阅读说明：本技术 一种基于垂直耦合线圈的地下未爆弹频域探测装置及方法 (Underground unexplosive bomb frequency domain detection device and method based on vertical coupling coil ) 是由 张志杰 韩宁 尹武良 杜月 于 2020-06-08 设计创作，主要内容包括：本发明涉及地下未爆弹探测技术,具体是一种基于垂直耦合线圈的地下未爆弹频域探测装置及方法。本发明解决了传统的地下未爆弹探测技术探出率低、探测成本高的问题。一种基于垂直耦合线圈的地下未爆弹频域探测装置,包括传感装置和探测系统；所述传感装置包括线圈骨架、矩形激励线圈、矩形感应线圈；所述探测系统包括FPGA芯片、数模转换器、功率放大器、多路复用器、程控放大器、模数转换器、第一存储器、第二存储器、USB接口芯片、上位机。本发明适用于地下未爆弹探测。(The invention relates to an underground unexplosive bomb detection technology, in particular to an underground unexplosive bomb frequency domain detection device and method based on a vertical coupling coil. The invention solves the problems of low detection rate and high detection cost of the traditional underground unexplosive bomb detection technology. An underground unexplosive bomb frequency domain detection device based on a vertical coupling coil comprises a sensing device and a detection system; the sensing device comprises a coil framework, a rectangular exciting coil and a rectangular induction coil; the detection system comprises an FPGA chip, a digital-to-analog converter, a power amplifier, a multiplexer, a program control amplifier, an analog-to-digital converter, a first storage, a second storage, a USB interface chip and an upper computer. The invention is suitable for detecting the underground unexploded bomb.)

一种基于垂直耦合线圈的地下未爆弹频域探测装置及方法

技术领域

本发明涉及地下未爆弹探测技术，具体是一种基于垂直耦合线圈的地下未爆弹频域探测装置及方法。

背景技术

战争或武器试验中遗留的地下未爆弹具有种类繁多、分布情况复杂、危险性高的特点，其不仅严重阻碍土地的开发与利用，而且严重威胁民众的生命与财产安全。因此，为了促进土地的开发与利用、保证民众的生命与财产安全，需要对地下未爆弹进行探测。传统的地下未爆弹探测技术由于采用时域探测原理（对目标区域施加周期性脉冲激励磁场，然后通过采集激励磁场关断期间二次响应磁场的衰减信息来实现探测），一方面存在探测深度不足的问题，另一方面存在功耗高的问题，由此一方面导致探出率低，另一方面导致探测成本高。基于此，有必要发明一种基于垂直耦合线圈的地下未爆弹频域探测装置及方法，以解决传统的地下未爆弹探测技术探出率低、探测成本高的问题。

发明内容

本发明为了解决传统的地下未爆弹探测技术探出率低、探测成本高的问题，提供了一种基于垂直耦合线圈的地下未爆弹频域探测装置及方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于垂直耦合线圈的地下未爆弹频域探测装置，包括传感装置和探测系统；

所述传感装置包括线圈骨架、矩形激励线圈、矩形感应线圈；

矩形激励线圈和矩形感应线圈均绕制于线圈骨架上，且矩形感应线圈位于矩形激励线圈的右侧；矩形激励线圈的两条长边均呈纵向设置、两条短边均呈横向设置；矩形感应线圈的两条长边均呈纵向设置，且矩形感应线圈的长度等于矩形激励线圈的长度；矩形感应线圈的两条短边均呈竖向设置，且矩形感应线圈的宽度小于矩形激励线圈的宽度；矩形感应线圈的中心线与矩形激励线圈的中心线垂直相交，且相交点位于矩形激励线圈的中心点上方；

所述探测系统包括FPGA芯片、数模转换器、功率放大器、多路复用器、程控放大器、模数转换器、第一存储器、第二存储器、USB接口芯片、上位机；

FPGA芯片的输出端与数模转换器的输入端连接；数模转换器的输出端与功率放大器的输入端连接；功率放大器的输出端通过多路复用器与矩形激励线圈连接；矩形感应线圈通过多路复用器与程控放大器的输入端连接；程控放大器的输出端与模数转换器的输入端连接；模数转换器的输出端与FPGA芯片的输入端连接；第一存储器、第二存储器、USB接口芯片均与FPGA芯片双向连接；上位机与USB接口芯片双向连接。

