复杂环境磁噪声背景下反潜机运动态势对OBF信号检测方法的影响

摘" 要：航空磁探仪是对水下磁目标进行探测的一种有效手段，反潜机使用磁探仪进行低空飞行探测过程中海浪磁噪声是影响探测识别的重要噪声源。目前，航空磁探仪设备在对目标搜索过程中很少考虑海浪磁噪声对目标信号识别的干扰，基于此，该文主要研究运动目标OBF方法对海浪磁噪声叠加高斯噪声等复杂背景干扰下，反潜机在不同飞行速度、飞行高度、飞行航向等运动态势影响下，对OBF检测性能影响，并进行仿真分析。由仿真结果可知，通过控制反潜机运动态势，可有效降低海浪磁噪声对航空磁探仪的干扰，有效提高反潜机航空磁探仪信号检测能力。

关键词：航空磁探仪；海浪磁场；运动态势；信号检测；正交基分解法

中图分类号：E925.4" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2023）31-0001-04

Abstract： The aeromagnetic detector is an effective means to detecting underwater magnetic targets. The magnetic noise of sea waves is an important noise source that affects the detection and identification during the low altitude flight detection of the antisubmarine aircraft using the magnetic detector. At present， the interference of ocean wave magnetic noise on target signal recognition is rarely considered in the process of target search by aeromagnetic detector equipment. Based on this， this paper mainly studies the influence of anti submarine aircraft on OBF detection performance under the complex background interference of moving target OBF method on ocean wave magnetic noise plus Gaussian noise， and under the influence of different speed， flight altitude， flight heading and other movement situations， and carries out simulation analysis. From the simulation results， it can be seen that by controlling the movement situation of the antisubmarine aircraft， the interference of the sea wave magnetic noise to the aeromagnetic detector can be effectively reduced， and the signal detection capability of the antisubmarine aircraft aeromagnetic detector can be effectively improved.

Keywords： aeromagnetic detector; wave magnetic field; motion situation; signal detection; orthogonal basis decomposition method

航空磁探仪是对水下磁目标进行探测的一种有效手段，与航空声纳相比具有识别能力好、定位精度高、隐蔽性好等优点。但由于潜艇目标引起的磁异常信号远小于地磁背景等干扰信号，对潜艇目标磁异常弱信号检测方法的研究是极为有必要的。主要的潜艇磁信号检测算法有：正交基（Orthogonal Basis Function，OBF）分解法[1]、随机共振（Stochastic Resonance， SR）检测[2]、熵滤波器检测（Minimum Entropy Detector， MED）[3]和高阶过零（High-Order Crossing， HOC）检测[4-5]等。其中OBF的检测方法，是将检测信号与正交基函数作相关计算，并对相关系数的能量进行累加计算，构建为检测统计量，并设置不同虚警率下的门限。OBF分解检测方法是目前较为常用的检测方法，但相关文献[1，6-9]中，很少研究海浪背景磁噪声对检测算法的影响，以及很少研究反潜机运动态势对磁信号检测概率的影响。基于此，本文主要研究在海浪磁噪声和高斯磁噪声的复杂干扰条件下，反潜机飞行速度、飞行航向、飞行高度等因素对OBF方法的检测概率分析。

1" 基于OBF的磁异常信号检测方法

OBF分解是将潜艇磁偶极子模型下的磁场分解成由数个正交基的加权和的一种方法，OBF分解对磁异常信号检测的方法是对各基函数的加权系数进行平方和运算，并作为检测统计量的一种检测方法，具体过程如下。

将接收信号分解为3个基函数的线性组合，即

式中：ai为基函数的系数，M为目标磁矩，R0为潜艇与磁探仪之间的距离，μ0=4π×10-7 H/m为真空磁导率，fi（w）为基函数

并且基函数之间具有正交性，即

其中，

传统OBF分解的检验统计量为E=a12+a22+a32。

2" 航空磁探仪对运动目标的OBF信号检测方法

传统的OBF检测算法主要是针对机动平台探测静止目标设计[1，6-8]，而本文研究的反潜机磁探仪对水下目标进行探测，是机动平台探测运动目标的过程，需要对传统OBF检测算法进行改进。

