王 馳，馬 輝，李金輝，張小青，欒信群，方 東*

（1.上海大學(xué) 精密機(jī)械工程系，上海200444；2.近地面探測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫214035）

1 引言

由于雷區(qū)環(huán)境復(fù)雜且地雷種類多樣，埋設(shè)地雷的安全有效探測(cè)一直是世界性難題?；诘乩茁曊裉匦院吐?地震耦合原理的聲波共振探雷技術(shù)是一種極具潛力的探測(cè)方法。當(dāng)聲波從空氣中傳播入射到土壤時(shí)，大部分能量被反射回空中，還有一小部分能量通過動(dòng)量作用及空氣與土壤粒子的黏滯摩擦作用，以地震波的形式耦合到土壤中，并引起地表的振動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為聲-地震耦合［1-2］。此外，地雷作為一個(gè)彈性腔體結(jié)構(gòu)，其聲順性遠(yuǎn)大于埋藏土壤和石塊、樹根、金屬彈片等雜物，在聲波耦合的地震波能量作用下會(huì)發(fā)生諧振作用，致使地表振動(dòng)產(chǎn)生獨(dú)特的變化。利用高靈敏度的振動(dòng)傳感器檢測(cè)地表振動(dòng)的變化情況，可以判斷地雷的存在性。然而，聲-地震耦合的效率很低，聲波耦合的地表振動(dòng)即使在地雷發(fā)生諧振的作用下仍然很微弱，加上環(huán)境噪聲的影響，如何精確檢測(cè)微弱的地表振動(dòng)特征信號(hào)，一直是聲波共振探雷技術(shù)研究的關(guān)鍵問題。

在聲波共振探雷技術(shù)研究中，對(duì)于地表微弱振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)使用了不同類型的傳感器，包括接觸式傳感器和非接觸式傳感器。接觸式傳感器主要包括地震檢波器和加速度計(jì)［3-4］，它們結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，在聲共振探雷模型驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)室研究階段用于檢測(cè)地表微弱振動(dòng)信號(hào)，并取得了較好的效果，但不適用于工程探雷系統(tǒng)。非接觸式傳感器主要包括激光多普勒振動(dòng)計(jì)［5-7］、雷達(dá)振動(dòng)計(jì)［8-9］和超聲振動(dòng)計(jì)［10-11］等，它們雖然各有特點(diǎn)，但因在可靠性、快速性和便攜性等方面的局限，無法較好地勝任微弱復(fù)雜地表振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)工作。

近年來，研究人員關(guān)注到激光自混合干涉測(cè)振技術(shù)在聲波耦合的地表振動(dòng)檢測(cè)中的應(yīng)用潛力。激光自混合干涉測(cè)振技術(shù)是指來自激光器輸出的激光束投射到振動(dòng)目標(biāo)表面，經(jīng)目標(biāo)反射或散射后，有一部分?jǐn)y帶目標(biāo)振動(dòng)信息的反射光或散射光反饋回腔內(nèi)與腔內(nèi)光相互干涉，從而調(diào)制激光器的輸出功率和頻率，通過分析封裝在激光器中的光電探測(cè)器檢測(cè)到的輸出光功率變化，即可得到目標(biāo)物體的振動(dòng)信息［12］。實(shí)驗(yàn)研究表明，激光自混合測(cè)振技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜粗糙表面振動(dòng)的精確快速測(cè)量，測(cè)量精度可達(dá)納米量級(jí)［13-14］。與現(xiàn)有的非接觸式地表振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)相比，激光自混合測(cè)振技術(shù)具有穩(wěn)定性好、光路簡(jiǎn)單和測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。因光路簡(jiǎn)單，激光自混合測(cè)振儀器占用體積小、質(zhì)量輕、便于攜帶［13-15］。目前，該技術(shù)已逐漸應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，如微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的動(dòng)態(tài)測(cè)量［16］、機(jī)械設(shè)備的故障診斷［17-18］、生物振動(dòng)信號(hào)（人體皮膚的振動(dòng)，耳鼓的振動(dòng)等）的檢測(cè)［19-20］等，并取得了良好的檢測(cè)效果。

