一种埋设地雷的快速声光探测装置及探测方法与流程

本发明涉及地雷探测技术领域，尤其是一种埋设地雷的快速声光探测装置及探测方法，是声波探测地雷研究中地雷光学图像快速探测的探测装置及方法。

背景技术：

埋设地雷的安全和有效的探测是一个世界范围内的难题。常用的低频金属探测器基于电磁感应原理，在探测机理上无法有效探测金属含量较少的非金属地雷，可靠性低，并且由于其对金属弹片敏感，存在虚警率较高、探测效率低下等问题。其它如探地雷达技术、红外线热成像探雷技术、X射线探雷技术等成像技术，信号处理时间长，识别准确度差，无法有效分辨地雷、碎片、石块或其他埋藏物的种类；一些非成像技术，如中子探雷技术、核电四极矩共振探雷技术，通过检测地雷中炸药的核素反应或原子核的共振信号鉴别地雷，有较高的探测率和探测速度，但其系统复杂，价格昂贵，检测信号较弱，且会受到电磁场干扰，距离实用阶段还有一定距离。另外，生物式探雷方法(如探雷蜜蜂、探雷狗、探雷草和探雷发光细菌等)还处于探索和实验阶段，虽然虚警率较低但可靠性较差。

基于地雷机械特性的声共振探雷技术展示了良好的探测前景，其中地雷的声振特性是衡量地雷机械特性的一个重要特征。地雷的几何尺寸以及通常的埋藏深度，决定了地雷与其上方的埋藏土壤构成的谐振系统的共振频率在低频段，而地雷与其上方土壤构成出谐振系统在声波激励并发生共振的情况下，地雷的雷体罩的振动会表现出特定的声振特性，并影响到地表特定的振动状态。因此，通过检测地雷的声振特性可用于声波识别掩埋地雷的研究。

目前缺少商用或专用的埋设地雷快速声光探测装置，一个典型的埋设地雷快速声光探测装置应包括声波发射部分、光学测振部分以及数据的采集和处理单元。目前，在声波发射系统方面有商用产品，但缺少与埋设地雷的组合使用；在光学测振部分有专用设备，但结构复杂，测量速度较慢、受环境限制因素较多，无法实现大面积全场的接触式探测；在数据采集和处理单元方面有专用设备，但图像采集效果较差，图像信息难以解调。本发明正是针对这一关键技术进行展开的。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服目前尚无专用的埋设地雷的快速声光探测装置等方面的问题，提供一种埋设地雷的快速声光探测装置和探测方法，可实现对埋设地雷的高精度、快速全场和非接触测量。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种埋设地雷的快速声光探测装置，包括信号发生器、调音台、平衡器、功率放大器、扬声器、半导体激光器、扩束镜、反射镜、CCD相机、图像采集卡和计算机；所述信号发生器通过数据线依次连接所述调音台、所述平衡器、所述功率放大器和所述扬声器；所述CCD相机通过数据线依次连接所述图像采集卡和所述计算机；所述扩束镜和所述反射镜通过固定装置固定。

采用上述测量装置，一种埋设地雷的快速声光探测方法，具体实施步骤为：

(1)将待测地雷埋设于沙土中，使所述待测地雷上方的沙土完全覆盖所述待测地雷的上端圆面；

(2)将所述扬声器的发声端口正对埋设所述待测地雷的区域；

(3)将所述扩束镜进行固定，使所述半导体激光器发射的激光垂直通过所述扩束镜后，均匀照射在所述待测地雷的区域；

(4)调整所述反射镜的位置和角度并固定，使所述半导体激光器发射的激光经所述反射镜反射后进入所述CCD相机；

(5)调整所述CCD相机的位置和角度并固定，使照射在埋设所述测地雷区域的激光经反射后被所述CCD相机检测，与经所述反射镜反射后进入所述CCD相机的激光汇合形成干涉；

(6)将所述信号发生器发出频率为f0Hz的起始正弦波信号，通过所述调音台调节声压的大小，通过所述平衡器稳定信号波的强度，通过所述功率放大器放大功率后发出高强度正弦声波；

(7)保持所述信号发生器和所述扬声器的能量输出功率参数设置不变，将所述信号发生器发出的正弦声波信号频率增加1Hz，即发出正弦波信号的频率为(f0+1)Hz，利用通过数据线依次连接的所述CCD相机、所述图像采集卡和所述计算机测量并记录该频率声波激励下埋设所述待测地雷区域的散斑干涉图像；

(8)重复步骤(7)的操作，测量并记录正弦波信号的频率为(f0+2)Hz时的埋设所述待测地雷区域的散斑干涉图像；

(9)在所述计算机中，通过Matlab图像处理软件，利用相减模式对步骤(7)和步骤(8)中的两幅散斑干涉图像进行叠加处理，然后使用Matlab中的fft2函数做快速傅里叶变换，利用Matlab中的fftshift函数将变换后的图像频谱中心原点移到中心位置，最后对傅里叶变换结果取对数可视化，选择阈值，在所述计算机中计算出包含振动信息的干涉条纹图；

