基于頻域電磁法的未爆彈探測(cè)傳感器設(shè)計(jì)*

薄 瑞 張志杰 劉孝天

（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 太原 030051）

1 引言

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。其有效期通常達(dá)到數(shù)十年甚至上百年，用來制造這些武器的材料會(huì)隨著時(shí)間的推移而降解，意外爆炸的可能性也會(huì)增加［1］。為了避免接觸埋藏的未爆彈造成誤觸發(fā)，未爆彈探測(cè)多采用地球物理方法，如磁法、電磁法、探地雷達(dá)、微重力法、紅外等［2］。但無論使用什么方法或技術(shù)，未爆彈探測(cè)都是一個(gè)持續(xù)的過程，這意味著其在金錢、人力和時(shí)間方面可能都是十分昂貴的［3］。

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［4］。而頻域電磁法采集時(shí)間和周期可控，有著更寬的激勵(lì)頻率范圍，可以獲得更多的目標(biāo)信息，更準(zhǔn)確地識(shí)別地下目標(biāo)［5］。但其存在的最主要問題就是較強(qiáng)的一次場(chǎng)和較弱的二次場(chǎng)同時(shí)存在。

對(duì)于上述問題，許多早期的商用電磁探測(cè)傳感器采用接收線圈盡量遠(yuǎn)離激勵(lì)線圈的幾何結(jié)構(gòu)，因?yàn)橹鲌?chǎng)會(huì)以距離立方的速度迅速衰減，如一種手持頻域電磁探測(cè)系統(tǒng)［6］。此外，該問題還可以通過特定的幾何線圈設(shè)計(jì)來解決，特別是激勵(lì)線圈與接收線圈位于同一位置的緊湊型探測(cè)器中［7］。比如經(jīng)常使用的RX 梯度計(jì)（RX gradiometer configurations）［8～9］、TX 梯度計(jì)（“磁腔”）線圈設(shè)計(jì)（TX gradiometer coil designs）［4］等。單激勵(lì)單接收傳感器獲得的信息較少，而常用的單激勵(lì)多接收線圈多為陣列式，只能對(duì)磁場(chǎng)垂直分量進(jìn)行測(cè)量。

而三分量的響應(yīng)可以避免只分析垂直分量的局限性，提高目標(biāo)解釋精度，獲得更多的目標(biāo)信息［10］。所以本文使用解析解法和有限元仿真法，參考RX 梯度計(jì)消除一次場(chǎng)的方式，設(shè)計(jì)了一種可接收多個(gè)方向分量的單激勵(lì)多接收電磁傳感器。通過該傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)未爆彈的探測(cè)與識(shí)別。

2 傳感器設(shè)計(jì)

由于矩形線圈的磁通密度不是軸對(duì)稱的，因此具有形狀效應(yīng)。其對(duì)橫向偏移有更好的容忍度，易獲得較好的耦合性，高頻下對(duì)電導(dǎo)率的測(cè)量也表現(xiàn)出更好的性能，故將矩形線圈用于傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［11］。

若存在一個(gè)導(dǎo)電半空間，則激勵(lì)線圈與導(dǎo)電半空間之間區(qū)域的標(biāo)量電位可以用wa0描述，wa0可以寫成兩個(gè)電位之和，一項(xiàng)是激勵(lì)線圈電流產(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。則如圖1所示的激勵(lì)線圈產(chǎn)生的總標(biāo)量電位可表示為wast［12］。

圖1 矩形線圈示意圖

在圖1 所示矩形線圈周圍任取一個(gè)點(diǎn)P1(x1，y1，z1) ，然后取與其上下對(duì)稱的點(diǎn)P2(x1，y1，-z1)和左右對(duì)稱的點(diǎn)P3( -x1，y1，z1) ，根據(jù)式（1）可得P1與P2和P3處標(biāo)量電位的比值為

所以P1與P2和P3處標(biāo)量電位相等，即矩形線圈周圍磁場(chǎng)對(duì)稱分布。

此外還通過仿真證明了這一點(diǎn)，模擬了矩形線圈上下對(duì)稱和左右對(duì)稱的兩條截線L1 和L2 上的磁場(chǎng)分布，圖2 為仿真結(jié)果?？梢钥闯龃磐芏葘?duì)稱分布。

