激光自混合测振技术在声共振探雷实验中的应用

王 驰，马 辉，李金辉，张小青，栾信群，方 东*

（1.上海大学 精密机械工程系，上海200444；2.近地面探测技术重点实验室，江苏 无锡214035）

1 引言

由于雷区环境复杂且地雷种类多样，埋设地雷的安全有效探测一直是世界性难题。基于地雷声振特性和声-地震耦合原理的声波共振探雷技术是一种极具潜力的探测方法。当声波从空气中传播入射到土壤时，大部分能量被反射回空中，还有一小部分能量通过动量作用及空气与土壤粒子的黏滞摩擦作用，以地震波的形式耦合到土壤中，并引起地表的振动，这种现象称为声-地震耦合［1-2］。此外，地雷作为一个弹性腔体结构，其声顺性远大于埋藏土壤和石块、树根、金属弹片等杂物，在声波耦合的地震波能量作用下会发生谐振作用，致使地表振动产生独特的变化。利用高灵敏度的振动传感器检测地表振动的变化情况，可以判断地雷的存在性。然而，声-地震耦合的效率很低，声波耦合的地表振动即使在地雷发生谐振的作用下仍然很微弱，加上环境噪声的影响，如何精确检测微弱的地表振动特征信号，一直是声波共振探雷技术研究的关键问题。

在声波共振探雷技术研究中，对于地表微弱振动信号的检测使用了不同类型的传感器，包括接触式传感器和非接触式传感器。接触式传感器主要包括地震检波器和加速度计［3-4］，它们结构简单、成本较低，在声共振探雷模型验证的实验室研究阶段用于检测地表微弱振动信号，并取得了较好的效果，但不适用于工程探雷系统。非接触式传感器主要包括激光多普勒振动计［5-7］、雷达振动计［8-9］和超声振动计［10-11］等，它们虽然各有特点，但因在可靠性、快速性和便携性等方面的局限，无法较好地胜任微弱复杂地表振动信号的检测工作。

近年来，研究人员关注到激光自混合干涉测振技术在声波耦合的地表振动检测中的应用潜力。激光自混合干涉测振技术是指来自激光器输出的激光束投射到振动目标表面，经目标反射或散射后，有一部分携带目标振动信息的反射光或散射光反馈回腔内与腔内光相互干涉，从而调制激光器的输出功率和频率，通过分析封装在激光器中的光电探测器检测到的输出光功率变化，即可得到目标物体的振动信息［12］。实验研究表明，激光自混合测振技术可以实现复杂粗糙表面振动的精确快速测量，测量精度可达纳米量级［13-14］。与现有的非接触式地表振动检测技术相比，激光自混合测振技术具有稳定性好、光路简单和测量精度高等优点。因光路简单，激光自混合测振仪器占用体积小、质量轻、便于携带［13-15］。目前，该技术已逐渐应用于工业生产、生物医学等领域，如微机电系统（MEMS）的动态测量［16］、机械设备的故障诊断［17-18］、生物振动信号（人体皮肤的振动，耳鼓的振动等）的检测［19-20］等，并取得了良好的检测效果。

本文将激光自混合干涉测振技术应用于声共振探雷实验研究中，根据地雷固有频率所在的频段，利用高功率音箱采用正弦扫频的激励方式激励地表产生微弱振动，利用激光自混合测振技术进行微弱复杂地表振动信号的高精度非接触式检测。对不同类型埋设地雷与砖块作为干扰物进行对比实验，验证利用激光自混合测振技术进行声共振探雷技术研究的可行性；同时，通过改变69式防坦克塑壳地雷的埋藏深度以及其上方覆土土壤的湿度和孔隙度，研究了地雷在不同埋藏条件下的声振特性。

2 激光自混合干涉测振原理

激光自混合干涉测振原理可利用三镜腔模型进行分析，三镜腔模型如图1所示。反射镜A，B构成了激光器的内腔，反射镜B和反射体（待测目标，如地雷或地表）M构成了激光器的外腔。l和L分别表示激光器的内腔长度和外腔长度。