本文將激光自混合干涉測(cè)振技術(shù)應(yīng)用于聲共振探雷實(shí)驗(yàn)研究中，根據(jù)地雷固有頻率所在的頻段，利用高功率音箱采用正弦掃頻的激勵(lì)方式激勵(lì)地表產(chǎn)生微弱振動(dòng)，利用激光自混合測(cè)振技術(shù)進(jìn)行微弱復(fù)雜地表振動(dòng)信號(hào)的高精度非接觸式檢測(cè)。對(duì)不同類型埋設(shè)地雷與磚塊作為干擾物進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證利用激光自混合測(cè)振技術(shù)進(jìn)行聲共振探雷技術(shù)研究的可行性；同時(shí)，通過改變69式防坦克塑殼地雷的埋藏深度以及其上方覆土土壤的濕度和孔隙度，研究了地雷在不同埋藏條件下的聲振特性。

2 激光自混合干涉測(cè)振原理

激光自混合干涉測(cè)振原理可利用三鏡腔模型進(jìn)行分析，三鏡腔模型如圖1所示。反射鏡A，B構(gòu)成了激光器的內(nèi)腔，反射鏡B和反射體（待測(cè)目標(biāo)，如地雷或地表）M構(gòu)成了激光器的外腔。l和L分別表示激光器的內(nèi)腔長度和外腔長度。

圖1 三鏡腔模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of three-mirror cavity model

忽略外腔的多次反射，光反饋存在時(shí)可得自混合干涉系統(tǒng)的頻率方程和功率方程式分別為［21］：

式中：ν0為無光反饋時(shí)激光器的光頻率；νF為有光反饋時(shí)激光器的光頻率；τL=2L/c（c為真空中的光速），表示光在外腔往返一周的時(shí)間；C為光反饋強(qiáng)度系數(shù)，表示激光自混合干涉系統(tǒng)中外部光反饋量的強(qiáng)弱；α為激光器線寬展寬因子；P0為無光反饋時(shí)激光器的初始光功率；P為有光反饋時(shí)激光器的輸出光功率；m為調(diào)制系數(shù)，可視為常數(shù)。

由式（1）和式（2）可知，激光器輸出功率P和光頻率νF均與外腔長度L相關(guān)。隨著目標(biāo)物體的振動(dòng)，即外腔長度L的改變，激光器的輸出光功率P相應(yīng)改變。通過分析光電探測(cè)器檢測(cè)到的輸出光功率的變化，即可得到目標(biāo)物體M的振動(dòng)信息。激光器的外腔反射體每移動(dòng)半個(gè)波長，即ΔL=λ0/2（λ0為激光器初始的輸出波長）時(shí)，激光器輸出光功率信號(hào)就產(chǎn)生一個(gè)干涉條紋，即一個(gè)周期的自混合信號(hào)。

假設(shè)目標(biāo)物體做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，振動(dòng)信號(hào)隨時(shí)間變化的規(guī)律為：

其中：L0是外腔的初始長度，即反射鏡B到目標(biāo)的距離；A和f分別是目標(biāo)物體的振幅和振動(dòng)頻率，t是時(shí)間變量。則有：

將式（4）帶入式（2）可得：

根據(jù)式（1）和式（5），可得到不同振幅和頻率下的簡(jiǎn)諧振動(dòng)對(duì)應(yīng)的模擬自混合信號(hào)波形。仿真條件如下：激光器的初始輸出波長λ0為1.31 μm，初始外腔長度L0為5 cm，光反饋強(qiáng)度系數(shù)C為0.5，線寬展寬因子α為4，可得如圖2所示的自混合仿真信號(hào)。圖2（a）～2（c）分別對(duì)應(yīng)反射體3種簡(jiǎn)諧振動(dòng)：A1=λ0，f1=100 Hz；A2=2λ0，f2=100 Hz；A3=2λ0，f3=200 Hz。比較圖2（a）和圖2（b）可以看出，圖2（b）對(duì)應(yīng)的自混合信號(hào)條數(shù)為圖2（a）的兩倍，由于自混合信號(hào)一個(gè)周期對(duì)應(yīng)著反射體λ0/2的位移，故隨著反射體振動(dòng)峰值的增加，自混合信號(hào)條紋數(shù)量也成倍增加。比較圖2（b）和圖2（c）可以看出，圖2（c）對(duì)應(yīng)的自混合信號(hào)條數(shù)為圖2（b）的兩倍，自混合信號(hào)的一個(gè)周期與反射體振動(dòng)的一個(gè)周期完全對(duì)應(yīng)，隨著反射體振動(dòng)頻率的增加，自混合信號(hào)的頻率也成比例增加。

