多时宽双极性脉冲金属探测器.docx

脉冲机器摘要本文提出了一种基于多时宽双极性脉冲电磁感应的金属探测方法，该方 法在保留了传统的电磁感应金属探测方法的高灵敏度特性的同时具有良好的背 景抑制特性，可适用于不同的探测环境，是探雷领域的一个新选择；同时经过相 应的算法扩展，可根据需求将该技术扩展到其他应用领域，如辨别不同材质金属 等。关键词多时宽双极性脉冲，电磁感应，金属探测，探雷A design of pulse induction metal detectorAbstract In this paper， a new metal detection technology that use multi-periods and bipolar pulses is proposed, which not only remains the traditional technologys high sensitivity but also has the ability to remove the response of all ground conditions. Its a good choice for mine detection. Also this technology can be applied in other domain with some algorithmic improvement, such as to distinguish metals with different conductivity.Keywords: multi-periods and bipolar pulses electromagnetic induction， metal detection， mine detection引言金属探测器可以用于检知隐藏的金属物件，早期主要用于军事上的扫雷1，随着电子技术的飞 速发展，金属探测技术也获得了长足的进步，探测性能不断提高，同时其应用范围也扩展到安检、地 质、探宝等众多领域。金属探测技术大多采用电磁感应原理，用一个探头产生一个磁场，如果探 测范围内有金属目标，那么这个目标会影响到磁场，通过检测磁场的变化来探测目标，当前具有代表 性的电磁感应法包括频域的平衡法与变换法和时域的脉冲感应法UH"本文提出了一种基于多周期双极性脉冲电磁感应的新型金属探测技术，该技术相较于传统的 金属探测技术具有更高的探测灵敏度及更高的土壤背景抑制能力，可解决当前探雷领域面临的多数探 测器土壤适应性差的问题；本文在介绍脉冲式电磁感应基本原理的基础上，对多周期双极性脉冲电磁 感应金属探测器的构成及工作原理做了基本介绍，并根据实验结果得出的一种可以用于分辨不同电导 率金属目标的有效方法。1.脉冲式电磁感应原理脉冲式电磁感应用于金属探测一般方法可描述为：通过探头发射一个周期性脉冲，如图1(a )所 示，产生电磁场向四周传播，如果碰到金属目标，在一个脉冲信号结束后，会在目标上感应出涡流， 涡流的方向式朝着原磁场消失的方向流动，即重建一个和原磁场一样的磁场，随着一次场的完全消失， 已经没有能量来维持涡流，因此该涡流亦会慢慢消失。涡流产生的二次场反作用于探头，在探头上感 应出一个很小的电压，这个电压和涡流的衰减率是一致的，并和发射脉冲的极性一致，方向是朝着阻 止原发射脉冲消失的方向，相当于在发射脉冲上叠加了一个拖尾信号，如图1(b)所示。通过检测该拖 尾信号从而达到检测金属目标。图1脉冲电磁感应原理拖尾信号衰减的快慢取决于目标的导电和导磁特性，纯磁性目标或着弱电导目标的二次感应信 号的衰减都很快，而铁磁性目标或者大尺寸目标的衰减率则比较慢。因此，可以通过检测拖尾的不同 区间来判别一些不同材质的目标。3.多时宽双极性脉冲电磁感应金属探测系统的设计和实现金属探测器主要用于检测埋于地下的金属目标，而一些目标埋设的土壤背景如磁性土和红土等 亦会产生电磁感应从而影响探测效果，因此如何抑制土壤背景的影响是当今金属探测领域的一大难 题。本文提出的多时宽双极性脉冲感应法可以很好的解决这个问题，在保证很高金属探测灵敏度的同 时抑制掉土壤背景的干扰。据试验结果表明，土壤背景与金属目标对发射脉冲的响应特性是不同的， 不同材质的金属对不同时宽脉冲信号的相应特性亦不相同，如图2所示，红色虚线表示金属目标的衰 减曲线，绿色曲线表示土壤背景的衰减曲线，可见金属目标的衰减曲线基本不随脉冲宽度变化而变化， 而土壤背景的衰减曲线则依据不同的脉冲宽度有很大的变化。因此可以通过一定的算法处理得到突出 金属目标而抑制土壤背景的目的。