劉孝天 張志杰

（中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室 太原 030051）

1 引言

未爆彈（unexploded ordnance，UXO）是指在武裝沖突、軍事演習(xí)以及兵器在靶場實驗測試結(jié)束后仍遺留在某一地區(qū)的（未爆炸或被棄置的）爆炸性彈藥。這些彈藥在數(shù)百年之后，仍有被意外引爆的風(fēng)險［1］，造成不必要的損失。根據(jù)制造材料的物理特性，磁法［2］、電磁法［3］、探地雷達［4］、中子法［5］等［6］成為未爆彈常用的探測方法。但無論使用什么技術(shù)或方法，完成未爆彈探測這一任務(wù)都是一個持續(xù)的過程，這意味著該過程的所需成本將十分昂貴，大體主要消耗在金錢、人力和時間三大方面［7］。

電磁法是最古老、最成熟的未爆彈藥探測技術(shù)。其主要用主動激發(fā)的方法，通過測量彈體內(nèi)的渦流產(chǎn)生的磁場，來實現(xiàn)單體的探測及定位，檢測對象通常為未爆彈藥的金屬彈殼或金屬部件［8］。

電磁法可分為頻域法和時域法。對于體積較大的未爆彈藥，如炮彈和火箭，其穿透土壤的程度較輕，目前的趨勢是采用時域法［9］，具有代表性的成熟系統(tǒng)包括Metal-Mapper［10］、ORAGS［11］等［12］。對于體積相對較小的未爆彈藥，如地雷和迫擊炮彈等，大多數(shù)探測器都采用頻域電磁探測方法。

相較于時域電磁法，頻域電磁激勵源的頻域更寬，能獲得更為豐富的目標信息，更準確地識別地下目標［13］。但其最主要的問題是，較強的一次場和較弱的二次場同時存在，微弱的響應(yīng)信號會被淹沒在一次場中。

針對上述問題，常用的解決方法是通過特定的幾何線圈結(jié)構(gòu)，來減弱主場對探測結(jié)果的影響。比如，早期的電磁探測傳感器多將激勵單元與線圈單元盡量遠離，因為隨著距離增加，一次場對接收單元的影響也會隨之衰減；緊湊型探測器的激勵線圈與接收線圈位于同一位置，尺寸不同，比如常用的Rx梯度計［14］和Tx梯度計［15］。

本文參考Rx 梯度計消除一次場的方式，設(shè)計了一種可接收三個方向分量的電磁傳感器，并通過該傳感器實現(xiàn)了對未爆彈的探測與定位。

2 傳感器設(shè)計

平面矩形線圈在周邊上會產(chǎn)生更加均勻的磁場，其對橫向的偏移具有更好的容忍度，易獲得較好的耦合性［16］。因此將矩形線圈作為傳感器的基本結(jié)構(gòu)。

我們擬采用接收線圈關(guān)于一次場對稱的結(jié)構(gòu)來消除一次場對接收的影響。雙激勵線圈結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一次場，如圖1所示。

圖1 雙激勵線圈結(jié)構(gòu)示意圖

Tx1和Tx2為大小完全相同的兩個矩形激勵線圈，線圈中施加的激勵電流大小相同，方向相反。取線圈周圍空間一點P1（x1，y1，z1），其關(guān)于XZ 平面對稱點P2（x1，-y1，z1）。則Tx1和Tx2在P1點產(chǎn)生的磁通密度為

合磁通密度為B1=B11+B21同理可得到雙激勵線圈分別在P2點處的磁通

合磁通B2=B11+B21。若接收線圈平面同時包含此兩點，可得線圈總磁通密度：

因此總磁通密度與線圈平面相切，即一次場通過接收線圈的磁通Φ 為0。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，接收線圈在變磁場作用下輸出信號：

一次場在接受線圈上不產(chǎn)生感應(yīng)電壓，即一次場不影響接收線圈響應(yīng)信號大小。其中，n 為線圈匝數(shù)，A為正對磁場的面積，為變化磁場的大小。

最終確定電磁傳感器的整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。Rx1，Rx2和Rx3為三個接收線圈，分別與激勵線圈共面和異面垂直。

首先，建立檔案收集部門，對收集的檔案進行甄別。其次，建立檔案分析部門，將類別不同的檔案分別歸檔，分類出重要的檔案，單獨進行管理，并進行多重加密，重點保護。最后，建立檔案管理部門，按照國家法律規(guī)定制定出切實有效的檔案保護技術(shù)，從而實現(xiàn)檔案保護技術(shù)的規(guī)范化和標準化。當(dāng)檔案管理出現(xiàn)問題時，要能夠迅速找出問題點，并針對問題點找到相關(guān)責(zé)任人，使其為出現(xiàn)的問題負責(zé)。這樣更能促進我國檔案管理及保護工作的順利開展，使檔案始終處于被安全保護的狀態(tài)。

