金属掩埋物的主动磁探测方法

鲁伟俊，李 斌

(1.中国工程物理研究院计量测试中心，四川 绵阳 621000;2.西北工业大学航海学院，陕西 西安 710072)

0 引 言

金属掩埋物的探测与识别对于人类认识和开发未知领域有着很大帮助。该技术已被应用于很多领域，如地下管道探测、海底掩埋物打捞、未爆弹药探测[1-2]等。

目前对于金属目标探测识别有许多方案，如声信号法、红外测量法、磁偏角测量法等，但这些方法不同程度上均受到一定因素的约束，如声信号法容易被外界噪声影响，红外测量法对太阳光线敏感。后来许多学者开始使用磁场检测技术探测金属掩埋物，其原理是通过磁传感器检测在地磁场背景下，有无金属目标时地磁场的变化来检测目标的，即磁异常检测[3-4]，属于被动测量法。关于该方法的研究，国内外学者已经开展了许多工作，中国计量学院的闻育等[5]研制了基于磁偏角的金属检测系统；Soner Meta等[6]设计的单回路线圈检测系统，对于金属目标物的检测也具有很高的检测概率。但是，由于上述方法是基于地磁背景下进行的设计，都没有很好地解决由地磁变化引起的基线漂移问题[7]，进而会引入探测误差。而主动磁探测方法是通过系统本身向外辐射已知磁信号，通过检测反射信号来判定目标物的方式，并未引入地磁场，故不存在基线漂移问题。

1 主动磁探测原理

1.1 金属对交变磁场的响应

由物理学知识可知，磁通量与磁通密度波动量的计算式如下式所示：

从式(1)中可以分析出，磁通量的变化量是由磁通密度变化量和有效照射面积决定，而磁通量变化量与信号强度成正比，即反射信号的强度与目标反射面积成正比，也就是说有效反射面积越大，反射信号越强。磁通密度的波动 ∆B是由两部分组成：一部分来自于磁场强度H，另一部分来自于磁化强度M。磁场强度H只取决于电流，对于金属目标来说，此处电流指的是涡电流，而磁化强度M取决于物质内部分子的固有磁矩取向的整齐程度。目前，金属按磁导率的大小可分为铁磁质、顺磁质和抗磁质，其中铁磁质在外磁场的照射下会产生涡流二次场和磁化场，而其余两种类型的金属仅产生涡流二次场。故对于铁磁质目标，其反射场为涡流二次场与磁化场的矢量和，但由于磁化是需要时间的，而探测过程一般持续时间很短，导致探测目标不能被完全磁化，此时磁化场相较于涡流二次场可忽略，因此本研究只考虑了涡流二次场的情况。

1.2 涡流二次场

在交变或随时间变化的磁场情况下，当磁场照射在金属材料上时会产生一种效应—涡流效应[8-9]，如图1所示。根据法拉第电磁感应定律和楞次定律，如式（2），当穿过金属材料的 Φ(磁通量)变化时，金属材料中就会激发出与 Φ变化率反向的感应电动势。感应电动势会在金属内部产生涡电流，进而产生涡流二次场，向外辐射信号。

图1 金属体内产生涡电流

1.3 主动磁探测

主动磁探测系统由发射模块和接收模块组成，通过持续向发射天线中通入交流电流，以此产生交变磁场。当无金属目标存在的时候，接收传感器只接收到发射线圈辐射的磁场，即直耦信号。当有金属目标存在时，由于金属目标在交变磁场中产生了涡流二次场，而涡流二次场又向外辐射反射信号，这时接收传感器接收到的是直耦信号和金属目标产生的反射信号的矢量和，之前只有直耦信号的状态被打破，系统就是通过检测这个磁场状态的变化来检测金属目标的。探测系统框图如图2所示，框图中的参考信号是与直耦信号相关的信号，在信号处理中起作用。

主动磁探测由于是主动发射特定频率的目标信号进行探测，且反射信号与主动发射的信号频率一致，所以在信号检测时，只关心特定频率点信号强度大小的变化，故本方法属于频率域探测。

图2 探测系统框图

1.4 发射线圈与接收传感器的摆放方式

在探测系统中，由于发射天线与接收传感器的摆放距离较近，导致在接收端会接收到很强的直耦信号，不利于反射信号的检测。为了降低直耦信号对反射信号的影响，在此提出一种平行配置的摆放方式[10]。假设接收探头rc、与发射天线tc轴线彼此互相平行，且同时摆放在垂直系统纵轴的某一平面內。如图3所示，这种摆放方式称为平行配置。接收端接收轴向分量，根据磁偶极子理论计算可得接收端的轴向分量表达式为：