圖2 模擬振動(dòng)信號(hào)及相應(yīng)的自混合仿真信號(hào)Fig.2 Simulated vibration signals and corresponding selfmixing signals

3 地雷聲振特性檢測(cè)

基于上述激光自混合干涉測(cè)振原理，本課題組采用模態(tài)分析法研究了地雷的聲振特性［22］。利用高效可靠的脈沖錘（力錘）激振方式，對(duì)地雷外殼上標(biāo)記的點(diǎn)進(jìn)行激勵(lì)。采集各點(diǎn)的激振信號(hào)及振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，根據(jù)激勵(lì)信號(hào)與響應(yīng)信號(hào)的關(guān)系，采用參數(shù)識(shí)別法獲取地雷的模態(tài)參數(shù)（包括固有頻率和模態(tài)振型）。如圖3所示，地雷模態(tài)特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括力錘、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、激光自混合測(cè)振儀、模態(tài)分析儀、計(jì)算機(jī)和實(shí)驗(yàn)對(duì)象（地雷）。力錘敲擊待測(cè)目標(biāo)產(chǎn)生力信號(hào)，激光自混合測(cè)振儀檢測(cè)待測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)。激光自混合測(cè)振儀與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和模態(tài)分析儀相連，將檢測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)模態(tài)分析儀和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入到計(jì)算機(jī)，最后通過專業(yè)模態(tài)分析軟件進(jìn)行進(jìn)一步處理和顯示。

圖3 地雷模態(tài)特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 Experimental system for landmine modal charac?teristics measurement

圖4為模態(tài)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象和分析模型，模態(tài)特性檢測(cè)實(shí)驗(yàn)方案中實(shí)驗(yàn)對(duì)象為塑料外殼的69式防坦克地雷（以下簡(jiǎn)稱塑殼地雷）。在塑殼地雷的表面標(biāo)記敲擊力點(diǎn)，根據(jù)塑殼地雷的自身結(jié)構(gòu)，在塑殼地雷上標(biāo)記127個(gè)待測(cè)點(diǎn)，對(duì)這些標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，將地雷底部用泡沫膠粘在剛性平臺(tái)上。利用力錘依次敲擊地雷模型表面所標(biāo)記的各點(diǎn)，產(chǎn)生沖擊力信號(hào)，激光自混合測(cè)振儀對(duì)準(zhǔn)地雷中心點(diǎn)檢測(cè)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，經(jīng)過模態(tài)分析儀和模態(tài)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析，得到激勵(lì)點(diǎn)和中心點(diǎn)之間的振動(dòng)響應(yīng)傳遞函數(shù)以及地雷殼體的模態(tài)振型。

圖4 69式防坦克地雷及其模態(tài)分析模型Fig.4 Type 69 anti-tank landmine and its modal analysis model

