一种磁异探测的弱磁信号识别系统及其识别方法

1.本发明涉及地下金属探测领域，特别是涉及一种磁异探测的弱磁信号识别系统及其识别方法。


背景技术：

2.金属探测在公用设施建设和运营、土木工程、地质调查、考古学、法医学、地球物理测井以及寻宝、矿山/武器搜寻等方面有着重要的作用。电磁探测技术由于其具有非接触式、设备便携等特点，长期以来一直是地下金属探测领域的研究热点。由于地球磁场的存在，铁磁性物质被磁化产生感应磁场，这种感应磁场干扰了铁磁性物体周围地球磁场的分布，产生磁异常信号。瞬变电磁法是先利用不接地线圈，向地下发射一次磁场，然后突然关断一次场以激励地下导电磁异物体产生涡流，并在一次场关断间隙观测该涡流产生的二次感应磁场随时间变化的响应，通过分析响应曲线提取地下磁异物体的电阻率、埋深等信息。磁异探测过程中，由于环境磁场和高频噪声的存在，探测到的磁异常信号非常微小，难以提取出有效磁异信号，需要对探测到的数据进行过滤、降噪处理。
3.在地磁背景下进行磁测量，测量信号往往是各种因素引起的磁场信号的叠加。磁异信号检测的主要目的是基于测量信号判定磁异信号的有无，所以其它因素引起的磁场信号均需要被抑制，从而将目标磁异信号凸显或者提取出来。这些误差和干扰磁场主要地磁背景场、载体干扰场、目标异常场和磁传感器本身测量误差等。


技术实现要素：

4.鉴于此，本发明的目的在于，提供一种磁异探测的弱磁信号识别方法，通过电磁感应原理，利用瞬变电磁法进行磁异探测。磁异探测测量信号是多种磁场信号的叠加，可通过差分方式对稳定的地磁场信号进行去除，通过低通滤波器对高频强干扰信号进行过滤，通过对预处理信号分析，自适应改变发射线圈的频率。采用瞬变电磁法进行地下磁异金属探测，可以避免磁传感器本身的测量误差，避免对被探测物体的损坏，不受天气的影响，进一步节省财力物力。
5.为了达到上述目的，进而采取的技术方案如下：
6.一种磁异探测的弱磁信号识别系统，包括：
7.阵列磁激励发射模块，包括阵列激励线圈和信号源，阵列发射线圈与信号源电性连接，信号源提供频率可变的交流脉冲信号，阵列激励线圈在交流脉冲信号的激励下产生一次交变激励磁场，激励磁场在地下介质中扩散，地下金属磁异物体在激励磁场的作用下催生变化的感应涡流，感应涡流产生对应的二次感应磁场会在地下介质中扩散；
8.感应线圈接收模块，包括阵列感应线圈和信号采集模块，阵列感应线圈与信号采集模块电性连接，阵列感应线圈在地下磁异物体产生感应磁场的作用下产生感应电流，信号采集模块通过负载电路采集感应电压信号的数据；
9.信号识别模块，包括信号差分模块、低通滤波模块和金属识别模块，所述信号差分
模块、低通滤波模块和金属识别模块集成在一个电路上，并分别与信号采集模块电性连接，信号差分模块去除稳定背景地磁场的干扰，低通滤波模块利用强干扰噪声的高频特性，对高频噪声进行过滤，金属识别模块根据对上述模块预处理的信号，判断金属磁异物体是否存在。
10.优选地，所述信号源提供频率可变的交流脉冲信号，根据地下磁异物体的深度和金属识别模块的分析，自适应调整发射频率的大小。
11.优选地，所述阵列发射线圈模块采用多线圈阵列放置，通入同样的脉冲信号，扩大探测面积。
12.优选地，所述阵列感应线圈模块采用多线圈阵列放置，放置于对应发射线圈的四周，降低发射线圈与感应线圈的耦合，分析各个感应线圈磁异数据差异，得出地下磁异物体的方位。
13.优选地，所述金属识别模块基于激励磁场的频率特性和响应信号间的关系，根据预处理信号，自适应改变发射信号的频率，探测弱磁信号。
14.一种磁异探测的弱磁信号识别方法，包括以下步骤：
15.s1.将信号采集模块采集到的感应信号通过信号差分模块，消除稳定的地磁场信号；
