用于地下未爆彈探測(cè)的頻域電磁傳感器設(shè)計(jì)?

劉孝天 張志杰

（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（未爆炸或被棄置的）爆炸性彈藥。這些彈藥在數(shù)百年之后，仍有被意外引爆的風(fēng)險(xiǎn)［1］，造成不必要的損失。根據(jù)制造材料的物理特性，磁法［2］、電磁法［3］、探地雷達(dá)［4］、中子法［5］等［6］成為未爆彈常用的探測(cè)方法。但無(wú)論使用什么技術(shù)或方法，完成未爆彈探測(cè)這一任務(wù)都是一個(gè)持續(xù)的過(guò)程，這意味著該過(guò)程的所需成本將十分昂貴，大體主要消耗在金錢(qián)、人力和時(shí)間三大方面［7］。

電磁法是最古老、最成熟的未爆彈藥探測(cè)技術(shù)。其主要用主動(dòng)激發(fā)的方法，通過(guò)測(cè)量彈體內(nèi)的渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)單體的探測(cè)及定位，檢測(cè)對(duì)象通常為未爆彈藥的金屬?gòu)棜せ蚪饘俨考?］。

電磁法可分為頻域法和時(shí)域法。對(duì)于體積較大的未爆彈藥，如炮彈和火箭，其穿透土壤的程度較輕，目前的趨勢(shì)是采用時(shí)域法［9］，具有代表性的成熟系統(tǒng)包括Metal-Mapper［10］、ORAGS［11］等［12］。對(duì)于體積相對(duì)較小的未爆彈藥，如地雷和迫擊炮彈等，大多數(shù)探測(cè)器都采用頻域電磁探測(cè)方法。

相較于時(shí)域電磁法，頻域電磁激勵(lì)源的頻域更寬，能獲得更為豐富的目標(biāo)信息，更準(zhǔn)確地識(shí)別地下目標(biāo)［13］。但其最主要的問(wèn)題是，較強(qiáng)的一次場(chǎng)和較弱的二次場(chǎng)同時(shí)存在，微弱的響應(yīng)信號(hào)會(huì)被淹沒(méi)在一次場(chǎng)中。

針對(duì)上述問(wèn)題，常用的解決方法是通過(guò)特定的幾何線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)，來(lái)減弱主場(chǎng)對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響。比如，早期的電磁探測(cè)傳感器多將激勵(lì)單元與線(xiàn)圈單元盡量遠(yuǎn)離，因?yàn)殡S著距離增加，一次場(chǎng)對(duì)接收單元的影響也會(huì)隨之衰減；緊湊型探測(cè)器的激勵(lì)線(xiàn)圈與接收線(xiàn)圈位于同一位置，尺寸不同，比如常用的Rx梯度計(jì)［14］和Tx梯度計(jì)［15］。

本文參考Rx 梯度計(jì)消除一次場(chǎng)的方式，設(shè)計(jì)了一種可接收三個(gè)方向分量的電磁傳感器，并通過(guò)該傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)未爆彈的探測(cè)與定位。

2 傳感器設(shè)計(jì)

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［16］。因此將矩形線(xiàn)圈作為傳感器的基本結(jié)構(gòu)。

我們擬采用接收線(xiàn)圈關(guān)于一次場(chǎng)對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)來(lái)消除一次場(chǎng)對(duì)接收的影響。雙激勵(lì)線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一次場(chǎng)，如圖1所示。

圖1 雙激勵(lì)線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)示意圖

Tx1和Tx2為大小完全相同的兩個(gè)矩形激勵(lì)線(xiàn)圈，線(xiàn)圈中施加的激勵(lì)電流大小相同，方向相反。取線(xiàn)圈周?chē)臻g一點(diǎn)P1（x1，y1，z1），其關(guān)于XZ 平面對(duì)稱(chēng)點(diǎn)P2（x1，-y1，z1）。則Tx1和Tx2在P1點(diǎn)產(chǎn)生的磁通密度為

合磁通密度為B1=B11+B21同理可得到雙激勵(lì)線(xiàn)圈分別在P2點(diǎn)處的磁通

合磁通B2=B11+B21。若接收線(xiàn)圈平面同時(shí)包含此兩點(diǎn)，可得線(xiàn)圈總磁通密度：

因此總磁通密度與線(xiàn)圈平面相切，即一次場(chǎng)通過(guò)接收線(xiàn)圈的磁通Φ 為0。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，接收線(xiàn)圈在變磁場(chǎng)作用下輸出信號(hào)：

