魯偉俊，李 斌

(1.中國(guó)工程物理研究院計(jì)量測(cè)試中心，四川 綿陽(yáng) 621000;2.西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西 西安 710072)

0 引 言

金屬掩埋物的探測(cè)與識(shí)別對(duì)于人類認(rèn)識(shí)和開(kāi)發(fā)未知領(lǐng)域有著很大幫助。該技術(shù)已被應(yīng)用于很多領(lǐng)域，如地下管道探測(cè)、海底掩埋物打撈、未爆彈藥探測(cè)[1-2]等。

目前對(duì)于金屬目標(biāo)探測(cè)識(shí)別有許多方案，如聲信號(hào)法、紅外測(cè)量法、磁偏角測(cè)量法等，但這些方法不同程度上均受到一定因素的約束，如聲信號(hào)法容易被外界噪聲影響，紅外測(cè)量法對(duì)太陽(yáng)光線敏感。后來(lái)許多學(xué)者開(kāi)始使用磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)探測(cè)金屬掩埋物，其原理是通過(guò)磁傳感器檢測(cè)在地磁場(chǎng)背景下，有無(wú)金屬目標(biāo)時(shí)地磁場(chǎng)的變化來(lái)檢測(cè)目標(biāo)的，即磁異常檢測(cè)[3-4]，屬于被動(dòng)測(cè)量法。關(guān)于該方法的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了許多工作，中國(guó)計(jì)量學(xué)院的聞?dòng)萚5]研制了基于磁偏角的金屬檢測(cè)系統(tǒng)；Soner Meta等[6]設(shè)計(jì)的單回路線圈檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)于金屬目標(biāo)物的檢測(cè)也具有很高的檢測(cè)概率。但是，由于上述方法是基于地磁背景下進(jìn)行的設(shè)計(jì)，都沒(méi)有很好地解決由地磁變化引起的基線漂移問(wèn)題[7]，進(jìn)而會(huì)引入探測(cè)誤差。而主動(dòng)磁探測(cè)方法是通過(guò)系統(tǒng)本身向外輻射已知磁信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)反射信號(hào)來(lái)判定目標(biāo)物的方式，并未引入地磁場(chǎng)，故不存在基線漂移問(wèn)題。

1 主動(dòng)磁探測(cè)原理

1.1 金屬對(duì)交變磁場(chǎng)的響應(yīng)

由物理學(xué)知識(shí)可知，磁通量與磁通密度波動(dòng)量的計(jì)算式如下式所示：

從式(1)中可以分析出，磁通量的變化量是由磁通密度變化量和有效照射面積決定，而磁通量變化量與信號(hào)強(qiáng)度成正比，即反射信號(hào)的強(qiáng)度與目標(biāo)反射面積成正比，也就是說(shuō)有效反射面積越大，反射信號(hào)越強(qiáng)。磁通密度的波動(dòng) ?B是由兩部分組成：一部分來(lái)自于磁場(chǎng)強(qiáng)度H，另一部分來(lái)自于磁化強(qiáng)度M。磁場(chǎng)強(qiáng)度H只取決于電流，對(duì)于金屬目標(biāo)來(lái)說(shuō)，此處電流指的是渦電流，而磁化強(qiáng)度M取決于物質(zhì)內(nèi)部分子的固有磁矩取向的整齊程度。目前，金屬按磁導(dǎo)率的大小可分為鐵磁質(zhì)、順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)，其中鐵磁質(zhì)在外磁場(chǎng)的照射下會(huì)產(chǎn)生渦流二次場(chǎng)和磁化場(chǎng)，而其余兩種類型的金屬僅產(chǎn)生渦流二次場(chǎng)。故對(duì)于鐵磁質(zhì)目標(biāo)，其反射場(chǎng)為渦流二次場(chǎng)與磁化場(chǎng)的矢量和，但由于磁化是需要時(shí)間的，而探測(cè)過(guò)程一般持續(xù)時(shí)間很短，導(dǎo)致探測(cè)目標(biāo)不能被完全磁化，此時(shí)磁化場(chǎng)相較于渦流二次場(chǎng)可忽略，因此本研究只考慮了渦流二次場(chǎng)的情況。

1.2 渦流二次場(chǎng)

在交變或隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)情況下，當(dāng)磁場(chǎng)照射在金屬材料上時(shí)會(huì)產(chǎn)生一種效應(yīng)—渦流效應(yīng)[8-9]，如圖1所示。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律和楞次定律，如式（2），當(dāng)穿過(guò)金屬材料的 Φ(磁通量)變化時(shí)，金屬材料中就會(huì)激發(fā)出與 Φ變化率反向的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)在金屬內(nèi)部產(chǎn)生渦電流，進(jìn)而產(chǎn)生渦流二次場(chǎng)，向外輻射信號(hào)。

圖1 金屬體內(nèi)產(chǎn)生渦電流

1.3 主動(dòng)磁探測(cè)