所述线圈骨架包括矩形水平板、矩形纵向立板；矩形水平板的上表面开设有若干道等距分布的第一纵向沟槽和若干道等距分布的横向沟槽，且各道第一纵向沟槽和各道横向沟槽交叉形成网格形沟槽；矩形激励线圈的两条长边分别嵌装于其中两道第一纵向沟槽内、两条短边分别嵌装于其中两道横向沟槽内；矩形纵向立板固定于矩形水平板的上表面右边缘；矩形纵向立板的左表面开设有若干道等距分布的第二纵向沟槽和若干道等距分布的竖向沟槽；各道第二纵向沟槽和各道竖向沟槽交叉形成网格形沟槽；矩形感应线圈的两条长边分别嵌装于其中两道第二纵向沟槽内、两条短边分别嵌装于其中两道竖向沟槽内。

矩形激励线圈采用线径为1mm的漆包线绕制而成，其长度为1m、宽度为0.2m~0.5m、匝数为4~6匝；矩形感应线圈采用线径为0.4mm的漆包线绕制而成，其长度为1m、宽度为0.1m~0.15m、匝数为10匝；相交点与矩形激励线圈的中心点之间的距离为0.02m~0.04m；矩形感应线圈与矩形激励线圈之间的横向距离为0.25m~0.35m；FPGA芯片采用Zynq7000系列FPGA芯片；上位机采用基于LabView的工业平板电脑。

矩形水平板、矩形纵向立板均采用厚度为10mm的尼龙板。

一种基于垂直耦合线圈的地下未爆弹频域探测方法（该方法是基于本发明所述的一种基于垂直耦合线圈的地下未爆弹频域探测装置实现的），该方法是采用如下步骤实现的：

步骤一：将传感装置封装于第一扁形箱体内；将探测系统封装于第二扁形箱体内，并保证上位机的屏幕内嵌于第二扁形箱体的上壁；

步骤二：将第一扁形箱体固定于手推车的车架上，并保证矩形激励线圈的两条短边均与手推车的行进方向平行；将第二扁形箱体固定于手推车的推杆上；

步骤三：确定目标区域的土壤类型；然后，选择一块区域作为参考区域，并保证参考区域的土壤类型与目标区域的土壤类型一致，同时保证参考区域的土壤中不存在金属物体；然后，推着手推车进入参考区域，并确定不同激励频率下的参考信号；具体确定过程如下：

步骤3.1：在上位机中对FPGA芯片的激励频率进行初始设定；所述激励频率是指FPGA芯片输出的数字激励信号的频率；

步骤3.2：FPGA芯片输出的数字激励信号依次经数模转换器、功率放大器、多路复用器加载至矩形激励线圈，使得矩形激励线圈中产生正弦激励电流，矩形激励线圈由此激发出正弦激励磁场；在正弦激励磁场的作用下，矩形感应线圈中产生正弦感应电流，矩形感应线圈由此输出正弦感应电压信号，矩形感应线圈与矩形激励线圈之间形成耦合磁场；正弦感应电压信号依次经多路复用器、程控放大器、模数转换器传输至FPGA芯片；FPGA芯片一方面将正弦感应电压信号传输至第二存储器进行存储，另一方面将正弦感应电压信号经USB接口芯片传输至上位机进行显示；

步骤3.3：在上位机中对FPGA芯片的激励频率进行不同的设定，并循环执行步骤3.2~步骤3.3，由此得到不同激励频率下的正弦感应电压信号；

步骤3.4：将不同激励频率下的正弦感应电压信号确定为不同激励频率下的参考信号；

步骤四：在参考区域的土壤中埋设未爆弹；然后，推着手推车到达未爆弹的上方，并对未爆弹进行扫频识别；具体扫频识别过程如下：

步骤4.1：在上位机中对FPGA芯片的激励频率进行初始设定；

步骤4.2：FPGA芯片输出的数字激励信号依次经数模转换器、功率放大器、多路复用器加载至矩形激励线圈，使得矩形激励线圈中产生正弦激励电流，矩形激励线圈由此激发出正弦激励磁场；在正弦激励磁场的作用下，矩形感应线圈中产生正弦感应电流，矩形感应线圈由此输出正弦感应电压信号，矩形感应线圈与矩形激励线圈之间形成耦合磁场；在此过程中，由于未爆弹切割耦合磁场并对耦合磁场形成扰动，使得正弦感应电压信号上叠加有直流特征信号；叠加有直流特征信号的正弦感应电压信号依次经多路复用器、程控放大器、模数转换器传输至FPGA芯片；FPGA芯片对叠加有直流特征信号的正弦感应电压信号进行数字相敏解调，由此提取出直流特征信号，然后一方面将直流特征信号传输至第一存储器进行存储，另一方面将直流特征信号经USB接口芯片传输至上位机进行显示及信噪比计算；

