(yīng)用于水下遠(yuǎn)距離的探測(cè)，還可應(yīng)用于對(duì)目標(biāo)信號(hào)的定位和識(shí)別，20世紀(jì)90年代，美國(guó)將電磁探測(cè)列為繼聲場(chǎng)探測(cè)之后又一優(yōu)先發(fā)展的技術(shù)，以作為聲探測(cè)的有效補(bǔ)充。近年來(lái)，在世界各國(guó)軍方和研究機(jī)構(gòu)掀起了水下電磁探測(cè)的研究浪潮。

一、國(guó)外水下電磁探測(cè)的研究現(xiàn)狀

⒈、水下電磁探測(cè)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

早在第二次世界大戰(zhàn)期間，就出現(xiàn)了利用磁信號(hào)動(dòng)作的磁引信，除了磁場(chǎng)探測(cè)方面外，20世紀(jì)50年代，蘇聯(lián)還相繼裝備了非觸發(fā)電場(chǎng)引信錨雷：КСМ、УГМ和ПМ–2。60年代初，美國(guó)和加拿大兩國(guó)海軍利用冰山設(shè)置電場(chǎng)探測(cè)電極，配合衛(wèi)星定位系統(tǒng)對(duì)航行于白令海峽的蘇聯(lián)潛艇進(jìn)行搜索，并成功搜索到了“特列沙拉”號(hào)核潛艇的位置；60年代末期，蘇聯(lián)研制成功的Комоя電、磁封?？刂葡到y(tǒng)，用來(lái)對(duì)海灣或海岸的軍事要塞實(shí)行安全保衛(wèi)和警戒；70年代末期，美國(guó)在德克薩斯州外的科珀斯克里斯蒂航道內(nèi)對(duì)艦船軸頻電磁場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量，并成功探測(cè)到目標(biāo)1.6km外的艦船信號(hào)，通過(guò)匹配濾波技術(shù)，探測(cè)距離可達(dá)5km；蘇聯(lián)對(duì)潛艇通過(guò)時(shí)內(nèi)波切割地磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果表明內(nèi)波引起的感應(yīng)電場(chǎng)可達(dá)幾十V/m的量級(jí)，且信號(hào)周期在600s左右。

80年代初，美國(guó)利用電場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)成功探測(cè)到了目標(biāo)10km外的電流源信號(hào)（信號(hào)源強(qiáng)度為1000A·m），蘇聯(lián)VNIIOFI研究院研制的Anagram水下預(yù)警系統(tǒng)（包含240個(gè)電極，兩電極之間的距離為250m，可布設(shè)在沿岸100km范圍內(nèi)）用于探測(cè)、跟蹤潛艇和艦船信號(hào)，同時(shí)可探測(cè)潛艇的下潛深度。進(jìn)入90年代后，水下低頻電磁探測(cè)技術(shù)又得到了新的發(fā)展，如美國(guó)學(xué)者對(duì)潛艇及艦船航行過(guò)程中尾流產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場(chǎng)進(jìn)行了研究，得到了尾流感應(yīng)電磁場(chǎng)傳播距離遠(yuǎn)、衰減慢、頻譜為0.1Hz左右的線譜信號(hào)的結(jié)論。隨后，美、德等國(guó)對(duì)潛艇螺旋槳剩磁產(chǎn)生的軸頻磁場(chǎng)進(jìn)行了研究，20世紀(jì)末西班牙研制的“MINEA”沉底型水雷（如圖1所示）和錨雷，2011年意大利研制的“ASTERIA”沉底型水雷（如圖2所示）除了采用靜電、靜磁場(chǎng)信號(hào)作為被動(dòng)信號(hào)源，還采用了低頻電磁場(chǎng)作為其信號(hào)源。

21世紀(jì)初，西班牙SAES公司研制了SIDS多物理場(chǎng)海洋警戒系統(tǒng)是基于聲和電場(chǎng)信號(hào)基礎(chǔ)上，主要用于對(duì)重要港口的水下警戒。美國(guó)于21世紀(jì)研制成功了水下電磁探測(cè)浮標(biāo)（頻率范圍為0.5～30Hz），作為聲探測(cè)的補(bǔ)充，該探測(cè)浮標(biāo)解決了海洋環(huán)境電磁場(chǎng)噪聲對(duì)探測(cè)系統(tǒng)的影響，可對(duì)浮標(biāo)周?chē)?00～2000m范圍內(nèi)的潛艇目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)。值得注意的是，日本也在大力投入水下電磁探測(cè)技術(shù)相關(guān)的研究。

目前，美、俄等國(guó)均研制和列裝了包含電、磁節(jié)點(diǎn)在內(nèi)的探測(cè)和攻擊的海底預(yù)警監(jiān)測(cè)網(wǎng)，如艾森豪威爾海底高速觀測(cè)網(wǎng)、Комоя電磁封海系統(tǒng)、STL水下警戒系統(tǒng)等，世界各國(guó)與水下電磁探測(cè)相關(guān)的陣列如表1所示。由此可知當(dāng)前國(guó)外的水下監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)十分發(fā)達(dá)，具有多種信號(hào)的預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)，探測(cè)目標(biāo)信息源涵蓋了聲場(chǎng)、電磁、磁場(chǎng)等多種物理場(chǎng)。

