一種新型未爆彈探測(cè)傳感器的仿真研究

薄 瑞張志杰陳昊澤

(中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

未爆彈(unexploded ordnance，UXO)是指在武裝沖突、軍事演習(xí)以及兵器在靶場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)束后仍遺留在某一地區(qū)的各種(未爆炸或被棄置的)爆炸性彈藥。 其中主要包括炮彈、手榴彈、地雷、迫擊炮彈、火箭彈、導(dǎo)彈以及其他彈藥[1]。 世界上有80 多個(gè)國(guó)家不同程度地受到未爆彈的危害，1999 到2015年期間，全世界就有103 108 位平民意外觸雷身亡[2]。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，1964 年至1973 年，美軍戰(zhàn)機(jī)向老撾投下200 多萬(wàn)噸炸彈，其中30%(約7 800 萬(wàn)枚)屬于未爆彈。 據(jù)稱(chēng)，若要清除老撾境內(nèi)的全部未爆彈，需花費(fèi)50 年至100 年時(shí)間，甚至更久[3]。

由于未爆彈沒(méi)得到及時(shí)清理而造成的人員傷害和經(jīng)濟(jì)損失越來(lái)越大，不過(guò)這些傷害是可以通過(guò)提前的探測(cè)和清理來(lái)避免的[4]。 而現(xiàn)實(shí)情況是，目前對(duì)未爆彈的排除仍主要集中在影響社區(qū)健康安全和生計(jì)的地區(qū)，在最有可能進(jìn)行勘探活動(dòng)或資源開(kāi)發(fā)的地區(qū)很少進(jìn)行排查[5]。 因?yàn)槲幢瑥椀呐懦诮疱X(qián)，人力和時(shí)間方面都十分昂貴。 這就對(duì)未爆彈探測(cè)的準(zhǔn)確性提出了更高的要求，以此避免未爆彈排除過(guò)程中不必要的浪費(fèi)。

電磁感應(yīng)系統(tǒng)已被證明在探測(cè)地下金屬和磁性物體方面非常有效，在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過(guò)改善發(fā)射和接收線(xiàn)圈產(chǎn)生的場(chǎng)，改善檢測(cè)深度[6]。 同時(shí)基于電磁感應(yīng)法數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)量、可移植性和非干擾性，其可能是淺層地球物理勘探中最常用的方法[7]。

美國(guó)現(xiàn)今使用的生產(chǎn)級(jí)電磁探測(cè)設(shè)備包括時(shí)間域電磁探測(cè)系統(tǒng)和頻率域電磁探測(cè)系統(tǒng)兩大類(lèi)[2]。時(shí)間域電磁探測(cè)系統(tǒng):通過(guò)線(xiàn)圈發(fā)射脈沖電流，并接收由一次場(chǎng)激發(fā)產(chǎn)生的二次場(chǎng)，如Geonics 公司的EM61-MK2；頻率域電磁探測(cè)系統(tǒng):通過(guò)激勵(lì)線(xiàn)圈發(fā)射一個(gè)或多個(gè)頻率的電磁信號(hào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同深度目標(biāo)體的探測(cè)，如Geophex 公司的GEM-2，GEM-3和GEM-5[7-8]。 國(guó)內(nèi)，吉林大學(xué)的陳曙東等人設(shè)計(jì)了一種特殊的時(shí)域電磁系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)對(duì)未爆彈進(jìn)行了有效的檢測(cè)[9]；中科院電磁輻射與傳感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的李雅德等人利用一種發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈偏心放置的時(shí)域電磁系統(tǒng)，研究了近地表的小目標(biāo)的探測(cè)與識(shí)別[10]，該實(shí)驗(yàn)室的渠曉東等人還設(shè)計(jì)了一種手持式頻域電磁系統(tǒng)，可以得到目標(biāo)的清晰特征和水平位置[11]。 總的來(lái)說(shuō)，我國(guó)相關(guān)探測(cè)技術(shù)剛剛起步，均處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，沒(méi)有成熟的樣機(jī)，且研究主要集中在時(shí)域電磁探測(cè)方面，與美國(guó)存在較大差距。