圖5為塑殼地雷固有頻率和模態(tài)振型的測(cè)量結(jié)果。由圖5可知，塑殼地雷第一次振幅最大值在112 Hz附近，對(duì)應(yīng)于塑殼地雷的第一階固有頻率和一階模態(tài)振型，故其一階固有頻率為112 Hz，振幅為-73 dB。塑殼地雷的二階模態(tài)出現(xiàn)在頻率232 Hz處，對(duì)應(yīng)二階固有頻率，此時(shí)振幅為-84 dB。三階模態(tài)出現(xiàn)在頻率723 Hz處，對(duì)應(yīng)三階固有頻率，振幅為-96 dB。塑殼地雷是彈性腔體結(jié)構(gòu)，其機(jī)械形狀是規(guī)律的幾何圖形，因此地雷所激發(fā)的模態(tài)振型呈現(xiàn)規(guī)律的幾何圖形，振型的變化也是規(guī)律的幾何變化。從而證實(shí)激光自混合測(cè)振儀能夠準(zhǔn)確有效地檢測(cè)地雷外殼的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)模態(tài)特性的測(cè)量。

圖5 69式防坦克塑殼地雷的模態(tài)測(cè)量結(jié)果Fig.5 Modal vibration characteristics of type 69 anti-tank plastic landmine

用同樣的方法可測(cè)量72式防坦克金屬地雷、58式防步兵橡膠地雷和一磚塊的模態(tài)參數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)［22］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，地雷和磚塊的一階和二階固有頻率如表1所示，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出地雷的不同階模態(tài)振型具有明顯的特征，不同類型地雷的各階振型特征不同，尤其塑殼地雷表現(xiàn)出更強(qiáng)烈的振動(dòng)特征。地雷上殼的彈性板殼結(jié)構(gòu)所呈現(xiàn)的模態(tài)振型迥異于磚塊，這是由于磚塊作為不規(guī)則物體，其阻尼特性比殼體地雷大了很多，因此磚塊所激發(fā)的模態(tài)振型沒有明顯規(guī)律，并且磚塊的高階模態(tài)振型難以激發(fā)。3種類型地雷的前兩階共振頻率均處于低頻段（低于500 Hz），為聲波激勵(lì)地表振動(dòng)信號(hào)頻段的選擇提供了參考。

表1 地雷和磚塊的前兩階共振頻率Tab.1 The first-and second-order natural frequencies of landmines and brick （Hz）

4 實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建

基于激光自混合測(cè)振技術(shù)和地雷的聲振特性，本文設(shè)計(jì)并搭建了地雷在埋設(shè)情況下的探測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。如圖6所示，該探雷系統(tǒng)包括聲波發(fā)射部分和地表振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)部分。聲波發(fā)射部分是由信號(hào)發(fā)生器、調(diào)音臺(tái)、功率放大器和音箱組成。地表振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)部分由激光自混合測(cè)振儀（包括激光頭和控制單元）、數(shù)據(jù)采集卡以及計(jì)算機(jī)組成。音箱發(fā)出聲波激勵(lì)地表的同時(shí)，激光自混合測(cè)振儀檢測(cè)土壤表面的振動(dòng)信號(hào)，通過數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)一步進(jìn)行處理。其中，激光自混合測(cè)振儀采用Julight公司生產(chǎn)的單點(diǎn)式VSM 1000-L-EXT產(chǎn)品，其相關(guān)性能參數(shù)如表2所示。

圖6 基于激光自混合測(cè)振的聲共振探雷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.6 Experimental system of acoustic resonance land?mine detection based on laser self-mixing vibration measurement

表2 VSM 1000-L-EXT型激光自混合測(cè)振儀的性能參數(shù)Tab.2 Performance of VSM 1000L-EXT laser self-mix?ing vibrometer

4.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地為100 cm（長）×90 cm（寬）×40 cm（深）的凹坑，實(shí)驗(yàn)土壤為普通沙土。如圖7所示，將69式防坦克塑殼地雷（直徑約為27 cm），72式防坦克金屬地雷（直徑約為30 cm），58式防步兵橡膠地雷（直徑約為12 cm）和磚塊（長23 cm、寬12 cm）布置在沙坑里，彼此保持一定距離，埋深設(shè)為2 cm。將沙坑表面制作成許多4 cm×4 cm的矩形網(wǎng)格，并用橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)對(duì)所有點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，利用激光自混合測(cè)振儀依次檢測(cè)網(wǎng)格中的所有點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，音箱的發(fā)聲口對(duì)準(zhǔn)埋設(shè)有地雷及磚塊等檢測(cè)目標(biāo)的沙坑，為了避免音箱遮擋激光自混合測(cè)振儀輸出的檢測(cè)激光束，將音箱傾斜30°左右，發(fā)聲口距沙坑表面中心點(diǎn)約0.7 m。激光自混合測(cè)振儀裝在裝有減震裝置的三角支架上，激光出射口正對(duì)沙坑，距離沙坑表面約0.8 m。