表1 國(guó)外水下電磁探測(cè)相關(guān)系統(tǒng)

⒉、電磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀

利用電、磁場(chǎng)探測(cè)水下目標(biāo)信號(hào)，需建立在準(zhǔn)確測(cè)量的基礎(chǔ)上。在海洋電場(chǎng)測(cè)量方面，主要使用碳纖維電極和Ag/AgCl電極作為電場(chǎng)傳感器，其中，Ag/AgCl電極的使用最為普遍。美國(guó)ISL公司（Informationsystemslaboratories）、英國(guó)UltraElectronicsPMES公司、德國(guó)的LudwigSystemtechnik公司、瑞典的PolyampAB公司、西班牙SAES公司生產(chǎn)的Ag/Ag Cl電極具有低噪聲、高穩(wěn)定性的顯著特點(diǎn)。截止到2015年，國(guó)外典型的海洋電場(chǎng)傳感器技術(shù)水平匯總表如表2所示。

表2 海洋電場(chǎng)傳感器性能列表

前置放大器的噪聲水平直接影響測(cè)量系統(tǒng)的噪聲，國(guó)外早期在海洋環(huán)境電場(chǎng)測(cè)量中，為了減小前置放大器在低頻段的噪聲，使用了斬波放大器。進(jìn)入20世紀(jì)80年代以后，隨著低噪聲差分放大器和儀表放大器的出現(xiàn)，普遍使用了差分放大器或儀表放大器對(duì)一對(duì)電極之間的電位差信號(hào)進(jìn)行前置放大，其噪聲指標(biāo)相對(duì)于80年代的水平，降低了80%，如UltraElectronicsPMES公司生產(chǎn)的前置放大器的噪聲＜0.4nV/Hz@1Hz。

在磁場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域常用的磁測(cè)儀器主要有：磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)、感應(yīng)式磁傳感器、光泵磁強(qiáng)計(jì)、質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀等。磁通門(mén)傳感器因測(cè)量磁矢量信號(hào)，主要被用作水雷磁引信的接收單元，如“MINEA”、“ASTERIA”、“STONEFISH”水雷的磁接收單元均采用了磁通門(mén)傳感器，但磁通門(mén)傳感器分辨率較低，探測(cè)距離有限。

光泵磁強(qiáng)計(jì)和質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀傳感器分辨率較高，但功耗較大，通常可達(dá)幾十W的量級(jí)，主要應(yīng)用于航空磁探，如美國(guó)的P-3反潛巡邏機(jī)使用的AN/ASQ-081氦光泵磁強(qiáng)計(jì)。感應(yīng)式磁傳感器主要是基于法拉第電磁感應(yīng)定律接收磁場(chǎng)變化信號(hào)的接收器，其信號(hào)靈敏度較高，如烏克蘭生產(chǎn)的LEMI120磁傳感器的靈敏度可達(dá)0.1pT@1Hz，且傳感器為無(wú)源接收器，適合于水下長(zhǎng)期工作，其缺點(diǎn)是接收的磁場(chǎng)信號(hào)與目標(biāo)的航速關(guān)系密切，且接收方向單一，尺寸較大。國(guó)內(nèi)外部分磁場(chǎng)傳感器技術(shù)水平匯總?cè)绫?所示。

表3 部分磁場(chǎng)傳感器性能指標(biāo)

二、國(guó)內(nèi)水下電磁探測(cè)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)在鐵磁性磁場(chǎng)的探測(cè)方面研究較早，而在電場(chǎng)和交變磁場(chǎng)方面的研究較晚。20世紀(jì)80年代開(kāi)始研究水下電場(chǎng)，90年代末開(kāi)始研究電場(chǎng)測(cè)量技術(shù)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)在水中目標(biāo)水下電磁場(chǎng)產(chǎn)生機(jī)理、建模、傳播規(guī)律、探測(cè)及隱身、標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)等軍事應(yīng)用領(lǐng)域及在海洋電磁法勘探、環(huán)境監(jiān)測(cè)等海洋勘探領(lǐng)域取得長(zhǎng)足發(fā)展。初步打破了國(guó)外在低噪聲電場(chǎng)電極、磁通門(mén)傳感器、電磁場(chǎng)建模及反演、檢測(cè)算法等方面的技術(shù)封鎖，具體體現(xiàn)在：

（1）厘清了水中目標(biāo)電磁場(chǎng)的產(chǎn)生機(jī)理，解決了水下電磁場(chǎng)建模仿真和反演計(jì)算的問(wèn)題；

（2）研制出了低噪聲Ag/Ag Cl電極和電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)，電極噪聲大幅度降低，性能基本達(dá)到國(guó)外的先進(jìn)水平；

（3）具備高精度磁場(chǎng)傳感器研制能力，研制的磁通門(mén)傳感器、感應(yīng)式磁傳感、光泵磁強(qiáng)計(jì)等均能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家相比，國(guó)內(nèi)的不足主要體現(xiàn)在：