图1 三镜腔模型示意图Fig.1 Schematic diagram of three-mirror cavity model

忽略外腔的多次反射，光反馈存在时可得自混合干涉系统的频率方程和功率方程式分别为［21］：

式中：ν0为无光反馈时激光器的光频率；νF为有光反馈时激光器的光频率；τL=2L/c（c为真空中的光速），表示光在外腔往返一周的时间；C为光反馈强度系数，表示激光自混合干涉系统中外部光反馈量的强弱；α为激光器线宽展宽因子；P0为无光反馈时激光器的初始光功率；P为有光反馈时激光器的输出光功率；m为调制系数，可视为常数。

由式（1）和式（2）可知，激光器输出功率P和光频率νF均与外腔长度L相关。随着目标物体的振动，即外腔长度L的改变，激光器的输出光功率P相应改变。通过分析光电探测器检测到的输出光功率的变化，即可得到目标物体M的振动信息。激光器的外腔反射体每移动半个波长，即ΔL=λ0/2（λ0为激光器初始的输出波长）时，激光器输出光功率信号就产生一个干涉条纹，即一个周期的自混合信号。

假设目标物体做简谐振动，振动信号随时间变化的规律为：

其中：L0是外腔的初始长度，即反射镜B到目标的距离；A和f分别是目标物体的振幅和振动频率，t是时间变量。则有：

将式（4）带入式（2）可得：

根据式（1）和式（5），可得到不同振幅和频率下的简谐振动对应的模拟自混合信号波形。仿真条件如下：激光器的初始输出波长λ0为1.31 μm，初始外腔长度L0为5 cm，光反馈强度系数C为0.5，线宽展宽因子α为4，可得如图2所示的自混合仿真信号。图2（a）～2（c）分别对应反射体3种简谐振动：A1=λ0，f1=100 Hz；A2=2λ0，f2=100 Hz；A3=2λ0，f3=200 Hz。比较图2（a）和图2（b）可以看出，图2（b）对应的自混合信号条数为图2（a）的两倍，由于自混合信号一个周期对应着反射体λ0/2的位移，故随着反射体振动峰值的增加，自混合信号条纹数量也成倍增加。比较图2（b）和图2（c）可以看出，图2（c）对应的自混合信号条数为图2（b）的两倍，自混合信号的一个周期与反射体振动的一个周期完全对应，随着反射体振动频率的增加，自混合信号的频率也成比例增加。

图2 模拟振动信号及相应的自混合仿真信号Fig.2 Simulated vibration signals and corresponding selfmixing signals

3 地雷声振特性检测

基于上述激光自混合干涉测振原理，本课题组采用模态分析法研究了地雷的声振特性［22］。利用高效可靠的脉冲锤（力锤）激振方式，对地雷外壳上标记的点进行激励。采集各点的激振信号及振动响应信号，根据激励信号与响应信号的关系，采用参数识别法获取地雷的模态参数（包括固有频率和模态振型）。如图3所示，地雷模态特性测量实验系统包括力锤、数据采集系统、激光自混合测振仪、模态分析仪、计算机和实验对象（地雷）。力锤敲击待测目标产生力信号，激光自混合测振仪检测待测点的振动响应信号。激光自混合测振仪与数据采集系统和模态分析仪相连，将检测到的振动信号经模态分析仪和数据采集系统输入到计算机，最后通过专业模态分析软件进行进一步处理和显示。

图3 地雷模态特性测量实验系统Fig.3 Experimental system for landmine modal charac⁃teristics measurement

图4为模态实验的实验对象和分析模型，模态特性检测实验方案中实验对象为塑料外壳的69式防坦克地雷（以下简称塑壳地雷）。在塑壳地雷的表面标记敲击力点，根据塑壳地雷的自身结构，在塑壳地雷上标记127个待测点，对这些标记点进行编号，将地雷底部用泡沫胶粘在刚性平台上。利用力锤依次敲击地雷模型表面所标记的各点，产生冲击力信号，激光自混合测振仪对准地雷中心点检测振动响应信号，经过模态分析仪和模态分析软件进行数据处理及分析，得到激励点和中心点之间的振动响应传递函数以及地雷壳体的模态振型。