图3 平行配置方式

2 检测算法

在上文中提及通过合理的位置布放，可减弱接收端的直接耦合信号，但这个较小的直接耦合信号相对于目标物的反射信号来说还是比较大的，微弱的反射信号与直耦信号叠加在一起，导致反射信号的信噪比低，不利于检测。所以在信号后处理中，应采取一定的措施，进一步减弱直耦信号，提高反射信号的检测信噪比。本文采用自适应对消技术，对信号进行处理，自适应对消如图4所示。传感器在采集到有用信号s的同时，也会接收到直达信号n0，两者混合在一起构成对消系统的原始输入信号。采集系统的另一通道同步采样一个与直达信号相关的信号n1，作为系统的参考输入[11-12]，参考输入经自适应滤波器后得到输出y，根据滤波器的输出y与s+n0的差值不断调整滤波器的参数，使得y无限接近于n0，通过s+n0-y，即可达到滤除直达信号的目标[13-14]。

图4 自适应信号对消原理

实际应用自适应对消分为两阶段，自适应对消的学习阶段和应用阶段。学习阶段传感器输出只包含直达信号，即没有目标物存在时的情况，通过引入与直达信号相关的参考信号，进行自适应滤波，根据输出的误差值，判断算法是否收敛，滤波器权值是否满足要求，当满足要求后提取出当前的滤波器权值，并固定权值，到此学习阶段结束；应用阶段就是用学习阶段得到的最优滤波器权值对包含有反射信号的传感器输出信号进行对消处理，以此达到抵消直达信号的目的。自适应对消实现步骤如图5所示。

图5 自适应对消流程图

3 金属探测试验验证

本次实验按照前文所述的天线平行配置形式进行实验，将辐射棒与磁通门传感器固联在一块木板上如图6所示，整体移动至不同测点进行测量，目标物被埋于地下一定深度，固定不变。数据处理方法按前文所述进行，实验发射频率为110 Hz和510 Hz的正弦波信号，探测目标为空心铁管（直径250 mm壁厚10 mm），金属管掩埋深度为0.5 m。试验所用磁通门选自西安华舜测量设备有限责任公司，型号为 HS-MS-FG-3-LN，灵敏度是10 000 nT/V，带宽 DC～1 kHz，线性度≤0.01%，时域噪声≤0.5 nTrms@0.1 s，频域噪声不足6 pT。

图6 移动平台

实验方案示意图如图7所示，测点每次与辐射棒的位置对齐。

图7 实验方案示意图

由于直耦信号与涡流二次场信号的频率一致，故先对采集到的信号进行窄带滤波提取出有用频率信号。本次试验数据包含两个通道，通道一数据为磁传感器所采集到的数据，通道二为从信号源处引入的参考信号。使用前文所述的检测方法，自适应学习阶段处理结果如图8所示。

图8 前 30 s 信号自适应对消过程

由试验结果可以看到，直耦信号由原来的23 nT减小到不足1 nT。通过提取并确定自适应学习阶段所获得的滤波器权值，对试验数据进行对消处理。

110 Hz实验结果如图9所示，根据实验记录的时间可对应出图中台阶对应的测点位置，发现在0 m和0.5 m测点可明显探测到目标物的存在，其余测点无法判断，0.5 m处是传感器位于目标正上方时的情况。

图9 110 Hz探测结果时域图

图10 510 Hz 探测结果时域图

510 Hz 实验结果如图10 所示，与 110 Hz的情况类似。根据实验记录的时间可对应出图中台阶对应的测点位置，发现在0 m和0.5 m测点可明显探测到目标物的存在，其余测点无法判断，0.5 m测点处是传感器位于目标正上方时的情况。

将铁管的定点掩埋探测数据归纳整理列表如表1所示。

表1 铁管掩埋物探测数据

定点测量之后对掩埋目标进行了连续的通过特性测量，通过方式和测量结果如图11所示，图中的尖峰就是通过铁管时铁管产生的反射信号。

图11 通过方式和连续通过时域结果

实验对铁管进行了定点探测和通过特性测量，定点探测在0 m和0.5 m测点上可明显探测到目标，连续通过测量也可以从结果中清楚的判断出有无目标。

4 结束语

针对金属的涡流效应，本文通过主动产生交变磁场，检测金属目标的涡流二次场信号来探测目标。针对探测中反射信号检测信噪比低的问题，通过合理的天线布局与自适应对消处理的方式，有效的抑制了直接耦合信号的影响，且整个探测过程，只关心特定频率信号的强弱变化，故探测系统的抗干扰能力强。试验结果表明该探测方式可以很好地探测到金属目标物，具有较好的工程应用前景。