圖2 電磁傳感器整體結(jié)構(gòu)

3 傳感器尺寸優(yōu)化

圖3 為未爆彈與傳感器的相對位置示意圖，傳感器結(jié)構(gòu)及各部分線圈的尺寸均會對傳感器性能有較大影響。在確定了傳感器基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，我們研究激勵線圈寬度和接收線圈尺寸對探測的影響。

圖3 未爆彈相對位置示意圖

3.1 激勵線圈優(yōu)化

激勵線圈寬度W1變化時，激勵線圈產(chǎn)生的一次場也會變化，寬度過寬或者過窄時，一次場主要由矩形激勵線圈長邊產(chǎn)生。研究W1變化時，矩形激勵線圈中心點P1點正下方的磁場分布，圖4 為不同寬度W1的仿真結(jié)果。可以看出，深度較淺約為20cm內(nèi)時，較窄的W1顯然產(chǎn)生的磁通密度更大；深度深于20cm 時，P1點正下方磁通密度逐漸較小，且較寬的W1產(chǎn)生的磁通密度更大。為兼顧不同深度未爆彈的探測，寬度W1應(yīng)選取合適的值。

圖4 P1點下方磁通密度

P1點正下方的磁通密度Z 分量最大，未爆彈在P1點正下方時，接收線圈Rx2的響應(yīng)信號會出現(xiàn)峰值。因此，還必須考慮到彈體與接收線圈Rx2的相對距離。

將激勵線圈長度設(shè)置為固定尺寸1m，研究改變其寬度W1造成的影響。彈體始終位于P1點正下方，圖5 為激勵線圈變化對Rx2的響應(yīng)信號的影響，由于不同深度的響應(yīng)信號差距很大，為了比較變化趨勢，將響應(yīng)信號進行了歸一化處理。

圖5 W1變化對Rx2信號的影響

當(dāng)W1變寬時，位于不同深度的未爆彈在Rx2上產(chǎn)生的響應(yīng)信號均呈現(xiàn)先增大，再減小的趨勢。這里也為了兼顧不同深度目標的探測，將W1設(shè)置為60cm。

3.2 接收線圈優(yōu)化

電磁檢測系統(tǒng)的傳感器整體較大，因此計劃為車載式或車曳式，也就是說圖3 所示的傳感器與地面的距離為固定距離D4。過高的D4不利于更深目標的探測，這就對接收線圈寬度W3提出要求。

在仿真中將D4設(shè)置為5cm，研究W3的變化對接收線圈信號的影響。圖6和圖7分別為未爆彈在不同深度處，W3變化對接收線圈Rx1和接收線圈Rx2的響應(yīng)信號造成的影響?？梢钥闯?，W3增大時，不同深度處的彈體在Rx1上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓總體上呈現(xiàn)增大的趨勢，且當(dāng)W3超過一定的寬度后，Rx1上的響應(yīng)信號略微下降。對Rx2來說，W3的增加意味著響應(yīng)信號的減小。綜合考慮，將Rx1的寬度W3確定為30cm。

圖6 W3變化對Rx1信號的影響

圖7 W3變化對Rx2信號的影響

4 水平定位

通過仿真研究特殊情況下，即彈體位于圖2 中K1軸正下方時，傳感器沿未爆彈上方經(jīng)過時的響應(yīng)信號。

表1 COMSOL主要仿真參數(shù)

圖8 為彈體水平放置分別旋轉(zhuǎn)0°和旋轉(zhuǎn)40°時的接收線圈信號?？梢钥闯?，Rx1響應(yīng)曲線的峰值都是出現(xiàn)在彈體位于圖5所示的P2點下方時。Rx2響應(yīng)曲線的峰值出現(xiàn)在激勵線圈的中心附近，其絕對值相等但方向相反。同時，彈體旋轉(zhuǎn)0°時，Rx3的信號一直為0。這是由于目標關(guān)于Rx3所在平面完全對稱，其產(chǎn)生的二次場不穿過Rx3。

圖8 未爆彈水平放置接收線圈信號

在實際探測定位工作中，對于位置未知目標，彈體會隨機地偏離傳感器K1掃描軸線正下方。圖9 為傳感器沿軸線K1水平掃描的響應(yīng)信號，彈體偏移K1軸距離為60cm。

圖9 彈體偏移對接收線圈信號影響

可以看出，Rx1響應(yīng)曲線出現(xiàn)局部谷值，此時彈體位于P2點下方。Rx2、Rx3電感虛部變化趨勢相似，在掃描過程中均存在一個零點，這是因為二次場穿過接收線圈的總磁通量為零。對于任意情況下的未爆彈探測，通過三個接收線圈可以實現(xiàn)更加準確的水平定位。