本文基于頻域電磁法設(shè)計(jì)了一種新型的傳感器結(jié)構(gòu)，對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究。 研究了該傳感器對(duì)不同深度未爆彈的水平定位情況，并與傳統(tǒng)的多基站結(jié)構(gòu)傳感器的水平定位方法進(jìn)行了比較?；诖藗鞲衅鳎ㄟ^(guò)改變傳感器的提離高度實(shí)現(xiàn)了對(duì)一定深度未爆彈的豎直定位。

1 傳感器設(shè)計(jì)

1.1 檢測(cè)原理

電磁探測(cè)系統(tǒng)的工作一般是基于的電磁感應(yīng)(electromagnetic induction，EMI)，其原理是利用發(fā)射線(xiàn)圈向周?chē)臻g發(fā)射交變磁場(chǎng)(稱(chēng)為一次場(chǎng))，如果鄰近空間存在電導(dǎo)率較高的物體，則在該物體內(nèi)會(huì)形成渦流，渦流又在周?chē)臻g形成同頻交變磁場(chǎng)(稱(chēng)為二次場(chǎng))，根據(jù)二次場(chǎng)的變化即可對(duì)物體的位置和深度進(jìn)行準(zhǔn)確探測(cè)[12]。

在頻域電磁法中，激勵(lì)線(xiàn)圈發(fā)射的為正弦變化的單一或多個(gè)頻率的初級(jí)磁場(chǎng)。 其激勵(lì)頻率范圍寬，采集時(shí)間和周期可控，有著更好的探測(cè)性能。 但頻域電磁法必須應(yīng)對(duì)發(fā)射和接收線(xiàn)圈之間的直接電感耦合的影響[13-14]。

激勵(lì)線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈之間存在剩余互耦合是頻域電磁感應(yīng)傳感器的常見(jiàn)問(wèn)題。 常見(jiàn)減小剩余互耦合的方法有多種，如TX 梯度計(jì)線(xiàn)圈使用以相反極性電連接的兩個(gè)同心圓環(huán)創(chuàng)建中心磁腔區(qū)域[7]，使用補(bǔ)償變壓器的同心TX-RX 線(xiàn)圈[15]等；而最簡(jiǎn)單的方法是接收線(xiàn)圈盡量遠(yuǎn)離激勵(lì)線(xiàn)圈，如一種手持頻域電磁探測(cè)系統(tǒng)[11]。 這些方法都是為了使測(cè)量信號(hào)與主場(chǎng)耦合信號(hào)有足夠高的比值。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

未爆彈通常位于地表以下，距離電磁探測(cè)系統(tǒng)較遠(yuǎn)，測(cè)量信號(hào)很小。 因此線(xiàn)圈需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，最大化傳感器的靈敏度，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)零主場(chǎng)耦合。

電磁探測(cè)系統(tǒng)根據(jù)激勵(lì)線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈的位置一般分為單基站(Bistatic Sensors)和多基站結(jié)構(gòu)(Monostatic Sensors)，圖1 為典型的單基站和多基站結(jié)構(gòu)。 單基站中的“單”指的是源和接收器位于一個(gè)位置，所以單基站一般為同心幾何或者是源和接收器位于同一垂直位置但距離較小的結(jié)構(gòu)，在這種情況下接收器必須能夠在大源信號(hào)存在的情況下檢測(cè)到小的返回信號(hào)。

圖1 傳統(tǒng)單基站、多基站結(jié)構(gòu)

