刘 闯， 吴燕民， 朱今祥， 葛 薇， 元勇虎， 王成浩， 彭正辉

(中国电波传播研究所， 青岛 266107)

地雷是一种历史悠久的兵器，在现代战争中仍然充当着不可或缺的角色，目前世界上残存的地雷约1亿枚以上。自2015年以来，地雷造成的伤亡事件急剧上升，并且一直居高不下，仅2017年，全球53个国家和地区至少有七千起伤亡事件和地雷相关，其中有87%的受害者为平民[1]。地雷给人民的生命安全带来了巨大的威胁，如何快速、高效、安全地探测地雷成为各国研究的热点问题。

目前地雷探测技术主要有低频电磁感应[2-5]、探地雷达、超声[6]、磁法、红外成像、核四极矩共振及中子探测技术等，这些探测技术基本原理都是根据地雷结构中某一部分材料与周围介质的物理特性差异进行探测，然而由于实际的探测环境复杂多变，存在各种干扰物，导致每种探测技术都存在一定的局限性，从而在探测过程中会产生虚警。例如低频电磁感应技术，主要以探测地雷中的金属部件来实现对目标的探测，当遇到弹壳、铁钉等没有危险的金属目标时会对探测造成干扰，产生虚警信号。其他技术亦有类似的局限性，产生较高虚警。各种技术单独使用时均存在难以克服的原理性虚警问题，但是各种探测技术的干扰性质互不相同，所以，将多种技术融合在一起解决单一探测原理引起的虚警问题成为当今地雷探测领域研究的热点。

国外较早开展对复合探测技术的研究并形成了一些成熟的复合探雷器产品。例如，德国Vallon公司的VMR3、美国的Cyterra公司的AN/PSS-14及俄罗斯GEOTECH公司的PPO-2等[7]；国内开展相关研究起步较晚，目前仅有一款定型的复合探雷器装备，由中国电子科技集团公司第二十二所研制，该探雷器定型较早，与目前世界上最先进的探雷器性能还有差距。因此，开展新型复合探雷器的研究具有重大意义。现在电磁感应(electromagnetic induction, EMI)和探地雷达技术(ground-penetrating radar, GPR)原理基础上，创造性地将两种技术融合工作，提出一套基于两种技术复合的地雷探测系统，研究该系统的设计方案、工作原理、融合处理方法，并开展实验验证。

1 EMI和GPR原理

1.1 EMI原理

基于EMI原理的金属探测器(metal detector, MD)工作原理可如图1所示，发射电路产生交变电流驱动发射线圈，使其产生向周围辐射的磁场，当附近存在金属目标时，该磁场会在目标上感应出涡流，同时该涡流亦会产生反作用于发射磁场的二次场， 使原磁场发生变化并作用于检测线圈，在检测线圈上产生相关的感应信号，通过信号处理单元对该信号进行处理并报警，从而实现对金属目标的检测[8-10]。

图1 基于EMI原理的金属探测器工作原理

1.2 GPR原理

探地雷达发射的是高频脉冲电磁波，理论基础是平面谐波在介质中的传播规律，利用了电磁波在不同介质中传播反射的特性。探地雷达工作时，在雷达主机控制下，脉冲源产生周期性的毫微秒信号，并直接馈给发射天线，经由发射天线耦合到地下的信号在传播路径上遇到介质的非均匀体(面)时，如介质的相对介电常数ε不同，产生反射信号，如图2所示。电磁波在传播过程中遇到介电常数有差异的媒质时就会在界面上发生反射，同时，产生折射。位于地面上的接收天线在接收到地下回波后，直接传输到接收机，信号在接收机经过整形和放大等处理后，经电缆传输到主机，经处理后，对信号依照幅度大小进行编码，并以伪彩色电平图/灰色电平图或波形堆积图的方式显示出来，经事后处理，可用来判断地下目标的深度、大小和方位等特性参数。地下埋藏金属和塑料地雷都与其周围土壤的介电特性有着较大差别，从而将对入射电磁波产生强反射，从而被GPR处理后显示出来[11]。

