一種新型復(fù)合探雷系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)

劉 闖， 吳燕民， 朱今祥， 葛 薇， 元勇虎， 王成浩， 彭正輝

(中國電波傳播研究所， 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，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個國家和地區(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了巨大的威脅，如何快速、高效、安全地探測地雷成為各國研究的熱點問題。

目前地雷探測技術(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技術(shù)等，這些探測技術(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圍介質(zhì)的物理特性差異進(jìn)行探測，然而由于實際的探測環(huán)境復(fù)雜多變，存在各種干擾物，導(dǎo)致每種探測技術(shù)都存在一定的局限性，從而在探測過程中會產(chǎn)生虛警。例如低頻電磁感應(yīng)技術(shù)，主要以探測地雷中的金屬部件來實現(xiàn)對目標(biāo)的探測，當(dāng)遇到彈殼、鐵釘?shù)葲]有危險的金屬目標(biāo)時會對探測造成干擾，產(chǎn)生虛警信號。其他技術(shù)亦有類似的局限性，產(chǎn)生較高虛警。各種技術(shù)單獨使用時均存在難以克服的原理性虛警問題，但是各種探測技術(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原理引起的虛警問題成為當(dāng)今地雷探測領(lǐng)域研究的熱點。

國外較早開展對復(fù)合探測技術(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Vallon公司的VMR3、美國的Cyterra公司的AN/PSS-14及俄羅斯GEOTECH公司的PPO-2等[7]；國內(nèi)開展相關(guān)研究起步較晚，目前僅有一款定型的復(fù)合探雷器裝備，由中國電子科技集團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)合的地雷探測系統(tǒng)，研究該系統(tǒng)的設(shè)計方案、工作原理、融合處理方法，并開展實驗驗證。

1 EMI和GPR原理

1.1 EMI原理

基于EMI原理的金屬探測器(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)動發(fā)射線圈，使其產(chǎn)生向周圍輻射的磁場，當(dāng)附近存在金屬目標(biāo)時，該磁場會在目標(biāo)上感應(yīng)出渦流，同時該渦流亦會產(chǎn)生反作用于發(fā)射磁場的二次場， 使原磁場發(fā)生變化并作用于檢測線圈，在檢測線圈上產(chǎn)生相關(guān)的感應(yīng)信號，通過信號處理單元對該信號進(jìn)行處理并報警，從而實現(xiàn)對金屬目標(biāo)的檢測[8-10]。

圖1 基于EMI原理的金屬探測器工作原理

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，在雷達(dá)主機控制下，脈沖源產(chǎn)生周期性的毫微秒信號，并直接饋給發(fā)射天線，經(jīng)由發(fā)射天線耦合到地下的信號在傳播路徑上遇到介質(zhì)的非均勻體(面)時，如介質(zhì)的相對介電常數(shù)ε不同，產(chǎn)生反射信號，如圖2所示。電磁波在傳播過程中遇到介電常數(shù)有差異的媒質(zhì)時就會在界面上發(fā)生反射，同時，產(chǎn)生折射。位于地面上的接收天線在接收到地下回波后，直接傳輸?shù)浇邮諜C，信號在接收機經(jīng)過整形和放大等處理后，經(jīng)電纜傳輸?shù)街鳈C，經(jīng)處理后，對信號依照幅度大小進(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，經(jīng)事后處理，可用來判斷地下目標(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圍土壤的介電特性有著較大差別，從而將對入射電磁波產(chǎn)生強反射，從而被GPR處理后顯示出來[11]。

