CN109211015B - 基于复解调的地雷探测土壤背景场干扰抑制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于复解调的地雷探测土壤背景场干扰抑制方法及系统。强矿化土壤的土壤背景场干扰是低频电磁感应探雷中面临的主要问题之一。针对这一问题，本发明利用传感器进行目标搜索的运动过程中，目标二次场和土壤背景场的频带和成分差异，依次通过相敏检波初解调、带通滤波、相敏检波再解调来实现目标二次场的提取，从而提高探测器对土壤背景干扰的抑制能力。本方法不仅可以用于地雷探测，还可用于未爆炸弹药的探测。

Description

基于复解调的地雷探测土壤背景场干扰抑制方法及系统

技术领域

本发明涉及一种地雷探测方法，尤其涉及利用低频电磁感应法在强矿化土壤上进行地雷探测时，对土壤背景场干扰进行抑制方法及系统。

背景技术

在便携式地雷探测器中，低频电磁感应法是目前应用最为广泛的方法之一。该方法的理论基础是麦克斯韦的宏观电磁场理论，当发射线圈中通过低频交变电流时，就会在发射线圈周围建立同频的交变电磁场(称为一次场)。由于涡流效应或磁效应，地雷中的金属部件会在一次场作用下，产生同频的交变电磁场(称为二次场)，因此可以通过接收线圈测量一次和二次场的总场来达到地雷探测的目的。但对于只含有微量金属的目标如反步兵地雷，通常其二次场比一次场微弱得多，造成接收信号的信噪比极低。此外，在实际探测中，接收线圈除了接收一次场、目标二次场外，还有土壤本身在一次场的作用下产生一定程度的假“二次场”(称为土壤背景场)；特别是在矿化土壤上，土壤背景场干扰会造成总场法的性能急剧下降。因此，采用总场法难以实现在矿化土壤上的反步兵地雷探测。

针对土壤背景场的干扰，目前常规的解决方法是虚分量法。该方法是利用“背景土壤主要产生实分量，而虚分量则很少；而金属目标则同时产生虚分量和实分量”这一特征，以一次场作为参考信号，通过单次的相敏检波(典型的为数字正交检测算法)来获取接收信号的虚分量，从而降低土壤背景场的影响，并提取出高信噪比的二次场。然而，在磁性土等特殊的强矿化土壤上，土壤背景场的虚分量仍然不可忽略，严重时仍会对微量金属产生的微弱二次场造成显著影响。

在低频电磁感应探测中，常规的土壤背景场抑制方法是虚分量法，即通过单次相敏检波的解调出目标二次场虚分量。然而，在磁性土等特殊的强矿化土壤上，土壤背景场的虚分量仍然不可忽略，严重时仍会对微量金属产生的微弱二次场造成显著影响。本发明的创新之处在于通过多次数字相敏检波复解调和数字滤波联合的方式，进一步降低强土壤背景场的影响，可提取出具有较高信噪比的目标二次场。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述目前地雷探测技术在矿化土壤上受土壤背景场干扰的不足，提供基于复解调的地雷探测土壤背景场干扰抑制方法及系统解决上述问题。

基于复解调的地雷探测土壤背景场干扰抑制方法，应用于金属探测设备，金属探测设备包括发射线圈、接收线圈、激励信号振荡器、信号处理模块和处理器，包括：

步骤1：激励信号振荡器发射激励信号至发射线圈以驱动发射线圈发出一次场，地雷中金属部件在发射线圈发出的一次场作用下产生目标二次场；

步骤2：接收线圈接收包含一次场、目标二次场、土壤背景场的原始接收信号；

步骤3：信号处理模块测量出一次场，并将接收线圈接收到的原始接收信号中的一次场去除，并将去除一次场的的原始接收信号进行去噪处理得到接收信号；

步骤4：信号处理模块将接收信号转化为数字信号，进行两次解调，两次解调包括初次解调和再次解调，得到目标二次场信号；

步骤5：信号处理模块将经过两次解调处理后的目标二次场信号发送至处理器，处理器根据处理后的目标二次场信号进行目标识别工作。

进一步的，步骤4中初次解调具体包括：设置一次场为参考信号，利用信号处理模块中乘法器和低通滤波器组成的数字相敏检波器对接受信号进行初次解调，得到包括实分量和虚分量初次解调信号，此时初次解调信号中的实分量包含目标二次场实分量和和土壤背景场实分量，初次解调信号中的虚分量包含目标二次场虚分量和和土壤背景场虚分量。

