一种精确测量未爆弹特征响应的测量与标定方法与流程

本发明属于目标检测与识别的技术领域，具体涉及利用专门设计的装置，在实验室内对各种未爆弹的特征响应进行精确测量的理论与方法，这些特征响应可用于建立特征响应数据库，作为系统在实际探测时对各种目标的识别依据。

背景技术：

未爆弹主要指战争或其他军事活动后遗留的尚未引爆的地雷、炮弹、航弹等。这些弹药散布于地表或地下极浅位置，严重威胁人们的生命安全，影响当地社会与经济发展。瞬变电磁法由于探测效率高、对目标识别能力强，因此被广泛用于未爆弹探测。

作为一种金属探测方法，完整的未爆弹与大量破碎的金属弹片等均可引起瞬变电磁系统响应异常。如何根据异常响应来判断探测对象的类型，是瞬变电磁系统探测未爆弹药的关键。通过建立一个包含各种类型未爆弹特征响应数据库，作为实际探测时识别目标体的依据，可以有效地提高系统对探测对象的识别能力。因此建立一个包含各种未爆弹特征响应的数据库对于目标识别至关重要。本发明提出了一种能够精确测定各种未爆弹特征响应的测量与标定方法，此方法能够在实验室中准确测量未爆弹特征响应，以建立各种未爆弹的特征响应数据库。

由文献“陈曙东,郭树旭,张爽等，几种典型近地表有限导体瞬变电磁特征响应研究[j].地球物理学报,2017,60(1):403-412.”可知，大部分未爆弹为轴对称结构，具有两条特征响应：沿主轴方向的纵轴特征响应、垂直于主轴方向的横轴特征响应。现有技术在测量这两条特征响应，构建特征响应数据库时，不考虑目标体大小，采用发射线圈直接激励目标体，根据接收到的二次场，通过反演计算得到目标体的特征响应。这种方法有以下不足：首先，实际目标体有一定体积，各个位置受到的一次场并不相同，这将导致特征响应测量误差；其次，测量时大地以及其他背景响应并未扣除，因此导致特征响应偏大；最后，由于受到信号饱和与噪声的影响，测得目标体特征响应严重畸变，利用这些畸变的特征响应构建数据库，将降低目标识别的准确性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出一种精确测量未爆弹特征响应的装置，并以此装置为基础发展出一套对未爆弹特征响应进行测量的方法，实现未爆弹特征响应精确测量；根据未爆弹纵轴与横轴方向特征响应设计不同的测量装置，利用标定方法提高测量的准确性。

本发明为解决要解决的技术问题，给出如下技术方案。1)构建未爆弹特征响应测量的特殊装置；2)利用背景扣除方法测量未爆弹纵轴和横轴的响应；3)分别测量未爆弹响应的早期部分与晚期部分；4)对目标体响应进行标定并进行数据联合，以提高特征响应的测量精度。

本发明的目的是通过以下具体技术方案实现的：

一种精确测量未爆弹特征响应的测量和标定方法，步骤包括构建未爆弹特征响应测量装置，利用背景扣除方法测量未爆弹的纵轴方向响应和横轴方向响应，测量未爆弹早期响应和晚期响应，对未爆弹响应进行标定获得特征响应，最后进行早期特征响应和晚期特征响应数据联合；

所述的构建未爆弹特征响应测量装置，是利用长直螺线管、矩形线圈组和接收线圈构成测量装置，长直螺线管与矩形线圈组作为激励线圈，分别从纵轴与横轴方向激励未爆弹；接收线圈接收未爆弹产生的纵轴和横轴两个方向的二次场；

所述的利用背景扣除方法测量未爆弹纵轴方向响应，是将未爆弹置于长直螺线管中，测量其纵轴方向总响应；取出未爆弹，再次测量纵轴方向背景响应，将纵轴方向总响应减去纵轴方向背景响应得到未爆弹纵轴方向响应；所述的利用背景扣除方法测量未爆弹的横轴方向响应，是将未爆弹置于矩形线圈组中，测量其横轴方向总响应；取出未爆弹，再次测量横轴方向背景响应，将横轴方向总响应减去横轴方向背景响应得到未爆弹横轴方向响应；

