一种基于差分接收的电磁感应阵列探头的设计与实现

吴燕民，彭正辉，元勇虎，朱今祥，刘闯，葛薇，凌国平

(中国电波传播研究所，山东 青岛 266107)

0 引言

战争冲突之后为恢复当地生产生活，需要排除、清理大量战后遗留未爆弹药；部队平时的实弹实验、训练和演习也需要即时发现、清理未爆炸的弹药，若不能及时排除，将对人员、车辆等造成极大的威胁。准确发现定位隐匿的未爆弹药是开展进一步排除行动的前提[1-3]。在大面积的未爆弹搜寻工作中，单人便携式探测仪器存在作业速度慢、效率低的不足，能快速探测作业的有人或无人车载系统是解决大面积搜寻的有效途径[4-8]。

针对未爆弹的探测技术研究一直是国际社会研究的热点和难点，通过数十年的技术发展，目前正在使用或发展的未爆弹探测方法主要包括低频电磁感应法、磁法、探地雷达法、超声、核四极矩共振等[9-13]，其中，电磁感应技术是目前世界上最为有效的地下未爆弹药探测技术之一[14-15]，在便携仪器和车载装备中应用十分广泛。车载电磁感应探测系统通常采用多个线圈的阵列式探头，通过提高传感器的单次检测宽度来提高作业效率。阵列式探头的设计是车载电磁感应探测系统的关键技术之一，对提高系统的发射效率、接收信噪比、检测宽度、定位精度和抗干扰能力有重要意义。

本文在介绍一种车载阵列式电磁感应探测系统方案原理的基础上，提出了一种基于差分接收的电磁感应探头的设计方法，同时，通过结合实验数据对差分探头的定位方法进行了介绍,最后给出了部分实验结果，证明了方案阵列探头的有效性。

1 阵列式电磁感应探测系统

电磁感应技术作为传统的未爆弹探测技术手段，主要通过检测未爆弹中包含的金属零部件来实现目标的探测。其工作原理可描述为：用时变电流激励发射线圈，使其在线圈周围空间建立时变磁场，称为一次场，当遇到金属目标时会在目标上感应出涡流，该涡流又在目标周围空间形成交变磁场，即二次场；利用接收线圈接收一次场与二次场的总和场，通过对二次场或总和场变化规律的分析处理，实现对金属目标的探测。

本方案为车载探测系统，用于实现对未爆弹场地的扫描探测。为了兼顾扫描宽度、探测深度及定位精度的需求，方案采用一发多收的工作方式，通过1个大发射线圈和多个平行组阵的接收线圈构成探头阵列，接收线圈均匀排布于发射线圈内部。大的发射线圈可提高发射信号的覆盖范围，从而提高系统扫描效率；多个接收线圈并行工作对目标区域进行探测，当某个线圈接收到异常信号对应通道即进行报警，可辅助探测系统对目标进行精确定位。

如图1所示，阵列式电磁感应探测系统主要由上位机、主机、阵列探头组成，其中主机内置电池。主机是控制处理核心，由主控模块、一路发射通道及六路接收通道构成；阵列探头由1个发射线圈与6个接收线圈组成。

上位机发送启动命令后探测系统开始工作，主控模块产生发射控制信号驱动发射通道产生多时宽双极性脉冲信号激励发射线圈，使其在线圈四周产生交变磁场。发射脉冲时序如图2所示，一个发射周期内含1个正高压脉冲和2个负压脉冲信号，发射频率在1.2～1.3 kHz之间可调，采用双极性脉冲发射方式的优点是为了实现功率平衡，可避免触发一些磁感应引信。

六路接收通道并行工作：首先，在主控模块产生的同一接收选通信号控制下对来自接收线圈的原始回波进行截取，经过一级滤波放大后进入多路模拟开关；主控模块产生的取样信号控制模拟开关对回波信号进行分时取样，并经积分放大电路后形成多路直流电平，再经高分辨率AD采样电路对直流电平进行采样、变换后传输至主控模块进行数据融合处理，同步采样速率为128 Hz；主控模块将处理后的数据打包通过RS485总线传输至上位机进行显示报警，串口波特率设定为115 200。六路接收通道的原理框图如图3所示。

