劉 闖， 吳燕民， 朱今祥， 葛 薇， 元勇虎， 王成浩， 彭正輝

(中國(guó)電波傳播研究所， 青島 266107)

地雷是一種歷史悠久的兵器，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中仍然充當(dāng)著不可或缺的角色，目前世界上殘存的地雷約1億枚以上。自2015年以來(lái)，地雷造成的傷亡事件急劇上升，并且一直居高不下，僅2017年，全球53個(gè)國(guó)家和地區(qū)至少有七千起傷亡事件和地雷相關(guān)，其中有87%的受害者為平民[1]。地雷給人民的生命安全帶來(lái)了巨大的威脅，如何快速、高效、安全地探測(cè)地雷成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

目前地雷探測(cè)技術(shù)主要有低頻電磁感應(yīng)[2-5]、探地雷達(dá)、超聲[6]、磁法、紅外成像、核四極矩共振及中子探測(cè)技術(shù)等，這些探測(cè)技術(shù)基本原理都是根據(jù)地雷結(jié)構(gòu)中某一部分材料與周?chē)橘|(zhì)的物理特性差異進(jìn)行探測(cè)，然而由于實(shí)際的探測(cè)環(huán)境復(fù)雜多變，存在各種干擾物，導(dǎo)致每種探測(cè)技術(shù)都存在一定的局限性，從而在探測(cè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生虛警。例如低頻電磁感應(yīng)技術(shù)，主要以探測(cè)地雷中的金屬部件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)，當(dāng)遇到彈殼、鐵釘?shù)葲](méi)有危險(xiǎn)的金屬目標(biāo)時(shí)會(huì)對(duì)探測(cè)造成干擾，產(chǎn)生虛警信號(hào)。其他技術(shù)亦有類(lèi)似的局限性，產(chǎn)生較高虛警。各種技術(shù)單獨(dú)使用時(shí)均存在難以克服的原理性虛警問(wèn)題，但是各種探測(cè)技術(shù)的干擾性質(zhì)互不相同，所以，將多種技術(shù)融合在一起解決單一探測(cè)原理引起的虛警問(wèn)題成為當(dāng)今地雷探測(cè)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

國(guó)外較早開(kāi)展對(duì)復(fù)合探測(cè)技術(shù)的研究并形成了一些成熟的復(fù)合探雷器產(chǎn)品。例如，德國(guó)Vallon公司的VMR3、美國(guó)的Cyterra公司的AN/PSS-14及俄羅斯GEOTECH公司的PPO-2等[7]；國(guó)內(nèi)開(kāi)展相關(guān)研究起步較晚，目前僅有一款定型的復(fù)合探雷器裝備，由中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二所研制，該探雷器定型較早，與目前世界上最先進(jìn)的探雷器性能還有差距。因此，開(kāi)展新型復(fù)合探雷器的研究具有重大意義。現(xiàn)在電磁感應(yīng)(electromagnetic induction, EMI)和探地雷達(dá)技術(shù)(ground-penetrating radar, GPR)原理基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地將兩種技術(shù)融合工作，提出一套基于兩種技術(shù)復(fù)合的地雷探測(cè)系統(tǒng)，研究該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、工作原理、融合處理方法，并開(kāi)展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 EMI和GPR原理

1.1 EMI原理

基于EMI原理的金屬探測(cè)器(metal detector, MD)工作原理可如圖1所示，發(fā)射電路產(chǎn)生交變電流驅(qū)動(dòng)發(fā)射線(xiàn)圈，使其產(chǎn)生向周?chē)椛涞拇艌?chǎng)，當(dāng)附近存在金屬目標(biāo)時(shí)，該磁場(chǎng)會(huì)在目標(biāo)上感應(yīng)出渦流，同時(shí)該渦流亦會(huì)產(chǎn)生反作用于發(fā)射磁場(chǎng)的二次場(chǎng)， 使原磁場(chǎng)發(fā)生變化并作用于檢測(cè)線(xiàn)圈，在檢測(cè)線(xiàn)圈上產(chǎn)生相關(guān)的感應(yīng)信號(hào)，通過(guò)信號(hào)處理單元對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理并報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬目標(biāo)的檢測(cè)[8-10]。