多基站結(jié)構(gòu)中的“多”指的是源和接收器位于不同的位置，在水平方向相隔一定的距離。 由于激勵(lì)線(xiàn)圈產(chǎn)生的強(qiáng)一次場(chǎng)隨距離增加迅速衰減，故將接收線(xiàn)圈遠(yuǎn)離激勵(lì)線(xiàn)圈可以有效的避免一次場(chǎng)，相比于單基站結(jié)構(gòu)，這種方法更容易實(shí)現(xiàn)。 但激勵(lì)與接收的分離會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在連接源和接收器的線(xiàn)路上拉伸或扭曲存在的異常信號(hào)。 同時(shí)這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過(guò)于依賴(lài)于方向，會(huì)導(dǎo)致不同傳感器方向的探測(cè)信號(hào)大為不同[7]。

相比于圓形線(xiàn)圈，平面矩形線(xiàn)圈在周邊上會(huì)產(chǎn)生更加均勻的磁場(chǎng)，其對(duì)橫向的偏移具有更好的容忍度，易獲得較好的耦合性，在高頻下對(duì)電導(dǎo)率的測(cè)量也表現(xiàn)出更好的性能[14]。 本文所設(shè)計(jì)的傳感器激勵(lì)線(xiàn)圈與接收線(xiàn)圈分離放置且相互垂直。 其接收線(xiàn)圈關(guān)于激勵(lì)線(xiàn)圈上下對(duì)稱(chēng)，既穿入接收線(xiàn)圈的矢量磁場(chǎng)和穿出的對(duì)稱(chēng)分布，通過(guò)接收線(xiàn)圈的磁通量為零，理論上實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的零主場(chǎng)耦合，如圖2 所示。

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)

為了研究矩形線(xiàn)圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，使用二階矢量磁位(second order vector potential，SOVP)來(lái)表示磁標(biāo)量勢(shì)[16-17]。 激勵(lì)線(xiàn)圈與導(dǎo)電半空間之間區(qū)域的標(biāo)量電位可以用來(lái)Wa0描述，Wa0可以寫(xiě)成兩個(gè)電位之和，一項(xiàng)是激勵(lì)線(xiàn)圈電流產(chǎn)生的初級(jí)電位Was；另一項(xiàng)是導(dǎo)電半空間中感應(yīng)渦流產(chǎn)生的次級(jí)電位Wace。 即Wa0＝Was+Wace。 文獻(xiàn)[16]中已經(jīng)推出圖所示激勵(lì)線(xiàn)圈產(chǎn)生的總標(biāo)量電位的解Was(total)。

本文所設(shè)計(jì)的傳感器仍為多基站結(jié)構(gòu)，源與接收器分離放置，但與傳統(tǒng)的多基站結(jié)構(gòu)有著很大的區(qū)別。 新的結(jié)構(gòu)是通過(guò)空間的上下對(duì)稱(chēng)來(lái)更好的消除一次場(chǎng)的影響，其接收線(xiàn)圈緊靠激勵(lì)線(xiàn)圈的長(zhǎng)邊，兩者的分離距離很小，同時(shí)通過(guò)激勵(lì)線(xiàn)圈前后的兩個(gè)接收線(xiàn)圈實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)，這種設(shè)計(jì)不僅容易實(shí)現(xiàn)，且在一定程度上消除了傳統(tǒng)多基站結(jié)構(gòu)對(duì)探測(cè)信號(hào)的扭曲。

2 仿真結(jié)果

基于有限元(FEM)分析，對(duì)上文所設(shè)計(jì)的電磁傳感器模型進(jìn)行仿真研究，確定了傳感器中各線(xiàn)圈的最優(yōu)尺寸。 模擬激勵(lì)線(xiàn)圈周?chē)拇艌?chǎng)分布及接收線(xiàn)圈與激勵(lì)線(xiàn)圈之間的剩余耦合狀況。 研究該傳感器在未爆彈探測(cè)過(guò)程中的水平定位方法和豎直定位方法。

2.1 線(xiàn)圈尺寸確定

確定了電磁傳感器的基本線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)和耦合方式之后，我們通過(guò)仿真，模擬研究各線(xiàn)圈尺寸對(duì)探測(cè)過(guò)程的影響，圖3 為激勵(lì)和接收線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 激勵(lì)和接收線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.1 激勵(lì)線(xiàn)圈尺寸的確定

