（通信与信息系统专业论文）基于mad水下移动动物体探测技术研究.pdf

摘要 | i | i i f l | i | i | | l l | f l l | f i | l | j f i | | l | | i | i f | f 删 y 2 0 6 8 4 9 9 基于地磁异常目标探测技术是随着磁场传感器的测量准确度的提高、测试范 围的扩大以及高技术武器装备的发展需要而新兴起的一种目标探测技术。而基于 这种技术对水下目标进行探测则是侦查与监视以及获取情报的一种极其重要的途 径，它具有无源被动探测、隐蔽性能好、抗干扰强和保密性高等优点。 论文通过理论分析和计算机仿真对水下目标的磁性探测技术进行了研究。分 析了m a d 系统的原理，通过对各种磁性传感器性能的比较选取了蝴r 1 0 4 3 磁 阻传感器进行测量，并且基于它设计了相应的以提高测量精度为目的的磁传感器 差分模型。设计了水下目标磁探测系统，它由传感器电路和无线传感器网络组成。 通过仿真，用图示法表示了磁性目标周围空间的地磁异常信号特性分布，以及由 于传感器实际尺寸引起的测量误差随测量距离、传感器长度和直径的变化关系。 论文结果表明了水下移动目标磁性测量方案的可行性，该方案对今后水下军事目 标的探测也有着极为重要的参考价值。 论文的最后给出了全文的总结，针对本论文水下目标磁性探测技术的研究提 出了一些存在的不足，并对今后地磁异常探测技术的发展进行了展望。 关键字：地磁异常探测技术水下磁探测磁阻传感器磁传感器差分模型 无线传感器网络 a b s t r a c t m a g i l e t i ca n o m a l yd e t e c t i o ni san e w d o ft e c h n o l o g yo fu n d e l w a t e rm o v m g t a r g e t ，d e t e c t i o n ni sd e v e l o p e dw i t l lt h ei m p r 0 v e m e n to f m e a s u r e m e n ta c c u r a c y ，t n e e x p a n s i o no ft e 妣g ，a n dt t l e n e e do ft l l em 出_ t e c h 、张印0 1 1 s a n de q m p m e n t ，t n e t e d h n o l o g y mt h em i l i t a 巧h a sav e r yb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s m a g n e t i c t a r g e t d e t e c t i o na sm eb a c k 莎o m d o fm a g n e t i cf i e l di s t h ed e t e c t l o na n ds u n ，e l l l a l l c e t e c h n o l o 姒a sw e ua sa c c e s st ot h ei r l t e l l i g e n c e a 1 1e x 讹m e l yi m p o n a n t ，a y ，n a v l n g 吐l ea d v a n t a g e so fp a s s i v ed e t e c t i o nw i t h o u ts o u r c e ，g o o dc o n c e a l e d p e r 士o n n a u l c e ， s t r o n ga b i l i 够o fa n t i i m e r f e r e n c ea 1 1 dt h el l i g hc o n f i d e n t i a l i 吼 t h et h e s i s 、i l lr e s e a r c ho nt h eo b j e c t i v e so ft h e 岫d e n a t e rm a g n e t l cd e t e c t l o n t e c l m o l o g yb a s e do nl a 唱ep a r to f t l l em e o r e t i c a lb a s i sa n ds i m u l a t i o n 锄【a l y s i s ，t t l r d u 咖 t l l ev a r i o u sm a 盟e t i c s e n s o rp e 渤锄a 1 1 c ec o m p a r i s o na l l da n a l y s l s o fs e l e c t e d a m r l0 4 3m a 晷l e t o r e s i s t i v e s e n s o rt 0m e a s u r e ， a i l db a s e do n i t d e s l g n 廿1 e c o 仃e s p o n d i n gm a g n e t i cs e n s o rd i 胁e n c em o d e l t oi m p r o v et h em e a