16.s2.将上述信号通过低通滤波模块，滤除信号中的高频噪声干扰；
17.s3.将上述信号通过自适应识别模块，对处理后的信号进行分析；
18.地下介质产生涡流大小与介质参数及发射线号频率相关，此外，在地下介质中探测时，电磁波在时、空中的运动变化规律遵循麦克斯韦方程组，故在时谐平面电磁波的情况下，通过麦克斯韦方程组可推导出电场强度的波动方程。公式如下所示：
[0019][0020]
其中ea为初始涡旋电场，eb为在介质中衰减后涡旋磁场，b为磁场强度大小，s为金属磁异物体的介质参数，s与金属物体厚度d成正比，与金属材料电阻率成反比；e为感生电动势的大小，l为闭合的线圈回路；ω是角速度，rad/s；μ是磁导率，h/m；ε是介电常数，f/m；γ是电导率，s/m；α为衰减系数，np/m；
[0021]
结合上述公式，在瞬变电磁探测中，磁异物体涡流大小与信号发射频率成正比，感生电动势与涡旋电场成正比，因此金属磁异信号的强度与发射信号的频率成正比，通过增大发射信号的频率，可以增大金属磁异信号的强度；
[0022]
由式(1)可知，电磁波衰减系数化简为因此电磁波在地下介质中，衰减程度与频率、磁导率和电导率成正相关，衰减程度越大，地下探测深度越低，采集到深层介质的感应信号越小；
[0023]
在地下介质中内，煤岩体等介质属于典型的抗磁体，组分中含有微量的磁性物质，磁导率对电磁波传播的相对贡献率较小，一般可以认为，电磁波在矿井巷道中介质的磁导率为一个常数，因此衰减程度主要与电导率和频率有关，在相同的磁导率下，频率越高，衰减程度越大。在相同频率下，电导率越大，衰减程度越大；
[0024]
磁场强度的衰减与频率关系是频率越大，电磁波的波长越短，更容易受到小物体的阻挡，传播相同距离的周期就越多，损耗增大，所以衰减更快，探测深度降低；
[0025]
发射信号的频率影响采集感应信号，随着发射信号频率增加，地下磁异信号强度会增加，但地下探测的深度也会降低，需根据感应信号的分析，自适应改变发射信号的频率；
[0026]
当经过后处理的感应信号能判断出有磁异信号存在，但目标磁异信号幅值较小时，通过增大发射信号的频率，进而增大目标磁异信号的幅值；当经过后处理的感应信号未能判断出有磁异信号的存在时，通过降低发射信号的频率，进而加大实验系统的探测深度；
[0027]
综上所述，对预处理后的磁异信号进行分析后，自适应通过改变发射信号频率改变探测深度与强度。
[0028]
本发明与传统检测方法相比，有以下优势：
[0029]
采用瞬变电磁法进行磁异探测，不接触地下磁异物体，不会对被测物体产生破坏，也不会对周围环境产生影响；
[0030]
采用阵列发射线圈和阵列接收线圈进行探测，相对传统单线圈结构，可以有效提升探测面积，通过各个感应线圈采集的数据差异，还可判断金属磁异物体的具体方位；
[0031]
采用金属识别算法，通过自适应改变信号源发射信号的频率，可以探测不同深度的金属磁异物体，并对金属磁异物体深度进行识别。
附图说明
[0032]
构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0033]
图1为本发明系统模块框图；
[0034]
图2为本发明系统总体流程图；
[0035]
图3为本发明模拟运行图例。
具体实施方式
[0036]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0037]
为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。
[0038]
请参考图1-3：
[0039]
一种磁异探测的弱磁信号识别系统，包括：
[0040]