所述的测量未爆弹早期响应和晚期响应，是调整接收线圈与未爆弹之间的距离h，当未爆弹与接收线圈距离较远时测量未爆弹响应的早期部分、距离较近时测量未爆弹响应的晚期部分。

所述的对未爆弹响应进行标定，是将接收线圈分别放置在长直螺线管与矩形线圈组中，并向长直螺线管与矩形线圈组中通正弦电流，同时记录接收线圈中的感应电压，根据激励线圈中的电流与接收线圈中的感应电压计算得到特征响应的标定系数；通过标定得到未爆弹特征响应；

所述的进行早期特征响应和晚期特征响应数据联合，是按信号强度与h³成反比的关系缩小晚期响应的信号强度，使纵轴方向的晚期特征响应与早期特征响应完成合适的联合对接，得到完整的未爆弹的纵轴方向特征响应曲线，使横轴方向的晚期特征响应与早期特征响应完成合适的联合对接，得到完整的横轴方向特征响应曲线。

更具体的过程分别叙述如下。

所述的长直螺线管，是密绕的螺线管，长度大于被测未爆弹长度的2倍,以保证长直螺线管中激励场的均匀性；所述的矩形线圈组，由一对同轴平行的矩形线圈串联构成，中心区域激励场幅度的一致性高于95％。

所述的纵轴方向总响应，是在接收线圈与未爆弹之间的距离为h1时，记录长直螺线管中发射电流幅度ipa1和接收线圈的实测响应vpa1，纵轴方向总响应为vpa1/ipa1；所述的纵轴方向背景响应，是将长直螺线管空置，记录长直螺线管中发射电流幅度ipb1和接收线圈的实测响应vpb1，纵轴方向背景响应为vpb1/ipb1，则纵轴方向响应为所述的横轴方向总响应，是在接收线圈与未爆弹之间的距离为h1时，记录矩形线圈组中发射电流幅度iva1和接收线圈的实测响应vva1,横轴方向总响应为vva1/iva1；所述的横轴方向背景响应，是将矩形线圈组空置，记录矩形线圈组中发射电流幅度ivb1和接收线圈的实测响应vvb1，横轴方向背景响应为vvb1/ivb1；则横轴方向响应为

所述的测量早期特征响应，是在接收线圈与未爆弹之间的距离为h1时分别测得的纵轴方向响应lp1和横轴方向响应lv1；所述的测量晚期特征响应，是将接收线圈与未爆弹之间的距离为h2，且h2小于h1(通常取h1的30％～50％)，重复接收线圈与未爆弹之间的距离为h1时的测量过程，得到纵轴方向响应和横轴方向响应

所述的对未爆弹响应进行标定，是将接收线圈分别放置于长直螺线管与矩形线圈组中，分别在长直螺线管、矩形线圈组中通以频率为f、幅度为ic的正弦电流，记录接收线圈中信号vc，根据公式分别得到纵轴方向的标定系数k1和横轴方向的标定系数k2；再按下列公式得到未爆弹早期特征响应lp1，lv1和晚期特征响应lp2，lv2：和

所述的早期响应与晚期响应进行数据联合，所述的早期响应与晚期响应进行数据联合，是使早期特征响应lp1与晚期特征响应lp2完成联合对接，得到完整的未爆弹的纵轴方向特征响应曲线；是使早期特征响应lv1与晚期特征响应lv2完成联合对接，得到完整的横轴方向特征响应曲线。具体的可以是：从lp2的第一个不畸变数据开始(假设为第n个数据)，一直取到最后一个数据，作为lp的晚期响应；从lp1的第一个数据开始，连续取n-1个数据，作为lp的早期响应，得到完整的纵轴方向特征响应lp；从lv2的第一个不畸变数据开始(假设为第n个数据)，一直取到最后一个数据，作为lv的晚期响应；从lv1的第一个数据开始，连续取n-1个数据，作为lv的早期响应，得到完整的未爆弹的横轴方向特征响应曲线lv。