图4 69式防坦克地雷及其模态分析模型Fig.4 Type 69 anti-tank landmine and its modal analysis model

图5为塑壳地雷固有频率和模态振型的测量结果。由图5可知，塑壳地雷第一次振幅最大值在112 Hz附近，对应于塑壳地雷的第一阶固有频率和一阶模态振型，故其一阶固有频率为112 Hz，振幅为-73 dB。塑壳地雷的二阶模态出现在频率232 Hz处，对应二阶固有频率，此时振幅为-84 dB。三阶模态出现在频率723 Hz处，对应三阶固有频率，振幅为-96 dB。塑壳地雷是弹性腔体结构，其机械形状是规律的几何图形，因此地雷所激发的模态振型呈现规律的几何图形，振型的变化也是规律的几何变化。从而证实激光自混合测振仪能够准确有效地检测地雷外壳的振动响应信号，从而实现模态特性的测量。

图5 69式防坦克塑壳地雷的模态测量结果Fig.5 Modal vibration characteristics of type 69 anti-tank plastic landmine

用同样的方法可测量72式防坦克金属地雷、58式防步兵橡胶地雷和一砖块的模态参数。根据文献［22］的实验结果，地雷和砖块的一阶和二阶固有频率如表1所示，由实验结果可看出地雷的不同阶模态振型具有明显的特征，不同类型地雷的各阶振型特征不同，尤其塑壳地雷表现出更强烈的振动特征。地雷上壳的弹性板壳结构所呈现的模态振型迥异于砖块，这是由于砖块作为不规则物体，其阻尼特性比壳体地雷大了很多，因此砖块所激发的模态振型没有明显规律，并且砖块的高阶模态振型难以激发。3种类型地雷的前两阶共振频率均处于低频段（低于500 Hz），为声波激励地表振动信号频段的选择提供了参考。

表1 地雷和砖块的前两阶共振频率Tab.1 The first-and second-order natural frequencies of landmines and brick （Hz）

4 实验

4.1 实验系统的构建

基于激光自混合测振技术和地雷的声振特性，本文设计并搭建了地雷在埋设情况下的探测实验系统。如图6所示，该探雷系统包括声波发射部分和地表振动信号检测部分。声波发射部分是由信号发生器、调音台、功率放大器和音箱组成。地表振动信号检测部分由激光自混合测振仪（包括激光头和控制单元）、数据采集卡以及计算机组成。音箱发出声波激励地表的同时，激光自混合测振仪检测土壤表面的振动信号，通过数据采集卡传输到计算机进一步进行处理。其中，激光自混合测振仪采用Julight公司生产的单点式VSM 1000-L-EXT产品，其相关性能参数如表2所示。

图6 基于激光自混合测振的声共振探雷实验系统Fig.6 Experimental system of acoustic resonance land⁃mine detection based on laser self-mixing vibration measurement

表2 VSM 1000-L-EXT型激光自混合测振仪的性能参数Tab.2 Performance of VSM 1000L-EXT laser self-mix⁃ing vibrometer

4.2 实验方案

实验场地为100 cm（长）×90 cm（宽）×40 cm（深）的凹坑，实验土壤为普通沙土。如图7所示，将69式防坦克塑壳地雷（直径约为27 cm），72式防坦克金属地雷（直径约为30 cm），58式防步兵橡胶地雷（直径约为12 cm）和砖块（长23 cm、宽12 cm）布置在沙坑里，彼此保持一定距离，埋深设为2 cm。将沙坑表面制作成许多4 cm×4 cm的矩形网格，并用横坐标和纵坐标对所有点进行标定，利用激光自混合测振仪依次检测网格中的所有点。在实验过程中，音箱的发声口对准埋设有地雷及砖块等检测目标的沙坑，为了避免音箱遮挡激光自混合测振仪输出的检测激光束，将音箱倾斜30°左右，发声口距沙坑表面中心点约0.7 m。激光自混合测振仪装在装有减震装置的三角支架上，激光出射口正对沙坑，距离沙坑表面约0.8 m。