一次場(chǎng)在接受線(xiàn)圈上不產(chǎn)生感應(yīng)電壓，即一次場(chǎng)不影響接收線(xiàn)圈響應(yīng)信號(hào)大小。其中，n 為線(xiàn)圈匝數(shù)，A為正對(duì)磁場(chǎng)的面積，為變化磁場(chǎng)的大小。

最終確定電磁傳感器的整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。Rx1，Rx2和Rx3為三個(gè)接收線(xiàn)圈，分別與激勵(lì)線(xiàn)圈共面和異面垂直。

首先，建立檔案收集部門(mén)，對(duì)收集的檔案進(jìn)行甄別。其次，建立檔案分析部門(mén)，將類(lèi)別不同的檔案分別歸檔，分類(lèi)出重要的檔案，單獨(dú)進(jìn)行管理，并進(jìn)行多重加密，重點(diǎn)保護(hù)。最后，建立檔案管理部門(mén)，按照國(guó)家法律規(guī)定制定出切實(shí)有效的檔案保護(hù)技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)檔案保護(hù)技術(shù)的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。當(dāng)檔案管理出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，要能夠迅速找出問(wèn)題點(diǎn)，并針對(duì)問(wèn)題點(diǎn)找到相關(guān)責(zé)任人，使其為出現(xiàn)的問(wèn)題負(fù)責(zé)。這樣更能促進(jìn)我國(guó)檔案管理及保護(hù)工作的順利開(kāi)展，使檔案始終處于被安全保護(hù)的狀態(tài)。

圖2 電磁傳感器整體結(jié)構(gòu)

3 傳感器尺寸優(yōu)化

圖3 為未爆彈與傳感器的相對(duì)位置示意圖，傳感器結(jié)構(gòu)及各部分線(xiàn)圈的尺寸均會(huì)對(duì)傳感器性能有較大影響。在確定了傳感器基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，我們研究激勵(lì)線(xiàn)圈寬度和接收線(xiàn)圈尺寸對(duì)探測(cè)的影響。

圖3 未爆彈相對(duì)位置示意圖

3.1 激勵(lì)線(xiàn)圈優(yōu)化

激勵(lì)線(xiàn)圈寬度W1變化時(shí)，激勵(lì)線(xiàn)圈產(chǎn)生的一次場(chǎng)也會(huì)變化，寬度過(guò)寬或者過(guò)窄時(shí)，一次場(chǎng)主要由矩形激勵(lì)線(xiàn)圈長(zhǎng)邊產(chǎn)生。研究W1變化時(shí)，矩形激勵(lì)線(xiàn)圈中心點(diǎn)P1點(diǎn)正下方的磁場(chǎng)分布，圖4 為不同寬度W1的仿真結(jié)果?？梢钥闯?，深度較淺約為20cm內(nèi)時(shí)，較窄的W1顯然產(chǎn)生的磁通密度更大；深度深于20cm 時(shí)，P1點(diǎn)正下方磁通密度逐漸較小，且較寬的W1產(chǎn)生的磁通密度更大。為兼顧不同深度未爆彈的探測(cè)，寬度W1應(yīng)選取合適的值。

圖4 P1點(diǎn)下方磁通密度

P1點(diǎn)正下方的磁通密度Z 分量最大，未爆彈在P1點(diǎn)正下方時(shí)，接收線(xiàn)圈Rx2的響應(yīng)信號(hào)會(huì)出現(xiàn)峰值。因此，還必須考慮到彈體與接收線(xiàn)圈Rx2的相對(duì)距離。

將激勵(lì)線(xiàn)圈長(zhǎng)度設(shè)置為固定尺寸1m，研究改變其寬度W1造成的影響。彈體始終位于P1點(diǎn)正下方，圖5 為激勵(lì)線(xiàn)圈變化對(duì)Rx2的響應(yīng)信號(hào)的影響，由于不同深度的響應(yīng)信號(hào)差距很大，為了比較變化趨勢(shì)，將響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行了歸一化處理。

圖5 W1變化對(duì)Rx2信號(hào)的影響

當(dāng)W1變寬時(shí)，位于不同深度的未爆彈在Rx2上產(chǎn)生的響應(yīng)信號(hào)均呈現(xiàn)先增大，再減小的趨勢(shì)。這里也為了兼顧不同深度目標(biāo)的探測(cè)，將W1設(shè)置為60cm。