步骤4.3：在上位机中对FPGA芯片的激励频率进行不同的设定，并循环执行步骤4.2~步骤4.3，由此得到不同激励频率下的直流特征信号；

步骤五：通过对比不同激励频率下的直流特征信号的信噪比及显著程度，确定最优激励频率；

步骤六：在上位机中对FPGA芯片的激励频率进行最优设定；然后，推着手推车在目标区域内行进；在行进过程中，若手推车下方的土壤中未出现金属物体，则上位机中显示的是正弦感应电压信号；若手推车下方的土壤中出现金属物体，则金属物体切割耦合磁场并对耦合磁场形成扰动，使得上位机中显示的正弦感应电压信号发生波形突变；此时，根据波形突变情况判断金属物体是否属于未爆弹：

若波形突变呈现为波峰波谷，则表明金属物体不属于未爆弹，此时继续推着手推车行进；

若波形突变呈现为单个波峰，则表明金属物体属于未爆弹；此时，将手推车停在原地，并对未爆弹进行扫频识别，由此得到不同激励频率下的直流特征信号；然后，执行步骤七至步骤八；

步骤七：上位机一方面从第一存储器中读取不同激励频率下的直流特征信号，另一方面从第二存储器中读取不同激励频率下的参考信号，并将不同激励频率下的直流特征信号与参考信号进行作差，由此得到不同激励频率下的差值信号，从而绘制出实部频谱图和虚部频谱图；

所述实部频谱图是指差值信号的实部与激励频率之间的关系曲线图；

所述虚部频谱图是指差值信号的虚部与激励频率之间的关系曲线图；

步骤八：根据实部频谱图中的第一峰值频率和虚部频谱图中的第二过零频率，鉴别出未爆弹的种类，由此实现未爆弹的探测。

与传统的地下未爆弹探测技术相比，本发明所述的一种基于垂直耦合线圈的地下未爆弹频域探测装置及方法不再采用时域探测原理，而是采用全新的频域探测原理（对目标区域施加多种频率的正弦激励磁场，然后通过测量二次响应磁场对矩形感应线圈与矩形激励线圈之间互感的影响来实现探测），由此一方面有效增大了探测深度，另一方面有效降低了功耗，从而一方面有效提高了探出率，另一方面有效降低了探测成本。

本发明有效解决了传统的地下未爆弹探测技术探出率低、探测成本高的问题，适用于地下未爆弹探测。

附图说明

图1是本发明所述装置的结构示意图。

图2是本发明所述装置中矩形激励线圈和矩形感应线圈的结构示意图。

图3是本发明所述装置中线圈骨架的结构示意图。

图4是图3的俯视图。

图5是图3的左视图。

图6是本发明所述方法中步骤一和步骤二的示意图。

图7是本发明所述方法中的实部频谱图。

图8是本发明所述方法中的虚部频谱图。

图中：101-矩形激励线圈，102-矩形感应线圈，103-矩形水平板，104-矩形纵向立板，105-第一纵向沟槽，106-横向沟槽，107-第二纵向沟槽，108-竖向沟槽，201-FPGA芯片，202-数模转换器，203-功率放大器，204-多路复用器，205-程控放大器，206-模数转换器，207-第一存储器，208-第二存储器，209-USB接口芯片，210-上位机，301-第一扁形箱体，302-第二扁形箱体，401-手推车，501-未爆弹；①表示矩形激励线圈的中心线；②表示矩形感应线圈的中心线；w₁表示矩形激励线圈的宽度；w₂表示矩形感应线圈的宽度；d₁ 表示相交点与矩形激励线圈的中心点之间的距离；d₂表示矩形感应线圈与矩形激励线圈之间的横向距离。