圖7 實(shí)驗(yàn)土壤區(qū)域埋藏物的種類及分布Fig.7 Distribution of buried objectsin experimental bunker

現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)研究表明，聲波激勵(lì)的地表振動(dòng)信號(hào)能量隨信號(hào)頻率的增加而顯著衰減，當(dāng)頻率大于400 Hz時(shí)，檢測(cè)到的地表振動(dòng)信號(hào)幾乎被環(huán)境噪聲淹沒［23］。同時(shí)，參考已測(cè)得的3種類型地雷的前兩階固有頻率所在的頻段，本文選擇60～400 Hz的掃頻范圍，在60 Hz的基礎(chǔ)上每增加1 Hz進(jìn)行掃頻檢測(cè)。由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生60～400 Hz的掃頻信號(hào)，經(jīng)調(diào)音臺(tái)和功率放大器后由音箱發(fā)出聲波，利用聲壓計(jì)測(cè)得聲波大小在95～115 d B之間。利用激光自混合測(cè)振儀逐點(diǎn)檢測(cè)各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)，并將信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中經(jīng)濾波后進(jìn)行快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）處理，得到各測(cè)點(diǎn)處的地表振動(dòng)信號(hào)的幅頻特性曲線。

根據(jù)聲波共振探雷的基本原理，在由低頻到高頻掃描的聲波激勵(lì)下，“土壤-地雷”系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的共振和反共振現(xiàn)象，致使地表振動(dòng)狀態(tài)呈現(xiàn)異常而獨(dú)特的變化［1-2］。為了表現(xiàn)地雷上方地表振動(dòng)的異常，定義“振動(dòng)強(qiáng)度”這個(gè)體現(xiàn)地雷聲學(xué)振動(dòng)特征的物理量，其含義如下：利用聲波掃頻法測(cè)得地表某位置的幅頻特性曲線，再對(duì)幅頻特性曲線進(jìn)行掃頻范圍內(nèi)的幅值求和，求和后再取平均值，得到待測(cè)地表位置的“振動(dòng)強(qiáng)度”，其表達(dá)式為：

式中：f0，fN分別表示掃描聲波的起止頻率和終止頻率，A（fs）表示激勵(lì)頻率為fs的地表振動(dòng)幅值。將測(cè)量區(qū)域用二維的X，Y坐標(biāo)表示，所有測(cè)量點(diǎn)的“振動(dòng)強(qiáng)度”作為Z軸，便可得到地表振動(dòng)強(qiáng)度關(guān)于測(cè)量位置的三維圖，進(jìn)而直觀地分析地雷的埋設(shè)信息及其聲學(xué)振動(dòng)特性。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

圖8所示為實(shí)驗(yàn)得到的埋設(shè)深度為2 cm時(shí)各埋藏物中心點(diǎn)上方地表振動(dòng)信號(hào)的幅頻特性曲線?？梢钥闯觯癫氐乩讜r(shí)地表振動(dòng)幅值明顯大于無埋藏物和埋藏磚塊時(shí)的地表振動(dòng)幅值。這是因?yàn)榈乩椎膹椥郧惑w結(jié)構(gòu)使其聲順性較大，在受聲波激勵(lì)時(shí)，“土壤-地雷”系統(tǒng)能產(chǎn)生強(qiáng)于剛性干擾物（例如磚塊）和土壤背景的振動(dòng)響應(yīng)。其次，各地雷中心點(diǎn)上方的振動(dòng)幅頻特性曲線都呈現(xiàn)出一個(gè)明顯的峰值，對(duì)應(yīng)各地雷與其上方覆土所構(gòu)成的“土壤-地雷”系統(tǒng)的共振頻率，當(dāng)掃頻信號(hào)的頻率接近或等于系統(tǒng)的共振頻率時(shí)，會(huì)激發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生共振。此時(shí)地雷上方地表振幅最大，與無地雷處和干擾物上方的地表振幅對(duì)比最明顯，最有利于識(shí)別埋設(shè)地雷。