5 豎直定位

目標深度的準確測量會使未爆彈挖掘工作變得更有效率。對未爆彈進行水平定位后，確定未爆彈位于激勵線圈P1點正下方。將Rx1沿圖4 中軸線K2順時針旋轉(zhuǎn)180°，主要研究接收線圈信號的變化。

圖10 為400kH 頻率下目標深度變化對接收線圈電感虛部的影響。對同一探測目標，深度會對旋轉(zhuǎn)掃描結(jié)果造成明顯影響。主要體現(xiàn)在不同深度響應(yīng)峰值對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角值不同。

圖10 不同深度Rx1的旋轉(zhuǎn)響應(yīng)信號

為排除其他變量對信號造成的影響，需要引入多種可能存在的變量。通過有限元仿真研究，尺寸相當(dāng)?shù)膹楏w，其長寬比和旋轉(zhuǎn)角對響應(yīng)有一定影響，彈體不同傾斜角的測量曲線幾乎是重疊在一起的。因此，若先對傳感器進行旋轉(zhuǎn)角校對，保證彈體長軸與激勵線圈長邊平行，再根據(jù)接收線圈旋轉(zhuǎn)掃描響應(yīng)信號最大值對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度，可以確定彈體的深度。

6 實驗測試

參考前文設(shè)計的傳感器，搭建了如圖11 所示的實驗平臺。探測平臺由前文所述結(jié)構(gòu)的傳感器及分析儀組成。傳感器框架為木制，框架連接處連接結(jié)構(gòu)件為亞克力材質(zhì)。激勵線圈的匝數(shù)為70，三個接收線圈的匝數(shù)均為20。線圈使用線徑為0.33mm 的漆包銅線，激勵電壓10V，頻率為400kHz。圖12 為測試所用未爆彈實物，彈體尺寸已在圖中標出。

圖11 實驗平臺

圖12 未爆彈

由于傳感器尺寸較大，移動彈體來代替?zhèn)鞲衅鞯囊苿?，將輸出的信號進行帶通濾波處理。圖13為目標U1在深度0.6m 處的水平掃描Rx1響應(yīng)信號，符合仿真中的信號特征。實驗結(jié)果表明，對于1m深度以內(nèi)的目標，三個接收線圈具有清晰完整的響應(yīng)信號。

圖13 不同深度Rx1的響應(yīng)信號

在傳感器前方對未爆彈藥U1進行掃描，深度為0.5m，偏移距離為0.3m。首先彈體沿K1軸方向移動。掃描過程中，目標在傳感器正下方停留5s，圖14 為Rx1響應(yīng)信號。當(dāng)彈體位于傳感器正下方時，響應(yīng)信號出現(xiàn)峰值。將彈體沿K2軸移動，掃描過程中，目標在傳感器下停留5s，圖15 為Rx3的響應(yīng)信號。當(dāng)彈體處于傳感器正下方時，Rx3存在響應(yīng)峰值。可以看出，兩次掃描的響應(yīng)信號也符合仿真中的信號特征。因此，通過兩次水平掃描對未爆彈藥進行水平定位的方法是可行的。

圖14 K1軸掃描Rx1信號

圖15 K2軸掃描Rx3信號

在豎直定位中，圖16給出了Rx1在0.5m深度處從-90°～90°的旋轉(zhuǎn)響應(yīng)信號?？梢钥闯觯憫?yīng)信號有兩個相反的峰值。理論上，這兩個峰值對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度相差180°，這取決于手動繞制的Rx1是否嚴格對稱。對三種彈體不同深度處的10 次測量取平均值，結(jié)果見表2。同一彈體不同深度處Rx1響應(yīng)峰值對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度不同，同一深度處不同目標對應(yīng)的特征旋轉(zhuǎn)角度接近4°。說明可以通過峰值對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度來判斷未爆彈的深度。

表2 不同深度對應(yīng)的Rx1旋轉(zhuǎn)角值

圖16 不同深度對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角

7 結(jié)語

本文基于頻域電磁法設(shè)計了一種新型的單激勵多接收未爆彈探測傳感器。根據(jù)矩形線圈周圍磁場的特點設(shè)計了傳感器的結(jié)構(gòu)。解決了頻域電磁法中激勵與接收分離時的一次場耦合問題，優(yōu)化了傳感器各部分尺寸。基于傳感器響應(yīng)信號的特點，提出了未爆彈的水平和垂直定位方法。搭建實驗平臺并進行測量。結(jié)果表明，傳感器對1.2m 深度的目標具有顯著的響應(yīng)信號，能夠準確定位1m深度的目標，垂直定位誤差在10cm以內(nèi)。