阵列磁激励发射模块，包括阵列激励线圈和信号源，阵列发射线圈与信号源电性连接，信号源提供频率可变的交流脉冲信号，阵列激励线圈在交流脉冲信号的激励下产生一次交变激励磁场，激励磁场在地下介质中扩散，地下金属磁异物体在激励磁场的作用下催生变化的感应涡流，感应涡流产生对应的二次感应磁场会在地下介质中扩散；阵列激励线圈通过信号源提供频率可变的交变脉冲信号，在脉冲信号关断瞬间，阵列发射线圈产生一次交变激励磁场，产生的一次磁场在地下介质中扩散，由于地下介质和金属界面的磁导率不同，因此经一次磁场产生的信号有差异；地下金属磁异物体处于交变磁场中时，在金属物体内会产生异常磁感应力矩，从而导致目标反射磁场的异常，产生交变感应涡流信号，该涡流信号会产生二次感应涡流磁场，变化的涡流磁场会继续在地下介质中扩散，在阵列感应线圈中产生感应电流；
[0041]
感应线圈接收模块，包括阵列感应线圈和信号采集模块，阵列感应线圈与信号采集模块电性连接，阵列感应线圈在地下磁异物体产生感应磁场的作用下产生感应电流，信号采集模块通过负载电路采集感应电压信号的数据；阵列感应线圈用于接收地下磁异物体经一次磁场激励后产生的二次感应磁场信号，但也会接收到一次磁场信号产生的干扰，阵列接收线圈放置于对应阵列发射线圈四周，此种放置方式能有效降低发射线圈与接收线圈之间的耦合，减少一次磁场信号的干扰，最大限度的接收感应涡流磁场信号；通过法拉第效应，由感应线圈探测到的磁场使感应线圈产生一个感应电压值，该值与沿探测线圈轴向的目标异常磁场的时间微分值成正比关系，信号采集模块接收阵列感应线圈上产生的感应电压信号，并进行存储，通过采集的感应电流信号，经过信号处理后，分析地下磁异金属的状态；
[0042]
信号识别模块，包括信号差分模块、低通滤波模块和金属识别模块，所述信号差分模块、低通滤波模块和金属识别模块集成在一个电路上，并分别与信号采集模块电性连接，信号差分模块去除稳定背景地磁场的干扰，低通滤波模块利用强干扰噪声的高频特性，对高频噪声进行过滤，金属识别模块根据对上述模块预处理的信号，判断金属磁异物体是否存在。磁异探测过程中，探测到的磁异常信号非常微小，而由于环境磁场和高频噪声的存在，难以有效提取出磁异信号；感应磁场信号由目标磁场信号和背景磁场信号共同叠加构成，背景磁场包括稳定的地磁场信号和不稳定的强干扰高频噪声，因此要对采集到的信号进行分离；信号差分模块通过对探测到的感应磁场信号进行差分处理，可以消除稳定地磁场的影响；低通滤波模块对后续信号进行低通滤波处理，可以去除高频噪声干扰；电磁场的频率与地下传播的深度有关，低频率信号在地下传播较远，为提高方案的探测深度，应选择较低的发射频率；涡流也与电磁场频率有关，为了在非铁磁性金属物体上产生足够强度的涡流，发射频率又不能太低，因此综合低频条件、近距离条件和涡流强度的需要，根据实际探测地，自适应选择发射频率；金属识别模块对上述预处理的信号进行分析，若可从上述信号中明显观测到金属磁异信号存在，则根据磁异信号的强度及默认的发射频率可得出金属磁异物体的深度；若金属磁异信号的强度很小，不能明显观测，则可增大发射信号的频率，从而增大磁异信号强度；若从上述信号中不能观测到金属磁异信号，则可减小发射信号的频率，再次观测感应信号。
[0043]
所述阵列发射线圈模块采用多线圈阵列放置，通入同样的脉冲信号，扩大探测面积；阵列感应线圈模块采用多线圈阵列放置，放置于对应发射线圈的四周，降低发射线圈与
感应线圈的耦合，分析各个感应线圈磁异数据差异，得出地下磁异物体的方位；金属识别模块基于激励磁场的频率特性和响应信号间的关系，根据预处理信号，自适应改变发射信号的频率，探测弱磁信号。
[0044]
一种磁异探测的弱磁信号识别方法，包括以下步骤：
[0045]
s1.将信号采集模块采集到的感应信号通过信号差分模块，消除稳定的地磁场信号；