通过对各种型号的未爆弹进行测量得到一对纵轴方向特征响应曲线和横轴方向特征响应曲线，就可以构成未爆弹特征响应的数据库。将传感器探测到的地下目标体(即未爆弹)信号与特征响应的数据库对比，就可以确定地下目标体较详细的信息。

本发明是在实验室内对各种未爆弹的特征响应进行精确测量的理论与方法，这些特征响应可用于建立特征响应数据库，作为系统在实际探测时对各种目标的识别依据。本发明与现有技术比较，实现对未爆弹特征响应的精确测量，提高对目标识别的准确性。

附图说明

图1是未爆弹的三维感应偶极子模型。

图2是特征响应测量时序图。

图3是特征响应的测量装置示意图。

图4是纵轴特征响应测量示意图。

图5是横轴特征响应测量示意图。

图6是不同距离下特征响应测量示意图。

图7是特征响应标定示意图。

图8是实施例2实测得到的特征响应lp(t)、lv(t)图。

具体实施方式

实施例1：本发明测量方法的进一步分析(下文中的目标体就是未爆弹)。

1、未爆弹特征响应的定义

如图1所示，未爆弹在脉冲磁场hp(一次场)的激励下感应出涡旋电流，涡流在空间中产生的磁场(二次场)可以被等效为一组中心重合、方向正交的偶极子m＝(mx，my，mz)在空间中产生的磁场，空间中p点处二次场h可计算为：

(1)式中，r为p点的位置矢量，r为r的模值，er为平行于r的单位矢量。

当未爆弹主轴平行于z轴时，偶极子m计算为：

轴对称目标体的βxx＝βyy，统称为目标体沿横轴方向的磁极化强度，βzz为目标体沿纵轴方向的磁极化强度，hpx、hpy、hpz为一次场的三个分量。将磁极化强度对时间导数的相反数定义为目标体的特征响应：

根据(3，4)式，将lp(t)称为目标体的纵轴特征响应，lv(t)称为目标体的横轴特征响应。

2、瞬变电磁探测未爆弹特征响应的基本原理

利用瞬变电磁系统测量未爆弹特征响应进行时，发射机通过长直螺线管和矩形线圈组分别产生均匀脉冲磁场激励未爆弹，接收线圈在脉冲磁场消失期间，测量未爆弹响应，测量时序如图2所示。

图2中，在0-t0时间段内，发射机通过激励线圈产生脉冲磁场，激励目标体。在t0时刻磁场瞬间关断，目标体中将感应出涡旋电流，涡流产生的二次场从t0时刻开始在较长时间内缓慢衰减并被接收线圈记录，包括纵轴与横轴特征响应。

按照离关断时刻t0的远近，目标体的响应可以分为早期响应和晚期响应，早期响应距离t0近，响应幅度大容易饱和；晚期响应距离t0远，响应幅度低信噪比低。本发明提出的精确测量出目标体的纵轴、横轴特征响应的装置与方法，通过调整接收线圈与目标体之间的距离，首先将接收线圈与目标体之间距离设置为h1，以至于接收的信号处于不畸变的最大状态，测量未爆弹的早期响应；调整接收线圈与发射线圈距离为h2，h2小于h1，测量未爆弹的晚期响应；再按信号强度与h³成反比的关系将信号强度对距离h进行归一，使晚期响应的信号与早期响应的信号完成合适的联合对接，提高未爆弹特征响应测量的准确性。

3、未爆弹特征响应的测量装置

未爆弹特征响应需要在沿主轴或垂直主轴的均匀磁场激励下获得，一般发射线圈不能够在大范围内产生均匀一次场，本发明针对轴对称目标体纵轴与横轴特征响应分别设计了长直螺线管线圈与矩形线圈组，以产生均匀一次场，如图3所示。

图3(a)中，长度为l，直径为d的n0匝长直螺线管产生沿轴向均匀分布的脉冲磁场，用于激励目标体沿主轴方向的特征响应，保证目标体各个部分受到相同的一次场激励，大大提高目标体纵轴特征响应测量的精度。图3(b)中，使用一对矩形线圈串联的方式，在两个矩形线圈的中间，产生沿z方向的均匀磁场，脉冲磁场的均匀程度可以达到95％以上，以此磁场激励并测量目标体横轴特征响应，保证测量的准确性。

