劉 闖， 吳燕民， 朱今祥， 葛 薇， 元勇虎， 王成浩， 彭正輝

(中國電波傳播研究所， 青島 266107)

地雷是一種歷史悠久的兵器，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中仍然充當著不可或缺的角色，目前世界上殘存的地雷約1億枚以上。自2015年以來，地雷造成的傷亡事件急劇上升，并且一直居高不下，僅2017年，全球53個國家和地區(qū)至少有七千起傷亡事件和地雷相關，其中有87%的受害者為平民[1]。地雷給人民的生命安全帶來了巨大的威脅，如何快速、高效、安全地探測地雷成為各國研究的熱點問題。

目前地雷探測技術主要有低頻電磁感應[2-5]、探地雷達、超聲[6]、磁法、紅外成像、核四極矩共振及中子探測技術等，這些探測技術基本原理都是根據(jù)地雷結(jié)構中某一部分材料與周圍介質(zhì)的物理特性差異進行探測，然而由于實際的探測環(huán)境復雜多變，存在各種干擾物，導致每種探測技術都存在一定的局限性，從而在探測過程中會產(chǎn)生虛警。例如低頻電磁感應技術，主要以探測地雷中的金屬部件來實現(xiàn)對目標的探測，當遇到彈殼、鐵釘?shù)葲]有危險的金屬目標時會對探測造成干擾，產(chǎn)生虛警信號。其他技術亦有類似的局限性，產(chǎn)生較高虛警。各種技術單獨使用時均存在難以克服的原理性虛警問題，但是各種探測技術的干擾性質(zhì)互不相同，所以，將多種技術融合在一起解決單一探測原理引起的虛警問題成為當今地雷探測領域研究的熱點。

國外較早開展對復合探測技術的研究并形成了一些成熟的復合探雷器產(chǎn)品。例如，德國Vallon公司的VMR3、美國的Cyterra公司的AN/PSS-14及俄羅斯GEOTECH公司的PPO-2等[7]；國內(nèi)開展相關研究起步較晚，目前僅有一款定型的復合探雷器裝備，由中國電子科技集團公司第二十二所研制，該探雷器定型較早，與目前世界上最先進的探雷器性能還有差距。因此，開展新型復合探雷器的研究具有重大意義。現(xiàn)在電磁感應(electromagnetic induction, EMI)和探地雷達技術(ground-penetrating radar, GPR)原理基礎上，創(chuàng)造性地將兩種技術融合工作，提出一套基于兩種技術復合的地雷探測系統(tǒng)，研究該系統(tǒng)的設計方案、工作原理、融合處理方法，并開展實驗驗證。

1 EMI和GPR原理

1.1 EMI原理

基于EMI原理的金屬探測器(metal detector, MD)工作原理可如圖1所示，發(fā)射電路產(chǎn)生交變電流驅(qū)動發(fā)射線圈，使其產(chǎn)生向周圍輻射的磁場，當附近存在金屬目標時，該磁場會在目標上感應出渦流，同時該渦流亦會產(chǎn)生反作用于發(fā)射磁場的二次場， 使原磁場發(fā)生變化并作用于檢測線圈，在檢測線圈上產(chǎn)生相關的感應信號，通過信號處理單元對該信號進行處理并報警，從而實現(xiàn)對金屬目標的檢測[8-10]。

圖1 基于EMI原理的金屬探測器工作原理

1.2 GPR原理

探地雷達發(fā)射的是高頻脈沖電磁波，理論基礎是平面諧波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律，利用了電磁波在不同介質(zhì)中傳播反射的特性。探地雷達工作時，在雷達主機控制下，脈沖源產(chǎn)生周期性的毫微秒信號，并直接饋給發(fā)射天線，經(jīng)由發(fā)射天線耦合到地下的信號在傳播路徑上遇到介質(zhì)的非均勻體(面)時，如介質(zhì)的相對介電常數(shù)ε不同，產(chǎn)生反射信號，如圖2所示。電磁波在傳播過程中遇到介電常數(shù)有差異的媒質(zhì)時就會在界面上發(fā)生反射，同時，產(chǎn)生折射。位于地面上的接收天線在接收到地下回波后，直接傳輸?shù)浇邮諜C，信號在接收機經(jīng)過整形和放大等處理后，經(jīng)電纜傳輸?shù)街鳈C，經(jīng)處理后，對信號依照幅度大小進行編碼，并以偽彩色電平圖/灰色電平圖或波形堆積圖的方式顯示出來，經(jīng)事后處理，可用來判斷地下目標的深度、大小和方位等特性參數(shù)。地下埋藏金屬和塑料地雷都與其周圍土壤的介電特性有著較大差別，從而將對入射電磁波產(chǎn)生強反射，從而被GPR處理后顯示出來[11]。