进一步的，步骤4中再次解调具体包括：将初次解调信号通过带通滤波器,从而实现抑制土壤背景场的实分量和虚分量，利用带通滤波器抑制处理后得到的目标二次场的虚分量和目标二次场实分量进行相互解调，得到最终的目标二次场信号。

基于复解调的地雷探测土壤背景场干扰抑制系统，应用于金属探测设备，金属探测设备包括发射线圈、接收线圈、激励信号振荡器、信号处理模块和处理器，包括：

激励信号振荡器：用于发射激励信号至发射线圈以驱动发射线圈发出一次场，地雷中金属部件在发射线圈发出的一次场作用下产生目标二次场；

接收线圈：用于接收包含一次场、目标二次场、土壤背景场的原始接收信号；

信号处理模块：用于测量出一次场，并将接收线圈接收到的原始接收信号中的一次场去除，并将去除一次场的的原始接收信号进行去噪处理得到接收信号；

还用于将接收信号转化为数字信号，进行两次解调，两次解调包括初次解调和再次解调，得到目标二次场信号；

处理器：用于接收信号处理模块将经过两次解调处理后的目标二次场信号，并根据处理后的目标二次场信号进行目标识别工作。

进一步的，信号处理模块中初次解调具体包括：设置一次场为参考信号，利用信号处理模块中乘法器和低通滤波器组成的数字相敏检波器对接受信号进行初次解调，得到包括实分量和虚分量初次解调信号，此时初次解调信号中的实分量包含目标二次场实分量和和土壤背景场实分量，初次解调信号中的虚分量包含目标二次场虚分量和和土壤背景场虚分量。

进一步的，信号处理模块中再次解调具体包括：将初次解调信号通过带通滤波器,从而实现抑制土壤背景场的实分量和虚分量，利用带通滤波器抑制处理后得到的目标二次场的虚分量和目标二次场实分量进行相互解调，得到最终的目标二次场信号。

本发明的优势在于：利用目标二次场和土壤背景场的频带和成分差异，通过一种复解调方法来提取出纯目标二次场，从而实现在矿化土壤背景下的反步兵地雷的探测。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明的基于复解调的地雷探测土壤背景场干扰抑制方法流程图；

图2为本发明的基于复解调的地雷探测土壤背景场干扰抑制系统结构图；

图3为本发明的地雷探测工作示意图；

图4为本发明的原始接收信号中目标二次场和土壤背景场的时域和频域特征信号图；

图5为本发明的初次解调处理后的时域和频域特征信号图；

图6为本发明的带通滤波处理后的时域和频域特征信号图；

图7为本发明的再次解调处理后的时域和频域特征信号图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

基于复解调的地雷探测土壤背景场干扰抑制方法流程如图1所示，本方法应用于金属探测设备，金属探测设备由发射线圈、接收线圈、激励信号振荡器、信号处理模块和处理器组成，包括：

步骤1：激励信号振荡器发射激励信号至发射线圈以驱动发射线圈发出一次场，地雷中金属部件在发射线圈发出的一次场作用下产生目标二次场；

步骤2：接收线圈接收包含一次场、目标二次场、土壤背景场的原始接收信号；

步骤3：信号处理模块测量出一次场，并将接收线圈接收到的原始接收信号中的一次场去除，并将去除一次场的的原始接收信号进行去噪处理得到接收信号；

步骤4：信号处理模块将接收信号转化为数字信号，进行两次解调，两次解调包括初次解调和再次解调，得到目标二次场信号；

步骤5：信号处理模块将经过两次解调处理后的目标二次场信号发送至处理器，处理器根据处理后的目标二次场信号进行目标识别工作。

在进行地雷探测的实施例中，选用振荡器作为激励信号振荡器，模拟板和FPGA组合作为信号处理模块，选用单片机实现处理器的基本功能，实现上述方法的系统结构如图2所示，地雷中金属部件在发射线圈发出的一次场作用下产生了目标二次场，接收线圈输出的接收信号同时包含一次场、目标二次场、土壤背景场。接收信号首先经过模拟板中的带通滤波器进行初步的去噪处理，然后利用模数转换器转化为数字信号，送入FPGA进行数字处理。进行地雷探测工作时，一次场、目标二次场、土壤背景场与发射线圈和接收线圈的结构关系如图3所示。

原始接收信号中的目标二次场和土壤背景场交变信号的时域和频域特征如图4所示。由于目标二次场和土壤背景场是以调幅的形式调制在与激励信号同频的交变信号上的，因此可将一次场作为参考信号，利用FPGA中乘法器和低通滤波器组成的数字相敏检波器对二次场和土壤背景场进行初次解调。当传感器在搜索目标的过程中，传感器接收到的二次场在整个目标探测过程中表现为时域上的突变窄脉冲信号；而在搜索区域中的局部范围内，土壤背景场则不存在突变，相对目标二次场来说为低频的连续缓慢变化信号，相敏检波初次解调后的结果如图5所示。

