淺海未爆彈磁異常探測和定位技術

沈 瑩，楊曉寶，王嘉增，楊雷賢，陳 誠，李寶聚

（1.哈爾濱工程大學 青島創新發展基地，山東 青島 266000；2.中國人民解放軍 91144 部隊，山東 青島 266031）

0 引言

隨著我國對于“21世紀海上絲綢之路”的建設和海洋數字化的發展，海洋信息的獲取和處理技術顯得日益緊迫。而海洋磁探測技術是海洋信息工程和地球物理探測技術的重要組成部分，廣泛應用于海洋磁場分布和變化的測繪、海洋資源勘探[1]。由于磁探測具備可穿透多種物質（水、空氣、氣泡、植被和泥沙）進行探測的特性，特別適合對海底掩埋鐵磁性目標開展探測識別，如海纜管道檢查[2]、船只搜救打撈[3]以及遺留的軍火彈藥搜排等應用[4-5]。近年來，隨著水下多物理場復合探測的需求，利用多種技術手段綜合判斷目標可有效降低虛警率，提高探測的準確率，而磁異常探測具備準確率高的特點，是多物理場復合探測的重要組成。

磁異常探測的基本原理是基于鐵磁性目標物被地球磁場磁化，擾動地球背景場從而產生地磁異常的現象，當磁傳感器經過目標物附近時，地磁場的擾動將以磁異常信號的形式被磁傳感器獲取，可以用來對目標進行探測、定位和識別[6-7]。沿海地區的戰爭以及軍事演習活動，在近岸未開發海域會存在一定數量的未爆彈藥或船只殘骸，對海上航行和作業構成威脅。因而在進行海洋開發、海洋設施的建設活動之前往往需要事先對目標海域進行海底搜探和清掃[1，4]。

對于目標物的海底搜探，目前常見探測手段包括使用多波束聲吶、側掃聲吶進行的海洋聲學測量和使用磁力儀進行的海洋磁力測量[8]。側掃聲吶測量可以繪制海底聲學側掃圖像來描繪海底地貌起伏變化，對于裸露于海底的沉船、集裝箱等具有良好的識別[9]。但是，對于如彈藥、水雷殘骸形狀不規則以及聲學回波性質和海底地質類似的目標物，則難以進行識別判定。此外，隨著水流等海況變化，遺留物被掩埋之后聲學方法將更加難以探尋。金屬外殼的炮彈、水雷是理想的磁力探測目標物，并且在面對被泥沙及其他海底表層沉積物掩埋時，磁異常探測可以發揮跨介質探測的優勢[3]。因此，在大海域搜探以及海底底質環境信息缺乏的情況下，海洋磁力探測是進行海底清障的有效手段[10-11]。

1 探測原理

1.1 磁異常探測

在目標探測中，磁性目標物的磁場模型通常被歸為以下3 類中的一種：磁偶極子（如球體）、無限長圓柱體（如管線）、長方體[10]。當磁力儀和目標之間的距離大于目標尺寸的5 倍以上時，可以將其視為磁偶極子目標。磁偶極子周圍空間中磁場可表示為

圖1 磁異常探測模型圖Fig.1 Magnetic anomaly detection model

1.2 正交基檢測算法（OBFs）

正交基檢測算法（Orthogonal Basis Functions，OBFs）是處理磁異常信號的常用檢測算法，正交基檢測算法的程序處理流程如圖2所示。

圖2 正交基檢測算法流程Fig.2 Flow of orthogonal basis detection algorithm

在上述磁偶極子模型中，引入特征時間變量τ=R0/v，繼而可以給出一個無量綱時間參數w=t/τ，公式（1）所表示的信號序列可使用如下的3 個正交基函數表示：

磁異常信號的總場強度值便可以寫成由3 個正交基函數組合的形式：

式中：an可以看成是表征信號中各個正交基成分所具有能量大小的因子。因子an的計算方式如公式（4）所示。

對于離散的磁場數值序列，可以使用公式（5）計算：

式中：Δw=wi+1-wi為空間采樣長度。信號在第m點處的特征能量值可以表示為E(m)=a1(m)2+a2(m)2+a3(m)2。

任意基于磁偶極子模型的磁異常信號都可以表示成正交基函數組合的方式。在對傳感器與目標物的相對運動速度v和最短距離R0進行估計后，可將該條件下的正交基函數組作為匹配濾波器。一般匹配模板的長度選取-2.5τ～2.5τ來實現磁異常信號的匹配濾波。該濾波器的輸出為相對能量值，通過設定相應閾值的方式來進行磁異常信號的檢測。