s u r e m e ma c c u r a c y d e s i 鲫t h e 衄d e 刑龇e rt a 唱e t sm o i l i t o r i n gs y s t e mw l l i c h i sc o n s i s to ft h es e n s o rc l r c l l l t a i l d 戗l e 、v l e s ss e n s o rn e t 、) ，o r l ( s t l 】u 曲t h ea 1 1 a l y s i s ，u s i i l gp i c t u r e st os h o wt h e m a 辨e t i co b j e c t s 啪u 1 1 ds p a c ed i 耐b u t i o no f 坞m a 萨e t i ca n o 嗽l ys l g i l a l ，a n dm e a c t i m ls i z eo ft h es e n s o rd u et 0m e 2 l s u r e m e n te 仃o r sc a u s e dt h em e a l s u r e i n e md l s t 趾c e 舶mt h es e i l s o rl e n 砷a n dd i 锄e t e rv 撕a t i o n f i n a l l yc o m et o 龇c o n c l u s l o n t h a tt n e m o v i n g0 b j e c t s1 l i l d e 刑a c e rm a 伊州cd e t e c t i o nt h ef e 撕b i l 时o f t h cp r o 伊锄m e ，雒d t h ep r o g r a m m eo nt h e 向t u r eo b j e c t i v e so ft l l eu n d e m 饿e r d e t e c t i o nm l l l t a r ya l s ot k 塔a v e r y 妇p o 比m tr e f e r e n c ev a l u e a t1 a s t ，舭c o n c l u s i o n s 雒ds o m e o fe x i s t i n gd e f i c i e n c i e so ft h em e s l sa r e9 1 v e n a 1 1 dm ed e v e l o p m e n to fm i st e c h n o l o g yf o rt h ef u t u r ea r ee x p e c t e d k e y w o r d s ：m a g n e t i ca n o m a l y d e t e c t i o n u n d e r w a t e rm a g n e t i cd e t e c t i o n a m rs e n s o rm a g n e t i cs e n s o rd i f f e r e n c em o d e i w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r l s 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景知识 众所周知，我们生活的地球是一个大磁体，而我们人类就生活在这个大磁体 里面，我们的日常生活到处都存在着电磁现象，小到钢针、图钉，大到汽车、轮 船，民用的仪器设备，军用的坦克、舰艇，从遥远的太空到我们人体本身等等都 含有铁磁性物质，这就必然引起相应的电磁现象。人类利用电磁现象为自己服务 已有几千年的历史了。早在两千多年前，我们中华民族古老聪慧的祖先就已经利 用磁现象发明了指南针用于辨别方向。 随着各种磁现象的相继发现以及人类科学技术的长足发展，利用磁现象的新 技术不断出现，目标磁探测技术就是其中之一。目标磁探测技术是通过磁场测量 实现对固定或移动的目标的非接触测量，测量的磁场信号物理量经过一定的数据 处理方法正确地给出目标信息的一种目标探测技术。磁探测是一个既古老又年轻 的技术科学。1 7 8 0 年库仑提出了用磁针在磁场中的自由振荡周期来确定电磁场。 1 8 1 9 年丹麦的物理学家奥斯特发现了电流的磁效应。1 8 3 1 年法拉第发现了电磁 感应现象。1 8 3 2 年高斯提出了以长度、质量和时间为基础的绝对测量地磁场强度 的方法。1 8 7 3 年英国的物理学家麦克斯韦在它的论电与磁的经典著作中创立 了严密的电磁场理论，从而为磁场测量奠定基础。由于磁测量技术的广泛应用， 大大丰富了磁测量的内容，它几乎包括了所有的电测量方法、利用了各种电磁现 象，并且随着电子技术、计算机技术、自动化技术、冶金工艺、机械制造与工艺 技术的发展，已经走向小型化、电子化、数字化、自动化。同时这种变化又为其 它科学技术的发展创造了便利条件。目前，磁场测量技术的应用已经深入到工业、 农业、国防军事领域和科学技术的各个领域，从而对磁场测量的发展提出了更高 的要求，未来磁探测技术的发展方向是广泛地应用量子现象、电磁现象、光电子 现象、超导现象以及相应的传感器，应用领域不断扩大，测量精度不断提高。 