4、基于背景扣除的特征响应的测量方法

在测量目标体特征响应时，响应中不仅包含目标体的响应，还包含周围环境响应，因此本发明采用背景扣除的方法，消除环境响应对目标体特征响应测量的影响，测量示意图如下：

(1)纵轴特征响应的背景响应

先将长直螺线管空置，不放入目标体，将接收线圈放置于长直螺线管正下方h1处，接收线圈的轴向平行于长直螺线管轴向，如图4(a)所示。记录发射电流幅度ipb1，记录实测响应vpb1。

(2)纵轴特征响应的总响应

将目标体放入长直螺线管中心，方向平行于长直螺线管，接收线圈仍位于长直螺线管正下方h1处，方向平行于长直螺线管轴向，如图4(b)所示。记录发射电流幅度ipa1，记录实测响应vpa1。

将上述两组实测响应对其发射电流进行归一化处理，得到在单位发射电流激励下，目标体沿纵轴方向响应lp1：

(3)横轴特征响应的背景响应

先将矩形线圈组空置，不放入目标体，将接收线圈放置于矩形线圈组正下方h1处，方向平行于矩形线圈轴向，如图5(a)所示。记录发射电流幅度ivb1，记录接收电压vvb1。

(4)横轴特征响应的总响应

将目标体放入矩形线圈中心处，使目标体轴向平行于矩形线圈长边方向，将接收线圈放置于线圈正下方h1处，方向平行于矩形线圈轴向，如图5(b)所示。记录发射电流幅度iva1，记录接收电压vva1。

将上述四组数据进行处理，得到在单位发射电流激励下，目标体沿横轴方向响应lv1：

5、不同距离下纵轴方向响应、横轴方向响应的测量方法

为提高测量精度，在测量纵轴、横轴特征响应时，通过调整接收线圈与目标体之间的距离，使接收线圈中信号幅度最大且不畸变，距离记为h1，测量目标体的早期响应；再将接收线圈与目标体距离减小为h2(通常取h1的30％～50％)，测量目标体晚期响应。最后将远距离测量得到的早期响应与近距离测量得到的晚期响应进行联合，得到目标体完整的特征响应。依据此方法，将接收线圈与目标体距离减小到h2，如图6所示。

按照上述方法重复测量，再次得到8组数据vpa2，vpb2，ipa2，ipb2，vva2，vvb2，iva2，ivb2。根据这8组数据分别计算得到lp2，lv2。

6、对测量结果进行标定

上面测量所获得的(5-8)式只包含未爆弹特征响应随时间的衰减信息，并不包含特征响应的幅度信息，本发明提出采用标定方法准确获得特征响应的幅度信息，具体方法如下：

将接收线圈放于目标体位置，如图7所示。在发射线圈中通以频率为f，幅度为ic的正弦电流，测得接收线圈中信号vc，于是有：

vc＝-2πfsbc＝-2πficb0s(9)

(9)式中，bc为接收线圈处的磁场，b0为线圈中单位电流产生的磁场，s为接收线圈的等效面积。由(9)得到：

上式中k为发射、接收系统的标定系数。对于长直螺线管与矩形线圈组的标定系数分别为k1，k2。由于k为标定结果，利用k来计算未爆弹特征响应的幅度，其精度远远高于直接计算的结果。根据标定系数k1，k2以及距离h1，h2将lp1，lv1，lp2，lv2这四组数据进行标定，得到未爆弹特征响应lp1，lv1，lp2，lv2：

7、对特征响应进行数据联合

对lp1与lp2进行数据联合，方法如下：从lp2的第一个不畸变数据开始(假设为第n个数据)，一直取到最后一个数据，作为lp的晚期响应，从lp1的第一个数据开始，连续取n-1个数据，作为lp的早期响应，得到完整的未爆弹纵轴方向特征响应曲线lp。从lv2的第一个不畸变数据开始(假设为第n个数据)，一直取到最后一个数据，作为lv的晚期响应；从lv1的第一个数据开始，连续取n-1个数据，作为lv的早期响应，得到完整的未爆弹横轴方向特征响应曲线lv。