圖8 各埋藏物中心點(diǎn)上方地表振動(dòng)幅頻特性曲線Fig.8 Amplitude-frequency characteristic curves of bur?ied objects

根據(jù)式（6）計(jì)算網(wǎng)格中每個(gè)點(diǎn)的表面振動(dòng)強(qiáng)度M xy，從而得到測(cè)量區(qū)域處表面振動(dòng)的三維及二維成像圖，如圖9所示?？梢钥闯?，埋設(shè)地雷處三維成像圖中有明顯的凸起，二維成像圖中光斑大小明顯，從而證明了基于激光自混合干涉測(cè)振的聲-光探雷技術(shù)的可行性。

圖9 埋設(shè)深度為2 cm時(shí)的地雷成像圖Fig.9 Images of landmines buried in depth of 2 cm

5 不同埋設(shè)條件下的地雷探測(cè)實(shí)驗(yàn)及分析

將69式防坦克塑殼地雷埋藏于沙坑中心，同樣將其埋藏區(qū)域制作成多個(gè)4 cm×4 cm的矩形網(wǎng)格，并用橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)對(duì)所有點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，利用激光自混合測(cè)振儀依次檢測(cè)網(wǎng)格中的所有測(cè)點(diǎn)。利用上述探測(cè)埋設(shè)地雷的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過改變69式防坦克塑殼地雷的埋藏深度以及其上方覆土土壤的濕度和孔隙度等，研究地雷在不同土壤條件下的聲振特性。

5.1 埋設(shè)深度不同

圖10（a）所示為69式防坦克塑殼地雷在埋設(shè)深度分別為2，3，6和9 cm時(shí)其中心點(diǎn)上方地表振動(dòng)的幅頻特性曲線?？梢钥闯?，隨著埋藏深度的增大，“土壤-地雷”系統(tǒng)的振幅和共振頻率都在逐漸減小，但其共振頻率隨著埋深的增加趨于穩(wěn)定。為了進(jìn)一步驗(yàn)證埋藏深度對(duì)“土壤-地雷”系統(tǒng)振幅的影響，計(jì)算網(wǎng)格中每個(gè)點(diǎn)的表面振動(dòng)強(qiáng)度M xy，從而得到69式防坦克塑殼地雷埋藏深度在3，6和9 cm測(cè)量區(qū)域處表面振動(dòng)強(qiáng)度的三維圖，分別如圖10（b）～10（d）所示。塑殼地雷在3，6和9 cm埋深下土壤表面的最大振動(dòng)強(qiáng)度分別為1.75，0.95和0.57μm，在埋深為2 cm所測(cè)得的最大振動(dòng)強(qiáng)度為2.13μm，可以看出隨著埋深的增加地表振動(dòng)強(qiáng)度逐漸減小。

圖10 不同埋深下幅頻特性曲線及振動(dòng)強(qiáng)度三維圖Fig.10 Amplitude-frequency characteristic curves and 3D graphs of vibration intensity under different buried depths