（1）電磁場(chǎng)特征分析及水下電磁場(chǎng)微弱信號(hào)信息處理技術(shù)。

海洋環(huán)境電磁場(chǎng)信號(hào)作為目標(biāo)信號(hào)的主要背景干擾源，直接影響目標(biāo)檢測(cè)概率和準(zhǔn)確性。一方面，由于國(guó)內(nèi)獲取的數(shù)據(jù)有限，尤其是缺乏高海況下的海洋環(huán)境電磁場(chǎng)信號(hào)，導(dǎo)致對(duì)背景信號(hào)的特征認(rèn)識(shí)尚存在局限性；另一方面，國(guó)內(nèi)所提的基于小波變換、EMD分解、1.5維線譜提取等低頻電場(chǎng)信號(hào)檢測(cè)算法多為靜態(tài)檢測(cè)，而在水下探測(cè)中，更關(guān)注的是信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測(cè)；最后，受水下探測(cè)系統(tǒng)低功耗的要求，實(shí)時(shí)檢測(cè)算法應(yīng)簡(jiǎn)單易行，而國(guó)內(nèi)目前在微弱信號(hào)實(shí)時(shí)提取方面與國(guó)外仍存在較大差距。

（2）水下電磁場(chǎng)定位與識(shí)別技術(shù)。

國(guó)內(nèi)研究的電磁探測(cè)系統(tǒng)多是基于單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的，所做的工作還是針對(duì)單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)電磁傳感器噪聲較大、探測(cè)距離有限的問(wèn)題進(jìn)行的，蘇聯(lián)早在20世紀(jì)80年代，即利用電磁陣列實(shí)現(xiàn)了對(duì)潛艇目標(biāo)的準(zhǔn)確定位，定位深度誤差小于10m。

（3）電磁與其他物理場(chǎng)聯(lián)合探測(cè)技術(shù)。

國(guó)外不僅開(kāi)展此方面的工作較早，還形成了水下聯(lián)合預(yù)警探測(cè)的裝置，而國(guó)內(nèi)目前還未形成相應(yīng)的裝備。

三、水下電磁探測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)與展望

隨著對(duì)海洋資源更加廣泛深入的開(kāi)發(fā)利用，以及對(duì)自身戰(zhàn)略安全考慮，當(dāng)今各軍事強(qiáng)國(guó)大多將戰(zhàn)略的重心放到了海上，為建立龐大的情報(bào)網(wǎng)絡(luò)，越來(lái)越重視水下監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，水下電磁探測(cè)作為重點(diǎn)研究和突破的非聲探測(cè)手段是目前最為熱門(mén)的研究技術(shù)之一。水下電磁探測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)可以從以下幾方面來(lái)看。

（1）集成化和智能化。

集成化：實(shí)現(xiàn)電、磁，甚至聲、水壓等多物理場(chǎng)測(cè)量的集成，數(shù)字信號(hào)輸出、信息存儲(chǔ)和記憶、邏輯判斷、雙向通信、自檢、自校準(zhǔn)、自補(bǔ)償、數(shù)值處理等功能，使得傳感測(cè)量單元成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件，可增加探測(cè)系統(tǒng)的移植性和互換性。

智能化：能夠在復(fù)雜而多變的環(huán)境中，迅速、有效、準(zhǔn)確地獲取、分析、處理和綜合各物理場(chǎng)傳感器信息，基于多傳感器信息融合、模式識(shí)別等多種手段做出正確的描述，實(shí)現(xiàn)對(duì)水中目標(biāo)探測(cè)、識(shí)別、定位和決策處理。

（2）系統(tǒng)化和無(wú)人化。

隨著無(wú)人機(jī)、無(wú)人水下航行器、無(wú)人艇技術(shù)的發(fā)展成熟，將水下電磁探測(cè)設(shè)備封裝為一個(gè)系統(tǒng)化模塊，作為無(wú)人平臺(tái)的一個(gè)可選擇搭載，在需要時(shí)執(zhí)行警戒或探測(cè)水中目標(biāo)的任務(wù)，可增加水下電磁探測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性，亦可拓展應(yīng)用范圍。

（3）多元化和網(wǎng)絡(luò)化。

多元化：目前國(guó)外成熟的水下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，大多采用的是多手段聯(lián)合探測(cè)，多手段可以相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，充分發(fā)揮系統(tǒng)效能，例如電、磁和聲的結(jié)合即可彌補(bǔ)聲抗干擾能力差、虛警率高的問(wèn)題，也可解決電、磁探測(cè)距離不足的問(wèn)題。

網(wǎng)絡(luò)化：由多個(gè)單一探測(cè)節(jié)點(diǎn)組合成探測(cè)陣列、監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)融合，增加監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制范圍。

展望未來(lái)，在“智慧海洋”、“透明海洋”中，水下電磁探測(cè)技術(shù)必然發(fā)揮重要作用。

作者：程錦房、張伽偉、姜潤(rùn)翔、喻鵬

來(lái)源：《數(shù)字海洋與水下攻防》（2019年第4期）

原文標(biāo)題：水下電磁探測(cè)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

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