吳燕民，彭正輝，元勇虎，朱今祥，劉闖，葛薇，凌國平

(中國電波傳播研究所，山東 青島 266107)

0 引言

戰(zhàn)爭沖突之后為恢復(fù)當?shù)厣a(chǎn)生活，需要排除、清理大量戰(zhàn)后遺留未爆彈藥；部隊平時的實彈實驗、訓(xùn)練和演習(xí)也需要即時發(fā)現(xiàn)、清理未爆炸的彈藥，若不能及時排除，將對人員、車輛等造成極大的威脅。準確發(fā)現(xiàn)定位隱匿的未爆彈藥是開展進一步排除行動的前提[1-3]。在大面積的未爆彈搜尋工作中，單人便攜式探測儀器存在作業(yè)速度慢、效率低的不足，能快速探測作業(yè)的有人或無人車載系統(tǒng)是解決大面積搜尋的有效途徑[4-8]。

針對未爆彈的探測技術(shù)研究一直是國際社會研究的熱點和難點，通過數(shù)十年的技術(shù)發(fā)展，目前正在使用或發(fā)展的未爆彈探測方法主要包括低頻電磁感應(yīng)法、磁法、探地雷達法、超聲、核四極矩共振等[9-13]，其中，電磁感應(yīng)技術(shù)是目前世界上最為有效的地下未爆彈藥探測技術(shù)之一[14-15]，在便攜儀器和車載裝備中應(yīng)用十分廣泛。車載電磁感應(yīng)探測系統(tǒng)通常采用多個線圈的陣列式探頭，通過提高傳感器的單次檢測寬度來提高作業(yè)效率。陣列式探頭的設(shè)計是車載電磁感應(yīng)探測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，對提高系統(tǒng)的發(fā)射效率、接收信噪比、檢測寬度、定位精度和抗干擾能力有重要意義。

本文在介紹一種車載陣列式電磁感應(yīng)探測系統(tǒng)方案原理的基礎(chǔ)上，提出了一種基于差分接收的電磁感應(yīng)探頭的設(shè)計方法，同時，通過結(jié)合實驗數(shù)據(jù)對差分探頭的定位方法進行了介紹,最后給出了部分實驗結(jié)果，證明了方案陣列探頭的有效性。

1 陣列式電磁感應(yīng)探測系統(tǒng)

電磁感應(yīng)技術(shù)作為傳統(tǒng)的未爆彈探測技術(shù)手段，主要通過檢測未爆彈中包含的金屬零部件來實現(xiàn)目標的探測。其工作原理可描述為：用時變電流激勵發(fā)射線圈，使其在線圈周圍空間建立時變磁場，稱為一次場，當遇到金屬目標時會在目標上感應(yīng)出渦流，該渦流又在目標周圍空間形成交變磁場，即二次場；利用接收線圈接收一次場與二次場的總和場，通過對二次場或總和場變化規(guī)律的分析處理，實現(xiàn)對金屬目標的探測。

本方案為車載探測系統(tǒng)，用于實現(xiàn)對未爆彈場地的掃描探測。為了兼顧掃描寬度、探測深度及定位精度的需求，方案采用一發(fā)多收的工作方式，通過1個大發(fā)射線圈和多個平行組陣的接收線圈構(gòu)成探頭陣列，接收線圈均勻排布于發(fā)射線圈內(nèi)部。大的發(fā)射線圈可提高發(fā)射信號的覆蓋范圍，從而提高系統(tǒng)掃描效率；多個接收線圈并行工作對目標區(qū)域進行探測，當某個線圈接收到異常信號對應(yīng)通道即進行報警，可輔助探測系統(tǒng)對目標進行精確定位。

如圖1所示，陣列式電磁感應(yīng)探測系統(tǒng)主要由上位機、主機、陣列探頭組成，其中主機內(nèi)置電池。主機是控制處理核心，由主控模塊、一路發(fā)射通道及六路接收通道構(gòu)成；陣列探頭由1個發(fā)射線圈與6個接收線圈組成。

上位機發(fā)送啟動命令后探測系統(tǒng)開始工作，主控模塊產(chǎn)生發(fā)射控制信號驅(qū)動發(fā)射通道產(chǎn)生多時寬雙極性脈沖信號激勵發(fā)射線圈，使其在線圈四周產(chǎn)生交變磁場。發(fā)射脈沖時序如圖2所示，一個發(fā)射周期內(nèi)含1個正高壓脈沖和2個負壓脈沖信號，發(fā)射頻率在1.2～1.3 kHz之間可調(diào)，采用雙極性脈沖發(fā)射方式的優(yōu)點是為了實現(xiàn)功率平衡，可避免觸發(fā)一些磁感應(yīng)引信。