[0046]
s2.将上述信号通过低通滤波模块，滤除信号中的高频噪声干扰；
[0047]
s3.将上述信号通过自适应识别模块，对处理后的信号进行分析；
[0048]
地下介质产生涡流大小与介质参数及发射线号频率相关，此外，在地下介质中探测时，电磁波在时、空中的运动变化规律遵循麦克斯韦方程组，故在时谐平面电磁波的情况下，通过麦克斯韦方程组可推导出电场强度的波动方程。公式如下：
[0049][0050]
其中ea为初始涡旋电场，eb为在介质中衰减后涡旋磁场，b为磁场强度大小，s为金属磁异物体的介质参数，s与金属物体厚度d成正比，与金属材料电阻率成反比；e为感生电动势的大小，l为闭合的线圈回路；ω是角速度，rad/s；μ是磁导率，h/m；ε是介电常数，f/m；γ是电导率，s/m；α为衰减系数，np/m。
[0051]
结合上述公式，在瞬变电磁探测中，磁异物体涡流大小与信号发射频率成正比，感生电动势与涡旋电场成正比，因此金属磁异信号的强度与发射信号的频率成正比，通过增大发射信号的频率，可以增大金属磁异信号的强度；
[0052]
由式(1)可知，电磁波衰减系数化简为因此电磁波在地下介质中，衰减程度与频率、磁导率和电导率成正相关，衰减程度越大，地下探测深度越低，采集到深层介质的感应信号越小。
[0053]
在地下介质中内，煤岩体等介质属于典型的抗磁体，组分中含有微量的磁性物质，磁导率对电磁波传播的相对贡献率较小。一般可以认为，电磁波在矿井巷道中介质的磁导率为一个常数。因此衰减程度主要与电导率和频率有关，在相同的磁导率下，频率越高，衰减程度越大。在相同频率下，电导率越大，衰减程度越大。
[0054]
磁场强度的衰减与频率关系是频率越大，电磁波的波长越短，更容易受到小物体的阻挡，传播相同距离的周期就越多，损耗增大，所以衰减更快，探测深度降低。
[0055]
发射信号的频率影响采集感应信号，随着发射信号频率增加，地下磁异信号强度会增加，但地下探测的深度也会降低，需根据感应信号的分析，自适应改变发射信号的频率；
[0056]
当经过后处理的感应信号能判断出有磁异信号存在，但目标磁异信号幅值较小时，通过增大发射信号的频率，进而增大目标磁异信号的幅值；当经过后处理的感应信号未能判断出有磁异信号的存在时，通过降低发射信号的频率，进而加大实验系统的探测深度；
[0057]
综上所述，对预处理后的磁异信号进行分析后，自适应通过改变发射信号频率改变探测深度与强度。
[0058]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种磁异探测的弱磁信号识别系统，其特征在于，包括：阵列磁激励发射模块，包括阵列激励线圈和信号源，阵列发射线圈与信号源电性连接，信号源提供频率可变的交流脉冲信号，阵列激励线圈在交流脉冲信号的激励下产生一次交变激励磁场，激励磁场在地下介质中扩散，地下金属磁异物体在激励磁场的作用下催生变化的感应涡流，感应涡流产生对应的二次感应磁场会在地下介质中扩散；感应线圈接收模块，包括阵列感应线圈和信号采集模块，阵列感应线圈与信号采集模块电性连接，阵列感应线圈在地下磁异物体产生感应磁场的作用下产生感应电流，信号采集模块通过负载电路采集感应电压信号的数据；信号识别模块，包括信号差分模块、低通滤波模块和金属识别模块，所述信号差分模块、低通滤波模块和金属识别模块集成在一个电路上，并分别与信号采集模块电性连接，信号差分模块去除稳定背景地磁场的干扰，低通滤波模块利用强干扰噪声的高频特性，对高频噪声进行过滤，金属识别模块根据对上述模块预处理的信号，判断金属磁异物体是否存在。2.