圖2 L1和L2上的磁場(chǎng)分布

基于上述研究，我們分別選取了與激勵(lì)線圈垂直，共面和異面垂直的三個(gè)線圈Rx1，Rx2 和Rx3 作為接收線圈。激勵(lì)線圈Tx1和Tx2為大小完全相同的兩個(gè)矩形線圈，線圈中施加的激勵(lì)電流大小相同，方向相反。而在線圈的實(shí)際纏繞中，Tx1 和Tx2可以反向纏擾，使用同一激勵(lì)源，傳感器整體為單激勵(lì)多接收結(jié)構(gòu)。電磁傳感器的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電磁傳感器的整體結(jié)構(gòu)

頻域電磁探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是如何消除較大的一次場(chǎng)。而圖3 所示傳感器的三個(gè)接收線圈都可以與激勵(lì)線圈實(shí)現(xiàn)零耦合。以線圈Rx1為例，圖4 為穿過該線圈的磁通量。可以看出穿過線圈的磁場(chǎng)對(duì)稱分布，對(duì)稱軸r1 兩側(cè)的磁場(chǎng)方向相反，相互抵消后，有效地消除了一次場(chǎng)的影響。

圖4 穿過Rx1的磁場(chǎng)密度

3 傳感器尺寸優(yōu)化

圖5 為傳感器與未爆彈的示意圖，激勵(lì)線圈和接收線圈Rx1、Rx2的長(zhǎng)度相同，主要與探測(cè)系統(tǒng)的整體尺寸有關(guān)。需要研究的是激勵(lì)線圈的寬度W1，接收線圈Rx1的寬度W3和Rx2的寬度W2。

圖5 傳感器與未爆彈

3.1 激勵(lì)線圈優(yōu)化

首先研究激勵(lì)線圈下方的磁場(chǎng)分布，以其中心（P1 點(diǎn)）正下方0～1m 處的磁通密度為例，圖6 為不同寬度W1 的仿真結(jié)果。可以看出，隨著W1 的減小，磁通密度變的越來越小。

圖6 P1點(diǎn)下方的磁通密度

若未爆彈位于P1 的正下方，隨著W1 的增加，未爆彈與接收線圈的距離D3 會(huì)變大。而P1 的下方是磁通密度Z 分量最大的地方，未爆彈位于此處時(shí)，接收線圈Rx2一般會(huì)出現(xiàn)峰值。

在仿真中令未爆彈始終位于P1的正下方，圖7為W1 變化對(duì)線圈Rx2 響應(yīng)信號(hào)的影響，將不同深度的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行了歸一化處理?？梢钥闯?，當(dāng)W1 超過一定的值時(shí)Rx2 的響應(yīng)信號(hào)會(huì)減小。且未爆彈越淺，拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的W1值越小。

圖7 W1變化對(duì)Rx2信號(hào)的影響

綜合考慮傳感器整體尺寸以及W1變化對(duì)磁場(chǎng)分布、Rx2 響應(yīng)信號(hào)的影響，最終確定W1 為60cm。從圖6 可以看出，此時(shí)激勵(lì)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)在不同深度的分布較為均衡。從圖7 可以看出，W1 選取60cm可以兼顧不同深度目標(biāo)的探測(cè)效果。

3.2 接收線圈Rx1的優(yōu)化

由于傳感器整體較大，電磁探測(cè)系統(tǒng)擬采用車載式，這意味著圖5 中所示的傳感器距離地面的距離D4 是固定的。而Rx1 的寬度W3 的增加會(huì)導(dǎo)致ΔZ 增加，目標(biāo)與接收線圈的距離D3 也在增加，這不利于較深目標(biāo)的探測(cè)。而W3 減小同樣會(huì)導(dǎo)致Rx1 接收信號(hào)減小，所以W3 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。

