文献综述
课题背景及意义
国防是一个国家捍卫自己主权、统一、领土完整和安全所进行的重要军事活动，武器装备的研发是其重要组成。引信是保证武器装备实现末端毁伤性能的关键，随着现代化战争攻防对抗体系的加剧，日益复杂的作战环境对近炸引信的可靠性和准确性要求也越来越高[1]。在对目标物的探测识别方式中，雷达、声纳、图像和红外等都是应用最广泛的，而对于铁磁性目标，利用目标物体周围的异常磁场信号进行探测和识别在近炸引信研究中具有重要意义。
无论目标物为坦克、舰艇还是飞机、导弹，都避免不了因带有铁磁性物质而对地磁场产生扰动。这种扰动被称为磁异常现象，基于磁异常现象对铁磁性目标进行检测和定位的方法就是磁异常探测（Magnetic Anomaly Detection，MAD）。相较于其他探测方式，通过磁异常探测(MAD)技术探测铁磁性目标有其独特优点——磁力线通过空气，土壤等非铁磁性介质时几乎不会发生改变，可以有效地避免其他非铁磁性物体的干扰,弥补其他探测方式的缺陷。人类对磁的研究已有几千年，但直到19世纪麦克斯韦在别人成果的基础上提出电磁理论方程：麦克斯韦方程组，电磁学的发展才算完善，同时也为现在磁场测量与研究打下了夯实的理论基础[2,3]。随着近几十年地磁模型的不断完善、磁传感器技术的不断提高以及电子信息技术的发展，磁异常探测技术已广泛应用于考古、航空磁测[4]、地磁导航[5]等诸多领域，通过分析磁异常信号确定目标物体的方位以及运动状态等，都具备了可行性。
为了对铁磁性目标的地磁异常场进行有效探测，开展高分辨率、低噪声的三维弱磁场探测单元及其校准技术的研究为基于地磁探测的目标方位识别技术研究提供有效的弱磁场测量手段，需要对铁磁性目标在地磁场产生的异常磁场规律进行充分分析和了解。本课题基于电磁理论方程，通过电磁仿真软件仿真与实验测量相结合的分析方式，对铁磁性目标周围异常磁场分布特性进行分析。同时通过对目标磁异常场的空间分布规律以及特征参量的分析，提出辨别铁磁性目标方位的方法。铁磁性目标选择火箭弹，实体模型为80mm（暂时缺少数据）
国内外发展现状
磁测技术最早在第二次世界大战中由探测潜水艇发展起来，由此发展而来的磁异常探测技术（MAD）已应用到军事的各个领域。直到如今，研究与开发先进的MAD仪器，使其探测距离更远，探测结果更准确可靠，仍是各国研究人员的一个重要任务[4]。磁异常探测技术的发展主要受制于两个方面:1)磁传感器；2）识别算法[6]。磁传感器的发展已有几十年的历史，现在磁传感器已经较为成熟和完善，由美国物理系M.V.Romalis和J.C.Allred教授研制的一种新型原子磁力仪，在弱磁场中工作时灵敏度已经可能达到的数量级[4],一般的弱磁检测设备的灵敏度也可达到。通过对磁性目标周围异常磁场的磁场强度、磁场方向角以及磁场梯度等特征量的计算分析，可以识别出目标的体积、距离、速度及方位等信息。目前常用的算法有基于BP神经网络算法[12]，模板匹配算法和K最邻近（KNN）算法等。其中BP神经网络识别精度高但是训练时间长；模板匹配算法简单易实现，但识别精度较低；KNN算法识别精度高但计算复杂性和空间复杂性比较高[7-11]。
国外很早就开展了关于地磁异常探测和定位技术的研究。1975年,美国科学家Wynn等人提出了利用磁场梯度张量数据的磁偶极子定位跟踪算法。基于这种算法,可以根据单个测点上的5个磁场梯度张量和3个磁场分量的数据,得到磁偶极子源的方位参数和磁矩参数(磁矩矢量的3个分量)，而且可以根据静态测点上的连续测量结果,实现对运动的磁偶极子源的定位跟踪。1988年, Bradley利用此算法研究了非偶极子模型与偶极子定位跟踪算法的场源深度估计的误差,指出该误差取决于测量点距目标的距离与目标最大尺寸的比值,如果测量距离大于目标最大尺寸的两倍,则深度估计误差不超过10%。1995年,Wynn又提出了磁梯度仪以已知速度运动的情况下磁偶极子源定位的问。2001年M.Hirota提出了用一个三轴LTS SQUID磁力仪构建一个机载的磁异常探测器，其对远距离无遮蔽的铁磁目标探测效果很好[3]。澳大利亚研究人员研发一种可以测量全部9个地球磁场张量要素的HTS-SQUID系统 。该系统采用一种创新的设计,使用3个可以绕其垂直轴旋转的梯度计，并通过初步试验验证了系统设计的可行性。在弱磁物体矢量探测的研究中，Roalod Otnes提出通过向量线性预测法将噪声白化以及通过窗口匹配滤波的方式完成对物体的探测，其参数解算精度远高于基于标量的计算[15]。目前比较成熟的MAD装置主要装备在反潜飞机上，用于探测舰艇及潜艇，如英国的nimrod NR2反潜巡逻机、法国的Atl-2反潜直升机，美国的P-3C飞机搭载的先进AN/ASQ-208MAD系统探测距离已经达到500m[4]。
我国在弱磁目标物体探测中，大多还是沿用基于磁场标量探测方法获得目标物信息。2001年，王金根，龚沈光提出一种基于运动标量磁力计且不需要事先假定目标磁矩的磁性目标通用定位方法，而且对该方法稍作修改后，还可以运用到基于矢量磁力计的定位问题中。该方法通过分析两个标量磁力计获取得两组磁场数据，可以近似解算出目标物位置得三个参量，大量仿真实验表明该方法定位精度很高[10]。同时，在弱磁目标矢量探测上也有了众多理论研究，海军工程大学的胡海滨等人针对弱磁物体模型化检测及定位算法中存在的多元非线性方程解的问题，对模型表达式中的母函数进行正交化处理，提出了一种新的模型化目标检测和定位方法[16]。王金根、唐劲飞等人在磁偶极子模型的基础上，提出二次函数组合法，指出在大多数情况下可以通过两个函数的分离，逐步求出目标参数。并通过对此模型的深入研究，又提出针对磁性目标定位的最优化法、基于神经网络法和二次差分矩阵法等多种定位方法[8,17]。2017年，贾文抖、林春生等人建立了单个磁梯度计旋转探测模型，基于此模型实现了对磁偶极子源的精确定位[9]。从这种转动的单个矢量磁梯度计可以获得包含磁梯度张量的欧拉齐次方程，通过方程的解算实现对目标定位。仿真结果表明，在模型参数选取合适的情况下，与多个磁传感器组成的阵列探测方法相比，该方法在靠近磁目标的区域内具有更高的定位精度。目前，国内的磁探技术主要用于地质勘探，由于采用标量探测，探测精度都不高，也有装载在飞机尾翼上的MAD，如水轰—5型水上反潜轰炸机。
综合国内外发展信息，目前磁异常探测技术主要用于探测较大型目标且精度误差较大。为了更好地对火箭弹等小型目标开展基于磁异常探测目标定位方法的研究，需要对火箭弹周围异常磁场分布进行充分了解。
