金屬掩埋物的主動磁探測方法

魯偉俊，李 斌

(1.中國工程物理研究院計量測試中心，四川 綿陽 621000;2.西北工業大學航海學院，陜西 西安 710072)

0 引 言

金屬掩埋物的探測與識別對于人類認識和開發未知領域有著很大幫助。該技術已被應用于很多領域，如地下管道探測、海底掩埋物打撈、未爆彈藥探測[1-2]等。

目前對于金屬目標探測識別有許多方案，如聲信號法、紅外測量法、磁偏角測量法等，但這些方法不同程度上均受到一定因素的約束，如聲信號法容易被外界噪聲影響，紅外測量法對太陽光線敏感。后來許多學者開始使用磁場檢測技術探測金屬掩埋物，其原理是通過磁傳感器檢測在地磁場背景下，有無金屬目標時地磁場的變化來檢測目標的，即磁異常檢測[3-4]，屬于被動測量法。關于該方法的研究，國內外學者已經開展了許多工作，中國計量學院的聞育等[5]研制了基于磁偏角的金屬檢測系統；Soner Meta等[6]設計的單回路線圈檢測系統，對于金屬目標物的檢測也具有很高的檢測概率。但是，由于上述方法是基于地磁背景下進行的設計，都沒有很好地解決由地磁變化引起的基線漂移問題[7]，進而會引入探測誤差。而主動磁探測方法是通過系統本身向外輻射已知磁信號，通過檢測反射信號來判定目標物的方式，并未引入地磁場，故不存在基線漂移問題。

1 主動磁探測原理

1.1 金屬對交變磁場的響應

由物理學知識可知，磁通量與磁通密度波動量的計算式如下式所示：

從式(1)中可以分析出，磁通量的變化量是由磁通密度變化量和有效照射面積決定，而磁通量變化量與信號強度成正比，即反射信號的強度與目標反射面積成正比，也就是說有效反射面積越大，反射信號越強。磁通密度的波動 ?B是由兩部分組成：一部分來自于磁場強度H，另一部分來自于磁化強度M。磁場強度H只取決于電流，對于金屬目標來說，此處電流指的是渦電流，而磁化強度M取決于物質內部分子的固有磁矩取向的整齊程度。目前，金屬按磁導率的大小可分為鐵磁質、順磁質和抗磁質，其中鐵磁質在外磁場的照射下會產生渦流二次場和磁化場，而其余兩種類型的金屬僅產生渦流二次場。故對于鐵磁質目標，其反射場為渦流二次場與磁化場的矢量和，但由于磁化是需要時間的，而探測過程一般持續時間很短，導致探測目標不能被完全磁化，此時磁化場相較于渦流二次場可忽略，因此本研究只考慮了渦流二次場的情況。

1.2 渦流二次場

在交變或隨時間變化的磁場情況下，當磁場照射在金屬材料上時會產生一種效應—渦流效應[8-9]，如圖1所示。根據法拉第電磁感應定律和楞次定律，如式（2），當穿過金屬材料的 Φ(磁通量)變化時，金屬材料中就會激發出與 Φ變化率反向的感應電動勢。感應電動勢會在金屬內部產生渦電流，進而產生渦流二次場，向外輻射信號。

圖1 金屬體內產生渦電流

1.3 主動磁探測

主動磁探測系統由發射模塊和接收模塊組成，通過持續向發射天線中通入交流電流，以此產生交變磁場。當無金屬目標存在的時候，接收傳感器只接收到發射線圈輻射的磁場，即直耦信號。當有金屬目標存在時，由于金屬目標在交變磁場中產生了渦流二次場，而渦流二次場又向外輻射反射信號，這時接收傳感器接收到的是直耦信號和金屬目標產生的反射信號的矢量和，之前只有直耦信號的狀態被打破，系統就是通過檢測這個磁場狀態的變化來檢測金屬目標的。探測系統框圖如圖2所示，框圖中的參考信號是與直耦信號相關的信號，在信號處理中起作用。

主動磁探測由于是主動發射特定頻率的目標信號進行探測，且反射信號與主動發射的信號頻率一致，所以在信號檢測時，只關心特定頻率點信號強度大小的變化，故本方法屬于頻率域探測。

圖2 探測系統框圖

1.4 發射線圈與接收傳感器的擺放方式

在探測系統中，由于發射天線與接收傳感器的擺放距離較近，導致在接收端會接收到很強的直耦信號，不利于反射信號的檢測。為了降低直耦信號對反射信號的影響，在此提出一種平行配置的擺放方式[10]。假設接收探頭rc、與發射天線tc軸線彼此互相平行，且同時擺放在垂直系統縱軸的某一平面內。如圖3所示，這種擺放方式稱為平行配置。接收端接收軸向分量，根據磁偶極子理論計算可得接收端的軸向分量表達式為：