实施例2测量长度为27cm，直径为82mm迫击炮弹的特征响应

1、建立未爆弹特征响应的测量装置。

建立如图3所示的一对特征响应测量装置：长直螺线管长度为120cm，直径为22cm，共30匝，均匀分布，作为纵轴特征响应的测量装置。矩形线圈组由两个同向串联的矩形线圈构成，每个矩形线圈长100cm，宽60cm，匝数为12，两个矩形线圈平行共轴放置，距离36cm，构成横轴特征响应测量装置。

2、未爆弹纵轴特征响应测量。

如图(4)所示，将接收线圈置于长直螺线管正下方h1＝100cm处，使接收线圈的法向平行于长直螺线管轴线方向，用于接收目标体产生二次场。

(1)响应测量过程

a、背景场响应测量：先将长直螺线管空置，不放入目标体，如图4(a)所示。在发射线圈中通以峰值为9a的发射电流ipb1。采集接收线圈中感应的背景场响应，将测量结果命名为lpb1进行保存。

b、总场测量：将82mm迫击炮弹置于长直螺线管中心位置，使其主轴方向与长直螺线管方向一致，如图4(b)所示。在发射线圈中通以峰值为9a的发射电流ipa1。采集接收线圈中感应的总场响应，将测量结果命名为lpa1进行保存。

(2)调整测量距离

调整接收线圈与目标体距离为h2＝40cm，如图6(a)所示。按照上述(1)的方法重复测量，记录得到发射电流幅度ipb2为9a，ipa2为9a，背景场响应vpb2以及总场响应vpa2。

(4)特征响应标定

为了提高测量的准确性，对实测数据进行标定，具体如下：

a、将接收线圈放于长直螺线管中心位置，如图7(a)所示。

b、在长直螺线管中通以频率为2khz，幅度为0.6557ma的正弦电流，测得接收线圈中信号幅度0.9v，根据公式(10)，计算得到纵轴特征响应的标定系数k1＝0.1092。

根据(5)、(7)、(11)、(13)计算得到目标体纵轴特征响应lp1(t)、lp2(t)，并根据步骤7将lp1(t)、lp2(t)进行联合，得到未爆弹纵轴特征响应lp(t)，如图8所示。

3、未爆弹横轴特征响应测量

将接收线圈置于矩形线圈组正下方h1＝100cm处，使接收线圈的法向方向平行于矩形线圈组的轴向方向，用于接收目标体产生二次场。

(1)响应测量过程

a、背景场响应测量：先将矩形线圈组空置，不放入目标体，如图5(a)所示。在发射线圈中通以峰值为7a的发射电流ivb1。采集接收线圈中感应的背景场响应，将测量结果命名为vvb1进行保存。

b、总场测量：将82mm迫击炮弹置于矩形线圈组中心位置，使其主轴方向与矩形线圈组长边方向一致，如图5(b)所示。在矩形线圈组中通以峰值为7a的发射电流iva1。采集接收线圈中感应的背景场响应，将测量结果命名为vva1进行保存。

(3)调整测量距离

调整接收线圈与目标体距离为h2＝40cm，如图6(b)所示。按照上述(1)、(2)的方法重复测量，记录得到发射电流幅度ivb2为7a，iva2为7a，背景场响应vvb2以及总场响应vva2。

(4)特征响应标定

为了提高测量的准确性，对实测数据进行标定，具体如下：

a、将接收线圈放于目标体位置，如图7(b)所示。

b、利用信号源，在发射线圈中通以频率为8khz，幅度为1.3115ma的正弦电流，测得接收线圈中信号幅度0.9v，根据公式(7)，计算得到纵轴特征响应的标定系数k1＝0.0137。

根据(6)、(8)、(12)、(14)计算得到目标体横轴特征响应lv1(t)、lv2(t)，并将lv1(t)、lv2(t)进行联合，得到未爆弹横轴特征响应lv(t)，如图8所示。

通过测量与标定所获得的82mm迫击炮弹的一组特征响应lp(t)、lv(t)如图8所示。