圖1 基于EMI原理的金屬探測(cè)器工作原理

1.2 GPR原理

探地雷達(dá)發(fā)射的是高頻脈沖電磁波，理論基礎(chǔ)是平面諧波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律，利用了電磁波在不同介質(zhì)中傳播反射的特性。探地雷達(dá)工作時(shí)，在雷達(dá)主機(jī)控制下，脈沖源產(chǎn)生周期性的毫微秒信號(hào)，并直接饋給發(fā)射天線(xiàn)，經(jīng)由發(fā)射天線(xiàn)耦合到地下的信號(hào)在傳播路徑上遇到介質(zhì)的非均勻體(面)時(shí)，如介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)ε不同，產(chǎn)生反射信號(hào)，如圖2所示。電磁波在傳播過(guò)程中遇到介電常數(shù)有差異的媒質(zhì)時(shí)就會(huì)在界面上發(fā)生反射，同時(shí)，產(chǎn)生折射。位于地面上的接收天線(xiàn)在接收到地下回波后，直接傳輸?shù)浇邮諜C(jī)，信號(hào)在接收機(jī)經(jīng)過(guò)整形和放大等處理后，經(jīng)電纜傳輸?shù)街鳈C(jī)，經(jīng)處理后，對(duì)信號(hào)依照幅度大小進(jìn)行編碼，并以偽彩色電平圖/灰色電平圖或波形堆積圖的方式顯示出來(lái)，經(jīng)事后處理，可用來(lái)判斷地下目標(biāo)的深度、大小和方位等特性參數(shù)。地下埋藏金屬和塑料地雷都與其周?chē)寥赖慕殡娞匦杂兄^大差別，從而將對(duì)入射電磁波產(chǎn)生強(qiáng)反射，從而被GPR處理后顯示出來(lái)[11]。

圖2 GPR工作原理

2 復(fù)合探雷器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)研究EMI和GPR的工作原理可知，EMI技術(shù)主要通過(guò)檢測(cè)磁場(chǎng)在金屬目標(biāo)上產(chǎn)生的渦流實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)，而GPR技術(shù)則是通過(guò)檢測(cè)電磁波在目標(biāo)的反射回波來(lái)探測(cè)目標(biāo)，二者檢測(cè)原理不同；另一方面，影響EMI技術(shù)檢測(cè)的主要因素是介質(zhì)的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率，而影響GPR探測(cè)性能的主要因素是介質(zhì)的介電常數(shù)，二者的干擾因素不同?；诖?，二者可以融合一起工作。根據(jù)二者的原理研發(fā)的復(fù)合探雷系統(tǒng)如圖3所示，主要由電磁感應(yīng)模塊、探地雷達(dá)模塊、復(fù)合探頭模塊、融合處理模塊、電源模塊、顯控模塊構(gòu)成。

圖3 復(fù)合探雷系統(tǒng)框圖

2.1 電磁感應(yīng)模塊

電磁感應(yīng)模塊主要包括電磁感應(yīng)控制處理單元、發(fā)射電路、接收電路，如圖4所示。電磁感應(yīng)控制處理單元是電磁感應(yīng)模塊的控制處理中心，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)感應(yīng)信號(hào)的檢測(cè)、處理并輸出檢測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)產(chǎn)生各種控制信號(hào)，如發(fā)射控制信號(hào)和接收控制信號(hào)等，該單元由微處理器、數(shù)模轉(zhuǎn)換(A/D)轉(zhuǎn)換電路、復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)輔助電路等組成；發(fā)射電路在發(fā)射控制信號(hào)的作用下產(chǎn)生脈沖驅(qū)動(dòng)探頭發(fā)射交變磁場(chǎng)，發(fā)射電路是電磁感應(yīng)模塊的重要組成部分，其發(fā)射脈沖波形的噪聲大小、波形穩(wěn)定度以及能量大小不僅影響其探測(cè)深度，甚至影響整個(gè)探雷器的探測(cè)性能；接收電路的功能是對(duì)電磁感應(yīng)探頭二次感應(yīng)信號(hào)的接收、濾波、放大，從接收信號(hào)中分離出包含目標(biāo)二次感應(yīng)的敏感區(qū)域。