圖2 GPR工作原理

2 復合探雷器系統(tǒng)設計

通過研究EMI和GPR的工作原理可知，EMI技術主要通過檢測磁場在金屬目標上產(chǎn)生的渦流實現(xiàn)對目標的探測，而GPR技術則是通過檢測電磁波在目標的反射回波來探測目標，二者檢測原理不同；另一方面，影響EMI技術檢測的主要因素是介質(zhì)的電導率和磁導率，而影響GPR探測性能的主要因素是介質(zhì)的介電常數(shù)，二者的干擾因素不同。基于此，二者可以融合一起工作。根據(jù)二者的原理研發(fā)的復合探雷系統(tǒng)如圖3所示，主要由電磁感應模塊、探地雷達模塊、復合探頭模塊、融合處理模塊、電源模塊、顯控模塊構成。

圖3 復合探雷系統(tǒng)框圖

2.1 電磁感應模塊

電磁感應模塊主要包括電磁感應控制處理單元、發(fā)射電路、接收電路，如圖4所示。電磁感應控制處理單元是電磁感應模塊的控制處理中心，主要實現(xiàn)對感應信號的檢測、處理并輸出檢測數(shù)據(jù)，同時產(chǎn)生各種控制信號，如發(fā)射控制信號和接收控制信號等，該單元由微處理器、數(shù)模轉(zhuǎn)換(A/D)轉(zhuǎn)換電路、復雜可編程邏輯器件(CPLD)輔助電路等組成；發(fā)射電路在發(fā)射控制信號的作用下產(chǎn)生脈沖驅(qū)動探頭發(fā)射交變磁場，發(fā)射電路是電磁感應模塊的重要組成部分，其發(fā)射脈沖波形的噪聲大小、波形穩(wěn)定度以及能量大小不僅影響其探測深度，甚至影響整個探雷器的探測性能；接收電路的功能是對電磁感應探頭二次感應信號的接收、濾波、放大，從接收信號中分離出包含目標二次感應的敏感區(qū)域。

圖4 電磁感應模塊原框圖

2.2 探地雷達模塊

探地雷達模塊主要由雷達處理控制單元，脈沖信號發(fā)生器，信號接收機等構成，如圖5所示。雷達控制處理單元主要負責各元器件的同步控制，數(shù)據(jù)處理和傳輸功能；脈沖信號發(fā)生器主要實現(xiàn)脈沖信號的生成，是探地雷達系統(tǒng)的工作起點，脈沖信號的帶寬、幅度以及波形決定了雷達系統(tǒng)的整體帶寬，脈沖信號寬度越窄、幅度越大其攜帶的瞬時能量越大，雷達系統(tǒng)后續(xù)接收到回波信號的特征值越明顯，主要由差動放大電路、整形網(wǎng)絡和功率放大電路構成；信號接收機主要負責信號采集前的增益放大以及信號采集，包括低噪放放大電路、等效采樣取樣門電路、CPLD及A/D等外圍輔助電路。

圖5 探地雷達模塊原理圖框圖

2.3 復合探頭模塊

復合探頭模塊復合了電磁感應收發(fā)線圈和雷達收發(fā)天線，將兩種傳感器集成在一起，降低相互之間的干擾十分關鍵[12]。雷達收發(fā)天線要置于電磁感應線圈內(nèi)部，因此天線的體積及收發(fā)天線的間距受限于金屬線圈的直徑，這就限制了許多雷達天線的使用，同時為了盡量減小對金屬線圈的影響，要求其金屬含量低，因此本方案選用了小型蝶形收發(fā)天線，如圖6所示，雷達天線至于金屬線圈的中央位置。

圖6 復合探頭設計

2.4 融合模塊

融合處理單元是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心，一方面對雷達控制單元和電磁感應模塊實現(xiàn)控制，另一方面接收電磁感應數(shù)據(jù)和雷達數(shù)據(jù)，對雷達數(shù)據(jù)和電磁感應數(shù)據(jù)的處理是融合處理單元的重要功能，數(shù)據(jù)具體處理流程如圖7所示，主要包括背景學習、探地雷達(GPR)及金屬探測器(MD)數(shù)據(jù)預處理、特征提取、識別、數(shù)據(jù)庫建立及更新、融合處理和目標識別等。

2.5 其他模塊

顯控模塊主要負責人機交互功能，可以實現(xiàn)靈敏度、聲音、屏幕亮度調(diào)節(jié)，參數(shù)設置，工作模式選擇等功能，還可以顯示處理后的數(shù)據(jù)圖像結(jié)果；電源模塊實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，為各模塊提供合適的工作電壓，主要包括直流電源轉(zhuǎn)換器(DC-DC)及電源線性穩(wěn)壓器(LDO)電路等。