图2 GPR工作原理

2 复合探雷器系统设计

通过研究EMI和GPR的工作原理可知，EMI技术主要通过检测磁场在金属目标上产生的涡流实现对目标的探测，而GPR技术则是通过检测电磁波在目标的反射回波来探测目标，二者检测原理不同；另一方面，影响EMI技术检测的主要因素是介质的电导率和磁导率，而影响GPR探测性能的主要因素是介质的介电常数，二者的干扰因素不同。基于此，二者可以融合一起工作。根据二者的原理研发的复合探雷系统如图3所示，主要由电磁感应模块、探地雷达模块、复合探头模块、融合处理模块、电源模块、显控模块构成。

图3 复合探雷系统框图

2.1 电磁感应模块

电磁感应模块主要包括电磁感应控制处理单元、发射电路、接收电路，如图4所示。电磁感应控制处理单元是电磁感应模块的控制处理中心，主要实现对感应信号的检测、处理并输出检测数据，同时产生各种控制信号，如发射控制信号和接收控制信号等，该单元由微处理器、数模转换(A/D)转换电路、复杂可编程逻辑器件(CPLD)辅助电路等组成；发射电路在发射控制信号的作用下产生脉冲驱动探头发射交变磁场，发射电路是电磁感应模块的重要组成部分，其发射脉冲波形的噪声大小、波形稳定度以及能量大小不仅影响其探测深度，甚至影响整个探雷器的探测性能；接收电路的功能是对电磁感应探头二次感应信号的接收、滤波、放大，从接收信号中分离出包含目标二次感应的敏感区域。

图4 电磁感应模块原框图

2.2 探地雷达模块

探地雷达模块主要由雷达处理控制单元，脉冲信号发生器，信号接收机等构成，如图5所示。雷达控制处理单元主要负责各元器件的同步控制，数据处理和传输功能；脉冲信号发生器主要实现脉冲信号的生成，是探地雷达系统的工作起点，脉冲信号的带宽、幅度以及波形决定了雷达系统的整体带宽，脉冲信号宽度越窄、幅度越大其携带的瞬时能量越大，雷达系统后续接收到回波信号的特征值越明显，主要由差动放大电路、整形网络和功率放大电路构成；信号接收机主要负责信号采集前的增益放大以及信号采集，包括低噪放放大电路、等效采样取样门电路、CPLD及A/D等外围辅助电路。

图5 探地雷达模块原理图框图

2.3 复合探头模块

复合探头模块复合了电磁感应收发线圈和雷达收发天线，将两种传感器集成在一起，降低相互之间的干扰十分关键[12]。雷达收发天线要置于电磁感应线圈内部，因此天线的体积及收发天线的间距受限于金属线圈的直径，这就限制了许多雷达天线的使用，同时为了尽量减小对金属线圈的影响，要求其金属含量低，因此本方案选用了小型蝶形收发天线，如图6所示，雷达天线至于金属线圈的中央位置。

图6 复合探头设计

2.4 融合模块

融合处理单元是整个系统的数据处理中心，一方面对雷达控制单元和电磁感应模块实现控制，另一方面接收电磁感应数据和雷达数据，对雷达数据和电磁感应数据的处理是融合处理单元的重要功能，数据具体处理流程如图7所示，主要包括背景学习、探地雷达(GPR)及金属探测器(MD)数据预处理、特征提取、识别、数据库建立及更新、融合处理和目标识别等。

2.5 其他模块

显控模块主要负责人机交互功能，可以实现灵敏度、声音、屏幕亮度调节，参数设置，工作模式选择等功能，还可以显示处理后的数据图像结果；电源模块实现电压转换，为各模块提供合适的工作电压，主要包括直流电源转换器(DC-DC)及电源线性稳压器(LDO)电路等。