首先，我們對(duì)激勵(lì)線(xiàn)圈的尺寸進(jìn)行研究，主要研究激勵(lì)線(xiàn)圈尺寸變化對(duì)產(chǎn)生的一次場(chǎng)的影響。 我們先將長(zhǎng)度固定為1 m，隨后改變其寬度W。 圖4 為線(xiàn)圈中心正下方磁通密度的分布。 從圖4 中可看出，在較淺的位置線(xiàn)圈寬度越小其磁通密度模較大，而在較深的位置這種變化是相反的。

在未爆彈的實(shí)際探測(cè)中，由于所設(shè)計(jì)的線(xiàn)圈尺寸較大，所以一般采取車(chē)載式系統(tǒng)，這導(dǎo)致電磁探測(cè)系統(tǒng)距離地面有著一定的距離，同時(shí)垂直放置的接收線(xiàn)圈也有著一定的高度。 據(jù)此可知，應(yīng)該選取在較深位置可以產(chǎn)生較密集磁通量的線(xiàn)圈，即寬度W較大的線(xiàn)圈。 而在圖4 中可看出隨著線(xiàn)圈寬度W的增加，W對(duì)磁通密度的影響越來(lái)越小。 綜合考慮，最終我們選取激勵(lì)線(xiàn)圈寬度為90 cm。

圖4 W 對(duì)磁通密度的影響

2.1.2 接收線(xiàn)圈尺寸的確定

由于消除主場(chǎng)耦合的方式只與線(xiàn)圈相對(duì)位置有關(guān)，與接收線(xiàn)圈的尺寸無(wú)關(guān)。 所以接下來(lái)主要研究接收線(xiàn)圈尺寸對(duì)二次場(chǎng)的接收情況，圖5 為接收線(xiàn)圈長(zhǎng)度L對(duì)其感應(yīng)電壓的影響。 從圖5 中可看出感應(yīng)電壓與長(zhǎng)度L接近線(xiàn)性關(guān)系，L的值越大信號(hào)越明顯。 考慮到電磁探測(cè)系統(tǒng)的整體尺寸，L選取與激勵(lì)線(xiàn)圈相同的長(zhǎng)度1 m。

圖5 L 對(duì)接收信號(hào)的影響

由于接收線(xiàn)圈關(guān)于激勵(lì)線(xiàn)圈對(duì)稱(chēng)且垂直放置，所以當(dāng)探測(cè)系統(tǒng)距離地面的距離固定時(shí)，寬度H的增加意味著激勵(lì)線(xiàn)圈與探測(cè)目標(biāo)的距離增加，不利于較深目標(biāo)的探測(cè)，而H減小同樣會(huì)導(dǎo)致接收到的信號(hào)減小。 所以寬度H的選取要綜合考慮系統(tǒng)尺寸和實(shí)際探測(cè)深度的需求，圖6 為當(dāng)目標(biāo)位于不同深度時(shí)H變化對(duì)接收信號(hào)造成的影響。 從圖中可以看出當(dāng)H大于35 cm 時(shí)，H的變化對(duì)接收信號(hào)造成影響變的十分微小。 再考慮到對(duì)未爆彈的垂直定位是通過(guò)改變提離高度實(shí)現(xiàn)的，這進(jìn)一步增加了激勵(lì)線(xiàn)圈和目標(biāo)的距離，所以暫時(shí)將H確定為30 cm。

圖6 H 對(duì)接收信號(hào)的影響

2.2 靜態(tài)研究

在靜態(tài)研究中主要觀(guān)察激勵(lì)線(xiàn)圈周?chē)拇艌?chǎng)分布，所以選取的頻率較低。 而線(xiàn)圈的尺寸小于1 m，其長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電磁波的波長(zhǎng)，可以將其看作磁偶極子進(jìn)行研究[16]。

以線(xiàn)圈的中心為原點(diǎn)，法線(xiàn)為Z軸建立球坐標(biāo)系。 假設(shè)線(xiàn)圈位于均勻各向同性介質(zhì)中，則其電磁場(chǎng)強(qiáng)度為:

在接下來(lái)的仿真中，除了上一小節(jié)所確定的各線(xiàn)圈尺寸外，其余模擬參數(shù)如表1 所示。 其中未爆彈模型以橢球近似代替。 探測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和空間磁場(chǎng)分布如圖7 所示，系統(tǒng)整體長(zhǎng)度為1 m，寬度為0.94 m，高度為0.3 m。 同時(shí)可以看出目標(biāo)周?chē)艌?chǎng)遠(yuǎn)小于激勵(lì)線(xiàn)圈周?chē)艌?chǎng)。

圖7 空間磁場(chǎng)分布

表1 模擬參數(shù)

將仿真模型中的未爆彈模型刪除，在空?qǐng)鱿卵芯拷邮站€(xiàn)圈與激勵(lì)線(xiàn)圈的耦合狀況。 接收線(xiàn)圈B垂直截面的磁通密度模如圖8 所示，從圖中可看出通過(guò)接收線(xiàn)圈的磁場(chǎng)上下對(duì)稱(chēng)分布，通過(guò)積分可計(jì)算出上下兩部分的磁通量相差不多，表明完全可以通過(guò)這種方式來(lái)抵消系統(tǒng)的主場(chǎng)耦合。

圖8 接收線(xiàn)圈磁場(chǎng)分布

2.3 水平定位

參考圖7，將未爆彈等效成一個(gè)線(xiàn)圈，設(shè)A 在D中產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度為Hda，D 在B 中產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度為Hbd。 則由未爆彈激發(fā)的二次場(chǎng)在接收線(xiàn)圈B中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為:

式中:μd為D 的磁導(dǎo)率，N為線(xiàn)圈匝數(shù)，S為面積。Kbd，Kda分別為Hbd和Hda的方向系數(shù)，Ia為A 中的電流，Ld為D 的電感。rda為D 和A 之間的距離，rbd為B 和D 之間的距離。 從中可以看出，對(duì)于固定的未爆彈，確定了激勵(lì)線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈的參數(shù)后，剩余的變量為Kbd、Kda、rda和rbd[18]。 這些變量主要受到目標(biāo)深度和水平位置的影響。

線(xiàn)圈選取的材料為銅，其相對(duì)磁導(dǎo)率為1，電導(dǎo)率為5.998e7 s/m，激勵(lì)線(xiàn)圈阻值為0.062 Ω 接收線(xiàn)圈電阻為0.004 Ω。 如圖9 所示為接收線(xiàn)圈B 的探測(cè)信號(hào)，如果只考慮接收線(xiàn)圈B，線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)相當(dāng)于傳統(tǒng)的多基站結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)一般通過(guò)信號(hào)峰值進(jìn)行定位。 將其模擬信號(hào)進(jìn)行歸一化處理可發(fā)現(xiàn)其探測(cè)信號(hào)發(fā)生明顯扭曲，信號(hào)峰值所在位置隨著目標(biāo)的深度變化而有著明顯變化，將深度為160 cm 與80 cm的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)峰值所在位置相差45 cm，誤差過(guò)大。

圖9 不同深度下接收線(xiàn)圈B 的信號(hào)

本文所設(shè)計(jì)的傳感器為兩個(gè)接收線(xiàn)圈關(guān)于激勵(lì)線(xiàn)圈對(duì)稱(chēng)分布。 圖10 為雙接收線(xiàn)圈的探測(cè)信號(hào)，即接收線(xiàn)圈B 和接收線(xiàn)圈C 的信號(hào)差值。 通過(guò)這種方式可以有效的減小深度對(duì)定位的影響，實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的水平定位。 從圖10 中可以看出探測(cè)信號(hào)都在同一位置經(jīng)過(guò)零點(diǎn)，該位置為激勵(lì)線(xiàn)圈的正中心。

圖10 不同深度下雙接收線(xiàn)圈的信號(hào)

