CN111578785A - 基于复合磁电传感器的多模式探测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于复合磁电传感器的多模式探测装置及方法，该装置包括激励线圈、波形产生模块、功率放大器、静态/动态宽带磁电探头、信号调理电路、A/D转换器、嵌入式处理器及工控机，嵌入式处理器与波形产生模块连接，多数波形产生模块与功率放大器连接，功率放大器与激励线圈连接，嵌入式处理器与信号调理电路连接，信号调理电路分别与静态/动态宽带磁电探头、A/D转换器连接，A/D转换器同时与嵌入式处理器连接，嵌入式处理器与工控机连接，工控机根据嵌入式处理器采集的数据进行目标特征提取、定位和识别处理。本发明提高了目标探测能力和目标识别能力，提高了探测概率，降低虚警概率。
Description
技术领域
本发明属于目标探测技术，具体为一种基于复合磁电传感器的多模式探测装置。
背景技术
爆弹可能包含轻武器弹药、高炮弹、迫击炮弹、巡航弹、火箭弹、制导炸弹、手榴弹、鱼雷、化学弹药、烟雾弹以及地雷等。未爆弹不可避免的存在于军事演习、训练基地、靶场、战后遗址等区域的土地上，大量未被清除的未爆弹导致复杂的安全问题和环境污染问题。因此，未爆弹的探测和排除技术是战时取胜、战后重建及人道主义救援的重要保障。在现代生活中，地下管道、电缆和其它公共设施的探测技术需求也越来越重要。电磁感应探测(Electromagnetic Induction Detection，EMID)方法、地磁异常探测(GeomagneticAnomaly Detection,MAD) 方法是两种主流的探测方法。电磁感应探测方法是利用激励线圈发射激励磁场，目标内金属部件由于涡流效应产生回波，接收线圈信号经处理后进行异常预警。电磁感应方法的金属探测器一般有时域测量和频域测量两种方法。电磁感应探测方法对浅埋地表的磁性和非磁性金属目标的探测效能佳，例如地雷和较浅的未爆弹。电磁感应探雷器的探测距离一般在几厘米到几十厘米，这种设计也是由地雷的埋设深度决定的。磁异常探测方法是采用磁力仪/磁传感器来测量未爆弹内部铁磁性部件引起的地磁异常，磁传感器体积较小，探测深度可达3m深以下，但仅能探测铁磁性部件体积较大的目标。
未爆弹(含地雷)探测一般采用区域搜寻的办法，即采用金属探测器、磁异常目标探测仪在区域内搜寻，并在异常点做标记，其主要问题在于：探测概率达不到100％、虚警率高，虚警目标挖掘浪费了大部分时间，单个目标排除可能需要数小时。联合磁异常、电磁感应时域及频域等方法的多传感器数据，进行融合处理，可以提高目标探测和分类识别能力，实现可探测目标种类多样化并降低虚警率，从而提高探、排的效率，但是现有的方法主要是将不同原理探测系统分别集成到一个载体平台，或独立运行、在同一区域多次探测获得多传感器数据。换言之，现有磁异常和电磁感应方法的未爆弹探测装置功能分立，多传感器方法仅仅表现在数据融合处理上。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种基于复合磁电传感器的多模式探测装置。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于复合磁电传感器的多模式探测装置，包括激励线圈、波形产生模块、功率放大器、静态/动态宽带磁电探头、信号调理电路、A/D转换器、嵌入式处理器及工控机，所述嵌入式处理器与波形产生模块连接，多数波形产生模块与功率放大器连接，所述功率放大器与激励线圈连接，所述嵌入式处理器与信号调理电路连接，所述信号调理电路分别与静态 /动态宽带磁电探头、A/D转换器连接，所述A/D转换器同时与嵌入式处理器连接，所述嵌入式处理器与工控机连接，所述工控机根据嵌入式处理器采集的数据进行目标特征提取、定位和识别处理。
优选地，所述静态/动态宽带磁电探头采用磁致伸缩/压电复合磁电材料。
优选地，所述静态/动态宽带磁电探头包括两个磁致伸缩/压电复合磁电敏感单元，两个磁致伸缩/压电复合磁电敏感单元180°平行反相磁场激励，以非线性差分输出信号。
优选地，所述信号调理电路包括信号低噪声放大器和噪声滤波电路。