圖4 電磁感應(yīng)模塊原框圖

2.2 探地雷達(dá)模塊

探地雷達(dá)模塊主要由雷達(dá)處理控制單元，脈沖信號(hào)發(fā)生器，信號(hào)接收機(jī)等構(gòu)成，如圖5所示。雷達(dá)控制處理單元主要負(fù)責(zé)各元器件的同步控制，數(shù)據(jù)處理和傳輸功能；脈沖信號(hào)發(fā)生器主要實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)的生成，是探地雷達(dá)系統(tǒng)的工作起點(diǎn)，脈沖信號(hào)的帶寬、幅度以及波形決定了雷達(dá)系統(tǒng)的整體帶寬，脈沖信號(hào)寬度越窄、幅度越大其攜帶的瞬時(shí)能量越大，雷達(dá)系統(tǒng)后續(xù)接收到回波信號(hào)的特征值越明顯，主要由差動(dòng)放大電路、整形網(wǎng)絡(luò)和功率放大電路構(gòu)成；信號(hào)接收機(jī)主要負(fù)責(zé)信號(hào)采集前的增益放大以及信號(hào)采集，包括低噪放放大電路、等效采樣取樣門(mén)電路、CPLD及A/D等外圍輔助電路。

圖5 探地雷達(dá)模塊原理圖框圖

2.3 復(fù)合探頭模塊

復(fù)合探頭模塊復(fù)合了電磁感應(yīng)收發(fā)線(xiàn)圈和雷達(dá)收發(fā)天線(xiàn)，將兩種傳感器集成在一起，降低相互之間的干擾十分關(guān)鍵[12]。雷達(dá)收發(fā)天線(xiàn)要置于電磁感應(yīng)線(xiàn)圈內(nèi)部，因此天線(xiàn)的體積及收發(fā)天線(xiàn)的間距受限于金屬線(xiàn)圈的直徑，這就限制了許多雷達(dá)天線(xiàn)的使用，同時(shí)為了盡量減小對(duì)金屬線(xiàn)圈的影響，要求其金屬含量低，因此本方案選用了小型蝶形收發(fā)天線(xiàn)，如圖6所示，雷達(dá)天線(xiàn)至于金屬線(xiàn)圈的中央位置。

圖6 復(fù)合探頭設(shè)計(jì)

2.4 融合模塊

融合處理單元是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心，一方面對(duì)雷達(dá)控制單元和電磁感應(yīng)模塊實(shí)現(xiàn)控制，另一方面接收電磁感應(yīng)數(shù)據(jù)和雷達(dá)數(shù)據(jù)，對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)和電磁感應(yīng)數(shù)據(jù)的處理是融合處理單元的重要功能，數(shù)據(jù)具體處理流程如圖7所示，主要包括背景學(xué)習(xí)、探地雷達(dá)(GPR)及金屬探測(cè)器(MD)數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取、識(shí)別、數(shù)據(jù)庫(kù)建立及更新、融合處理和目標(biāo)識(shí)別等。

2.5 其他模塊

顯控模塊主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互功能，可以實(shí)現(xiàn)靈敏度、聲音、屏幕亮度調(diào)節(jié)，參數(shù)設(shè)置，工作模式選擇等功能，還可以顯示處理后的數(shù)據(jù)圖像結(jié)果；電源模塊實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，為各模塊提供合適的工作電壓，主要包括直流電源轉(zhuǎn)換器(DC-DC)及電源線(xiàn)性穩(wěn)壓器(LDO)電路等。

2.6 系統(tǒng)的工作流程

復(fù)合探雷系統(tǒng)有3種工作模式，可以根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇，工作流程如圖8所示，設(shè)備上電后，系統(tǒng)各模塊先進(jìn)行自檢，待自檢正常后，設(shè)備進(jìn)入工作狀態(tài)，先用測(cè)試件測(cè)試電磁感應(yīng)探測(cè)和雷達(dá)探測(cè)功能是否正常；功能檢測(cè)正常后，操作者可根據(jù)當(dāng)前的探測(cè)需求，對(duì)設(shè)備工作模式進(jìn)行選擇，有MD+GPR模式(復(fù)合探測(cè)模式)、MD模式(僅電磁感應(yīng)模塊工作)及GPR模式(僅雷達(dá)模塊工作)三種模式可供選擇，待工作模式確定后即可系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的功能調(diào)節(jié)(如靈敏度、音量、顯示等功能)，最后對(duì)當(dāng)前土壤背景進(jìn)行學(xué)習(xí)后即可進(jìn)入探測(cè)工作。