2.4 豎直定位

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)未爆彈的豎直定位，模擬在多個(gè)頻率段對(duì)未爆彈進(jìn)行頻率掃描。 我們將激勵(lì)頻率設(shè)置為400 kHz 至500 kHz，將此頻段內(nèi)的仿真掃頻結(jié)果進(jìn)行比較。

2.4.1 深度對(duì)掃頻結(jié)果的影響

以其中一個(gè)接收線(xiàn)圈為例，改變目標(biāo)深度時(shí)接收線(xiàn)圈B 的電感虛部變化如圖11 所示。 圖中顯示對(duì)于同一個(gè)探測(cè)目標(biāo)而言，目標(biāo)深度會(huì)對(duì)結(jié)果造成明顯影響。 在此頻率范圍內(nèi)，電感虛部的值隨著深度的增加而增加。 同時(shí)隨著目標(biāo)深度的增加，改變深度時(shí)接收線(xiàn)圈電感虛部的變化量逐漸變小。

圖11 深度變化對(duì)電感虛部的影響

2.4.2 大小和姿態(tài)對(duì)掃頻結(jié)果的影響

為了排除其他變量對(duì)信號(hào)造成的影響，目標(biāo)需要引入多種可能存在的變量。 首先是目標(biāo)大小的不同，在仿真中未爆彈以橢球代替，表2 為四種不同大小的未爆彈(給出了橢球的赤道半徑和極半徑)。同時(shí)改變目標(biāo)B 的豎直和水平角度來(lái)模擬未爆彈的不同姿態(tài)。 圖12 為大小和姿態(tài)變化對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響。

表2 不同大小的未爆彈模型

圖12 大小和姿態(tài)變化對(duì)電感虛部的影響

從圖12 中可看出目標(biāo)姿態(tài)的變化不會(huì)對(duì)探測(cè)結(jié)果造成影響，不同姿態(tài)的測(cè)量曲線(xiàn)幾乎是重疊在一起的。 而目標(biāo)大小的不同會(huì)對(duì)結(jié)果造成較大影響，且沒(méi)有明顯的變化規(guī)律。

2.4.3 排除目標(biāo)大小的影響

我們隨機(jī)選取掃頻范圍內(nèi)的450kHz 作為固定目標(biāo)頻率。 研究此頻率下目標(biāo)深度變化對(duì)接收線(xiàn)圈電感虛部的影響。 圖13 為表2 中四種不同大小未爆彈的模擬結(jié)果，我們可以看出，線(xiàn)圈與目標(biāo)距離越近電感虛部變化越迅速。 曲線(xiàn)的斜率隨距離的增加而減小，且越來(lái)越趨近于零。 同時(shí)，雖然四個(gè)不同目標(biāo)在數(shù)值上有較大差異，但變化趨勢(shì)是相同的。

圖13 450 kHz 時(shí)深度對(duì)電感虛部的影響

為了更加明顯的觀(guān)察該變化趨勢(shì)，在四種不同大小的目標(biāo)中任意選取兩個(gè)，選取的是A 和B。圖14 為A 和B 的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行歸一化處理得到的結(jié)果，可以看出A 和B 的結(jié)果是完全重合在一起，即探測(cè)目標(biāo)的大小并不會(huì)影響電感虛部隨深度變化的趨勢(shì)。

圖14 A 和B 變化趨勢(shì)的比較

2.3.4 豎直定位方法的確定

所以此變化趨勢(shì)只與目標(biāo)的深度有關(guān)，據(jù)此可以實(shí)現(xiàn)探測(cè)目標(biāo)的豎直定位。 具體方案是改變探測(cè)系統(tǒng)的提離高度，得到接收線(xiàn)圈電感變化曲線(xiàn)并計(jì)算出斜率值K，具體操作如圖15 所示。 而目標(biāo)在不同深度時(shí)，改變探測(cè)目標(biāo)與探測(cè)系統(tǒng)之間距離，K值不同，如圖16 所示。 故可以通過(guò)此斜率值確定探測(cè)目標(biāo)的深度。