主動(dòng)磁探測(cè)系統(tǒng)由發(fā)射模塊和接收模塊組成，通過(guò)持續(xù)向發(fā)射天線中通入交流電流，以此產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。當(dāng)無(wú)金屬目標(biāo)存在的時(shí)候，接收傳感器只接收到發(fā)射線圈輻射的磁場(chǎng)，即直耦信號(hào)。當(dāng)有金屬目標(biāo)存在時(shí)，由于金屬目標(biāo)在交變磁場(chǎng)中產(chǎn)生了渦流二次場(chǎng)，而渦流二次場(chǎng)又向外輻射反射信號(hào)，這時(shí)接收傳感器接收到的是直耦信號(hào)和金屬目標(biāo)產(chǎn)生的反射信號(hào)的矢量和，之前只有直耦信號(hào)的狀態(tài)被打破，系統(tǒng)就是通過(guò)檢測(cè)這個(gè)磁場(chǎng)狀態(tài)的變化來(lái)檢測(cè)金屬目標(biāo)的。探測(cè)系統(tǒng)框圖如圖2所示，框圖中的參考信號(hào)是與直耦信號(hào)相關(guān)的信號(hào)，在信號(hào)處理中起作用。

主動(dòng)磁探測(cè)由于是主動(dòng)發(fā)射特定頻率的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，且反射信號(hào)與主動(dòng)發(fā)射的信號(hào)頻率一致，所以在信號(hào)檢測(cè)時(shí)，只關(guān)心特定頻率點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度大小的變化，故本方法屬于頻率域探測(cè)。

圖2 探測(cè)系統(tǒng)框圖

1.4 發(fā)射線圈與接收傳感器的擺放方式

在探測(cè)系統(tǒng)中，由于發(fā)射天線與接收傳感器的擺放距離較近，導(dǎo)致在接收端會(huì)接收到很強(qiáng)的直耦信號(hào)，不利于反射信號(hào)的檢測(cè)。為了降低直耦信號(hào)對(duì)反射信號(hào)的影響，在此提出一種平行配置的擺放方式[10]。假設(shè)接收探頭rc、與發(fā)射天線tc軸線彼此互相平行，且同時(shí)擺放在垂直系統(tǒng)縱軸的某一平面內(nèi)。如圖3所示，這種擺放方式稱為平行配置。接收端接收軸向分量，根據(jù)磁偶極子理論計(jì)算可得接收端的軸向分量表達(dá)式為：

圖3 平行配置方式

2 檢測(cè)算法

在上文中提及通過(guò)合理的位置布放，可減弱接收端的直接耦合信號(hào)，但這個(gè)較小的直接耦合信號(hào)相對(duì)于目標(biāo)物的反射信號(hào)來(lái)說(shuō)還是比較大的，微弱的反射信號(hào)與直耦信號(hào)疊加在一起，導(dǎo)致反射信號(hào)的信噪比低，不利于檢測(cè)。所以在信號(hào)后處理中，應(yīng)采取一定的措施，進(jìn)一步減弱直耦信號(hào)，提高反射信號(hào)的檢測(cè)信噪比。本文采用自適應(yīng)對(duì)消技術(shù)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，自適應(yīng)對(duì)消如圖4所示。傳感器在采集到有用信號(hào)s的同時(shí)，也會(huì)接收到直達(dá)信號(hào)n0，兩者混合在一起構(gòu)成對(duì)消系統(tǒng)的原始輸入信號(hào)。采集系統(tǒng)的另一通道同步采樣一個(gè)與直達(dá)信號(hào)相關(guān)的信號(hào)n1，作為系統(tǒng)的參考輸入[11-12]，參考輸入經(jīng)自適應(yīng)濾波器后得到輸出y，根據(jù)濾波器的輸出y與s+n0的差值不斷調(diào)整濾波器的參數(shù)，使得y無(wú)限接近于n0，通過(guò)s+n0-y，即可達(dá)到濾除直達(dá)信號(hào)的目標(biāo)[13-14]。

圖4 自適應(yīng)信號(hào)對(duì)消原理

實(shí)際應(yīng)用自適應(yīng)對(duì)消分為兩階段，自適應(yīng)對(duì)消的學(xué)習(xí)階段和應(yīng)用階段。學(xué)習(xí)階段傳感器輸出只包含直達(dá)信號(hào)，即沒(méi)有目標(biāo)物存在時(shí)的情況，通過(guò)引入與直達(dá)信號(hào)相關(guān)的參考信號(hào)，進(jìn)行自適應(yīng)濾波，根據(jù)輸出的誤差值，判斷算法是否收斂，濾波器權(quán)值是否滿足要求，當(dāng)滿足要求后提取出當(dāng)前的濾波器權(quán)值，并固定權(quán)值，到此學(xué)習(xí)階段結(jié)束；應(yīng)用階段就是用學(xué)習(xí)階段得到的最優(yōu)濾波器權(quán)值對(duì)包含有反射信號(hào)的傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行對(duì)消處理，以此達(dá)到抵消直達(dá)信號(hào)的目的。自適應(yīng)對(duì)消實(shí)現(xiàn)步驟如圖5所示。