磁探测技术的发展得益于各种磁测量技术尤其是弱磁测量技术在2 0 世纪的 飞速发展【。1 9 3 0 年磁饱和法的磁场测量仪器诞生。1 9 4 8 年三轴磁通门磁强计被 用在探空火箭上。19 5 0 年p p c i o f j f i 集其大成，把光电积分放大器应用到直流磁 测量中。1 9 6 3 年鲍利和麦克弗曾经用2 0 0 万匝感应线圈第一个探测出人体的磁场。 1 9 6 3 年由哈尔滨电工仪表研究所试制了c c z 型直流冲击法测磁装置( 现改为 c c 3 由哈尔滨电表厂生产) ，初步解决了国内直流测磁的需要。后来在1 9 7 4 年 的兰州会议上确定此法为铸造永磁材料的测试标准。1 9 7 3 年末哈尔滨电工仪表研 究所又研制了全晶体管是的c l 4 型软磁音频磁性测量装置，它采用了先进的电子 基于m a d 水下移动物体探测技术研究 积分技术和采样技术。1 9 7 3 年末，计量科学研究院研制了直流磁性自动测量装置， 该装置采用光电放大和电子积分技术。1 9 5 7 年拜鲁和布洛姆实现了碱金属蒸汽中 磁共振的光学检测，并于1 9 5 8 年研制成功了跟踪式铆光泵磁强计。后来，沈阳仪 器仪表研究所和北京地质仪器厂都研制了光泵磁强计，此仪器可用于地质探矿、 地震预报、排弹等用途。光泵磁强计正在向小型化、轻便化和物美价廉的方向上 发展。科学院物理所和吉林大学等单位还研制了振动样品磁强计，可用于准确测 量磁矩及其温度与磁场的关系。后来，一些单位还研制了简单、快速和自动磁测 设备。在宇航工程中，使用的是特殊设计的小型、低功耗的磁通门磁强计；在地 磁侧量中，大都使用三分量得磁通门磁强计。1 9 1 1 年荷兰物理学家卡麦林翁那 斯发现某物质冷却到一定的温度( 临界温度) 以后，直流电阻突然消失，他认为 这种现象是由于物质转变为一种新的状态，称超导态，特别是在1 9 6 2 年发现了约 瑟夫逊效应以后，为超导提供了许多新的应用，例如：用这种效应可以制成放大 器、微波和亚毫米波辐射量子探测器、磁强计、电流计、电压标准等，利用约瑟 夫逊效应可以制成迄今为止最灵敏的磁强计即超导量子磁强计。质子旋进式磁强 计测的是磁场强度值是作为绝对磁测量标准，是别的磁力仪无法比拟的。1 9 6 6 年 8 月中国计量科学研究院在香山卧佛寺建立了弱磁实验室( 也称无磁实验室) ， 开始了我国弱磁场感应强度基准的研究和建立。1 9 7 7 年建成了在弱磁场中测定质 子回旋比丫p 的装置，该装置同时也是我国的弱磁场磁感应强度的基准，并与该院 的强磁场中测定丫p 的装置相结合，在我国第一次准确地测定了丫p 的s i 值。1 9 8 2 年该院在香山实验室建成了一套直径3 6 m 大线圈为基础的弱磁场标准装置，开 始在我国国内进行弱磁场感应强度的量值传递。1 9 9 0 年该实验室还建成了交变弱 磁场感应强度标准。自家峒地磁台还建成了我国第一个大型磁屏蔽室。 1 2 水下探测技术的发展现状【2 3 l 水中探测在军事和民用上都有着重要作用，军事上的反潜战( a s w ) 、反水 雷( m c m ) 为众所熟知，民用则更为广泛。海洋考查、水下资源开发，助渔、避 碰、导航乃至海洋和大气环流监控监测，都直接或间接地应用着水中探测技术。 为了满足当前与未来的海军作战需要，提高水下综合作战能力，尤其是水下探测、 监视与侦察能力，谋求水下作战的军事优势，国内外正在大力发展先进的水下探 测技术。随着减声降噪技术的发展，声纳探测遇到新的挑战，而且由于复杂的海洋环 境，声纳探测的灵敏度受到一定的限制，同时，声纳探测还有自身的诸如“声影区 的局限，探测海洋中的运动物体( 如潜艇) 和海洋资源，非声探测技术将发挥重要 的作用。 第一章绪论 1 2 1 放射性探测技术 经过调研和论证，我们认为，核潜艇尾流中的放射性物质由两部分组成，一 是核潜艇内产生的少量高浓度的放射性排出物，包括：液态排出流中的放射性核 素、气载排出流中的放射性核素、放射性气溶胶等。另一部分是核潜艇反应堆的 外部核辐射。这些核辐射又会与海水中的物质发生相互作用，引起能态的激发或 不同的核反应，改变海水的原始状态产生放射性污染，这些都会对周围的环境造 成严重的生态影响，在海洋中核潜艇留下了自身可被探测的痕迹。 核潜艇可被看作一个放射源，其内部会产生高浓度的放射性排出物。核潜艇 还可被看作一个中子源，辐射出不同能级的中子，使海水活化，产生放射性物质。 这些放射性物质可作为探测的对象，用以跟踪发现核潜艇。 1 2 2 尾流探测技术 潜艇尾流分海面尾流和水中尾流。海面尾流的宽度随尾流向后延伸呈线性发散， 发散角在5 。l o 。之间。水中尾流截面由圆形逐渐变为椭圆形。潜艇水中尾流的 大小与潜艇的航速、下潜深度、艇宽、艇型等因素有关。潜艇的水中尾流能够保 持相当长的一段时间，还将引起压力场的变化，这也是潜艇可被探测到的原因。 目前，俄罗斯正在积极开展尾流探测技术的研究，主要内容包括：( 1 ) 潜艇尾流图产 生的机理、尾流尺度的计算及其特性：( 2 ) 探测与消除尾流或将尾流减弱到一定限 度的反探测技术。 1 2 3 对温度场的探测技术 潜艇会向周围发出强烈的辐射场，各种辐射都会与周围的海水发生相互作用 而将其能量耗尽，并产生一定的热量。