一种基于复合磁电传感器的多模式探测方法，包括：
(1)电磁感应时域模式
在嵌入式处理器控制下，波形产生模块产生脉冲激励波形，经功率放大器放大后送入激励线圈，产生电磁场对外辐射；
静态/动态宽带磁电探头感应涡流回波信号后，产生电压信号，经过信号调理电路放大、滤波后，经A/D转换器，送入嵌入式处理器进行信号预处理后发送给上位机进行目标特征提取、定位和识别处理；
(2)电磁感应频率域模式
在嵌入式处理器控制下，波形产生模块产生不同正弦波叠加形成的多频率成分激励波形，经功率放大器放大后送入激励线圈，产生电磁场对外辐射；
静态/动态宽带磁电探头感应涡流回波信号后，产生电压信号，经过信号调理电路放大、滤波后，经A/D转换器，送入嵌入式处理器利用正交锁相解调器组进行微弱信号检测，以获取复杂磁场环境下n个激励频率信号的幅值和相位，送上位机进行目标特征提取、定位和识别处理；
(3)地磁异常探测模式
利用静态/动态宽带磁电探头感应地磁异常信号，经过信号调理和A/D转换后送嵌入式系统预处理后送上位机进行目标特征提取、定位和识别处理。
优选地，电磁感应频率域模式下，线圈中电流波形的函数为：
其中，n为不同频率的个数，
为第n个频率的波形，An为幅度，fn为频率，
为相位。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明的静态/动态宽带磁电探头采用磁致伸缩/压电复合磁电材料，既能够探测静态磁场，又能够探测宽带范围内的动态磁场的能力，设计的单套装置就可以完成地磁异常和电磁感应时域/频域多模式探测，获取多源数据，提高目标探测能力和目标识别能力，提高探测概率，降低虚警概率。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1是本发明的示意图。
图2是地磁异常和电磁感应的原理示意图。
图3上位机软件功能示意图。
图4电磁感应时域模式下脉冲信号发送-采集时序示意图。
具体实施方式
一种基于复合磁电传感器的多模式探测装置，包括激励线圈、波形产生模块、功率放大器、静态/动态宽带磁电探头、信号调理电路、A/D转换器、嵌入式处理器及工控机，所述嵌入式处理器与波形产生模块连接，多数波形产生模块与功率放大器连接，所述功率放大器与激励线圈连接，所述嵌入式处理器与信号调理电路连接，所述信号调理电路分别与静态/动态宽带磁电探头、A/D转换器连接，所述A/D转换器同时与嵌入式处理器连接，所述工控机主要完成：1)数据处理与显示：接收来自嵌入式系统不同模式下的数据，对其进行可视化处理并显示出来，便于使用者读取有效信息；2)激励波形选择：上位机根据不同的工作模式，控制选择不同的激励波形；3)目标识别：包括提示目标有无，目标类型判断，定位、识别以及目标管理功能；4)数据保存：上位机可将接收到数据信息保存下来，以供后续调用；5)数据回放：上位机同时具备数据回放功能，可将保存的数据随时调用出来，以供研究和对比；6)目标成像：生成扫频和位置扫描的图像。
优选的，所述静态/动态宽带磁电探头采用同时具备静态磁场和动态磁场探测的能力的磁致伸缩/压电复合磁电敏感单元(基于磁致伸缩/压电复合磁电材料设计)，典型的，频率响应范围覆盖DC-500kHz或更高的上限频率。在其他实施例中，磁传感器也可以选择具备动态或静态磁场测量能力的磁通门传感器，典型的频率响应范围DC-1kHz。
具体地，利用两个磁致伸缩/压电复合磁电敏感单元，施加180°平行反相磁场激励，以非线性差分输出的方式设计静态/动态宽带磁电探头，可实现磁电响应灵敏度倍增、dc～0.9f带宽响应(f为激励磁场频率)，能够抑制外部振动噪声、热噪声及对消无用偶次谐波信号，提高敏感结构最低磁探测极限同时，便于低噪声系数传感电路设计，具体参考申：Chuang Ge,Leixiang Bian,Jiayang Li, Mingyou Zhong,Songtong Han,Yunfei Jia,Differential configuration of 180°anti-phase-modulatednonlinearmagnetoelectric effect of parallel-placed dualFeNiMoSiB/Pb(Zr1-xTix)O3composites for magnetic field sensing,Sensors and Actuators A 306,2020:111953。
