水中磁性运动目标信号的模型化检测

　　0 引言

　　水中磁性运动目标,如钢壳舰船、潜艇等,是水中兵器的探测目标。磁探测系统在接收到目标的磁场信号并判断为打击对象,且在打击范围时,控制武器攻击目标并击毁目标,因此,对磁性运动目标的可靠探测,是水中兵器系统的关键技术问题之一。一般情况下,磁探系统利用目标磁场信号的波形特征,如磁场信号幅值、波形宽度和斜率等,进行目标的判断与识别。虽然可以采用频域滤波等信号预处理技术来提高引信的抗干扰能力,但这仍未能充分利用目标磁场的信息,它只是利用了目标信号在时域和频域上的一些信号特征。当然,这样做有它的优点,当目标很近、信噪比很强时,可以用简单的计算实现对目标的检测。

　　当距离加大时,目标信号减弱,系统若要可靠检测目标,必须提高检测灵敏度,降低检测门限,当门限低到自然干扰经常可以达到的程度时,如变化率在0.1nT/s以下,或磁场值在1nT以下,检测将有很大的虚警概率,这一般不能满足无人干预的水中兵器对低虚警率的要求。

　　对高灵敏度磁探系统来说,频域滤波是很难消除自然干扰的,磁暴、地磁脉动等自然干扰信号的频率范围很宽,完全覆盖了目标磁场信号的频率范围,只是对于低灵敏度磁探系统,在信号频段内的自然干扰幅值才很少能达到检测门限,因此滤波有助于降低虚警率,但这是以缩短目标发现距离为代价的。目前,国外普通水中兵器磁探系统对磁性舰船的探测距离约为50~100m.对高灵敏度磁探系统,要靠滤波来保证系统不误判是很困难的。

　　本文提出水中磁性运动目标信号检测的模型化方法,其目的就是要在低虚警率的条件下,大幅度提高对目标的探测距离。

　　1 磁性运动目标信号模型化检测

　　水中磁性运动目标,如钢壳舰船、鱼雷等,是一个有一定几何形状的磁性体,它产生的磁场可用一个均匀磁化的旋转椭球体来近似,而且距离越远,这种近似程度越高,当距离足够远时,甚至可简化成磁偶极子模型。实际计算经验表明,当离开磁性目标的距离在其两倍宽度以上时,旋转椭球体磁场对目标磁场的拟合精度超过85%,这一距离对大中型磁性舰船来说约为20~40m.因此,从目标探测的角度出发,有理由把磁场模型简化成旋转椭球体模型。

　　自然磁干扰信号起源于地球大气外层的带电粒子流,或者地幔附近的涡流电流体系,具有远源信号的特征,而且磁源的范围大,它不可能像磁性运动目标一样用一个均匀磁化的旋转椭球体来拟合。同样,通过空间传播的工业干扰,电路噪声等,也不可能用一个均匀磁化的旋转椭球体来拟合。因此,区别目标信号与背景干扰的一个很有效的方法是看信号是否能用一个均匀磁化的旋转椭球体来拟合,或者说,当用一个均匀磁化的旋转椭球体来拟合信号时,如果是来自目标磁场,它将在较高的置信度水平下,获得较好的拟合,如果是自然干扰,其拟合效果将较差,一般不能通过模型检验。通过在某一置信度水平下,检验拟合效果便可区别目标信号与自然干扰。用模型化方法检测目标磁场信号,充分利用了信号的时间、频率信息。此外,它还充分利用了目标磁场矢量的空间分布特征以及目标的运动特征,这是一种磁场的全息技术,因为由磁场模型可推出磁场信号的所有信息,包括空间分布特征,时间信息,频率信息等,另一方面,只有全面利用舰船磁场信号的信息,才能稳定可靠地建立起舰船磁场的信号模型。