图7 实验土壤区域埋藏物的种类及分布Fig.7 Distribution of buried objectsin experimental bunker

现有的实验研究表明，声波激励的地表振动信号能量随信号频率的增加而显著衰减，当频率大于400 Hz时，检测到的地表振动信号几乎被环境噪声淹没［23］。同时，参考已测得的3种类型地雷的前两阶固有频率所在的频段，本文选择60～400 Hz的扫频范围，在60 Hz的基础上每增加1 Hz进行扫频检测。由信号发生器产生60～400 Hz的扫频信号，经调音台和功率放大器后由音箱发出声波，利用声压计测得声波大小在95～115 d B之间。利用激光自混合测振仪逐点检测各测点的振动信号，并将信号传输到计算机中经滤波后进行快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）处理，得到各测点处的地表振动信号的幅频特性曲线。

根据声波共振探雷的基本原理，在由低频到高频扫描的声波激励下，“土壤-地雷”系统会产生复杂的共振和反共振现象，致使地表振动状态呈现异常而独特的变化［1-2］。为了表现地雷上方地表振动的异常，定义“振动强度”这个体现地雷声学振动特征的物理量，其含义如下：利用声波扫频法测得地表某位置的幅频特性曲线，再对幅频特性曲线进行扫频范围内的幅值求和，求和后再取平均值，得到待测地表位置的“振动强度”，其表达式为：

式中：f0，fN分别表示扫描声波的起止频率和终止频率，A（fs）表示激励频率为fs的地表振动幅值。将测量区域用二维的X，Y坐标表示，所有测量点的“振动强度”作为Z轴，便可得到地表振动强度关于测量位置的三维图，进而直观地分析地雷的埋设信息及其声学振动特性。

4.3 实验结果分析与讨论

图8所示为实验得到的埋设深度为2 cm时各埋藏物中心点上方地表振动信号的幅频特性曲线。可以看出，埋藏地雷时地表振动幅值明显大于无埋藏物和埋藏砖块时的地表振动幅值。这是因为地雷的弹性腔体结构使其声顺性较大，在受声波激励时，“土壤-地雷”系统能产生强于刚性干扰物（例如砖块）和土壤背景的振动响应。其次，各地雷中心点上方的振动幅频特性曲线都呈现出一个明显的峰值，对应各地雷与其上方覆土所构成的“土壤-地雷”系统的共振频率，当扫频信号的频率接近或等于系统的共振频率时，会激发系统产生共振。此时地雷上方地表振幅最大，与无地雷处和干扰物上方的地表振幅对比最明显，最有利于识别埋设地雷。

图8 各埋藏物中心点上方地表振动幅频特性曲线Fig.8 Amplitude-frequency characteristic curves of bur⁃ied objects

根据式（6）计算网格中每个点的表面振动强度M xy，从而得到测量区域处表面振动的三维及二维成像图，如图9所示。可以看出，埋设地雷处三维成像图中有明显的凸起，二维成像图中光斑大小明显，从而证明了基于激光自混合干涉测振的声-光探雷技术的可行性。

图9 埋设深度为2 cm时的地雷成像图Fig.9 Images of landmines buried in depth of 2 cm

5 不同埋设条件下的地雷探测实验及分析

将69式防坦克塑壳地雷埋藏于沙坑中心，同样将其埋藏区域制作成多个4 cm×4 cm的矩形网格，并用横坐标和纵坐标对所有点进行标定，利用激光自混合测振仪依次检测网格中的所有测点。利用上述探测埋设地雷的实验方法进行实验。通过改变69式防坦克塑壳地雷的埋藏深度以及其上方覆土土壤的湿度和孔隙度等，研究地雷在不同土壤条件下的声振特性。

5.1 埋设深度不同

图10（a）所示为69式防坦克塑壳地雷在埋设深度分别为2，3，6和9 cm时其中心点上方地表振动的幅频特性曲线。可以看出，随着埋藏深度的增大，“土壤-地雷”系统的振幅和共振频率都在逐渐减小，但其共振频率随着埋深的增加趋于稳定。为了进一步验证埋藏深度对“土壤-地雷”系统振幅的影响，计算网格中每个点的表面振动强度M xy，从而得到69式防坦克塑壳地雷埋藏深度在3，6和9 cm测量区域处表面振动强度的三维图，分别如图10（b）～10（d）所示。塑壳地雷在3，6和9 cm埋深下土壤表面的最大振动强度分别为1.75，0.95和0.57μm，在埋深为2 cm所测得的最大振动强度为2.13μm，可以看出随着埋深的增加地表振动强度逐渐减小。