5.2 土壤濕度不同

將上述實(shí)驗(yàn)所采用的干燥沙土的含水量設(shè)為0%，將加入的水采用重量法計(jì)算土壤含水量，其表達(dá)式定義為：

其中：W代表土壤的含水量，Mwater表示所加入水的質(zhì)量，Msoil表示現(xiàn)有沙土的質(zhì)量。

將塑殼地雷埋深設(shè)為3 cm，對(duì)相同深度但含水量不同的沙層重復(fù)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中水分均勻分布于各層。測(cè)得含水量分別為0%，3%，8%和14%時(shí)地雷中心點(diǎn)上方地表振動(dòng)的幅頻特性曲線及網(wǎng)格掃描區(qū)域的振動(dòng)強(qiáng)度三維圖，如圖11所示。由圖11（a）可以看出，隨著土壤濕度的增加（含水量的增加），“土壤-地雷”系統(tǒng)的共振頻率逐漸增加，尤其在含水量相對(duì)小的情況下出現(xiàn)較大增幅，而在含水量較高的情況下變化不大。由圖10（b）和圖11（b）～（d）可知，含水量分別為0%，3%，8%和14%所對(duì)應(yīng)的土壤表面的最大振動(dòng)強(qiáng)度分別為1.75，1.35，1.26和1.12μm。可以看出，隨著濕度的增加地表振動(dòng)強(qiáng)度略有減小，土壤濕度的變化對(duì)“土壤-地雷”諧振系統(tǒng)中地表振動(dòng)強(qiáng)度沒有明顯的影響。

圖11 不同濕度下幅頻特性曲線及振動(dòng)強(qiáng)度三維圖Fig.11 Amplitude-frequency characteristic curves and 3D graphs of vibration intensity with different soil moistures

5.3 土壤孔隙度不同

在保證聲源、土壤濕度等條件相同的情況下，將埋深為6 cm的塑殼地雷上方土壤進(jìn)行3次壓縮，隨著壓縮次數(shù)的增加，土壤的孔隙度逐漸降低。測(cè)得的塑殼地雷中心點(diǎn)上方地表振動(dòng)的幅頻特性曲線和網(wǎng)格區(qū)域范圍內(nèi)的振動(dòng)強(qiáng)度三維圖，如圖12所示。由圖12（a）可以看出，隨著孔隙度的減小，“土壤-地雷”系統(tǒng)的共振頻率略有增加，但其振幅顯著減小。由圖10（c）和圖12（b）～（d）可知，塑殼地雷上方土壤在無壓縮、第一次壓縮、第二次壓縮和第三次壓縮情況下所測(cè)得的最大振動(dòng)強(qiáng)度分別為0.95，0.76，0.55和0.38μm。可以看出，隨著孔隙度的減小，地表振動(dòng)強(qiáng)度顯著減小。

圖12 不同孔隙度下幅頻特性曲線及振動(dòng)強(qiáng)度三維圖Fig.12 Amplitude-frequency characteristic curves and 3D graphs of vibration intensity under different soil porosities

6 結(jié)論

本文在論述激光自混合測(cè)振技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，描述了地雷模態(tài)特性的檢測(cè)方法及系統(tǒng)，對(duì)3種類型地雷和一磚塊在空氣中的模態(tài)特性測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了分析。設(shè)計(jì)并搭建了基于激光自混合測(cè)振的非接觸式埋設(shè)地雷探測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)不同類型埋設(shè)地雷與磚塊作為干擾物進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并通過改變地雷的埋藏深度以及其上方覆土土壤的濕度和孔隙度，研究地雷在不同土壤條件下的聲振特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：地雷作為彈性腔體結(jié)構(gòu)，其上殼的彈性板殼結(jié)構(gòu)所呈現(xiàn)的模態(tài)振型和固有頻率與磚塊有顯著差異；基于聲-地震耦合原理，利用激光自混合測(cè)振技術(shù)可進(jìn)行埋設(shè)地雷的非接觸式探測(cè)；不同類型地雷因其力學(xué)性能不同，對(duì)聲波激發(fā)的地表振動(dòng)強(qiáng)度和共振頻率不同；隨著地雷埋藏深度的增加，聲波激發(fā)的地雷上方地表振動(dòng)強(qiáng)度逐漸減小，“土壤-地雷”系統(tǒng)的共振頻率逐漸減小；土壤濕度的增加會(huì)導(dǎo)致“土壤-地雷”系統(tǒng)的共振頻率增加，地雷上方地表振動(dòng)強(qiáng)度略有降低；隨著土壤孔隙度的降低，地雷上方地表振動(dòng)強(qiáng)度顯著減小，“土壤-地雷”系統(tǒng)的共振頻率略有增加。