图1 阵列式电磁感应探测系统原理框图Fig.1 Principle block diagram of EMI system

图2 多时宽双极性脉冲发射时序Fig.2 Emission sequence diagram of multi-periods and bipolar pulses

图3 六路接收通道工作原理框图Fig.3 Principle block diagram of six receiving channel

2 基于差分接收的阵列探头设计方法

探头作为传感器是决定系统探测性能的关键，本方案阵列探头采用双D形平衡式差分接收技术与单发多收技术相结合的方法设计。阵列探头由1个发射线圈和多个差分接收线圈组成，发射线圈与接收线圈位于一个平面内,发射线圈呈长腰形位于阵列探头最外缘，单个接收线圈为圆环形在发射线圈内部均匀排列，整体呈x轴和y轴对称结构，如图4所示。

发射线圈采用单根铜质漆包线绕制而成，匝数为6～10匝，直流阻抗为1 000 mΩ±300 mΩ，电感300 μH±60 μH，线圈外表用防水材料包裹，结构形式如图5所示，发射线圈的激励信号由1根同轴电缆接入。发射线圈为多匝数导线形成的闭合回路，主要呈现电感特性，其等效串联直流阻抗和等效串联电感是影响发射性能的重要参数。激励信号Vin通过发射线圈的A+和A-端口加载后，线圈内部的电流从0开始按指数函数增大，其指数函数的时间常数τ=L/R，如果L=300 μH、发射回路等效R=1 Ω，则τ=300 μs；当Vin为+5 V、发射时间为τ时，发射线圈的峰值电流Ip=(Vin/R)×(1-e-t/τ)=3.16 A；实际应用中发射时间取值100 μs时，Ip约为1.4 A。这种低阻抗、结构对称的发射线圈可以有效提高发射效率，实现瞬时大电流激励，一次场场强越强、变化越大,则越利于激发产生涡流效应。

图4 基于差分接收的阵列式电磁感应探头平面结构Fig.4 Planar structure of EMI array sensor

图5 发射线圈结构示意Fig.5 Structure diagram of transmitting coil

多个接收线圈的物理和电气参数完全相同。单个接收线圈由多层PCB板加工而成，PCB板内部线圈由单条覆铜线按双D形对称结构、正反向有序排布而成，匝数为40～60匝，直流阻抗为13 mΩ±4 mΩ，电感为1.2 mH±0.4 mH，其结构形式如图6所示；每个接收线圈的信号由单独的同轴电缆输出。由于接收线圈为双D形平衡式差分结构，接收线圈的双D线圈(D+、D-)以x轴对称，如图4所示，如果探测的前进方向为y轴方向，当探头经过金属物体时，由于接收线圈D+、D-的参数相同、绕制方向相反，二次场在D+和D-形成了极性相反的接收信号；当物体经过探头时，由于相对位置的变化导致了D+和D-信号幅值变化，最终接收线圈输出具有正向、零点、负向连续变化的接收信号，信号变化的过零点就是金属物体位于接收线圈x轴方向上的中心位置。

图6 双D形平衡式差分接收线圈结构示意Fig.6 Structure diagram of double-D receiving coil

3 基于差分接收的阵列探头探测定位方法

如前文所述，本方案的接收线圈采用平衡式差分方式设计，每个探头由2个差动连接的对称接收线圈组成，感应电磁场在2个线圈中生成反相、同频、等幅值的电势，一般情况下能够相互抵消，对于共模信号有着天然的抑制能力，因此具有较强的土壤适应性和抗干扰能力。当金属目标进入探测范围内，接收线圈的平衡被打破，在2个线圈之间产生一个差值，通过算法处理，可实现目标的检测。