2 仿真驗證

2.1 建立未爆彈模型

使用有限元仿真的方法對掩埋物在地磁背景下所產生的磁異常進行建模。首先建立A、B、C 3個未爆彈模型，未爆彈B 的仿真模型示意圖如圖3所示。未爆彈模型設計為橢球體薄殼，薄殼厚度為1cm，橢球體的3 個半長軸參數a=0.2 m，b=0.2 m，c=0.3 m，MMO 表示未爆彈的磁矩方向，MMO(α,β)=（0°，20°），設置相對磁導率μr=500。3 個未爆彈模型仿真參數如表1所示。

表1 未爆彈模型仿真參數Table 1 Simulation parameters of unexploded ordnance model

圖3 未爆彈B 仿真模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of unexploded ordnance B simulation model

2.2 建立仿真域

仿真域中模擬了淺灘的水域情況，模擬空間尺寸長X=100 m，寬Y=100 m，高Z=15 m，按照實際模型分為泥沙層，水層和空氣域3 部分，水層的高度為2 m，水平剖面模型如圖4所示，3 枚未爆彈按照表1 位置參數掩埋在泥沙層下方不同位置。地磁背景按照在所設定的空間坐標系下設定為Gx=30 000 nT，Gy=20 000 nT，Gz=20 000 nT。

圖4 掩埋炮彈建模示意圖Fig.4 Schematic diagram of buried shell modeling

仿真水層上方得到的磁異常分布如圖5所示，可以明顯的看到3 個未爆彈產生的磁場，由于3 個未爆彈仿真尺寸、掩埋位置及角度的不同，導致3個異常點磁場強度不同。由仿真磁異常平面圖可得3 個未爆彈的準確位置。

圖5 仿真磁異常平面圖Fig.5 Plan of simulated magnetic anomaly

2.3 模擬探測

實際的探測當中，需要使用多條測線往復測試的方式來進行地區磁圖的測繪，常用的方式是待測區域“梳狀”觀測的方式，模擬實際當中的空間采樣過程，實際采樣過程中觀測載體的行進路徑并非完全按照直線行駛的，因此在此處引入隨機的路徑偏差σ=0.1 m，設定觀測載體的路徑間距d=5 m，通過21 條路徑可以覆蓋掃測區域，得到的觀測區采樣信號圖如圖6所示。從圖中可以看到，在原有的磁異常目標處測線時，能夠感應到相應的磁異常信息，但是難以進行位置的選取。因此，考慮通過插值的方法進行磁場的重構，實現未爆彈的定位，重構后的磁異常分布圖如圖7所示。能夠看出，重構后的信號觀測較為明顯，但是根據圖中異常點，對未爆彈的定位會有較大誤差。

圖6 d=5 m 模擬磁異?？臻g采樣Fig.6 Spatial sampling of simulated magnetic anomaly when d=5 m

圖7 d=5 m 磁異常觀測信息重構Fig.7 Reconstruction of magnetic anomaly observation information when d=5 m

為減小位置誤差，將觀測載體的路徑間距優化為d=3 m，掃測路徑增加到34 條，可以覆蓋掃測區域，設置隨機路徑偏差σ=0.1 m，得到的觀測區采樣信號圖如圖8所示，通過插值的方法進行磁場的重構，重構后的磁異常分布圖如圖9所示?？梢钥闯?，將路徑間距降低之后，異常點位置范圍明顯減小。

圖8 d=3 m 模擬磁異?？臻g采樣Fig.8 Spatial sampling of simulated magnetic anomaly when d=3 m

圖9 d=3 m 磁異常觀測信息重構Fig.9 Reconstruction of magnetic anomaly observation information when d=3 m

當路徑間距d由5 m 減小到3 m，可有效減小異常點位置的誤差，得到更加準確的異常點定位范圍，異常點A的定位范圍由X∈（58,62），Y∈（78,82）減小至X∈（58.5,61.5），Y∈（78.5,81.5），引入定位偏差δ(x,y)用來表示異常點定位坐標范圍大小，異常點A的定位偏差由δ(x,y)=(5,4)減小至δ(x,y)=(3,3)。表2 綜合對比了3 個未爆彈在不同的掃測間距下的定位范圍。由于3 個未爆彈仿真模型的尺寸、MMO 不同，使得路徑間距減小后，異常點位置范圍得到不同程度的減小。

表2 不同路徑間距對比信息Table 2 Comparison information of different path spacing

通過上述仿真，對整個未爆彈探測流程進行說明，流程如圖10所示，首先按照設定的路徑間距對探測區域進行掃測，經過濾波、正交基算法檢測，將磁異常數據和坐標數據融合處理，得到觀測區采樣信號圖。通過插值的方法進行磁場的重構，最后獲取異常點的位置信息。并且可以通過優化路徑間距的方式，縮小異常點位置范圍，證明了海底磁異常數據的數據融合，然后創建地磁圖來定位可疑的UXO 目標的位置。