由文献[9-10]可知，航空磁探仪探测动目标的磁异常信号模型

Fi（w）为正交基

动目标磁异常信号Bm在正交基F0（w）、F1（w）、F2（w）组成的空间（OBF空间）上的能量为E，表示为E=A+A+A，将E作为判决统计量，有

式中：T为选定的门限，H0为假设目标不存在，H1为假设目标存在。由式（4）可知，若t时刻目标信号为Bm（t），则能量系数Cj（t）为

3" 海浪磁噪声模型

基于Weaver海浪磁场理论，在地磁场HEgt;gt;|B|的条件下，磁探仪探测信号幅度hB（z，θ）表示为

式中：a、ω、k分别为单频波幅度、频率、波数，g为重力加速度，I为磁倾角，γ为磁偏角，θ为波浪传播方向，HE为地磁场矢量。

t时刻海平面上方zm高度的运动磁力计检测到的海浪磁场表达式为

式中：ω、k分别为海浪频率和波数；τ（ω，θ）是初始时刻相位，在（0，2π）之间均匀分布；θ为海浪传播方向与x轴的夹角；S（ω，θ）为方向谱。

方向谱S（ω，θ）由频率和角度相关的2个函数组成，可表示为

式中：S（ω）为海浪频谱，G（ω，θ）为海浪方向分布函数，A（ω，θ）为简谐波振幅。

目前较常用的海浪频谱S（ω）为Person-Moscowitz谱模型，简称为P-M谱

式中：ω为频率；α=0.008 1；β=0.74；g为重力加速度；U为海面上19.5 m处风速，谱峰频率为ωn=8.565/U。

由公式（12），可仿真出2级海况条件下的海浪能量分布图，如图1所示。

由图1的海浪PM能量分布曲线图可知：海浪的PM谱属于窄带谱，主要集中在低频部分，这与线性海浪理论是相符合的。反潜机航空磁探仪探测到的潜艇目标信号能量也主要集中在低频部分，正好与海浪环境磁噪声信号相重叠，因此，海浪环境磁噪声会影响航空磁探仪对目标信号的检测。

4" 仿真分析

本节主要仿真分析了高斯白噪声叠加海浪磁噪声背景下，反潜机的飞行速度、飞行航向、飞行高度等运动态势对OBF磁异常信号检测方法的效能影响，其结论可为航空磁探仪降低噪声干扰，提高对潜艇磁目标信号的检测能力。

仿真条件为：地磁场HE=50 000 nT，地磁倾角为30°，地磁偏角为10°，重力加速度为9.8 m/s2，海水的磁导率为4π×10-7 H/m，海水电导率为5 s/m，采样频率为10 Hz，波浪传播主方向为45°。

4.1" OBF对复杂背景磁噪声的抑制能力分析

图2—图5为在高斯白噪声叠加海浪磁噪声背景下，本文OBF方法对运动目标的信号检测结果。可见，OBF检测能较好地抑制海浪磁场背景噪声的影响。

4.2" 反潜机运动速度对OBF检测能力影响分析

仿真反潜机在100、150、200 m/s飞行速度条件下，对磁探仪OBF检测概率的影响，如图6所示。

由仿真结果可见，随着反潜机飞行速度的增加，磁异常信号能量减弱，OBF检测概率降低。

4.3" 反潜机飞行航向对OBF检测能力影响分析

仿真反潜机与目标同向、垂直过顶条件下，磁探仪OBF检测结果。

图2、图5为反潜机与目标同向过顶条件下，磁探仪OBF检测结果。图7和图8为反潜机与目标垂直过顶条件下，磁探仪OBF检测结果。

通过对仿真结果比较，发现反潜机与目标同向过顶时，探测的磁异常信号为双峰，OBF检测抑制复杂噪声能力强；反潜机与目标垂直过顶时，探测的磁异常信号为单峰，OBF检测抑制复杂噪声能力相对较弱。

4.4" 反潜机飞行高度对OBF检测能力影响分析

仿真反潜机在100～300 m飞行高度条件下，对磁探仪OBF检测概率的影响，如图9所示。由仿真结果可见，随着反潜机飞行高度的增加，磁异常信号能量减弱，OBF检测概率降低。

5" 结论

本文通过研究在海浪磁噪声叠加高斯噪声等复杂背景干扰下，反潜机在不同飞行速度、飞行高度、飞行航向等运动态势对OBF检测方法的性能影响，提出了可通过控制反潜机运动态势，降低海浪磁噪声对航空磁探仪的干扰，有效提高反潜机航空磁探仪信号检测能力。

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