具体地，静态/动态宽带磁电探头可置于激励线圈内部，如图1所示；也可置于发射线圈外部，如图2所示。
具体地，信号调理电路主要由微弱信号低噪声放大器和噪声滤波电路组成，提高传感器的信噪比以及将信号放大到A/D转换器需要的幅度。
较常规的，可采用FPGA和DSP协同设计嵌入式处理系统。
本发明包括三种探测模式，可以获取多模式下的数据，通过多源数据融合，提高目标探测和识别能力。通过工控机向嵌入式系统发送信息，选择不同的工作模式。
进一步地，不同工作模式如下：
(1)电磁感应时域模式
在嵌入式处理器控制下，波形产生模块产生脉冲激励波形，经功率放大器放大后送入激励线圈，从而产生电磁场对外辐射。地下的金属目标在磁场激励下产生涡流回波信号，静态/动态宽带磁电探头感应涡流回波信号后，产生微弱的电压信号，经过信号调理电路放大、滤波后，经A/D采集，送嵌入式处理器进行信号预处理后送上位机进行目标特征提取、定位和识别处理。
脉冲信号发送采样时序如图4所示，假设脉冲信号持续时间为t1，那么在脉冲关断后，嵌入式处理器启动信号调理电路和A/D采集器工作，假设关断和启动采集所用时间为t2，那么在t2时间后，涡流回波信号被采样的时间为t3，将 t3时间段内采集的数据送嵌入式处理器进行信号预处理后送上位机进行目标特征提取、定位和识别处理。可根据工控机重复发射-采样过程。
(2)电磁感应频率域模式
在嵌入式处理器控制下，波形产生模块产生不同正弦波叠加形成的多频率成分激励波形，经功率放大器放大后送入激励线圈，从而产生电磁场对外辐射。线圈中电流波形的函数为：
其中，n为不同频率的个数，
为第n个频率的波形，An为幅度，fn为频率，
为相位。
地下的金属目标在磁场激励下产生涡流回波信号，静态/动态宽带磁电探头感应涡流回波信号后，产生微弱的电压信号，经过信号调理电路放大、滤波后，经A/D采集，送嵌入式处理器利用正交锁相解调器组进行微弱信号检测，以获取复杂磁场环境下n个激励频率信号的幅值和相位，送上位机进行目标特征提取、定位和识别处理。
通过工控机软件，可设置宽带范围内的正弦激励信号(例如10Hz-500kHz)，而土壤对于不同频率的趋肤深度不同，通过宽带范围内扫描，就可以实现地层不同深度的扫描探测。
(3)地磁异常探测模式
在地磁异常探测模式下，激励线圈、信号产生模块和功率放大器不工作，即不主动发射激励信号，仅静态/动态宽带磁电探头和采集系统工作。该模式下，仅能够探测铁磁性的金属目标。由于铁磁性金属目标被地球磁场磁化，产生地磁异常，利用静态/动态宽带磁电探头的静态磁场和准静态磁场探测能力，感应地磁异常信号，经过信号调理和A/D转换后送嵌入式系统预处理后送上位机进行目标特征提取、定位和识别处理。
一种基于磁致伸缩/压电复合宽带磁电传感器的多模式探测方法，不同工作模式如下：
(1)电磁感应时域模式
在嵌入式处理器控制下，波形产生模块产生脉冲激励波形，经功率放大器放大后送入激励线圈，从而产生电磁场对外辐射。地下的金属目标在磁场激励下产生涡流回波信号，静态/动态宽带磁电探头感应涡流回波信号后，产生微弱的电压信号，经过信号调理电路放大、滤波后，经A/D采集，送嵌入式处理器进行信号预处理后送上位机进行目标特征提取、定位和识别处理。
假设脉冲信号持续时间为t1，那么在脉冲关断后，嵌入式处理器启动信号调理电路和A/D采集器工作，假设关断和启动采集所用时间为t2，那么在t2时间后，涡流回波信号被采样的时间为t3，将t3时间段内采集的数据送嵌入式处理器进行信号预处理后送上位机进行目标特征提取、定位和识别处理。可根据工控机软件设计，重复发射-采样过程。
(2)电磁感应频率域模式
在嵌入式处理器控制下，波形产生模块产生不同正弦波叠加形成的多频率成分激励波形，经功率放大器放大后送入激励线圈，从而产生电磁场对外辐射。线圈中电流波形的函数为：
其中，n为不同频率的个数，