2.6 系統(tǒng)的工作流程

復合探雷系統(tǒng)有3種工作模式，可以根據(jù)不同的應用環(huán)境進行適當?shù)倪x擇，工作流程如圖8所示，設備上電后，系統(tǒng)各模塊先進行自檢，待自檢正常后，設備進入工作狀態(tài)，先用測試件測試電磁感應探測和雷達探測功能是否正常；功能檢測正常后，操作者可根據(jù)當前的探測需求，對設備工作模式進行選擇，有MD+GPR模式(復合探測模式)、MD模式(僅電磁感應模塊工作)及GPR模式(僅雷達模塊工作)三種模式可供選擇，待工作模式確定后即可系統(tǒng)進行相應的功能調(diào)節(jié)(如靈敏度、音量、顯示等功能)，最后對當前土壤背景進行學習后即可進入探測工作。

圖8 系統(tǒng)工作流程

3 試驗及試驗結(jié)果

為了驗證本系統(tǒng)方案的有效性，作者進行了模擬雷場試驗，試驗場地面積為2 m×10 m，試驗場土質(zhì)為黏土和沙土，目標為3顆72式防步兵地雷，干擾物有金屬干擾物和非金屬干擾物，金屬干擾物包括鐵釘3枚、瓶蓋3個、鋼珠2個、子彈殼3個，非金屬干擾物包括泡沫塊3塊、石塊3塊，所有目標埋深為2～5 cm，如圖9所示。

圖9 目標和干擾物

在該模擬探雷場分別進行了5場試驗，每次隨機生成布雷圖，其中一張布雷圖如圖10所示。

圖10 探雷場布雷圖

復合探雷器系統(tǒng)的圖像顯示由2部分構成，上部為MD曲線，下部為GPR灰度圖，二者同步滾動顯示，試驗中選擇MD+GPR模式進行探測。圖11分別給出了地雷、鐵釘、泡沫的數(shù)據(jù)處理后圖像顯示結(jié)果，通過數(shù)據(jù)處理后展現(xiàn)的圖像可以將地雷和干擾物區(qū)分開，從而降低復合探雷器的虛警率。

圖11 三種目標屏顯圖像

其中地雷的雷達反射比較強，從雷達灰度圖上可以看到比較明顯的異常信號(黃色箭頭指示處)，MD曲線處理后的特征為波谷形式(紅色箭頭指示處)，如圖11(a)所示；泡沫在雷達灰度圖上反應比較明顯(藍色箭頭指示處)，有很強的異常反應，MD曲線幾乎沒反應，和背景值幾乎一致，如圖11(b)所示；鐵釘雷達灰度圖反射比較弱，從灰度圖上幾乎看不到異常反應，而MD反應為2次比較強的正向起伏(橙色箭頭指示處)，如圖11(c)所示。

5場探雷試驗的結(jié)果如表1所示，探雷手通過顯示滾動的MD和GPR圖像，準確找到了地雷目標，探知率為100%，并且根據(jù)圖像信息，還可以把模擬雷場中的鐵釘、瓶蓋、鋼珠和泡沫干擾物均探測出來且進行了正確的分類，對石塊也可以有效的識別，排除虛警。

表1 5場探雷試驗探出目標結(jié)果統(tǒng)計

4 結(jié)論

將多種探測技術融合是探雷技術發(fā)展的必然趨勢，不僅可以彌補單一探測技術存在的不足，還可以提高探測的探知率，降低虛警率，從而提高探測效率。為此，提出了基于EMI和GRP技術融合的復合探雷系統(tǒng)，實現(xiàn)了兩種技術協(xié)同工作，并且在模擬試驗場進行了探測試驗，得出以下結(jié)論。

(1)通過分析EMI技術和GPR技術的探雷原理， EMI技術依靠近距離瞬變磁場的渦流感應，GPR技術根據(jù)電磁波傳播的反射特性，兩種技術原理不同，互不干擾，可以融合在一起工作，從而利用兩種技術的優(yōu)點進行探雷。

(2)研發(fā)的復合探雷系統(tǒng)，解決了硬件兼容性問題，該探雷器經(jīng)過了模擬探雷場的實際應用檢驗，對地雷的識別率達到了100%。

(3)通過模擬雷場探測，當干擾物較多時，特別是當干擾物和地雷特性相近時，利用復合探雷器的EMI和GRP的圖像能夠很好地將彈殼和生活金屬垃圾等干擾物和地雷區(qū)分，從而降低虛警，提高效率。

(4)試驗場地為黏土和沙土，以后還增加在濕土，干土，凍土，鐵磁性土等環(huán)境下進行試驗，測試復合探雷器的土壤適應性。