六路接收通道并行工作：首先，在主控模塊產(chǎn)生的同一接收選通信號控制下對來自接收線圈的原始回波進行截取，經(jīng)過一級濾波放大后進入多路模擬開關(guān)；主控模塊產(chǎn)生的取樣信號控制模擬開關(guān)對回波信號進行分時取樣，并經(jīng)積分放大電路后形成多路直流電平，再經(jīng)高分辨率AD采樣電路對直流電平進行采樣、變換后傳輸至主控模塊進行數(shù)據(jù)融合處理，同步采樣速率為128 Hz；主控模塊將處理后的數(shù)據(jù)打包通過RS485總線傳輸至上位機進行顯示報警，串口波特率設(shè)定為115 200。六路接收通道的原理框圖如圖3所示。

圖1 陣列式電磁感應(yīng)探測系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Principle block diagram of EMI system

圖2 多時寬雙極性脈沖發(fā)射時序Fig.2 Emission sequence diagram of multi-periods and bipolar pulses

圖3 六路接收通道工作原理框圖Fig.3 Principle block diagram of six receiving channel

2 基于差分接收的陣列探頭設(shè)計方法

探頭作為傳感器是決定系統(tǒng)探測性能的關(guān)鍵，本方案陣列探頭采用雙D形平衡式差分接收技術(shù)與單發(fā)多收技術(shù)相結(jié)合的方法設(shè)計。陣列探頭由1個發(fā)射線圈和多個差分接收線圈組成，發(fā)射線圈與接收線圈位于一個平面內(nèi),發(fā)射線圈呈長腰形位于陣列探頭最外緣，單個接收線圈為圓環(huán)形在發(fā)射線圈內(nèi)部均勻排列，整體呈x軸和y軸對稱結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

發(fā)射線圈采用單根銅質(zhì)漆包線繞制而成，匝數(shù)為6～10匝，直流阻抗為1 000 mΩ±300 mΩ，電感300 μH±60 μH，線圈外表用防水材料包裹，結(jié)構(gòu)形式如圖5所示，發(fā)射線圈的激勵信號由1根同軸電纜接入。發(fā)射線圈為多匝數(shù)導(dǎo)線形成的閉合回路，主要呈現(xiàn)電感特性，其等效串聯(lián)直流阻抗和等效串聯(lián)電感是影響發(fā)射性能的重要參數(shù)。激勵信號Vin通過發(fā)射線圈的A+和A-端口加載后，線圈內(nèi)部的電流從0開始按指數(shù)函數(shù)增大，其指數(shù)函數(shù)的時間常數(shù)τ=L/R，如果L=300 μH、發(fā)射回路等效R=1 Ω，則τ=300 μs；當Vin為+5 V、發(fā)射時間為τ時，發(fā)射線圈的峰值電流Ip=(Vin/R)×(1-e-t/τ)=3.16 A；實際應(yīng)用中發(fā)射時間取值100 μs時，Ip約為1.4 A。這種低阻抗、結(jié)構(gòu)對稱的發(fā)射線圈可以有效提高發(fā)射效率，實現(xiàn)瞬時大電流激勵，一次場場強越強、變化越大,則越利于激發(fā)產(chǎn)生渦流效應(yīng)。

圖4 基于差分接收的陣列式電磁感應(yīng)探頭平面結(jié)構(gòu)Fig.4 Planar structure of EMI array sensor

圖5 發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Structure diagram of transmitting coil

多個接收線圈的物理和電氣參數(shù)完全相同。單個接收線圈由多層PCB板加工而成，PCB板內(nèi)部線圈由單條覆銅線按雙D形對稱結(jié)構(gòu)、正反向有序排布而成，匝數(shù)為40～60匝，直流阻抗為13 mΩ±4 mΩ，電感為1.2 mH±0.4 mH，其結(jié)構(gòu)形式如圖6所示；每個接收線圈的信號由單獨的同軸電纜輸出。由于接收線圈為雙D形平衡式差分結(jié)構(gòu)，接收線圈的雙D線圈(D+、D-)以x軸對稱，如圖4所示，如果探測的前進方向為y軸方向，當探頭經(jīng)過金屬物體時，由于接收線圈D+、D-的參數(shù)相同、繞制方向相反，二次場在D+和D-形成了極性相反的接收信號；當物體經(jīng)過探頭時，由于相對位置的變化導(dǎo)致了D+和D-信號幅值變化，最終接收線圈輸出具有正向、零點、負向連續(xù)變化的接收信號，信號變化的過零點就是金屬物體位于接收線圈x軸方向上的中心位置。

圖6 雙D形平衡式差分接收線圈結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Structure diagram of double-D receiving coil

3 基于差分接收的陣列探頭探測定位方法

如前文所述，本方案的接收線圈采用平衡式差分方式設(shè)計，每個探頭由2個差動連接的對稱接收線圈組成，感應(yīng)電磁場在2個線圈中生成反相、同頻、等幅值的電勢，一般情況下能夠相互抵消，對于共模信號有著天然的抑制能力，因此具有較強的土壤適應(yīng)性和抗干擾能力。當金屬目標進入探測范圍內(nèi)，接收線圈的平衡被打破，在2個線圈之間產(chǎn)生一個差值，通過算法處理，可實現(xiàn)目標的檢測。