圖10 未爆彈探測流程Fig.10 Unexploded ordnance detection process

3 淺灘未爆彈磁異常探測

3.1 搜索規劃

搜探地點在山東萊州附近某島嶼，核心目標海域是島嶼附件面積約為10 000 m2的四邊形區域，如圖11 中的4 個實心黑點所包含的范圍，黃色區域為岸基。待測區域最深處約為4 m，大部分海域水深2 m。使用磁力儀進行海域掃測，在目標海域規劃了13 條測線路徑，相鄰路徑間隔5 m，作業中磁力儀掃過的測線路徑如圖11 中的藍色線所示。作業過程中磁力儀與海面的距離保持在1 m 左右。

圖11 GPS 測線軌跡Fig.11 GPS survey line track

圖12 觀測場在GPS 軌跡上的映射Fig.12 Mapping of observation field on GPS track

在該區域按照指定路徑掃測并收集水下的磁場強度信息，經過相應信息融合處理判斷疑似未爆彈的地理位置。將GPS 裝置所記錄的地理坐標信息進行繪制，將GPS 地理坐標數據進行插值后與磁力儀數據進行映射，在原本的地理測線平面圖中標注磁場大小并繪制地磁圖，如圖11所示。從圖中可以看出，13 條測線上顯示異常磁場強度值。

3.2 磁異常數據分析

海上磁測作業結束后，提取磁力儀所記錄的海底磁異常數據集以及GPS 裝置記錄的磁力儀地理坐標數據集，對2 個數據集進行分別處理后，進行融合繪制整個目標海域的磁場強度分布圖。首先，對于磁力儀所記錄的磁力異常數據進行分析，對原始磁異常數據進行濾波、正交基算法檢測，觀察到測線路徑上產生了明顯磁異常指紋信號。如圖13所示，原始磁異常信號的大小約為260 nT，信噪比SNR=14.34 dB。

圖13 可疑點t1 處磁異常信號Fig.13 Magnetic anomaly signal at suspicious point t1

經過正交基算法檢測之后，得到表征原3 個正交基成分所包含的能量的信號，可以規避原信號中正負值同時存在的不利因素，并可以發現能量信號在磁異常峰值處凸顯，信噪比SNR提升到20.04 dB，顯著提高了5.7 dB。

除上述數據外，對邊緣海域也進行了相應的數據采集及處理操作。在此基礎之上對試驗的結果進行了相應的地磁圖成像處理，將目標海域中測線未能覆蓋的點進行數據插值，掃測海域的總體觀測圖如圖14所示，其中的色譜圖強度經過了正交基波形匹配算法處理，為相對強度值，具有判斷目標異常的作用。

圖14 掃測海域總體觀測圖Fig.14 Overall observation map of scanned sea area

在目標海域的總體觀測圖中發現8 個疑似點，并確定其相應坐標位置，其中t1～t8未爆彈可疑位置坐標如表3所示。之后采用水下無人挖掘機對t1～t8未爆彈可疑點進行挖掘，8 個位置點均發現目標物。目標掩埋深度在1～2 m，目標探測準確率達到100%，虛警率為0。

表3 8 處未爆彈可疑位置坐標Table 3 Coordinates of suspicious positions of 8 unexploded bombs

4 結束語

近年來，淺海未爆彈探測是當前軍隊關注的焦點，水下地貌復雜多變、渾水和淤泥條件引起的高混響密度給未爆彈探測帶來很大的困難與挑戰，磁異常探測在淺海未爆彈探測中應用效果明顯。本文以海底未爆彈作為待測目標物，對其建立了偶極子磁異常探測模型，提出處理海底磁異常數據的數據融合過程，通過仿真對整個處理流程進行說明。在淺灘未爆彈磁力探測中，使用磁力儀對10 000 m2核心區進行全覆蓋、高效率探測，應用OBFs 算法使信噪比提高了5.7 dB，繪制掃測海域總體觀測圖，確定未爆彈的坐標位置，目標探測準確率達到100%，進一步證明磁異常探測在淺海未爆彈探測中的準確性與可靠性。在島礁近灘下，利用該方法進行未爆彈探測與定位，掃測范圍大，作業效率高，操作方便，探測準確率高，為淺海未爆彈的探測提供了較好的方法，解決了近灘環境安全保障與島礁可持續發展的瓶頸問題。