在仿真中固定D4，研究W3 的變化對(duì)接收線圈信號(hào)的影響。圖8和圖9分別為目標(biāo)位于不同深度時(shí)W3 變化對(duì)Rx1 和Rx2 的響應(yīng)信號(hào)造成的影響?？梢钥?出當(dāng)W3 大于35cm 時(shí)，W3 的變化對(duì)Rx1 接收信號(hào)造成影響變的十分微小，但Rx2的信號(hào)是單調(diào)減小的。所以綜合考慮將Rx1的寬度W3確定為30cm。

圖8 W3變化對(duì)Rx1響應(yīng)信號(hào)的影響

圖9 W3變化對(duì)Rx2響應(yīng)信號(hào)的影響

最終確定了激勵(lì)線圈的寬度W1 為60cm，接收線圈Rx1 的寬度W3 為30cm。而對(duì)于Rx2 的寬度，其主要與激勵(lì)線圈間距相關(guān)，最終選取40cm。所以接收線圈Rx3的長(zhǎng)寬分別為30cm，40cm。

4 水平定位

考慮大部分未爆彈的形狀之后，在仿真中以橢球近似代替未爆彈。線圈采用優(yōu)化后的尺寸，其余的仿真數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

通過仿真研究了傳感器在未爆彈上方經(jīng)過時(shí)的響應(yīng)信號(hào)，圖10 和圖11 分別為未爆彈水平放置和旋轉(zhuǎn)40°時(shí)的接收線圈信號(hào)?？梢钥闯?，Rx1 響應(yīng)曲線的峰值都是出現(xiàn)在未爆彈位于圖5 所示的P2 點(diǎn)下方時(shí)。Rx2 響應(yīng)曲線的峰值出現(xiàn)在激勵(lì)線圈的中心附近，其絕對(duì)值相等但方向相反。

圖10 未爆彈水平放置接收線圈信號(hào)

圖11 未爆彈旋轉(zhuǎn)40°接收線圈信號(hào)

同時(shí)，目標(biāo)水平放置時(shí)Rx3 的信號(hào)一直為0。這是由于目標(biāo)產(chǎn)生的二次場(chǎng)不會(huì)影響Rx3，而當(dāng)目標(biāo)旋轉(zhuǎn)40°時(shí)Rx3 的響應(yīng)就較為明顯。可以看出，通過三個(gè)接收線圈可以實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的水平定位。

5 未爆彈識(shí)別

未爆彈相對(duì)于干擾物有著較為顯著的特征，比如其都有著較大的長(zhǎng)寬比。本文據(jù)此提出了一種未爆彈識(shí)別方法，同時(shí)還通過該方法對(duì)目標(biāo)姿態(tài)進(jìn)行大致的判斷。

對(duì)未爆彈進(jìn)行水平定位之后，確定未爆彈位于傳感器中心正下方。將傳感器圍順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°，如圖12所示。研究接收線圈信號(hào)的變化。

圖12 傳感器旋轉(zhuǎn)

由于在仿真中固定未爆彈的赤道半徑R2 為10cm，改變其極半徑R1，圖13為線圈Rx1的響應(yīng)信號(hào)。可以看出，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度為90°時(shí)信號(hào)出現(xiàn)峰值，所以可以根據(jù)Rx1峰值判斷未爆彈的水平角度。

圖13 傳感器旋轉(zhuǎn)時(shí)Rx1的響應(yīng)信號(hào)

將θ為0時(shí)的信號(hào)標(biāo)注為L(zhǎng)1，θ等于90時(shí)的信號(hào)標(biāo)注為L(zhǎng)2，從圖13 中還可以看出，當(dāng)目標(biāo)R1 與R2相等時(shí)，L2 與L1 的差值接近零。若R1 增大，即未爆彈長(zhǎng)寬比增大時(shí)，L2與L1之間的差值也變大。

為了更直觀地表現(xiàn)這種趨勢(shì)，繪制了如圖14所示的曲線，橫坐標(biāo)為R1 的長(zhǎng)度，縱坐標(biāo)為L(zhǎng)2 和L1 的比值。可以看出，不同深度目標(biāo)的變化趨勢(shì)相同，R1 越大，比值越大。而未爆彈的長(zhǎng)軸和短軸比值都較大，故可據(jù)此對(duì)未爆彈和干擾物進(jìn)行區(qū)分。