圖8 系統(tǒng)工作流程

3 試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)方案的有效性，作者進(jìn)行了模擬雷場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)場(chǎng)地面積為2 m×10 m，試驗(yàn)場(chǎng)土質(zhì)為黏土和沙土，目標(biāo)為3顆72式防步兵地雷，干擾物有金屬干擾物和非金屬干擾物，金屬干擾物包括鐵釘3枚、瓶蓋3個(gè)、鋼珠2個(gè)、子彈殼3個(gè)，非金屬干擾物包括泡沫塊3塊、石塊3塊，所有目標(biāo)埋深為2～5 cm，如圖9所示。

圖9 目標(biāo)和干擾物

在該模擬探雷場(chǎng)分別進(jìn)行了5場(chǎng)試驗(yàn)，每次隨機(jī)生成布雷圖，其中一張布雷圖如圖10所示。

圖10 探雷場(chǎng)布雷圖

復(fù)合探雷器系統(tǒng)的圖像顯示由2部分構(gòu)成，上部為MD曲線(xiàn)，下部為GPR灰度圖，二者同步滾動(dòng)顯示，試驗(yàn)中選擇MD+GPR模式進(jìn)行探測(cè)。圖11分別給出了地雷、鐵釘、泡沫的數(shù)據(jù)處理后圖像顯示結(jié)果，通過(guò)數(shù)據(jù)處理后展現(xiàn)的圖像可以將地雷和干擾物區(qū)分開(kāi)，從而降低復(fù)合探雷器的虛警率。

圖11 三種目標(biāo)屏顯圖像

其中地雷的雷達(dá)反射比較強(qiáng)，從雷達(dá)灰度圖上可以看到比較明顯的異常信號(hào)(黃色箭頭指示處)，MD曲線(xiàn)處理后的特征為波谷形式(紅色箭頭指示處)，如圖11(a)所示；泡沫在雷達(dá)灰度圖上反應(yīng)比較明顯(藍(lán)色箭頭指示處)，有很強(qiáng)的異常反應(yīng)，MD曲線(xiàn)幾乎沒(méi)反應(yīng)，和背景值幾乎一致，如圖11(b)所示；鐵釘雷達(dá)灰度圖反射比較弱，從灰度圖上幾乎看不到異常反應(yīng)，而MD反應(yīng)為2次比較強(qiáng)的正向起伏(橙色箭頭指示處)，如圖11(c)所示。

5場(chǎng)探雷試驗(yàn)的結(jié)果如表1所示，探雷手通過(guò)顯示滾動(dòng)的MD和GPR圖像，準(zhǔn)確找到了地雷目標(biāo)，探知率為100%，并且根據(jù)圖像信息，還可以把模擬雷場(chǎng)中的鐵釘、瓶蓋、鋼珠和泡沫干擾物均探測(cè)出來(lái)且進(jìn)行了正確的分類(lèi)，對(duì)石塊也可以有效的識(shí)別，排除虛警。

表1 5場(chǎng)探雷試驗(yàn)探出目標(biāo)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

將多種探測(cè)技術(shù)融合是探雷技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，不僅可以彌補(bǔ)單一探測(cè)技術(shù)存在的不足，還可以提高探測(cè)的探知率，降低虛警率，從而提高探測(cè)效率。為此，提出了基于EMI和GRP技術(shù)融合的復(fù)合探雷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了兩種技術(shù)協(xié)同工作，并且在模擬試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了探測(cè)試驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

(1)通過(guò)分析EMI技術(shù)和GPR技術(shù)的探雷原理， EMI技術(shù)依靠近距離瞬變磁場(chǎng)的渦流感應(yīng)，GPR技術(shù)根據(jù)電磁波傳播的反射特性，兩種技術(shù)原理不同，互不干擾，可以融合在一起工作，從而利用兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行探雷。

(2)研發(fā)的復(fù)合探雷系統(tǒng)，解決了硬件兼容性問(wèn)題，該探雷器經(jīng)過(guò)了模擬探雷場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)，對(duì)地雷的識(shí)別率達(dá)到了100%。

(3)通過(guò)模擬雷場(chǎng)探測(cè)，當(dāng)干擾物較多時(shí)，特別是當(dāng)干擾物和地雷特性相近時(shí)，利用復(fù)合探雷器的EMI和GRP的圖像能夠很好地將彈殼和生活金屬垃圾等干擾物和地雷區(qū)分，從而降低虛警，提高效率。

(4)試驗(yàn)場(chǎng)地為黏土和沙土，以后還增加在濕土，干土，凍土，鐵磁性土等環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試復(fù)合探雷器的土壤適應(yīng)性。