2.6 系统的工作流程

复合探雷系统有3种工作模式，可以根据不同的应用环境进行适当的选择，工作流程如图8所示，设备上电后，系统各模块先进行自检，待自检正常后，设备进入工作状态，先用测试件测试电磁感应探测和雷达探测功能是否正常；功能检测正常后，操作者可根据当前的探测需求，对设备工作模式进行选择，有MD+GPR模式(复合探测模式)、MD模式(仅电磁感应模块工作)及GPR模式(仅雷达模块工作)三种模式可供选择，待工作模式确定后即可系统进行相应的功能调节(如灵敏度、音量、显示等功能)，最后对当前土壤背景进行学习后即可进入探测工作。

图8 系统工作流程

3 试验及试验结果

为了验证本系统方案的有效性，作者进行了模拟雷场试验，试验场地面积为2 m×10 m，试验场土质为黏土和沙土，目标为3颗72式防步兵地雷，干扰物有金属干扰物和非金属干扰物，金属干扰物包括铁钉3枚、瓶盖3个、钢珠2个、子弹壳3个，非金属干扰物包括泡沫块3块、石块3块，所有目标埋深为2～5 cm，如图9所示。

图9 目标和干扰物

在该模拟探雷场分别进行了5场试验，每次随机生成布雷图，其中一张布雷图如图10所示。

图10 探雷场布雷图

复合探雷器系统的图像显示由2部分构成，上部为MD曲线，下部为GPR灰度图，二者同步滚动显示，试验中选择MD+GPR模式进行探测。图11分别给出了地雷、铁钉、泡沫的数据处理后图像显示结果，通过数据处理后展现的图像可以将地雷和干扰物区分开，从而降低复合探雷器的虚警率。

图11 三种目标屏显图像

其中地雷的雷达反射比较强，从雷达灰度图上可以看到比较明显的异常信号(黄色箭头指示处)，MD曲线处理后的特征为波谷形式(红色箭头指示处)，如图11(a)所示；泡沫在雷达灰度图上反应比较明显(蓝色箭头指示处)，有很强的异常反应，MD曲线几乎没反应，和背景值几乎一致，如图11(b)所示；铁钉雷达灰度图反射比较弱，从灰度图上几乎看不到异常反应，而MD反应为2次比较强的正向起伏(橙色箭头指示处)，如图11(c)所示。

5场探雷试验的结果如表1所示，探雷手通过显示滚动的MD和GPR图像，准确找到了地雷目标，探知率为100%，并且根据图像信息，还可以把模拟雷场中的铁钉、瓶盖、钢珠和泡沫干扰物均探测出来且进行了正确的分类，对石块也可以有效的识别，排除虚警。

表1 5场探雷试验探出目标结果统计

4 结论

将多种探测技术融合是探雷技术发展的必然趋势，不仅可以弥补单一探测技术存在的不足，还可以提高探测的探知率，降低虚警率，从而提高探测效率。为此，提出了基于EMI和GRP技术融合的复合探雷系统，实现了两种技术协同工作，并且在模拟试验场进行了探测试验，得出以下结论。

(1)通过分析EMI技术和GPR技术的探雷原理， EMI技术依靠近距离瞬变磁场的涡流感应，GPR技术根据电磁波传播的反射特性，两种技术原理不同，互不干扰，可以融合在一起工作，从而利用两种技术的优点进行探雷。

(2)研发的复合探雷系统，解决了硬件兼容性问题，该探雷器经过了模拟探雷场的实际应用检验，对地雷的识别率达到了100%。

(3)通过模拟雷场探测，当干扰物较多时，特别是当干扰物和地雷特性相近时，利用复合探雷器的EMI和GRP的图像能够很好地将弹壳和生活金属垃圾等干扰物和地雷区分，从而降低虚警，提高效率。

(4)试验场地为黏土和沙土，以后还增加在湿土，干土，冻土，铁磁性土等环境下进行试验，测试复合探雷器的土壤适应性。