圖5 自適應(yīng)對(duì)消流程圖

3 金屬探測(cè)試驗(yàn)驗(yàn)證

本次實(shí)驗(yàn)按照前文所述的天線平行配置形式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將輻射棒與磁通門傳感器固聯(lián)在一塊木板上如圖6所示，整體移動(dòng)至不同測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，目標(biāo)物被埋于地下一定深度，固定不變。數(shù)據(jù)處理方法按前文所述進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)發(fā)射頻率為110 Hz和510 Hz的正弦波信號(hào)，探測(cè)目標(biāo)為空心鐵管（直徑250 mm壁厚10 mm），金屬管掩埋深度為0.5 m。試驗(yàn)所用磁通門選自西安華舜測(cè)量設(shè)備有限責(zé)任公司，型號(hào)為 HS-MS-FG-3-LN，靈敏度是10 000 nT/V，帶寬 DC～1 kHz，線性度≤0.01%，時(shí)域噪聲≤0.5 nTrms@0.1 s，頻域噪聲不足6 pT。

圖6 移動(dòng)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)方案示意圖如圖7所示，測(cè)點(diǎn)每次與輻射棒的位置對(duì)齊。

圖7 實(shí)驗(yàn)方案示意圖

由于直耦信號(hào)與渦流二次場(chǎng)信號(hào)的頻率一致，故先對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行窄帶濾波提取出有用頻率信號(hào)。本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)包含兩個(gè)通道，通道一數(shù)據(jù)為磁傳感器所采集到的數(shù)據(jù)，通道二為從信號(hào)源處引入的參考信號(hào)。使用前文所述的檢測(cè)方法，自適應(yīng)學(xué)習(xí)階段處理結(jié)果如圖8所示。

圖8 前 30 s 信號(hào)自適應(yīng)對(duì)消過(guò)程

由試驗(yàn)結(jié)果可以看到，直耦信號(hào)由原來(lái)的23 nT減小到不足1 nT。通過(guò)提取并確定自適應(yīng)學(xué)習(xí)階段所獲得的濾波器權(quán)值，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)消處理。

110 Hz實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄的時(shí)間可對(duì)應(yīng)出圖中臺(tái)階對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)位置，發(fā)現(xiàn)在0 m和0.5 m測(cè)點(diǎn)可明顯探測(cè)到目標(biāo)物的存在，其余測(cè)點(diǎn)無(wú)法判斷，0.5 m處是傳感器位于目標(biāo)正上方時(shí)的情況。

圖9 110 Hz探測(cè)結(jié)果時(shí)域圖

圖10 510 Hz 探測(cè)結(jié)果時(shí)域圖

510 Hz 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10 所示，與 110 Hz的情況類似。根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄的時(shí)間可對(duì)應(yīng)出圖中臺(tái)階對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)位置，發(fā)現(xiàn)在0 m和0.5 m測(cè)點(diǎn)可明顯探測(cè)到目標(biāo)物的存在，其余測(cè)點(diǎn)無(wú)法判斷，0.5 m測(cè)點(diǎn)處是傳感器位于目標(biāo)正上方時(shí)的情況。

將鐵管的定點(diǎn)掩埋探測(cè)數(shù)據(jù)歸納整理列表如表1所示。

表1 鐵管掩埋物探測(cè)數(shù)據(jù)

定點(diǎn)測(cè)量之后對(duì)掩埋目標(biāo)進(jìn)行了連續(xù)的通過(guò)特性測(cè)量，通過(guò)方式和測(cè)量結(jié)果如圖11所示，圖中的尖峰就是通過(guò)鐵管時(shí)鐵管產(chǎn)生的反射信號(hào)。

圖11 通過(guò)方式和連續(xù)通過(guò)時(shí)域結(jié)果

實(shí)驗(yàn)對(duì)鐵管進(jìn)行了定點(diǎn)探測(cè)和通過(guò)特性測(cè)量，定點(diǎn)探測(cè)在0 m和0.5 m測(cè)點(diǎn)上可明顯探測(cè)到目標(biāo)，連續(xù)通過(guò)測(cè)量也可以從結(jié)果中清楚的判斷出有無(wú)目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)金屬的渦流效應(yīng)，本文通過(guò)主動(dòng)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，檢測(cè)金屬目標(biāo)的渦流二次場(chǎng)信號(hào)來(lái)探測(cè)目標(biāo)。針對(duì)探測(cè)中反射信號(hào)檢測(cè)信噪比低的問(wèn)題，通過(guò)合理的天線布局與自適應(yīng)對(duì)消處理的方式，有效的抑制了直接耦合信號(hào)的影響，且整個(gè)探測(cè)過(guò)程，只關(guān)心特定頻率信號(hào)的強(qiáng)弱變化，故探測(cè)系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng)。試驗(yàn)結(jié)果表明該探測(cè)方式可以很好地探測(cè)到金屬目標(biāo)物，具有較好的工程應(yīng)用前景。