常规潜艇在水面状态及通气管状态航行或 充电时，推进系统排出的热废气、热冷却水所留下的热踪迹，即使在潜艇转入水 下状态后仍难以消失，核潜艇即使在相当深的水下潜航，反应堆排出的热水经一 段时间浮到海面，一般要高于周围海水o 0 5 0 5 ，且持续时间长达5 6 小时， 呈现一种高温轨迹特有现象。潜艇在水中航行与周围海水产生的摩擦及搅动海水， 使处于不同深度、具有不同温度的海水改变其原来的状态，都会形成“热尾流”， 作为被探测的对象。 4 基于m a d 水下移动物体探测技术研究 1 2 4 核磁感应探测技术 这种技术是利用核特性，用特殊波长的光，将某些物质( h e ，c s 等) 的原子激 发到高能态，再用射频技术将其转变到较低的量子激发态。原子的退激发取决于 周围的磁场强度，测量这种退激发过程即可测得周围磁场的状况。利用这种原理 研制的仪器在国外己用于海洋工程地质调查，近海磁背景场调查，可用于反潜、扫 雷、航道安全、搜索水下目标、磁噪声测量、水下管线探测等。最新一代的仪器， 以其高灵敏度( 0 0 0 5 n t ) 及高采样率( 每秒1o 次采样) 而深受欢迎。 1 2 5 电场探测技术 这种技术受海洋声环境影响小，极适合浅水探测。水下电场探测的研究始于 上个世纪4 0 年代，但直到上世纪9 0 年代才受到重视。对于鱼雷和自航式水雷等水 中兵器来说不可避免的会产生漏电现象，水下电场探测正是基于此才发展起来的。 当前在水下电场探测和电场传感器研究方面已有可使用的装置。电场感应器就是 在浅水域测量水下目标泄露电场强度的装置，它将水下目标本身电场感应成一种 信号，经采集处理达到探测的目的。展开布放的综合电场探测器可用船或直升机 布放在浅水区域以便在高噪声级环境下探测水下目标，发射机把单个传感器信号 传送给相应的平台。 1 2 6 水下激光成像探测技术 虽然水下光成像距离较近，但由干它清晰高分辨，是成像声纳的重要辅助手 段。由于激光技术的发展和激光的蓝绿波段的窗口效应，即使在较混浊的海水中 也可获得较好的回波图像。美国和法国已有激光探雷器正式装备使用。水下激光 成像技术的最新进展是应用距离选通成像技术( r a n g eg a t ei i n a g i n g ) ，即在目标反 射回波前，探测器的接收孔径处于关闭状态，只在回波到达时开启，以抑制附近 若干散射中心的反向散射，提高成像清晰度和分辨率，是较有前途的方法。 1 2 7 磁性探测技术 由于潜艇和水雷都是集中的铁磁体，将局部地改变周围地磁场分布，磁探仪 就是检测这种磁异常【4 1 。世界各国都先后研制了高灵敏度的机载或舰载磁探仪并 已装备使用。一般对常规动力潜艇探测距离可达3 5 0 4 5 0 米，对核潜艇可达6 0 0 8 0 0 米。应用数字信号处理，时频分析等现代信号处理技术使探测和识别性能有很大 第一章绪论 提高。但为了可靠地检测潜艇、水雷等引起的磁异常需区别自然界准静态磁场 的变化，国外对此进行了大量的研究。 法国的克罗吉特公司自1 9 6 5 年就开始从事磁力异常探测研究，如今生产的 m a dm k 3 已装备了一些国家的海军，这种磁力探测仪具有全数字化，工作效率 高，性能稳定可靠，体积小，价格低廉等特点。另外美国的a n a s q 8 l ( v ) 及其 数字化的a n a s q 2 0 8 氦光泵磁力仪，以及加拿大的a n a s q 5 0 4 铯光泵磁力仪， 由于其性能优越也具有代表性。据称，在浅海复杂背景场条件下，探测性能改善 5 0 以上。 磁探测技术的另一最新进展是超导磁探，包括超导磁梯度仪和超导量子磁干 涉仪，美国国际商业机械公司已研制成功薄膜超导装置和第一个“高温 超导磁 探仪，即在液态氮温度下工作的磁梯度仪，与在液态氦温度下工作的装置相比， 液态氮费用较为低廉且无需绝热。 随着人类探测磁场能力的逐步深入，人类利用电磁现象的能力也大大提高， 对远远小于地磁场范围的弱磁场测量成为可能。由于各种高精度的磁探测手段和 测试设备的相继问世，以及半导体技术、电子技术、计算机技术、加工工艺的飞 速发展，弱磁场测试仪器的灵敏度由1 0 n t 寸1 n t 专o 1 n t 0 0 1 n t 专o 0 0 l n t 直到 o 0 0 0 1 n t ，而且还在继续提高，这些弱磁场测试仪器不仅可以测定恒定场，还可以 测定地磁场的变化量。由于地球是天然的磁体，无论任何装置、仪器、交通工具 以及军事武器均要受到地磁场的影响，而各种铁磁性的物质也会相应的影响地磁 场的分布从而引起磁场异常，因此利用这种磁异常现象可以对目标进行定位和跟 踪，这就是基于磁异信号的目标磁探测技术m a d ( m a g n e t i c a n o m a l yd e t e c t i o n ) 。 基于磁异信号的目标磁探测技术在军事上有重要的意义和作用，它为探测水雷和 地雷等隐蔽性目标提供了一种重要的方法，它能够很好的弥补传统目标探测方法 的缺陷，例如声纳探测的有源性等。磁异探测技术是基于铁磁性物体( f e 仃o u s o b j e c t s ) 扰乱地磁场( e a 吡m a 盟e t i cf i e l d ) 磁力线的均匀分布的基本物理现象的 基础之上的。