图10 不同埋深下幅频特性曲线及振动强度三维图Fig.10 Amplitude-frequency characteristic curves and 3D graphs of vibration intensity under different buried depths

5.2 土壤湿度不同

将上述实验所采用的干燥沙土的含水量设为0%，将加入的水采用重量法计算土壤含水量，其表达式定义为：

其中：W代表土壤的含水量，Mwater表示所加入水的质量，Msoil表示现有沙土的质量。

将塑壳地雷埋深设为3 cm，对相同深度但含水量不同的沙层重复实验，实验中水分均匀分布于各层。测得含水量分别为0%，3%，8%和14%时地雷中心点上方地表振动的幅频特性曲线及网格扫描区域的振动强度三维图，如图11所示。由图11（a）可以看出，随着土壤湿度的增加（含水量的增加），“土壤-地雷”系统的共振频率逐渐增加，尤其在含水量相对小的情况下出现较大增幅，而在含水量较高的情况下变化不大。由图10（b）和图11（b）～（d）可知，含水量分别为0%，3%，8%和14%所对应的土壤表面的最大振动强度分别为1.75，1.35，1.26和1.12μm。可以看出，随着湿度的增加地表振动强度略有减小，土壤湿度的变化对“土壤-地雷”谐振系统中地表振动强度没有明显的影响。

图11 不同湿度下幅频特性曲线及振动强度三维图Fig.11 Amplitude-frequency characteristic curves and 3D graphs of vibration intensity with different soil moistures

5.3 土壤孔隙度不同

在保证声源、土壤湿度等条件相同的情况下，将埋深为6 cm的塑壳地雷上方土壤进行3次压缩，随着压缩次数的增加，土壤的孔隙度逐渐降低。测得的塑壳地雷中心点上方地表振动的幅频特性曲线和网格区域范围内的振动强度三维图，如图12所示。由图12（a）可以看出，随着孔隙度的减小，“土壤-地雷”系统的共振频率略有增加，但其振幅显著减小。由图10（c）和图12（b）～（d）可知，塑壳地雷上方土壤在无压缩、第一次压缩、第二次压缩和第三次压缩情况下所测得的最大振动强度分别为0.95，0.76，0.55和0.38μm。可以看出，随着孔隙度的减小，地表振动强度显著减小。

图12 不同孔隙度下幅频特性曲线及振动强度三维图Fig.12 Amplitude-frequency characteristic curves and 3D graphs of vibration intensity under different soil porosities

6 结论

本文在论述激光自混合测振技术原理的基础上，描述了地雷模态特性的检测方法及系统，对3种类型地雷和一砖块在空气中的模态特性测量结果进行了分析。设计并搭建了基于激光自混合测振的非接触式埋设地雷探测实验系统，对不同类型埋设地雷与砖块作为干扰物进行对比实验，并通过改变地雷的埋藏深度以及其上方覆土土壤的湿度和孔隙度，研究地雷在不同土壤条件下的声振特性。实验结果表明：地雷作为弹性腔体结构，其上壳的弹性板壳结构所呈现的模态振型和固有频率与砖块有显著差异；基于声-地震耦合原理，利用激光自混合测振技术可进行埋设地雷的非接触式探测；不同类型地雷因其力学性能不同，对声波激发的地表振动强度和共振频率不同；随着地雷埋藏深度的增加，声波激发的地雷上方地表振动强度逐渐减小，“土壤-地雷”系统的共振频率逐渐减小；土壤湿度的增加会导致“土壤-地雷”系统的共振频率增加，地雷上方地表振动强度略有降低；随着土壤孔隙度的降低，地雷上方地表振动强度显著减小，“土壤-地雷”系统的共振频率略有增加。