假定阵列探头探测方向为y方向，如图4所示，通过差分接收线圈过金属目标时接收信号的过零点位置可判断目标y方向的精确位置；而目标x(横向)方向位置的判别则需要相邻接收通道的协同分析进行判别。

目标x方向定位算法处理流程可如图7所示:通过预处理对信号中的干扰项进行滤波，在实时探测过程中算法将自动学习背景，更新其特征;然后根据背景特征及设定参数滤除背景，并提取出目标的主要特征成分;最后通过各通道比对，确定目标所在主要区域，再通过多通道协同分析，对目标进行精确的通道定位。

图7 算法流程Fig.7 Algorithm flow chart

图8给出了六通道阵列探头经过典型金属目标时所接收到的目标反应实验数据曲线，图中纵轴为反应电势差。该数据中，目标放置于第三通道所在路径，探头完全经过目标后，再次后退经过目标。由图8可以看出，有多个通道都对目标产生了反应，较远的通道反应较弱，而在主要经过的通道中反应最强。

图8 阵列传感器对金属目标的反应曲线Fig.8 Response curve of array sensor detecting metal target

首先，分析探测场地背景数据，计算背景数据的均值、方差等特征信息，可以得出在该土壤背景条件下各个通道的阈值信息，通过设定合理的阈值能够有效地滤除小目标。分析探测目标数据发现，探测线圈阵列经过目标时得到的反应曲线是具有双峰值的，通过这一特征能够进一步剔除一些其他干扰，最终得到了仅满足阈值条件且具有双峰值的目标特征曲线，如图9所示。经过处理后可以从图中发现，仍有少数虚警存在。

图9 主特征提取Fig.9 Principal feature extraction

对比、分析相邻通道的特征曲线发现，若相邻通道反应时间点相近，则该特征为同一目标所引起的反应，可判定为一个目标，若反应时间点较远，则该特征为不同目标所引起的反应，可判定为2个目标；特征值较小的通道为虚警，特征值较大的通道就是目标所在的主要区域。如图10所示，检测出目标放置于第三通道的路径中，而其他通道则没有反应值，均为背景。

4 实验结果

为了验证本探测系统的性能及阵列探头定位的准确性，在野外粘土场地开辟4 m×10 m面积的模拟雷场，通过警戒线将雷场分成两个2 m×10 m的探测通道，并在每个通道中随机埋设5枚72式金属反坦克地雷教练雷(图11)作为探测目标，地雷埋设深度10～20 cm，雷场布置如图12所示。

图10 主要区域识别Fig.10 Major area identification

图11 72式金属反坦克地雷Fig.11 Type 72 AT Mine

图12 雷场布置图Fig.12 Minefield layout

将阵列探头安装于无人车载平台，通过遥控平台使探头阵列沿探测通道进行扫描探测，当探测到目标时，系统自动报警，并实时显示对应的报警通道，辅助探测系统对探测到的目标进行精确定位。探测系统报警指示界面通过灰度图方式显示报警信息，可同时显示阵列探头6个接收通道的探测状态，当某通道出现金属目标时，该通道会出现一个椭圆形亮斑，亮斑颜色的深浅代表当前接收通道接收能量的强弱，在探测高度保持一定的情况下，通过分析接收能量的强弱可反演出当前探测目标埋设的深浅。实验结果表明探测系统顺利地在模拟雷场实验中实现了对10个预埋目标的探测和定位。

5 结论及讨论

本文所介绍的基于差分接收的电磁感应阵列探头采用了双D形平衡式差分接收技术与单发多收技术相结合的设计思路，解决了以往阵列式电磁感应探头土壤适应性差、定位精度低和抗干扰能力弱的问题。将该探测系统在模拟雷场中进行了探测实验，并取得了理想的探测结果，证明了本方案设计的有效性。本文介绍的方案为车载或无人平台电磁感应探测系统的设计提供了一种新的选择，在军事和民用的地下目标探测领域具有广阔的应用前景。