光、雷达波以及声音不能以任意角度从空气中传递到水中而不改变 传播方向和能量，而磁场的传播却做到，磁场的磁力线从水里进入空气中几乎并 不改变传播方向，而且传播方式几乎一致，这样我们就能够通过在空气中的测量 磁场的异常而确定水面下的水雷等目标了。军舰船只、武器装备以及水雷等在制 造过程中要经过大量的锻造、压制等工序，并且含有大量的钢铁等成份，我们知 道，钢铁中含有大量的铁分子等微观颗粒，每一个小颗粒都是一个小磁体，拥有 自己的南极北极，但是常态下他们的磁场方向是随机的，因此宏观上不显示出磁 性。然而，一旦铁磁性物体放置在一个恒定磁场中时，或者经过高温锻压等操作 后，这些小磁体趋向于改变磁场方向，他们的南极朝向外加磁场的北极，而其北 极朝向外加磁场的南极，大量的小磁梯的磁场方向朝向一个方向便会使得物体拥 6基于m a d 水下移动物体探测技术研究 有了自己的磁性。大型的军事武器装备含有大量的钢铁等铁磁性性材料，那么其 产生的磁性相应得就会变得很可观了。磁异信号探测技术正是利用这种现象从地 磁场的背景中测得磁异常信号来判断军事目标的探测信息。 在信息化战争时代，侦察与监视是获取军事情报的手段，其目的在于从一定 的背景中发现与识别目标。任何目标均处于一定的背景之中，目标与背景之间在 外貌、物理特征方面各不相同，总存在某种差别。这种差别使得目标容易被侦察 监视装备或系统所发现与识别，随着信息化武器装备的大量使用，侦察与监视技 术在战争中的作用越来越大，而基于磁异信号的目标磁探测技术就是侦察与监视 以及获取情报的一种极其重要的途径，具有无源被动探测、隐蔽性能好、抗干扰 强和保密性高等优点。 随着传感器的发展和信息革命的到来，在高技术战争中，多种信息的融合以 实现对战场监控有重要作用。通过对战场声、热、磁等信号的探测，从而确定敌 方目标对占据战略主动权拥有重要影响，在这里，磁异信号亦是重要一环。另外， 目前反水雷技术发展也需要磁探测技术的补充，由于常规水雷探测采用的是声纳 有缘探测，隐蔽性能不是很好，而采用磁异信号的目标探测技术能弥补声纳探测 在这方面的不足【5 6 】。 1 3 本论文的主要工作 论文要研究的是基于地磁异常信号对水下移动目标进行探测，通过m a d 原理 对其应用到的磁传感器进行分析和选择，设计出利于测量的传感器差分模型，构 建传感器网络，并对其测量到的数据进行相应的误差分析，最终得出研究结论。 论文余下章节安排如下： 第二章分析m a d 系统原理，磁探测的发展，种类及其原理以及地磁异常信 号特征量的确定。 第三章阐述磁传感器的分类以及测量原理，比较磁传感器的性能并进行选 择，为提高测量精度建立磁传感器的差分模型。 第四章设计水下目标测量系统，包括传感器电路和无线传感器网络的设计与 实现。 第五章将通过计算机仿真，研究磁性目标磁异常的分布特性，以及由于传感 器实际尺寸引起的测量误差随测量距离、传感器长度和直径的变化关系。 结论语对全文进行总结和分析，对今后的磁探测技术进行展望。 第二章地磁异常探测( m a d ) 系统原理 第二章地磁异常探测( m a d ) 系统原理 2 1 引言 地磁异常探测技术- m a d ( m a 盟e t i ca m o m a l yd e t e c t i o n ) 是磁探测与识别技术 的一个重要分支，主要应用于军事研究领域，是近年来随着磁测量传感器测量精 度的提高和测量范围的扩大以及军事高技术武器发展的需求而发展起来的【7 】。目 前，基于磁异信号的目标探测技术尚无明确的报道，一般地以地磁场( e a n l l m a 印e t i ca n o m a l y ) 中的铁磁性物( f e r r o u so b j e c t s ) 引起的磁( 场) 异( 常) 的物理现象为 基础。磁异现象是指处在空间某一位置的铁磁性目标会改变所在地点的地磁场( 近 似匀强磁场) 的分布从而引起地磁场的异常分布的现象。而基于磁异信号的目标探 测技术研究的就是如何测量和提取磁异信号、根据磁异信号怎样得到目标的探测 信息以及如何利用信号数据搜索到目标等问题。当然，很明显磁异信号的目标探 测技术离不开磁探测，因此对磁探测技术的了解与掌握对引导磁异信号的目标探 测技术的研究大有益处，本章将会在简要介绍磁探测的分类、测试方法以及测试 原理，重点介绍磁异信号目标探测技术的原理、方法，通过分析最终选定磁场差 分值作为磁异信号的检测特征量。 2 2 磁性探测技术方法 2 2 1 磁性探测的发展【8 9 1 0 】 磁探测是研究与磁现象有关的物理过程的重要手段，其内容涉及许多领域， 如地球物理、天体物理、高能物理以及生物科学、医学和军事应用领域等发面。 它通过非接触的测量固定或移动目标的磁场参量，并将测量得到的信号经过一定 的处理方法正确的给出相关信息。 1 6 世纪末期，人类利用磁针来研究磁现象和测定地磁场。1 7 8 5 年，库仑根据 力学原理提出了利用磁针在磁场中的自由震荡周期来测定地磁场的方法。后来高 颠发展了这种方法，并且根据这种方法制成了研究地磁变动的第一个标准仪器。 1 8 3 1 年，英国科学家法拉第发现了电磁感应定律，把磁现象和电现象联系起 来，为磁场测量奠定了理论基础。 上世纪3 0 年代初，出现了利用磁性材料自身磁饱和特性的磁通门磁强计，广 泛运用在地球物理、机械工程、军事工程等领域。 