具体实施方式

一种基于垂直耦合线圈的地下未爆弹频域探测装置，包括传感装置和探测系统；

所述传感装置包括线圈骨架、矩形激励线圈101、矩形感应线圈102；

矩形激励线圈101和矩形感应线圈102均绕制于线圈骨架上，且矩形感应线圈102位于矩形激励线圈101的右侧；矩形激励线圈101的两条长边均呈纵向设置、两条短边均呈横向设置；矩形感应线圈102的两条长边均呈纵向设置，且矩形感应线圈102的长度等于矩形激励线圈101的长度；矩形感应线圈102的两条短边均呈竖向设置，且矩形感应线圈102的宽度小于矩形激励线圈101的宽度；矩形感应线圈102的中心线与矩形激励线圈101的中心线垂直相交，且相交点位于矩形激励线圈101的中心点上方；

所述探测系统包括FPGA芯片201、数模转换器202、功率放大器203、多路复用器204、程控放大器205、模数转换器206、第一存储器207、第二存储器208、USB接口芯片209、上位机210；

FPGA芯片201的输出端与数模转换器202的输入端连接；数模转换器202的输出端与功率放大器203的输入端连接；功率放大器203的输出端通过多路复用器204与矩形激励线圈101连接；矩形感应线圈102通过多路复用器204与程控放大器205的输入端连接；程控放大器205的输出端与模数转换器206的输入端连接；模数转换器206的输出端与FPGA芯片201的输入端连接；第一存储器207、第二存储器208、USB接口芯片209均与FPGA芯片201双向连接；上位机210与USB接口芯片209双向连接。

所述线圈骨架包括矩形水平板103、矩形纵向立板104；矩形水平板103的上表面开设有若干道等距分布的第一纵向沟槽105和若干道等距分布的横向沟槽106，且各道第一纵向沟槽105和各道横向沟槽106交叉形成网格形沟槽；矩形激励线圈101的两条长边分别嵌装于其中两道第一纵向沟槽105内、两条短边分别嵌装于其中两道横向沟槽106内；矩形纵向立板104固定于矩形水平板103的上表面右边缘；矩形纵向立板104的左表面开设有若干道等距分布的第二纵向沟槽107和若干道等距分布的竖向沟槽108；各道第二纵向沟槽107和各道竖向沟槽108交叉形成网格形沟槽；矩形感应线圈102的两条长边分别嵌装于其中两道第二纵向沟槽107内、两条短边分别嵌装于其中两道竖向沟槽108内。

矩形激励线圈101采用线径为1mm的漆包线绕制而成，其长度为1m、宽度为0.2m~0.5m、匝数为4~6匝；矩形感应线圈102采用线径为0.4mm的漆包线绕制而成，其长度为1m、宽度为0.1m~0.15m、匝数为10匝；相交点与矩形激励线圈101的中心点之间的距离为0.02m~0.04m；矩形感应线圈102与矩形激励线圈101之间的横向距离为0.25m~0.35m；FPGA芯片201采用Zynq7000系列FPGA芯片；上位机210采用基于LabView的工业平板电脑。

矩形水平板103、矩形纵向立板104均采用厚度为10mm的尼龙板。

一种基于垂直耦合线圈的地下未爆弹频域探测方法（该方法是基于本发明所述的一种基于垂直耦合线圈的地下未爆弹频域探测装置实现的），该方法是采用如下步骤实现的：

步骤一：将传感装置封装于第一扁形箱体301内；将探测系统封装于第二扁形箱体302内，并保证上位机210的屏幕内嵌于第二扁形箱体302的上壁；

步骤二：将第一扁形箱体301固定于手推车401的车架上，并保证矩形激励线圈101的两条短边均与手推车401的行进方向平行；将第二扁形箱体302固定于手推车401的推杆上；

步骤三：确定目标区域的土壤类型；然后，选择一块区域作为参考区域，并保证参考区域的土壤类型与目标区域的土壤类型一致，同时保证参考区域的土壤中不存在金属物体；然后，推着手推车401进入参考区域，并确定不同激励频率下的参考信号；具体确定过程如下：