圖3 平行配置方式

2 檢測算法

在上文中提及通過合理的位置布放，可減弱接收端的直接耦合信號，但這個較小的直接耦合信號相對于目標物的反射信號來說還是比較大的，微弱的反射信號與直耦信號疊加在一起，導致反射信號的信噪比低，不利于檢測。所以在信號后處理中，應采取一定的措施，進一步減弱直耦信號，提高反射信號的檢測信噪比。本文采用自適應對消技術，對信號進行處理，自適應對消如圖4所示。傳感器在采集到有用信號s的同時，也會接收到直達信號n0，兩者混合在一起構成對消系統的原始輸入信號。采集系統的另一通道同步采樣一個與直達信號相關的信號n1，作為系統的參考輸入[11-12]，參考輸入經自適應濾波器后得到輸出y，根據濾波器的輸出y與s+n0的差值不斷調整濾波器的參數，使得y無限接近于n0，通過s+n0-y，即可達到濾除直達信號的目標[13-14]。

圖4 自適應信號對消原理

實際應用自適應對消分為兩階段，自適應對消的學習階段和應用階段。學習階段傳感器輸出只包含直達信號，即沒有目標物存在時的情況，通過引入與直達信號相關的參考信號，進行自適應濾波，根據輸出的誤差值，判斷算法是否收斂，濾波器權值是否滿足要求，當滿足要求后提取出當前的濾波器權值，并固定權值，到此學習階段結束；應用階段就是用學習階段得到的最優濾波器權值對包含有反射信號的傳感器輸出信號進行對消處理，以此達到抵消直達信號的目的。自適應對消實現步驟如圖5所示。

圖5 自適應對消流程圖

3 金屬探測試驗驗證

本次實驗按照前文所述的天線平行配置形式進行實驗，將輻射棒與磁通門傳感器固聯在一塊木板上如圖6所示，整體移動至不同測點進行測量，目標物被埋于地下一定深度，固定不變。數據處理方法按前文所述進行，實驗發射頻率為110 Hz和510 Hz的正弦波信號，探測目標為空心鐵管（直徑250 mm壁厚10 mm），金屬管掩埋深度為0.5 m。試驗所用磁通門選自西安華舜測量設備有限責任公司，型號為 HS-MS-FG-3-LN，靈敏度是10 000 nT/V，帶寬 DC～1 kHz，線性度≤0.01%，時域噪聲≤0.5 nTrms@0.1 s，頻域噪聲不足6 pT。

圖6 移動平臺

實驗方案示意圖如圖7所示，測點每次與輻射棒的位置對齊。

圖7 實驗方案示意圖

由于直耦信號與渦流二次場信號的頻率一致，故先對采集到的信號進行窄帶濾波提取出有用頻率信號。本次試驗數據包含兩個通道，通道一數據為磁傳感器所采集到的數據，通道二為從信號源處引入的參考信號。使用前文所述的檢測方法，自適應學習階段處理結果如圖8所示。

圖8 前 30 s 信號自適應對消過程

由試驗結果可以看到，直耦信號由原來的23 nT減小到不足1 nT。通過提取并確定自適應學習階段所獲得的濾波器權值，對試驗數據進行對消處理。

110 Hz實驗結果如圖9所示，根據實驗記錄的時間可對應出圖中臺階對應的測點位置，發現在0 m和0.5 m測點可明顯探測到目標物的存在，其余測點無法判斷，0.5 m處是傳感器位于目標正上方時的情況。

圖9 110 Hz探測結果時域圖

圖10 510 Hz 探測結果時域圖

510 Hz 實驗結果如圖10 所示，與 110 Hz的情況類似。根據實驗記錄的時間可對應出圖中臺階對應的測點位置，發現在0 m和0.5 m測點可明顯探測到目標物的存在，其余測點無法判斷，0.5 m測點處是傳感器位于目標正上方時的情況。

將鐵管的定點掩埋探測數據歸納整理列表如表1所示。

表1 鐵管掩埋物探測數據

定點測量之后對掩埋目標進行了連續的通過特性測量，通過方式和測量結果如圖11所示，圖中的尖峰就是通過鐵管時鐵管產生的反射信號。

圖11 通過方式和連續通過時域結果

實驗對鐵管進行了定點探測和通過特性測量，定點探測在0 m和0.5 m測點上可明顯探測到目標，連續通過測量也可以從結果中清楚的判斷出有無目標。

4 結束語

針對金屬的渦流效應，本文通過主動產生交變磁場，檢測金屬目標的渦流二次場信號來探測目標。針對探測中反射信號檢測信噪比低的問題，通過合理的天線布局與自適應對消處理的方式，有效的抑制了直接耦合信號的影響，且整個探測過程，只關心特定頻率信號的強弱變化，故探測系統的抗干擾能力強。試驗結果表明該探測方式可以很好地探測到金屬目標物，具有較好的工程應用前景。