3.2 接收線(xiàn)圈優(yōu)化

電磁檢測(cè)系統(tǒng)的傳感器整體較大，因此計(jì)劃為車(chē)載式或車(chē)曳式，也就是說(shuō)圖3 所示的傳感器與地面的距離為固定距離D4。過(guò)高的D4不利于更深目標(biāo)的探測(cè)，這就對(duì)接收線(xiàn)圈寬度W3提出要求。

在仿真中將D4設(shè)置為5cm，研究W3的變化對(duì)接收線(xiàn)圈信號(hào)的影響。圖6和圖7分別為未爆彈在不同深度處，W3變化對(duì)接收線(xiàn)圈Rx1和接收線(xiàn)圈Rx2的響應(yīng)信號(hào)造成的影響?？梢钥闯觯琖3增大時(shí)，不同深度處的彈體在Rx1上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓總體上呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，且當(dāng)W3超過(guò)一定的寬度后，Rx1上的響應(yīng)信號(hào)略微下降。對(duì)Rx2來(lái)說(shuō)，W3的增加意味著響應(yīng)信號(hào)的減小。綜合考慮，將Rx1的寬度W3確定為30cm。

圖6 W3變化對(duì)Rx1信號(hào)的影響

圖7 W3變化對(duì)Rx2信號(hào)的影響

4 水平定位

通過(guò)仿真研究特殊情況下，即彈體位于圖2 中K1軸正下方時(shí)，傳感器沿未爆彈上方經(jīng)過(guò)時(shí)的響應(yīng)信號(hào)。

表1 COMSOL主要仿真參數(shù)

圖8 為彈體水平放置分別旋轉(zhuǎn)0°和旋轉(zhuǎn)40°時(shí)的接收線(xiàn)圈信號(hào)。可以看出，Rx1響應(yīng)曲線(xiàn)的峰值都是出現(xiàn)在彈體位于圖5所示的P2點(diǎn)下方時(shí)。Rx2響應(yīng)曲線(xiàn)的峰值出現(xiàn)在激勵(lì)線(xiàn)圈的中心附近，其絕對(duì)值相等但方向相反。同時(shí)，彈體旋轉(zhuǎn)0°時(shí)，Rx3的信號(hào)一直為0。這是由于目標(biāo)關(guān)于Rx3所在平面完全對(duì)稱(chēng)，其產(chǎn)生的二次場(chǎng)不穿過(guò)Rx3。

圖8 未爆彈水平放置接收線(xiàn)圈信號(hào)

在實(shí)際探測(cè)定位工作中，對(duì)于位置未知目標(biāo)，彈體會(huì)隨機(jī)地偏離傳感器K1掃描軸線(xiàn)正下方。圖9 為傳感器沿軸線(xiàn)K1水平掃描的響應(yīng)信號(hào)，彈體偏移K1軸距離為60cm。

圖9 彈體偏移對(duì)接收線(xiàn)圈信號(hào)影響

可以看出，Rx1響應(yīng)曲線(xiàn)出現(xiàn)局部谷值，此時(shí)彈體位于P2點(diǎn)下方。Rx2、Rx3電感虛部變化趨勢(shì)相似，在掃描過(guò)程中均存在一個(gè)零點(diǎn)，這是因?yàn)槎螆?chǎng)穿過(guò)接收線(xiàn)圈的總磁通量為零。對(duì)于任意情況下的未爆彈探測(cè)，通過(guò)三個(gè)接收線(xiàn)圈可以實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的水平定位。

5 豎直定位

目標(biāo)深度的準(zhǔn)確測(cè)量會(huì)使未爆彈挖掘工作變得更有效率。對(duì)未爆彈進(jìn)行水平定位后，確定未爆彈位于激勵(lì)線(xiàn)圈P1點(diǎn)正下方。將Rx1沿圖4 中軸線(xiàn)K2順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°，主要研究接收線(xiàn)圈信號(hào)的變化。

圖10 為400kH 頻率下目標(biāo)深度變化對(duì)接收線(xiàn)圈電感虛部的影響。對(duì)同一探測(cè)目標(biāo)，深度會(huì)對(duì)旋轉(zhuǎn)掃描結(jié)果造成明顯影響。主要體現(xiàn)在不同深度響應(yīng)峰值對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角值不同。

圖10 不同深度Rx1的旋轉(zhuǎn)響應(yīng)信號(hào)