步骤3.1：在上位机210中对FPGA芯片201的激励频率进行初始设定；所述激励频率是指FPGA芯片201输出的数字激励信号的频率；

步骤3.2：FPGA芯片201输出的数字激励信号依次经数模转换器202、功率放大器203、多路复用器204加载至矩形激励线圈101，使得矩形激励线圈101中产生正弦激励电流，矩形激励线圈101由此激发出正弦激励磁场；在正弦激励磁场的作用下，矩形感应线圈102中产生正弦感应电流，矩形感应线圈102由此输出正弦感应电压信号，矩形感应线圈102与矩形激励线圈101之间形成耦合磁场；正弦感应电压信号依次经多路复用器204、程控放大器205、模数转换器206传输至FPGA芯片201；FPGA芯片201一方面将正弦感应电压信号传输至第二存储器208进行存储，另一方面将正弦感应电压信号经USB接口芯片209传输至上位机210进行显示；

步骤3.3：在上位机210中对FPGA芯片201的激励频率进行不同的设定，并循环执行步骤3.2~步骤3.3，由此得到不同激励频率下的正弦感应电压信号；

步骤3.4：将不同激励频率下的正弦感应电压信号确定为不同激励频率下的参考信号；

步骤四：在参考区域的土壤中埋设未爆弹501；然后，推着手推车401到达未爆弹501的上方，并对未爆弹501进行扫频识别；具体扫频识别过程如下：

步骤4.1：在上位机210中对FPGA芯片201的激励频率进行初始设定；

步骤4.2：FPGA芯片201输出的数字激励信号依次经数模转换器202、功率放大器203、多路复用器204加载至矩形激励线圈101，使得矩形激励线圈101中产生正弦激励电流，矩形激励线圈101由此激发出正弦激励磁场；在正弦激励磁场的作用下，矩形感应线圈102中产生正弦感应电流，矩形感应线圈102由此输出正弦感应电压信号，矩形感应线圈102与矩形激励线圈101之间形成耦合磁场；在此过程中，由于未爆弹501切割耦合磁场并对耦合磁场形成扰动，使得正弦感应电压信号上叠加有直流特征信号；叠加有直流特征信号的正弦感应电压信号依次经多路复用器204、程控放大器205、模数转换器206传输至FPGA芯片201；FPGA芯片201对叠加有直流特征信号的正弦感应电压信号进行数字相敏解调，由此提取出直流特征信号，然后一方面将直流特征信号传输至第一存储器207进行存储，另一方面将直流特征信号经USB接口芯片209传输至上位机210进行显示及信噪比计算；

步骤4.3：在上位机210中对FPGA芯片201的激励频率进行不同的设定，并循环执行步骤4.2~步骤4.3，由此得到不同激励频率下的直流特征信号；

步骤五：通过对比不同激励频率下的直流特征信号的信噪比及显著程度，确定最优激励频率；

步骤六：在上位机210中对FPGA芯片201的激励频率进行最优设定；然后，推着手推车401在目标区域内行进；在行进过程中，若手推车401下方的土壤中未出现金属物体，则上位机210中显示的是正弦感应电压信号；若手推车401下方的土壤中出现金属物体，则金属物体切割耦合磁场并对耦合磁场形成扰动，使得上位机210中显示的正弦感应电压信号发生波形突变；此时，根据波形突变情况判断金属物体是否属于未爆弹501：

若波形突变呈现为波峰波谷，则表明金属物体不属于未爆弹501，此时继续推着手推车401行进；

若波形突变呈现为单个波峰，则表明金属物体属于未爆弹501；此时，将手推车401停在原地，并对未爆弹501进行扫频识别，由此得到不同激励频率下的直流特征信号；然后，执行步骤七至步骤八；

步骤七：上位机210一方面从第一存储器207中读取不同激励频率下的直流特征信号，另一方面从第二存储器208中读取不同激励频率下的参考信号，并将不同激励频率下的直流特征信号与参考信号进行作差，由此得到不同激励频率下的差值信号，从而绘制出实部频谱图和虚部频谱图；

所述实部频谱图是指差值信号的实部与激励频率之间的关系曲线图；

所述虚部频谱图是指差值信号的虚部与激励频率之间的关系曲线图；

步骤八：根据实部频谱图中的第一峰值频率和虚部频谱图中的第二过零频率，鉴别出未爆弹501的种类，由此实现未爆弹501的探测。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。