假定陣列探頭探測方向為y方向，如圖4所示，通過差分接收線圈過金屬目標時接收信號的過零點位置可判斷目標y方向的精確位置；而目標x(橫向)方向位置的判別則需要相鄰接收通道的協(xié)同分析進行判別。

目標x方向定位算法處理流程可如圖7所示:通過預(yù)處理對信號中的干擾項進行濾波，在實時探測過程中算法將自動學(xué)習(xí)背景，更新其特征;然后根據(jù)背景特征及設(shè)定參數(shù)濾除背景，并提取出目標的主要特征成分;最后通過各通道比對，確定目標所在主要區(qū)域，再通過多通道協(xié)同分析，對目標進行精確的通道定位。

圖7 算法流程Fig.7 Algorithm flow chart

圖8給出了六通道陣列探頭經(jīng)過典型金屬目標時所接收到的目標反應(yīng)實驗數(shù)據(jù)曲線，圖中縱軸為反應(yīng)電勢差。該數(shù)據(jù)中，目標放置于第三通道所在路徑，探頭完全經(jīng)過目標后，再次后退經(jīng)過目標。由圖8可以看出，有多個通道都對目標產(chǎn)生了反應(yīng)，較遠的通道反應(yīng)較弱，而在主要經(jīng)過的通道中反應(yīng)最強。

圖8 陣列傳感器對金屬目標的反應(yīng)曲線Fig.8 Response curve of array sensor detecting metal target

首先，分析探測場地背景數(shù)據(jù)，計算背景數(shù)據(jù)的均值、方差等特征信息，可以得出在該土壤背景條件下各個通道的閾值信息，通過設(shè)定合理的閾值能夠有效地濾除小目標。分析探測目標數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，探測線圈陣列經(jīng)過目標時得到的反應(yīng)曲線是具有雙峰值的，通過這一特征能夠進一步剔除一些其他干擾，最終得到了僅滿足閾值條件且具有雙峰值的目標特征曲線，如圖9所示。經(jīng)過處理后可以從圖中發(fā)現(xiàn)，仍有少數(shù)虛警存在。

圖9 主特征提取Fig.9 Principal feature extraction

對比、分析相鄰?fù)ǖ赖奶卣髑€發(fā)現(xiàn)，若相鄰?fù)ǖ婪磻?yīng)時間點相近，則該特征為同一目標所引起的反應(yīng)，可判定為一個目標，若反應(yīng)時間點較遠，則該特征為不同目標所引起的反應(yīng)，可判定為2個目標；特征值較小的通道為虛警，特征值較大的通道就是目標所在的主要區(qū)域。如圖10所示，檢測出目標放置于第三通道的路徑中，而其他通道則沒有反應(yīng)值，均為背景。

4 實驗結(jié)果

為了驗證本探測系統(tǒng)的性能及陣列探頭定位的準確性，在野外粘土場地開辟4 m×10 m面積的模擬雷場，通過警戒線將雷場分成兩個2 m×10 m的探測通道，并在每個通道中隨機埋設(shè)5枚72式金屬反坦克地雷教練雷(圖11)作為探測目標，地雷埋設(shè)深度10～20 cm，雷場布置如圖12所示。

圖10 主要區(qū)域識別Fig.10 Major area identification

圖11 72式金屬反坦克地雷Fig.11 Type 72 AT Mine

圖12 雷場布置圖Fig.12 Minefield layout

將陣列探頭安裝于無人車載平臺，通過遙控平臺使探頭陣列沿探測通道進行掃描探測，當探測到目標時，系統(tǒng)自動報警，并實時顯示對應(yīng)的報警通道，輔助探測系統(tǒng)對探測到的目標進行精確定位。探測系統(tǒng)報警指示界面通過灰度圖方式顯示報警信息，可同時顯示陣列探頭6個接收通道的探測狀態(tài)，當某通道出現(xiàn)金屬目標時，該通道會出現(xiàn)一個橢圓形亮斑，亮斑顏色的深淺代表當前接收通道接收能量的強弱，在探測高度保持一定的情況下，通過分析接收能量的強弱可反演出當前探測目標埋設(shè)的深淺。實驗結(jié)果表明探測系統(tǒng)順利地在模擬雷場實驗中實現(xiàn)了對10個預(yù)埋目標的探測和定位。

5 結(jié)論及討論

本文所介紹的基于差分接收的電磁感應(yīng)陣列探頭采用了雙D形平衡式差分接收技術(shù)與單發(fā)多收技術(shù)相結(jié)合的設(shè)計思路，解決了以往陣列式電磁感應(yīng)探頭土壤適應(yīng)性差、定位精度低和抗干擾能力弱的問題。將該探測系統(tǒng)在模擬雷場中進行了探測實驗，并取得了理想的探測結(jié)果，證明了本方案設(shè)計的有效性。本文介紹的方案為車載或無人平臺電磁感應(yīng)探測系統(tǒng)的設(shè)計提供了一種新的選擇，在軍事和民用的地下目標探測領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。