为第n个频率的波形，An为幅度，fn为频率，为相位。
地下的金属目标在磁场激励下产生涡流回波信号，静态/动态宽带磁电探头感应涡流回波信号后，产生微弱的电压信号，经过信号调理电路放大、滤波后，经A/D采集，送嵌入式处理器利用正交锁相解调器组进行微弱信号检测，以获取复杂磁场环境下不同激励频率信号的幅值和相位，送上位机进行目标特征提取、定位和识别处理。
通过工控机软件，可设置宽带范围内的正弦激励信号(例如10Hz-500kHz)，而土壤对于不同频率的趋肤深度不同，通过宽带范围内扫描，就可以实现地层不同深度的扫描探测。
(3)地磁异常探测模式
在地磁异常探测模式下，激励线圈、信号产生模块和功率放大器不工作，即不主动发射激励信号，仅静态/动态宽带磁电探头和采集系统工作。该模式下，仅能够探测铁磁性的金属目标。由于铁磁性金属目标被地球磁场磁化，产生地磁异常，利用静态/动态宽带磁电探头的静态磁场和准静态磁场探测能力，感应地磁异常信号，经过信号调理和A/D转换后送嵌入式系统预处理后送上位机进行目标特征提取、定位和识别处理。
本发明包括三种探测模式，可以获取多模式下的数据，通过多源数据融合，提高目标探测和识别能力。通过上位机(即工控机)的软件(上位机软件功能如图2所示)向嵌入式系统发送信息，选择不同的工作模式。
本发明在降低装置重量、体积的同时，增加多传感器功能和数据融合处理能力，提高目标探测概率和分类识别能力，降低虚警概率。
Claims (6)
1.一种基于复合磁电传感器的多模式探测装置，其特征在于，包括激励线圈、波形产生模块、功率放大器、静态/动态宽带磁电探头、信号调理电路、A/D转换器、嵌入式处理器及工控机，所述嵌入式处理器与波形产生模块连接，多数波形产生模块与功率放大器连接，所述功率放大器与激励线圈连接，所述嵌入式处理器与信号调理电路连接，所述信号调理电路分别与静态/动态宽带磁电探头、A/D转换器连接，所述A/D转换器同时与嵌入式处理器连接，所述嵌入式处理器与工控机连接，所述工控机根据嵌入式处理器采集的数据进行目标特征提取、定位和识别处理。
2.根据权利要求1所述的基于复合磁电传感器的多模式探测装置，其特征在于，所述静态/动态宽带磁电探头采用磁致伸缩/压电复合磁电材料或敏感单元。
3.根据权利要求1或2所述的基于复合磁电传感器的多模式探测装置，其特征在于，所述静态/动态宽带磁电探头包括两个磁致伸缩/压电复合磁电敏感单元，两个磁致伸缩/压电复合磁电敏感单元180°平行反相磁场激励，以非线性差分输出信号。
4.根据权利要求1或2所述的基于复合磁电传感器的多模式探测装置，其特征在于，所述信号调理电路包括信号低噪声放大器和噪声滤波电路。
5.基于权利要求1～4任一所述装置的探测方法，其特征在于，包括：
(1)电磁感应时域模式
在嵌入式处理器控制下，波形产生模块产生脉冲激励波形，经功率放大器放大后送入激励线圈，产生电磁场对外辐射；
静态/动态宽带磁电探头感应涡流回波信号后，产生电压信号，经过信号调理电路放大、滤波后，经A/D转换器，送入嵌入式处理器进行信号预处理后发送给上位机进行目标特征提取、定位和识别处理；
(2)电磁感应频率域模式
在嵌入式处理器控制下，波形产生模块产生不同正弦波叠加形成的多频率成分激励波形，经功率放大器放大后送入激励线圈，产生电磁场对外辐射；
静态/动态宽带磁电探头感应涡流回波信号后，产生电压信号，经过信号调理电路放大、滤波后，经A/D转换器，送入嵌入式处理器利用正交锁相解调器组进行信号检测，以获取复杂磁场环境下n个激励频率信号的幅值和相位，送上位机进行目标特征提取、定位和识别处理；
(3)地磁异常探测模式
利用静态/动态宽带磁电探头感应地磁异常信号，经过信号调理和A/D转换后送嵌入式系统预处理后送上位机进行目标特征提取、定位和识别处理。
6.根据权利要求5所述的基于复合磁电传感器的多模式探测方法，其特征在于，电磁感应频率域模式下，线圈中电流波形的函数为：
其中，n为不同频率的个数，
为第n个频率的波形，An为幅度，fn为频率，
为相位。
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