為排除其他變量對(duì)信號(hào)造成的影響，需要引入多種可能存在的變量。通過(guò)有限元仿真研究，尺寸相當(dāng)?shù)膹楏w，其長(zhǎng)寬比和旋轉(zhuǎn)角對(duì)響應(yīng)有一定影響，彈體不同傾斜角的測(cè)量曲線(xiàn)幾乎是重疊在一起的。因此，若先對(duì)傳感器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)角校對(duì)，保證彈體長(zhǎng)軸與激勵(lì)線(xiàn)圈長(zhǎng)邊平行，再根據(jù)接收線(xiàn)圈旋轉(zhuǎn)掃描響應(yīng)信號(hào)最大值對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度，可以確定彈體的深度。

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11 所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。探測(cè)平臺(tái)由前文所述結(jié)構(gòu)的傳感器及分析儀組成。傳感器框架為木制，框架連接處連接結(jié)構(gòu)件為亞克力材質(zhì)。激勵(lì)線(xiàn)圈的匝數(shù)為70，三個(gè)接收線(xiàn)圈的匝數(shù)均為20。線(xiàn)圈使用線(xiàn)徑為0.33mm 的漆包銅線(xiàn)，激勵(lì)電壓10V，頻率為400kHz。圖12 為測(cè)試所用未爆彈實(shí)物，彈體尺寸已在圖中標(biāo)出。

圖11 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖12 未爆彈

由于傳感器尺寸較大，移動(dòng)彈體來(lái)代替?zhèn)鞲衅鞯囊苿?dòng)，將輸出的信號(hào)進(jìn)行帶通濾波處理。圖13為目標(biāo)U1在深度0.6m 處的水平掃描Rx1響應(yīng)信號(hào)，符合仿真中的信號(hào)特征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于1m深度以?xún)?nèi)的目標(biāo)，三個(gè)接收線(xiàn)圈具有清晰完整的響應(yīng)信號(hào)。

圖13 不同深度Rx1的響應(yīng)信號(hào)

在傳感器前方對(duì)未爆彈藥U1進(jìn)行掃描，深度為0.5m，偏移距離為0.3m。首先彈體沿K1軸方向移動(dòng)。掃描過(guò)程中，目標(biāo)在傳感器正下方停留5s，圖14 為Rx1響應(yīng)信號(hào)。當(dāng)彈體位于傳感器正下方時(shí)，響應(yīng)信號(hào)出現(xiàn)峰值。將彈體沿K2軸移動(dòng)，掃描過(guò)程中，目標(biāo)在傳感器下停留5s，圖15 為Rx3的響應(yīng)信號(hào)。當(dāng)彈體處于傳感器正下方時(shí)，Rx3存在響應(yīng)峰值?？梢钥闯?，兩次掃描的響應(yīng)信號(hào)也符合仿真中的信號(hào)特征。因此，通過(guò)兩次水平掃描對(duì)未爆彈藥進(jìn)行水平定位的方法是可行的。

圖14 K1軸掃描Rx1信號(hào)

圖15 K2軸掃描Rx3信號(hào)

在豎直定位中，圖16給出了Rx1在0.5m深度處從-90°～90°的旋轉(zhuǎn)響應(yīng)信號(hào)?？梢钥闯?，響應(yīng)信號(hào)有兩個(gè)相反的峰值。理論上，這兩個(gè)峰值對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度相差180°，這取決于手動(dòng)繞制的Rx1是否嚴(yán)格對(duì)稱(chēng)。對(duì)三種彈體不同深度處的10 次測(cè)量取平均值，結(jié)果見(jiàn)表2。同一彈體不同深度處Rx1響應(yīng)峰值對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度不同，同一深度處不同目標(biāo)對(duì)應(yīng)的特征旋轉(zhuǎn)角度接近4°。說(shuō)明可以通過(guò)峰值對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度來(lái)判斷未爆彈的深度。

表2 不同深度對(duì)應(yīng)的Rx1旋轉(zhuǎn)角值

圖16 不同深度對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角

7 結(jié)語(yǔ)

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。根據(jù)矩形線(xiàn)圈周?chē)艌?chǎng)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了傳感器的結(jié)構(gòu)。解決了頻域電磁法中激勵(lì)與接收分離時(shí)的一次場(chǎng)耦合問(wèn)題，優(yōu)化了傳感器各部分尺寸?；趥鞲衅黜憫?yīng)信號(hào)的特點(diǎn)，提出了未爆彈的水平和垂直定位方法。搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果表明，傳感器對(duì)1.2m 深度的目標(biāo)具有顯著的響應(yīng)信號(hào)，能夠準(zhǔn)確定位1m深度的目標(biāo)，垂直定位誤差在10cm以?xún)?nèi)。