基于m a d 水下移动物体探测技术研究 2 0 世纪5 0 年代初以来，电子技术、半导体技术等的发展，大量的半导体集成 磁传感器的诞生为需要低功耗、小体积、大面积使用的领域的应用提供了条件。 激光和光导纤维技术的发展则提高了利用磁光效应测量磁场的水平，大大提高了 磁场测量的范围和精度，使得许多利用磁现象的物理手段得以实现。 2 0 世纪末和2 1 世纪初期，国外的半导体公司积极开展低功耗磁探测传感器的 开发，并且提高磁场测量的灵敏度。其中h o n e y w e l l 公司开发的多维磁阻传感器， 具有高度集成、功耗低、磁场分辨率高等优点，并且价格低廉，适合军事应用， 例如无人电子侦察等应用场合。近年来国外的一些公司已经开始研制基于这些传 感器的战场监控和目标探测的研究工作。 目前，磁探测技术的发展趋势是广泛利用量子现象、电磁现象、光电子现象、 超导现象以及相应的传感器，改进传统测试仪器，向电子化、数字化、自动化的 方向过渡。随着磁探测技术的发展，还必须扩大其应用领域，以磁场测量传感器 为基础开发一批特殊用途的目标磁探测传感器，比如能够提取磁异常信号的磁梯 度计等，满足军队高技术武器装备的发展需要。 2 2 2 磁性探测的物理参量1 在国际单位制中，把磁场强度h 在真空( 空气) 中引起的磁感应强度记为b 。， 并有简单的关系： b 0 2 po h式( 2 1 ) 式中，肛。= 4 兀1 0 _ 7h m 是常数，表示真空磁导率。但是b 。在数值和量纲上都与磁 场强度h 不一致。在国际单位制中，h 的单位是m ，而b 。单位是t ( 特斯拉) 。在磁 介质中的总磁场强度b 将是磁感应强度b 。和磁化强度m ( 表征磁介质在磁场h 中极 化的磁感应强度) 之和，即： b 2b o + “o m式( 2 2 ) 由此可见，磁感应强度可同时用来描述介质和真空中的磁场，它比磁场强度 有更广泛的概念。 在磁介质中，由于b 和b 。的关系很复杂，通常是采用测量磁感应强度的积分， 即测量磁通： = i b 西 式( 2 3 ) 磁通的单位是w b ( 韦伯) 。 5 。 磁场参量表征磁场性质的物理量。他们包括：磁感应强度b ，磁通，磁场非 均匀性物理量量( 磁场梯度) 等以及他们的分量和模量。 第二章地磁异常探测( m a d ) 系统原理 9 2 2 3 磁性探测的种类与原理【l l l 磁探测方法涉及的范围很广，其方法根据测量所依据的不同的基本物理现象， 大体可分为如下几种： 1 ) 电磁感应法。电磁感应法是以电磁感应定律为基础测量磁场的一种经典方 法。可通过探测线圈的移动、转动和振动来产生磁通变化。其中冲击法主要用于 测量恒定磁场：伏特法用于测量高频磁场；电子磁通法用于测量恒定磁场、交变 磁场或脉冲磁场( 或磁通) ；旋转线圈法和振动线圈法是电磁感应法的直接应用，主 要用于测定恒定磁场。 2 ) 电磁效应法。电磁效应法是利用金属或半导体中流过的电流和在外磁场同 时作用下所产生的电磁效应来测量磁场的一种方法。其中霍尔效应法应用最为广 泛，可以测1 0 一1 0 t 范围内的恒定磁场。 3 ) 磁力法。磁力法是利用在被测磁场中的磁化物体或通电电流的线圈与被测 磁场之间相互作用的机械力( 或力矩) 来测量磁场的一种经典方法，精密地磁探测法 ( p c m ) 就是根据这一原理设计的。磁力法在地磁场测量、磁法勘探、古地磁研究等 方面仍占有一定的位置。 4 ) 磁共振法。磁共振法是利用物质量子状态变化而精密测量磁场的一种方法， 其测量的对象一般是均匀的恒定磁场。其中，核磁共振法主要用于测量1 0 1 0 t 范围内的较强磁场；电子顺磁共振法主要用于测量1 0 _ 4 1 0 。3 t 范围内较弱磁场； 光泵法用于测量小于1 0 。t 以下的弱磁场。 5 ) 磁通门法。磁通门法也称为磁饱和法，是利用被测磁场中磁芯在交变磁场 的饱和激励下其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量磁场的一种方法。 6 ) 磁光效应法。磁光效应法是利用磁场对光和介质的相互作用而产生的磁光 效应来测量磁场一种方法，它可用于测量恒定磁场、交变磁场和脉冲磁场。主要 用于测量低温下的超导强磁场的测量。 7 ) 超导效应法。超导效应法是利用弱耦合超导体中的约瑟夫森效应得原理测 量磁场的一种方法，它可以m 量0 1 t 以下的恒定磁场或交变磁场。超导量子干涉仪 ( s q u i d ) 具有从直流到1 0 1 2 h z 的良好频率特性。超导效应法在地质勘探、大地测量、 计量技术、生物磁学等方面有重要的应用。 8 ) 磁阻效应法。物质在磁场中电阻发生变化的现象称为磁电阻效应。磁电阻 效应有普通和各项异性磁电阻效应之分。各项异性磁阻效应是指：当外界磁场偏 离强磁性金属( 铁、钴、镍及其合金) 内部的磁化方向时金属的电阻减小，而平行时 基本没有变化。目前某些国外公司已经开发了芯片式的传感器，具有体积小，灵 敏度高、响应频率宽、价格低廉等优点，是多种传统的磁传感器的换代产品。 