圖15 豎直定位方法

從圖16 中可以看出目標(biāo)越淺，K值越大，變化越迅速。 表3 列舉了A 和B 在不同深度對(duì)應(yīng)的K值KA和KB，更加清晰的表明了雖然不同深度的K值都有著較大的區(qū)分度，但深度越淺區(qū)分度越大。也就是說(shuō)，目標(biāo)越淺，傳感器的豎直定位越準(zhǔn)確。 當(dāng)目標(biāo)位于100 cm 以?xún)?nèi)時(shí)，K值偏差0.1，深度偏差不超過(guò)2 cm。 當(dāng)目標(biāo)位于100 cm 到150 cm 時(shí)，K值偏差0.1，深度偏差不超過(guò)10 cm。

圖16 不同深度對(duì)應(yīng)不同斜率值

表3 不同深度對(duì)應(yīng)的斜率

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以仿真設(shè)計(jì)中的線(xiàn)圈參數(shù)為參考，搭建了如圖17 所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 該平臺(tái)由包含一個(gè)激勵(lì)線(xiàn)圈和一個(gè)接收線(xiàn)圈的傳感器以及阻抗分析儀組成。兩線(xiàn)圈垂直放置，激勵(lì)線(xiàn)圈的長(zhǎng)寬都為1 m，接收線(xiàn)圈長(zhǎng)寬分別為1 m 和0.3 m。 線(xiàn)使用線(xiàn)徑為1 mm的漆包銅線(xiàn)，并將其繞制在開(kāi)槽的尼龍板上。 激勵(lì)線(xiàn)圈施加的電壓為1 V，頻率為1 MHz。 測(cè)量時(shí)，傳感器整體垂直放置，爆彈在其前方經(jīng)過(guò)，便于較遠(yuǎn)距離的探測(cè)。

圖18 所示為圖17 中的未爆彈在1.6m 左右時(shí)電感虛部的信號(hào)變化。 可以看到當(dāng)未爆彈經(jīng)過(guò)時(shí)信號(hào)變化很明顯，說(shuō)明該傳感器結(jié)構(gòu)可以有效消除一次場(chǎng)信號(hào)，并對(duì)一定深度的目標(biāo)有著清晰的響應(yīng)。

圖17 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖18 1.6 m 深未爆彈信號(hào)

圖19 和圖20 為兩種不同大小未爆彈遠(yuǎn)離探測(cè)系統(tǒng)時(shí)電感虛部的變化趨勢(shì)，其中未爆彈A 長(zhǎng)50 cm，直徑8 cm，未爆彈B 長(zhǎng)35 cm，直徑9.5 cm?？梢钥闯鲭S著未爆彈的遠(yuǎn)離，信號(hào)的變化趨勢(shì)在變緩，與前文仿真中的變化趨勢(shì)是相似的。 說(shuō)明可以通過(guò)響應(yīng)信號(hào)的變化趨勢(shì)對(duì)未爆彈深度進(jìn)行判斷。

圖19 未爆彈A 深度變化對(duì)信號(hào)的影響

圖20 未爆彈B 深度變化對(duì)信號(hào)的影響

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新型的基于頻域電磁法的未爆彈探測(cè)傳感器，分別通過(guò)對(duì)激勵(lì)線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈不同尺寸進(jìn)行仿真，確定了最優(yōu)的線(xiàn)圈尺寸模型，我們通過(guò)模擬了傳感器周?chē)拇艌?chǎng)分布，驗(yàn)證了接收線(xiàn)圈可以有效地消除剩余耦合。 另外，通過(guò)該新型傳感器可對(duì)不同深度的未爆彈進(jìn)行水平定位，仿真結(jié)果表明該方法可實(shí)現(xiàn)未爆彈方向水平定位零偏差。同時(shí)驗(yàn)證了通過(guò)改變傳感器的提離高度對(duì)未爆彈進(jìn)行豎直方向定位的可行性。 最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了印證。