由于窄脉冲二次场的频谱信息丰富，而土壤背景场主要集中在低频段，因此通过带通滤波器可以在牺牲一部分二次场信息的情况下来有效抑制土壤背景场的实分量和微弱的虚分量，带通滤波器的中心频点为f₁，处理后的信号如图6所示。

经过带通滤波器处理后，传感器接收信号中的土壤背景场得到有效抑制从而使得二次场占主导，但同时也牺牲了一部分频谱信息，此时实分量和虚分量的幅度均表现为交变信号，并不能直接用于目标识别；此外，强导磁土壤的实分量非常强，带通滤波器并不能完全消除其干扰，而并不占主导的土壤背景场虚分量则得到更好的抑制，因此接收信号的虚分量的信噪比要优于实分量，故可以利用高信噪比的虚分量和实分量进行相互解调，从而进一步提高其信噪比，相互解调后的信号如7所示。

经过FPGA处理后的目标二次场信号送入单片机，即可进行目标识别。上述的方法由于采用两次解调，因此提取出的二次场的信噪比较高，适合在矿化土壤上使用。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.基于复解调的地雷探测土壤背景场干扰抑制方法，应用于金属探测设备，金属探测设备包括发射线圈、接收线圈、激励信号振荡器、信号处理模块和处理器，其特征在于，包括：

步骤1：激励信号振荡器发射激励信号至发射线圈以驱动发射线圈发出一次场，地雷中金属部件在发射线圈发出的一次场作用下产生目标二次场；

步骤2：接收线圈接收包含一次场、目标二次场、土壤背景场的原始接收信号；

步骤3：信号处理模块测量出一次场，并将接收线圈接收到的原始接收信号中的一次场去除，并将去除一次场的原始接收信号进行去噪处理得到接收信号；

步骤4：信号处理模块将接收信号转化为数字信号，进行两次解调，两次解调包括初次解调和再次解调，得到目标二次场信号；初次解调具体包括：设置一次场为参考信号，利用信号处理模块中乘法器和低通滤波器组成的数字相敏检波器对接收信号进行初次解调，得到包括实分量和虚分量初次解调信号，此时初次解调信号中的实分量包含目标二次场实分量和土壤背景场实分量，初次解调信号中的虚分量包含目标二次场虚分量和土壤背景场虚分量；再次解调具体包括：将初次解调信号通过信号处理模块中的带通滤波器,从而实现抑制土壤背景场的实分量和虚分量，利用带通滤波器抑制处理后得到的目标二次场的虚分量和目标二次场实分量在信号处理模块中的相敏检波器进行相互解调，得到最终的目标二次场信号；

步骤5：信号处理模块将经过两次解调处理后的目标二次场信号发送至处理器，处理器根据处理后的目标二次场信号进行目标识别工作。

2.基于复解调的地雷探测土壤背景场干扰抑制系统，应用于金属探测设备，金属探测设备包括发射线圈、接收线圈、激励信号振荡器、信号处理模块和处理器，其特征在于，包括：

激励信号振荡器：用于发射激励信号至发射线圈以驱动发射线圈发出一次场，地雷中金属部件在发射线圈发出的一次场作用下产生目标二次场；

接收线圈：用于接收包含一次场、目标二次场、土壤背景场的原始接收信号；

信号处理模块：用于测量出一次场，并将接收线圈接收到的原始接收信号中的一次场去除，并将去除一次场的原始接收信号进行去噪处理得到接收信号；

还用于将接收信号转化为数字信号，进行两次解调，两次解调包括初次解调和再次解调，得到目标二次场信号；初次解调具体包括：设置一次场为参考信号，利用信号处理模块中乘法器和低通滤波器组成的数字相敏检波器对接收信号进行初次解调，得到包括实分量和虚分量初次解调信号，此时初次解调信号中的实分量包含目标二次场实分量和土壤背景场实分量，初次解调信号中的虚分量包含目标二次场虚分量和土壤背景场虚分量；再次解调具体包括：将初次解调信号通过信号处理模块中的带通滤波器,从而实现抑制土壤背景场的实分量和虚分量，利用带通滤波器抑制处理后得到的目标二次场的虚分量和目标二次场实分量在信号处理模块中的相敏检波器进行相互解调，得到最终的目标二次场信号；

处理器：用于接收信号处理模块经过两次解调处理后的目标二次场信号，并根据处理后的目标二次场信号进行目标识别工作。