l o 基于m a d 水下移动物体探测技术研究 2 3 地磁异常探测技术原理 前面已经介绍过，基于磁异信号的目标磁探测技术以如下的电磁现象为基础： 含有铁磁性物质的物体( f e 玎o u so b j e c t s ) 会改变所在位置周围空间的地磁场分布， 从而产生磁场异常信号( m a g i l e t i ca n o m a l ys i g n a n l r e s ) ，通过测试和处理磁异信号， 可以得到反映磁性目标的探测信息，这就是基于磁异信号的目标探测技术的物理 基础，图2 1 给出了磁异现象示意图【1 2 】： 口+ 磁性目标+ 地磁场= 扰动场( 地磁异常场) 图2 1 磁异常现象示意图 由图2 1 易见，基于磁异信号的目标磁探测技术和两个场量有关： 磁异常场b 。 地磁场曰， 对磁性目标的探测信息的提取都是通过对磁异信号的测量，从地磁场一定 范围内的近似匀强场为背景提取出来的。 由磁异常信号产生的物理机理可以知道，磁异信号矢量由下式决定： b 口= 鲋一b p 式( 2 4 ) 其中b 。是磁异信号磁感应强度矢量，易是扰动场磁感应强度矢量，b 。是地 磁场磁感应强度矢量，如果以磁场强度日来表示。那么相应计算公式就变成了下 式所示： 胁= 倒一胁 式( 2 5 ) 其中日。表示磁异信号强度，日。是扰动场磁场强度，日。是地磁场磁场强度。 然而由于一般磁场测量的传感器测磁参量均为磁感应强度b ，单位为丁( 特斯拉) 或g “删( 高斯) 。 由图2 1 可见扰动场吃由地磁场b 。和磁性目标产生的磁场b 。的叠加，因此 磁异常场信号是以铁磁性物质目标的感应场b 。的存在为前提的。 如果被测量点和目标的距离，大于目标直径倍数，b 。的求解可由著名的磁偶 第二章地磁异常探测( m a d ) 系统原理 l l 极子公式给出【”】： 砌( ，) = ( | “4 万) 3 ( 慨) 一m ( 1 厂3 ) 式( 2 6 ) 在国际单位制中，b 。( ，) 是由磁偶极子源m 产生的在距离其，( ，z ) 矢量位置处产生 的磁感应强度矢量，单位是t 。是矢量，方向上的单位矢量。( t m a ) 是所处介 质中的磁导率，在低频和水以及空气环境中近似与真空磁导率相等， 卢。= 4 兀1 0 - 7t m a ，万= 3 1 4 1 5 9 2 6 ，另外( 2 6 ) 中的吃与磁异信号吃基本上是一致 的，并且其大小和距离的立方成反比。 2 4 地磁异常信号的特征量确定 我们要根据地磁异常信号研究目标的探测信息，就必须找出能够衡量磁异信 号的物理量也就是磁异信号的物理特征量，我们希望通过一系列的测量和处理 以后该特征量可以显著的反映所需信息，并且易于提取。显然表示磁场分布最直 接的物理量就是b 值，通过分别测量原场和扰动场的b 值分布，便可计算出磁异 常信号衄，然而测试装置每次提取磁异信号需要经过三个步骤： 测量地磁场分布b ， 测量扰动场的磁场分布玩 提取地磁异常信号衄 测试过程较为繁琐。而且即使预先知道了原场的磁场分布，比如某一地区的 地磁矢量数值( 均匀) ，也需要经过两次测量运算才能得到最终的测量参量。在某些 情况下，也不容易在某一区域中把原场和扰动场分开。利用b 值作为系统的测试参 量可以利用己有的各种磁探测设备，简单方便，免于二次开发，但是也有系统操 作过程相对较为复杂、实时性能低的缺点。由公式( 2 6 ) 可知，一个强度为m = l 彳聊2 的磁偶极子目标( 相当于体积为0 0 0 2 所3 的磁性偶极子) 将会在距离其l m 的地方产生 召，= 2 0 0 n t 的磁感应场。对一个磁偶极子产生的磁场而言，b 。的幅值随着r 的增加 成立方次下降。而地磁场始终在测试的过程中存在，毋5 0 0 0 0 n t ，从5 0 0 0 0 n t 甚 至更高的背景电平中测量2 0 0 甚至远远小于2 0 0 n t 的信号，这就既要求传感器有较 大的测量范围又要有很高的分辨率，这对传感器提出了极大要求，也对后端的处 理电路提出了极高的要求。 很明显如果传感器只对磁场在单位距离上的变化量磁场差分值v b 。做出响 应( 地磁场恒定) ，将会大大提高系统的实时性能，简化测试过程。前面已经讲过， 基于地磁异常信号的目标磁探测的原场是地磁场，地磁场在一定范围内是近似匀 强场( 地磁场单位差分值小于o 0 2 n t m ) ，而对一磁偶极子源在距离米的地方产生 的磁场差分值是6 0 0 n t m ，因此地磁场引起的磁差分传感器的测量误差比传感器自 1 2 基于m a d 水下移动物体探测技术研究 身带来的误差还小很多，可以不加考虑，这便为地磁异场差分值的直接提取提供 了条件【1 4 】。 磁差分矢量分量由下式确定： 珊：罢竽 式( 2 7 ) 讲l 其中，l 为两个磁传感器之间的距离，磁场差分值的单位是t m ( 特斯拉每米) 。 由公式( 2 6 ) 进行推导可以得到，v b 与，的四次方成反比。 2 5 本章小结 本章简要阐述磁性探测技术的发展及各自原理，重点介绍了基于地磁异常信 号的目标磁探测( m a d ) 技术的原理及理论基础，并且通过分析比较选定描述磁 异信号的特征量磁场差分值。 第三章水下移动物体磁性探测传感器的设计1 3 第三章水下移动物体磁性探测传感器的设计 3 1 引言 所谓传感器，来自“感觉一词。人类的五官就是人类感知感觉外部世界的 传感器，五官接收到外界的刺激信号产生作用于各种神经传递信号的能量，传送 到大脑处理后人类便可分辨出外界事物的气味、重量、颜色、音量等特征。