磁探潜是一种重要的非声探测手段,当前磁探潜主要依靠潜艇自身材料的铁磁特性进行探测,但随着低磁材料的应用和主动消磁技术的发展,潜艇铁磁特性引起的磁异常场在逐渐降低,探测难度不断增加,急需研究潜艇的新型目标磁源。离子运动磁场是由海水中带电离子运动形成的一种磁场,它与传统铁磁性壳体材料引起的艇体磁场不同。虽然这种磁场比较微弱,但它与潜艇自身材料特性无关,具有很好的应用前景。为了将离子运动磁场应用于水下目标探测与识别,本文深入剖析了离子运动磁场产生机理,建立了海洋环境下离子运动磁场理论模型,并对其影响因素进行了分析,在此基础上采用数值仿真方法评估了离子运动磁场的量级、信号特征、分布和传播规律,为潜艇等水下运动目标的探测提供理论和方法支撑。主要工作和创新点如下:1.揭示了离子运动效应磁场的机理和特性,建立了海水环境下离子运动磁场理论模型,分析了海水理化参数和激励源参数变化对离子运动磁场的影响。在传统离子受力方程基础上,考虑了洛伦兹力(离子切割地磁场产生的作用力),建立了既包含离子质量之差效应(惯性效应)又包含离子切割磁力线效应(感应效应)的离子受力方程,通过对离子受力方程中各作用力的分析,推导并化简得到可求解的离子极化电流密度公式,最后通过电磁场理论得出最终的离子运动磁场理论模型,从而建立了从外界激励源速度场到极化电流密度,再到辐射电磁场的物理量传递链。此外,分析了海水离子浓度、离子质量、离子粘滞系数、背景地磁场等因素对离子运动磁场的影响,为研究离子运动磁场信号增强方法提供理论和方法指导。2.搭建了潜艇水动力学数值仿真平台,提出了一套完整的潜艇水动力学数值仿真方案。利用ANSYS FLUENT软件良好的并行计算模式和强大的后处理功能,以及“天河二号”强大的计算能力,搭建了数值仿真平台,为开展潜艇水动力学研究提供了条件。基于DARPA SUBOFF模型研究了潜艇运动流场仿真方法,并从定性和定量两个方面来对本文的数值仿真结果进行分析。在与DARPA SUBOFF水池试验值的对比分析中,本文模拟计算的总阻力值与试验测量值的误差约为2.8%,摩擦阻力计算值与桑海公式计算值的误差约为3.2%,从而验证了所提出的仿真方法的准确性和可靠性,为接下来离子运动磁场的准确解算奠定了基础。3.研究了基于水流激励的离子运动磁场解算问题,提出了基于并行UDF的一体化磁场解算方法,解决了流场与磁场耦合计算问题,高效率地实现了同一平台内的流场与磁场联合计算。潜艇是一个大型目标,要实现高精准仿真,必须要有足够精细的网格,导致计算模型的数据量十分巨大。如果流体力学、电磁学等计算不能在同一个平台上实现一体化计算,那将面临庞大的数据存储和传输问题。因此,必须建立离子运动磁场的一体化仿真计算平台。利用UDF(User Defined Functions,用户自定义功能)进行后处理开发,具体是通过UDF内置函数访问FLUENT求解器中的物理变量,并结合C语言进行磁场解算编程,最终实现流场、磁场的一体化仿真计算。采用本文建立的一体化仿真方法,分析了低速航行(航速3m/s,转速1rps)和高速行进(航速10m/s,转速2rps)两种工况下水流激励的离子运动磁场量级大小、频率特征和分布规律。仿真结果表明,在1倍艇长处磁场量级分别为0.26nT和0.75nT,在10倍艇长处磁场量级分别为1.02pT和3.09pT,且磁场信号具有明显的频率特征。4.推导了基于相似原理的不同尺度间磁场换算关系,并基于一体化仿真平台进行了验证和评估,解决了计算资源不足情况下由缩比模型到实际模型的仿真结果换算问题。首先,分析了不同尺度间磁场换算的必要性,并基于流体力学的相似原理,得出了艇身和螺旋桨分别满足的相似关系;然后,结合离子运动磁场理论公式,推导出了不同尺度间磁场换算关系;最后,基于一体化仿真平台分别进行了1.5倍和3倍缩比下的数值仿真。结果表明,磁场换算误差分别为0.76%和2.2%。因此,在允许的误差范围内,可以根据推导出来的磁场换算关系将缩比模型仿真结果换算到实际模型上去。5.研究了基于声波激励的离子运动磁场解算问题,提出了声源等效和空间降维的离子运动磁场解算方案,实现了等效声源激励下离子运动磁场的解算。声波在海水中具有衰减慢、传播距离远的特点。首先,基于FLUENT软件并利用FWH方程求解潜艇流噪声,获得线谱分量下的等效声源。然后,利用COMSOL软件中的压力声学(acpr)模块和磁场(mf)模块,并通过耦合方程建立两个模块之间的耦合关系,实现了声波激励下的离子运动磁场解算。最后,对比分析了海底吸收、海底半反射以及海底全反射三种边界条件下的磁场解算结果,获得这三种边界条件下离子运动磁场的量级、信号特征、分布和传播规律。其中,在海底全反射边界中,离子运动磁场的量级为0.1fT至1fT之间,且具有在一定范围内不随着距离而出现明显衰减的特点。6.基于数值仿真结果,开展了新型磁源用于水下目标探测的可行性研究,初步评估了机动和固定两种探测模式下的探测距离和效能。机动模式可以充分发挥搭载平台的机动性,提取磁测量信号的幅值在空间变化显著的特征。固定模式下测量得到的是一个幅值变化不明显的时间序列,在去除直流分量后,信号的特征频率显著。针对机动模式下磁测量信号幅值变化较大的特点,设计了基于最小信息熵的检波器,并采用模拟生成磁测量信号和地磁背景噪声的方法,评估了检波器的检测性能,当CPA为200米时,目标信号检测概率可达88%左右,CPA为400米时,目标信号的检测概率为70%左右。针对固定模式下磁测量信号的频率特征,设计了基于双磁力仪的频域自适应对消预处理方法、基于随机共振的信号增强方法以及基于功率谱幅值的自适应门限判决为一体的信号检测方法,同样采用模拟生成磁测量信号和背景噪声的方法,评估了检测性能,当监测距离为1000米时,目标信号检测概率达到95%以上,监测距离为1500米时,目标信号检测概率达到70%左右。