圖2 GPR工作原理

2 復(fù)合探雷器系統(tǒng)設(shè)計

通過研究EMI和GPR的工作原理可知，EMI技術(shù)主要通過檢測磁場在金屬目標(biāo)上產(chǎn)生的渦流實現(xiàn)對目標(biāo)的探測，而GPR技術(shù)則是通過檢測電磁波在目標(biāo)的反射回波來探測目標(biāo)，二者檢測原理不同；另一方面，影響EMI技術(shù)檢測的主要因素是介質(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，主要實現(xiàn)對感應(yīng)信號的檢測、處理并輸出檢測數(shù)據(jù)，同時產(chǎn)生各種控制信號，如發(fā)射控制信號和接收控制信號等，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)射控制信號的作用下產(chǎn)生脈沖驅(qū)動探頭發(fā)射交變磁場，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深度，甚至影響整個探雷器的探測性能；接收電路的功能是對電磁感應(yīng)探頭二次感應(yīng)信號的接收、濾波、放大，從接收信號中分離出包含目標(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，脈沖信號發(fā)生器，信號接收機等構(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；脈沖信號發(fā)生器主要實現(xiàn)脈沖信號的生成，是探地雷達(dá)系統(tǒng)的工作起點，脈沖信號的帶寬、幅度以及波形決定了雷達(dá)系統(tǒng)的整體帶寬，脈沖信號寬度越窄、幅度越大其攜帶的瞬時能量越大，雷達(dá)系統(tǒng)后續(xù)接收到回波信號的特征值越明顯，主要由差動放大電路、整形網(wǎng)絡(luò)和功率放大電路構(gòu)成；信號接收機主要負(fù)責(zé)信號采集前的增益放大以及信號采集，包括低噪放放大電路、等效采樣取樣門電路、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)線圈和雷達(dá)收發(fā)天線，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)天線要置于電磁感應(yīng)線圈內(nèi)部，因此天線的體積及收發(fā)天線的間距受限于金屬線圈的直徑，這就限制了許多雷達(dá)天線的使用，同時為了盡量減小對金屬線圈的影響，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，如圖6所示，雷達(dá)天線至于金屬線圈的中央位置。

圖6 復(fù)合探頭設(shè)計

2.4 融合模塊

融合處理單元是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心，一方面對雷達(dá)控制單元和電磁感應(yīng)模塊實現(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)及金屬探測器(MD)數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取、識別、數(shù)據(jù)庫建立及更新、融合處理和目標(biāo)識別等。

2.5 其他模塊

顯控模塊主要負(fù)責(zé)人機交互功能，可以實現(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)，先用測試件測試電磁感應(yīng)探測和雷達(dá)探測功能是否正常；功能檢測正常后，操作者可根據(jù)當(dāng)前的探測需求，對設(shè)備工作模式進(jìn)行選擇，有MD+GPR模式(復(fù)合探測模式)、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)，最后對當(dāng)前土壤背景進(jìn)行學(xué)習(xí)后即可進(jìn)入探測工作。

圖8 系統(tǒng)工作流程

3 試驗及試驗結(jié)果

為了驗證本系統(tǒng)方案的有效性，作者進(jìn)行了模擬雷場試驗，試驗場地面積為2 m×10 m，試驗場土質(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、鋼珠2個、子彈殼3個，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

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

圖10 探雷場布雷圖

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，下部為GPR灰度圖，二者同步滾動顯示，試驗中選擇MD+GPR模式進(jìn)行探測。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，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，從雷達(dá)灰度圖上可以看到比較明顯的異常信號(黃色箭頭指示處)，MD曲線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)，有很強的異常反應(yīng)，MD曲線幾乎沒反應(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次比較強的正向起伏(橙色箭頭指示處)，如圖11(c)所示。

5場探雷試驗的結(jié)果如表1所示，探雷手通過顯示滾動的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，還可以把模擬雷場中的鐵釘、瓶蓋、鋼珠和泡沫干擾物均探測出來且進(jìn)行了正確的分類，對石塊也可以有效的識別，排除虛警。

表1 5場探雷試驗探出目標(biāo)結(jié)果統(tǒng)計

4 結(jié)論

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

(1)通過分析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題，該探雷器經(jīng)過了模擬探雷場的實際應(yīng)用檢驗，對地雷的識別率達(dá)到了100%。

(3)通過模擬雷場探測，當(dāng)干擾物較多時，特別是當(dāng)干擾物和地雷特性相近時，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)試驗場地為黏土和沙土，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，測試復(fù)合探雷器的土壤適應(yīng)性。