根据权利要求1所述的一种磁异探测的弱磁信号识别系统，其特征在于，所述信号源提供频率可变的交流脉冲信号，根据地下磁异物体的深度和金属识别模块的分析，自适应调整发射频率的大小。3.根据权利要求1所述的一种磁异探测的弱磁信号识别系统，其特征在于，所述阵列发射线圈模块采用多线圈阵列放置，通入同样的脉冲信号，扩大探测面积。4.根据权利要求1所述的一种磁异探测的弱磁信号识别系统，其特征在于，所述阵列感应线圈模块采用多线圈阵列放置，放置于对应发射线圈的四周，降低发射线圈与感应线圈的耦合，分析各个感应线圈磁异数据差异，得出地下磁异物体的方位。5.根据权利要求1所述的一种磁异探测的弱磁信号识别系统，其特征在于，所述金属识别模块基于激励磁场的频率特性和响应信号间的关系，根据预处理信号，自适应改变发射信号的频率，探测弱磁信号。6.一种磁异探测的弱磁信号识别方法，其特征在于，包括以下步骤：s1.将信号采集模块采集到的感应信号通过信号差分模块，消除稳定的地磁场信号；s2.将上述信号通过低通滤波模块，滤除信号中的高频噪声干扰；s3.将上述信号通过自适应识别模块，对处理后的信号进行分析；地下介质产生涡流大小与介质参数及发射线号频率相关，在地下介质中探测时，电磁波在时、空中的运动变化规律遵循麦克斯韦方程组，故在时谐平面电磁波的情况下，通过麦克斯韦方程组可推导出电场强度的波动方程，公式如下：其中e
a
为初始涡旋电场，e
b
为在介质中衰减后涡旋磁场，b为磁场强度大小，s为金属磁
异物体的介质参数，s与金属物体厚度d成正比，与金属材料电阻率成反比，e为感生电动势的大小，l为闭合的线圈回路，ω是角速度，rad/s，μ是磁导率，h/m，ε是介电常数，f/m，γ是电导率，s/m，α为衰减系数，np/m；结合上述公式，在瞬变电磁探测中，磁异物体涡流大小与信号发射频率成正比，感生电动势与涡旋电场成正比，金属磁异信号的强度与发射信号的频率成正比，通过增大发射信号的频率，可以增大金属磁异信号的强度；由式(1)可知，电磁波衰减系数化简为电磁波在地下介质中，衰减程度与频率、磁导率和电导率成正相关，衰减程度越大，地下探测深度越低，采集到深层介质的感应信号越小；磁场强度的衰减与频率的关系是频率越大，电磁波的波长越短，易受到小物体的阻挡，传播相同距离的周期就越多，损耗增大，衰减更快，探测深度降低；发射信号的频率影响采集感应信号，随着发射信号频率增加，地下磁异信号强度会增加，但地下探测的深度也会降低，需根据感应信号的分析，自适应改变发射信号的频率；当经过后处理的感应信号能判断出有磁异信号存在，但目标磁异信号幅值较小时，通过增大发射信号的频率，进而增大目标磁异信号的幅值；当经过后处理的感应信号未能判断出有磁异信号的存在时，通过降低发射信号的频率，进而加大实验系统的探测深度。

技术总结
本发明涉及一种磁异探测的弱磁信号识别系统及其识别方法，阵列磁激励发射模块包括阵列激励线圈和信号源；感应线圈接收模块包括阵列感应线圈和信号采集模块；信号识别模块包括信号差分模块、低通滤波模块和金属识别模块；将信号采集模块采集到的感应信号通过信号差分模块，消除稳定的地磁场信号；将上述信号通过低通滤波模块，滤除信号中高频噪声干扰；将上述信号通过自适应识别模块，对处理后的信号进行分析。本发明能够通过阵列感应线圈采集的数据差异，判断金属磁异物体的具体方位，通过研究弱磁信号识别方法，对采集信号进行后处理分析，自适应改变信号源发射信号的频率，可以探测不同深度的金属磁异物体，并对金属磁异物体深度进行识别。体深度进行识别。体深度进行识别。


技术研发人员：李凯 康良伟 董浩森 田平怡 翟宇 孔慧华 庞存锁 聂鹏飞 韩焱 苏新彦
受保护的技术使用者：中北大学
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/8/4