采用双极性脉冲发射是为了平衡发射功率，避免单极性脉冲对被探 测目标金属部分电荷失衡，甚至引起部分靠电磁感应式触发的地雷的引爆。邱岬昭P"u GraLMrefiMnsa图2不同时宽脉冲发射下的目标与土壤背景反应曲线本文研究的多时宽双极性脉冲感应金属探测系统主要由探头、发射电路、接收电路、数据处理 单元组成，如图3所示。图3系统原理框图发射电路产生周期性脉冲波形激励探头发射磁场，其一个周期的脉冲发射波形如图4所示，由 一个正高窄脉冲和两个低负脉冲构成，正负脉冲的幅值及脉宽比例保证发射正负功率的平衡。正高豚冲低负豚神低负豚冲图4多周期双极性脉冲波形由前面介绍可知，金属目标和土壤背景的响应主要集中在脉冲的拖尾信号部分，同时两者对不 同宽度脉冲的衰减特性是不一样的即在拖尾信号的反应区间是不同的。在此，我们引入了分时取样积 分放大技术，通过接收电路产生多路取样开关，分别截取拖尾信号的不同区间信号，如图5所示，最 后通过积分放大电路将截取的信号积分放大成两路直流电平输出，分别命名为A通道和B通道。其中 A通道则截取的是金属目标反应最敏感的区间，B通道截取的部分包含了整个拖尾信号的衰落区间， 反应了所有感应信号的综合衰落特性。将两路输出信号值经过A/D采样输入至数据处理单元。数据处理单元产生各种时序控制信号控制系统的运行，包括发射脉冲控制信号、接收选通控制 信号、回波取样开关信号等；同时数据处理单元的另一大功能就是对上述所得两路电平信号进行处理， 达到抑制背景干扰的目的。在此，我们以B通道作为背景通道，以A通道作为目标反应通道，绘制A 通道相对于B通道的反应曲线，对各种无金属目标的土壤背景建立不同的Vb-Va特性曲线集合，并把 该集合作为有无目标的判别区域，当采样得到的vb-va曲线在无金属目标的土壤背景的vb-va特性曲线 集合之内，则视为无目标，反之，则视为有金属目标，既可作报警处理。如图6所示，以72式反步兵 地雷为目标，分别采集该目标在磁性土壤背景下不同埋深（2cm、5cm、10cm）情况下的 七七曲线以及 无目标埋设vb-va曲线。O No targel + 2cm 4 5cm WarnWmV图6磁性土壤环境中72雷不同埋深下的Vb-Va探测曲线图可见，和设想的一致，有无目标及目标不同埋深下所呈现的曲线具有不同的斜率特性，因此可 以首先采集当前土壤背景下无目标曲线并设为预值，探测时采集当前值与预值比较，超出一定范围则 认定为有金属目标，否则视为无目标，从而去除土壤背景的影响。4.脉冲式电磁感应法区分不同材质金属由脉冲式电磁感应的基本原理可知，目标信号的影响主要体现在脉冲的拖尾上，而拖尾信号衰 减的曲线取决于目标的导电和导磁特性，前面介绍了消除土壤背景干扰的方法本质也是利用了土壤与 金属的电磁特性不同。而不同金属由于其导电特性的不同，是否也能得到相应的方法来区分不同材质 金属，例如只检测金银等贵重金属呢？在此，我们选用了几种常用的金属（金、银、铜、铝、锡）做了 多组实验，并将采集的数据绘制成图7所示的Vb-Va曲线图：不同村球金两相匝制性盼眺«嘎423 eeet图7不同材质金属的Vb-V曲线图其中对铜、铝、锡三种材料分别选用了三种大小的尺寸进行了实验，如上图所示可以发现其曲 线基本重合，说明对于相同材质的金属，其响应曲线具有一致性，大小的区别只影响反应的幅度。图 中边沿处曲线的突变是由于金属目标过大而导致的饱和状态。由图7可见，金和银的反应曲线斜率相 差不大，铜和锡的反应曲线斜率相差不大，而铝的反曲线应斜率和前述的均不相同。而造成反应曲线 斜率相差的原因正是由于各金属的电导率不同，因此各自在脉冲拖尾信号的响应敏感区间不同，在采 样区间相同的情况下就出现了有的反应强，有的反应弱，直观的结果就是表现在反应曲线斜率的不同。 显然，通过一定的算法处理，可以很方便的将几类金属区分开。例如只想检测金银等贵重金属时，可 以通过预置一定的斜率区间作为目标检测区间，当采样的值在预置区间之内则报警，否则不报警，从 而将金、银和铜、锡、铝等区分开。同样，可以通过灵活的算法调节，实现各种检测目的。5.结论本文在脉冲式电磁感应原理的基础上，设计出了一种新型的多周期双极性脉冲电磁感应金属探 测器，该探测器在实验中已经证明能够有效地解决当前地雷探测领域抗背景干扰能力差的问题，同时 又具有很高的探测灵敏度，可适用于不同的探测环境，是探雷领域的一个新选择。同时经过灵活的算 法扩展证明，该技术亦可应用于其他领域，例如用于贵重金属的探测、不同金属区分等等。总之，该 技术具有很强的生命力，是值得更深入研究的新技术。