(10)采取与步骤(7)-(9)相同的步骤，在所述计算机中测量并记录至预设频率为(f0+N)Hz时的埋设所述待测地雷区域的散斑干涉条纹图；

(11)在所述计算机中由散斑干涉理论处理和分析步骤(9)-(10)中得到的所有散斑干涉条纹图，从条纹信息中解调出图像中各点的振幅信息；

(12)将步骤(11)中解调出的条纹图振幅信息绘制出对应埋设区域二维空间位置的三维图，得到埋设所述待测地雷区域在第fi阶固有频率对应的振动模态下的振型，其中，f表示固有频率，i＝1,2,…,m，m表示固有频率的阶数，采用所述计算机显示和记录，在三维图中振幅较大处即表示有埋设所述待测地雷。

与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的优点：

整个探测装置基于激光散斑干涉测振原理，具有结构简单、测量精度可达光波长级别、灵敏度高、全场快速测量和非接触式测量的优点，计算机处理图像采用相减模式，处理方便直观，可排除环境光的影响，应用场景广泛。

附图说明

图1是本发明的埋设地雷的快速声光探测装置结构示意图。

图2是埋设地雷的快速声光探测方法实施步骤框图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图论述如下：

参见图1，一种埋设地雷的快速声光探测装置，包括信号发生器101、调音台102、平衡器103、功率放大器104、扬声器105、半导体激光器106、扩束镜107、反射镜108、CCD相机109、图像采集卡110和计算机111；所述信号发生器101通过数据线依次连接所述调音台102、所述平衡器103、所述功率放大器104和所述扬声器105；所述CCD相机109通过数据线依次连接所述图像采集卡110和所述计算机111；所述扩束镜107和所述反射镜108通过固定装置固定。

本实施例中用到的信号发生器选择泰克科技(Tektronix)有限公司生产的AFG3022C型任意波形/函数发生器，扬声器选择音王(SoundKing)有限公司生产的JB215大功率音箱，调音台选择雅马哈(Yamaha)公司生产的mg8/2fx专业音频调音台，平衡器选择雅马哈(Yamaha)公司生产的Q2031B系列平衡器，功率放大器选择东莞东雅音响有限公司生产的PA系列功率放大器，CCD相机采用敏通企业有限公司生产的MTV-23X11HE CCD工业相机，图像采集卡选择嘉恒中自公司生产的OK_M20B高分辨率黑白图像采集卡，扩束镜和反射镜选择北京卓立汉光仪器有限公司生产的LBE系列激光扩束镜和反射镜，半导体激光器选择上海昊量光电设备有限公司生产的660nm激光器，计算机采用联想(Lenovo)系列电脑，待测地雷样品采用69式反坦克塑料教练地雷。

参见图1和图2，一种埋设地雷的快速声光探测方法，采用上述探测装置，本方法具体实施步骤为：

(1)将待测地雷112埋设于沙土113中，使所述待测地雷112上方的沙土完全覆盖所述待测地雷112的上端圆面114；

(2)将所述扬声器105的发声端口正对埋设所述待测地雷112的区域；

(3)将所述扩束镜107进行固定，使所述半导体激光器106发射的激光垂直通过所述扩束镜107后，均匀照射在所述待测地雷112的区域；

(4)调整所述反射镜108的位置和角度并固定，使所述半导体激光器106发射的激光经所述反射镜108反射后进入所述CCD相机109；

(5)调整所述CCD相机109的位置和角度并固定，使照射在埋设所述测地雷112区域的激光经反射后被所述CCD相机109检测，与经所述反射镜108反射后进入所述CCD相机109的激光汇合形成干涉；

(6)将所述信号发生器101发出频率为f0Hz的起始正弦波信号，通过所述调音台102调节声压的大小，通过所述平衡器103稳定信号波的强度，通过所述功率放大器104放大功率后发出高强度正弦声波；

(7)保持所述信号发生器101和所述扬声器105的能量输出功率参数设置不变，将所述信号发生器101发出的正弦声波信号频率增加1Hz，即发出正弦波信号的频率为(f0+1)Hz，利用通过数据线依次连接的所述CCD相机109、所述图像采集卡110和所述计算机111测量并记录该频率声波激励下埋设所述待测地雷112区域的散斑干涉图像；

(8)重复步骤(7)的操作，测量并记录正弦波信号的频率为(f0+2)Hz时的埋设所述待测地雷112区域的散斑干涉图像；

(9)在所述计算机111中，通过Matlab图像处理软件，利用相减模式对步骤(7)和步骤(8)中的两幅散斑干涉图像进行叠加处理，然后使用Matlab中的fft2函数做快速傅里叶变换，利用Matlab中的fftshift函数将变换后的图像频谱中心原点移到中心位置，最后对傅里叶变换结果取对数可视化，选择阈值，在所述计算机111中计算出包含振动信息的干涉条纹图；

(10)采取与步骤(7)-(9)相同的步骤，在所述计算机111中测量并记录至预设频率为(f0+N)Hz时的埋设所述待测地雷112区域的散斑干涉条纹图；

(11)在所述计算机111中由散斑干涉理论处理和分析步骤(9)-(10)中得到的所有散斑干涉条纹图，从条纹信息中解调出图像中各点的振幅信息；

(12)将步骤(11)中解调出的条纹图振幅信息绘制出对应埋设区域二维空间位置的三维图，得到埋设所述待测地雷112区域在第fi阶固有频率对应的振动模态下的振型，其中，f表示固有频率，i＝1,2,…,m，m表示固有频率的阶数，采用所述计算机111显示和记录，在三维图中振幅较大处即表示有埋设所述待测地雷112。