在自 动测试系统中，计算机相当于人类大脑，而传感器就像人类的五官，工程上称之 为“电五官”，它是能将特定的被测量信息按着一定的规律转换成某种可用的输出 信号的器件【l5 1 。 第二章己经提到，基于磁异信号的目标磁探测和两个物理量有关：b 和衄， 并通过分析选定了磁异信号的特征量磁梯度。曰值的测量由磁场传感器完成， 而直接测量v b 的传感器需要自行开发。不过，由于v b 值是由扰动场和原场磁场b 值矢量差值在单位路径上的积分得到的，因此磁差分传感器的研制仍然应以磁场 传感器为基础，所以了解各种磁场传感器的性能特性对本论文的工作有重要意义。 本章在介绍各种磁场传感器的分类和性能特性的基础上，给处了磁传感器的选择， 以及由磁传感器组成的差分模型的思路和结构组成等等。 3 2 磁性探测传感器的分类以及测量原理【1 6 】 5 0 年代以来，由于加速器在工程、航空工程和可控热核聚变装置等一些大型 高科技的发展，对磁测量在实间、空间、形态、准确度等方面提出了更为苛刻的 要求，同时由于测磁方法的完善、磁传感器的发展，加上电子技术、半导体技术、 以及新材料新工艺的发展和出现，为磁测仪器的发展提供了条件，而各种物理效 应和定律在弱磁测量中的大量应用，促使了数十种测量仪器的出现。下面介绍几 种有代表性的弱磁测量仪器以及他们的主要应用【l l 。 3 2 1 感应线圈 感应线圈磁场传感器是基于电磁感应的原理，它的应用很早，结构最简单。 可根据感应线圈在磁场中的移动、振动、转动、不动，而分别测量恒定的、交交 的或脉冲的磁场。它最适应于测量交变磁场，并随着被测磁场频率的增加而灵敏 度获得提高，其测量范围很广、分辨率可达1 0 。1 2 1 0 。3t o 1 4 基于m a d 水下移动物体探测技术研究 3 2 2 无定向磁强传感器 这种传感器利用被测磁场中的磁化物体与被测磁场之间相互作用的机械力来 测量弱磁场，这种方法可以测量较弱的、均匀的、非均匀的和变化的磁场。应用 电子负反馈和数字技术之后，由于磁系数相当于一指令装置，灵敏度只与反馈线 圈场数、线圈和磁系的相对位置以及线圈中的电流有关，这样就可以提高仪器的 稳定性和线性度，缩短读数时间，分辨力可达1 0 4t ，由于调整复杂，对测试环境 条件要求苛刻，只能在固定的场所进行测量，从而局限了它的应用范围。 3 2 3 质子旋进磁场传感器 质子旋进磁强计是利用核磁共振感应法的原理，在被测磁场的垂直方向上加 上极化磁场，当极化磁场突然断开后，探头内的核子样品磁矩将以拉摩频率w 绕 被测的磁感应强度b 自由旋进。用这种磁强计可以绝对测量较强的磁场，而克服核 磁共振吸收法测量限的限制。质子旋进磁强计具有精确度高、稳定性好、没有温 漂等优点，它最适于测量和地磁场同数量级的恒定场，而不适于测量变化的磁场。 3 2 4 光泵磁场传感器 光泵磁场传感器是利用原子的塞曼效应( 原子在磁场中能级分裂为磁量子数m 的亚能级) 原理，对弱磁场进行绝对测量的一种精密方法。灵敏度高，无需严格定 向，可测磁场分量是它的特点。但这种仪器由光学系统和气室构成的探头体积较 大，同时还存在由漂移等构成的不稳定性，需要用严格的方法保证其稳定性。 3 2 5 超导量子磁传感器 超导量子磁强计是利用约瑟夫效应测量磁场微小变化的一类装置，它也是一 种最为灵敏的弱磁场测量手段，可以测量0 1 t 以下的恒定场或交变场，其灵敏度高， 理论极限值为1 0 。2 t ，直流超导量子磁强计的场分辨率可达7 木1 0 。5 t ，射频超导量 子磁强计的分辨力可达1 0 。4 ，迄今，超导量子磁强计是弱磁场仪器中最为精密的 手段，但有待于向高温超导量子磁强计发展。 3 2 6 磁通门传感器 磁通门磁强计是利用高导磁材料在传感器线圈系统中的磁饱和特性来测量磁 第三章水下移动物体磁性探测传感器的设计1 5 场的仪器，也是应用最广的测弱磁仪器之一，其测量范围为l o - 1 2 1 0 - 1 3t ，这种仪 器结构简单、体积小、重量轻、功耗低、测量范围宽、灵敏度高，分辨力约为 1 0 一。l o 。1 0 t ，适于测量恒定或缓慢变化的磁场。它可以测定恒定和低频弱磁场， 其基本原理是磁芯磁导率随时间而变化。 3 2 7 霍尔传感器 通电的载体在受到垂直于载体平面的外磁场作用时，则载流子受到洛伦兹力 的作用，并有向两边聚集的倾向，由于自由电子的聚集( 一边多一边必然少) 从而形 成电势差，在经过特殊工艺制备的半导体材料这种效应更为显著。从而形成了霍 尔元件。早期的霍尔效应的材料i i l s b ( 锑化铟) 。为增强对磁场的敏感度，在材料方 面半导体i i i v 元素族都有所应用。近年来，除i n s b 之外，有硅衬底的，也有砷化镓 的。霍尔器件由于其工作机理的原因都制成全桥路器件，其内阻大约都在 1 5 0 q 5 0 0 q 。之，间。 3 2 8 磁阻传感器 物质在磁场中电阻发生变化的现象称为磁电阻效应。磁电阻效应有普通和各 项异性磁电阻效应之分。各项异性磁阻效应是指：当外界磁场偏离强磁性金属( 铁、 钴、镍及其合金) 内部的磁化方向时金属的电阻减小，而平行时基本没有变化。磁 阻传感器就是基于磁阻效应测量磁场值的。目前某些国外公司己经开发了芯片式 的传感器，具有体积小、灵敏度高、响应频率宽、价格低廉等优点，是多种传统 的