圖14 不同深度下L2/L1變化趨勢(shì)

綜上所述，通過該方法可以準(zhǔn)確判斷未爆彈的水平角度。同時(shí)可以通過該信號(hào)對(duì)未爆彈與干擾物進(jìn)行區(qū)分。

6 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

參考前文設(shè)計(jì)的傳感器，搭建了如圖15 所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。其由包含一對(duì)激勵(lì)線圈和一個(gè)接收線圈的傳感器以及阻抗分析儀組成，其中兩個(gè)激勵(lì)線圈由一根銅線反向纏繞而成，分別使用接收線圈Rx1、Rx2 和Rx3 進(jìn)行測(cè)量。激勵(lì)線圈的匝數(shù)為100，接收線圈的匝數(shù)都為10。線圈使用線徑為1mm 的漆包銅線，接收線圈繞制在開槽的尼龍板上，激勵(lì)線圈繞制在與尼龍版垂直的塑料棒上，激勵(lì)電壓1V，頻率為400kHz。圖16 為測(cè)試所用未爆彈及干擾物，將未爆彈N2在傳感器前方掃過，并將輸出信號(hào)進(jìn)行帶通濾波處理。圖17 為其距離傳感器1.8m 時(shí)Rx1 的信號(hào)，雖然有明顯的雜波，但仍有明顯的響應(yīng)信號(hào)。由于線圈通過手工繞制，所以實(shí)驗(yàn)結(jié)果并未達(dá)到該傳感器結(jié)構(gòu)的最佳效果。圖18為目標(biāo)距離傳感器1m時(shí)Rx2的信號(hào)。

圖15 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖16 未爆彈及干擾物

圖17 Rx1的響應(yīng)信號(hào)

圖18 Rx2的響應(yīng)信號(hào)

為了便于測(cè)量，通過目標(biāo)旋轉(zhuǎn)來驗(yàn)證未爆彈識(shí)別方法。圖19 為未爆彈N2 旋轉(zhuǎn)時(shí)線圈Rx1 的信號(hào)?？梢钥闯觯m然手動(dòng)旋轉(zhuǎn)對(duì)信號(hào)存在干擾，但旋轉(zhuǎn)到90°時(shí)Rx1 仍出現(xiàn)了峰值，符合仿真中的信號(hào)特點(diǎn)。

圖19 未爆彈N2旋轉(zhuǎn)響應(yīng)信號(hào)

在實(shí)驗(yàn)中分別測(cè)量圖16 所示目標(biāo)豎直放置和旋轉(zhuǎn)90°時(shí)信號(hào)的差值ΔL，以此區(qū)分未爆彈與干擾物。其中NI～N5 與傳感器的距離為1m，而N6～N8的體積較小，距離為1m時(shí)信號(hào)幾乎沒有變化，所以它們的距離確定為0.3m。圖20 和圖21 分別為N1和N3 的響應(yīng)信號(hào)，N3 開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)波峰，這可能是因?yàn)槟繕?biāo)上下兩端存在較大差距，N4的信號(hào)與其相似。

圖20 N1的響應(yīng)信號(hào)

圖21 N3的響應(yīng)信號(hào)

表2 為圖16 中物體的ΔL 測(cè)量值，可以看出長(zhǎng)寬比大的目標(biāo)ΔL 更大，再參考上下不對(duì)稱的目標(biāo)開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)波峰，因此可以通過該方法對(duì)未爆彈與干擾物進(jìn)行一定的區(qū)分。

表2 探測(cè)目標(biāo)的ΔL

7 結(jié)語

本文基于頻域電磁法設(shè)計(jì)了一種新型的單激勵(lì)多接收未爆彈探測(cè)傳感器，對(duì)傳感器線圈尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，并基于該傳感器提出了一種未爆彈識(shí)別方法。搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明該傳感器對(duì)1.8m 深的目標(biāo)有著顯著的響應(yīng)信號(hào)，可以有效地區(qū)分未爆彈與其它干擾目標(biāo)。