超低頻電磁波定位技術(shù)研究報告

1、.超低頻電磁波定位技術(shù)研究報告摘要：利用超低頻電磁波的強穿透性，地衰減率的特點，將超低頻電磁波作為示蹤源，建立磁場模型，并對其原理進(jìn)行詳細(xì)的論證和研究，包括利用相關(guān)檢驗方法來得到目標(biāo)信號，利用信號的特征來對目標(biāo)信號進(jìn)行識別，并通過仿真來進(jìn)行驗證仿真結(jié)果表明：這種基于超低頻波的探測儀可以實現(xiàn)對目標(biāo)對象的定位和探測。1.引 言電磁波（又稱電磁輻射）是由同相振蕩且互相垂直的電場與磁場在空間中以波的形式移動，其傳播方向垂直于電場與磁場構(gòu)成的平面，有效的傳遞能量和動量。電磁輻射可以按照頻率分類，從低頻率到高頻率，包括有無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外光、X-射線和伽馬射線等等。人眼可接收到的電磁輻射

2、，波長大約在380至780納米之間，稱為可見光。只要是本身溫度大于絕對零度的物體，都可以發(fā)射電磁輻射，而世界上并不存在溫度等于或低于絕對零度的物體。而超低頻是指頻率在 330千赫（KHz）之間， 波長在 10010km 之間的電磁波。低頻是指頻率在30300千赫（KHz）之間，波長在101km之間的電磁波。 電磁波是電磁場的一種運動形態(tài)。電與磁可說是一體兩面，電流會產(chǎn)生磁場，變動的磁場則會產(chǎn)生電流。變回的電廠和變回的磁場就構(gòu)成了一個不可分離的統(tǒng)一的場，這就是電磁場，而變化的電磁場在空間的傳播形成了電磁波，大inc的變動就如同微風(fēng)輕撫水面產(chǎn)生水波一般，因此被稱為電磁波，也常稱為電波。超低頻電磁波

3、由于其對金屬、土層等介質(zhì)具有良好的穿透性，可以用于示蹤定位系統(tǒng)中。盡管電磁波理論已經(jīng)很成熟，但是，傳統(tǒng)電磁波發(fā)射理論中半波天線長度的要求，導(dǎo)致超低頻電磁波發(fā)射天線的長度將達(dá)到幾千千米，這是實際應(yīng)用中所不容許的。因此，需要尋找一種新的模型，一方面能夠描述超低頻電磁波的規(guī)律，另一方面，方便實際的工程應(yīng)用。本文根據(jù)超低頻電磁波發(fā)射頻率極低的特點，結(jié)合電磁學(xué)中靜磁場理論，分析、提出超低頻電磁波的磁偶極子模型，并以實驗驗證了由超低頻電磁波磁偶極子模型理論計算所得到的雙峰對稱分布的規(guī)律。本章所提出的超低頻電磁波磁偶極子模型是超低頻電磁波示蹤定位技術(shù)的基石，對于超低頻電磁波示蹤定位原理的研究具有實際和理論上

4、的指導(dǎo)意義。2. 超低頻電磁波示蹤定位原理2.1電磁波的磁偶極子模型如果螺線管的半徑R遠(yuǎn)小于螺線管的長度2l，即(R 2l)時以將螺線管產(chǎn)生的磁場等效為磁偶極子所產(chǎn)生的磁場。磁偶極子是由一對等量異號的點磁荷±qm組成的體系。由磁偶極子磁荷±qm所產(chǎn)生的磁場如圖3-3所示。取磁荷間的距離為螺線管的長度2l，螺線管所等效的磁偶極矩如式(3-15)所示，磁荷的大小如式(3-16)所示。正磁荷+qm在場點D(x,0,z)處的磁感應(yīng)強度B在x，z方向上的分量分別如式(3-17)、式(3-18)所示。負(fù)磁荷-qm在場點D處的磁感應(yīng)強度B在x，z方向上的分量分別如式(3-19)式(3-2

5、0)所示。場點D上的磁場由磁荷qm、-qm所產(chǎn)生的磁場矢量疊加而形成。根據(jù)式(3-17)式(3-19)，磁偶極子在場點D處的磁感應(yīng)強度B在x方向上的分量如式(3-21)所示。同理，根據(jù)式(3-18)式(3-20)，磁偶極子在場點D處的磁感應(yīng)強度B在z方向上的分量如式(3-22)所示。式(3-21)式(3-22)描述了磁偶極子在場點D上的磁場分布，通過式(3-21)式(3-22)可以分析場點的磁場在x、z方向上的分布情況。發(fā)射天線簡化為磁偶極子模型時，在某一個瞬間，由發(fā)射線圈電流形成的磁場分布可以等效為由正負(fù)磁荷所形成的磁場，在場點上的磁場強度分布示意圖如圖3-4所示。根據(jù)式(3-21)式(3-

6、22)所描述的發(fā)射天線的磁偶極子模型，可以對發(fā)射天線場點上的磁場強度分布進(jìn)行定量分析。發(fā)射天線的基本參數(shù)如表3-1所示。選取x=140cm，計算磁感應(yīng)強度在x方向上的分量Bx隨z的變化曲線如圖3-5所示。由圖3-5可知，當(dāng)z處于零點附近時，磁感應(yīng)強度在x方向上的分量Bx隨z增加，符號與z的符號相同。這種磁場變化規(guī)律是實現(xiàn)管道機器人示蹤定位的重要依據(jù)。2.2超低頻電磁波示蹤定位基本原理超低頻電磁波空間分布的磁偶極子模型如式（4-1）所示。根據(jù)式（4-1），磁感應(yīng)強度在x方向上分量的幅值|Bx|隨距離z的變化如圖4-1所示。由圖4-1可知，|Bx|隨z的變化具有如下規(guī)律：1)|Bx|隨z的變化呈現(xiàn)

7、雙峰分布；2)|Bx|隨|z|的變化呈對稱規(guī)律。超低頻電磁波在電磁場空間分布的幅值與場點的位置密切相關(guān)；可以通過檢測在場點上電磁場幅值來求解超低頻電磁發(fā)射源位置，實現(xiàn)超低頻電磁波的示蹤定位。圖4-2是實際的測試曲線，發(fā)射天線位于管道內(nèi)中心位置、與管道平行；管道的兩端通過堵頭堵住，管道直徑為22.5cm，管道的厚度為1cm；接收天線與發(fā)射天線的垂直距離保持140cm不變，超低頻電磁波接收傳感器的輸出為電壓信號。圖4-2中橫坐標(biāo)為超低頻電磁波發(fā)射線圈與接收線圈間的水平距離，縱坐標(biāo)為接收輸出的電壓信號大小。對比理論計算（如圖4-1）和實際的測試結(jié)果（如圖4-2）可知，超低頻電磁波場點上的電磁波信號所

8、呈現(xiàn)的雙峰規(guī)律、曲線對稱分布的規(guī)律在理論計算和實際實驗結(jié)果上具有一致性。因此，在超低頻電磁波示蹤定位系統(tǒng)中，采集場點上超低頻電磁波信號強度，利用超低頻電磁波在空間上磁場強度的分布規(guī)律，通過計算得到超低頻電磁波發(fā)射源的位置，實現(xiàn)管道機器人的示蹤定位。將這種示蹤定位方法稱之為基于強度變化的示蹤定位技術(shù)。超低頻電磁波示蹤定位過程中，接收天線通過LC振蕩電路接收垂直于發(fā)射天線方向磁場變化的幅值信號，如圖4-3所示。隨著超低頻電磁波接收天線與發(fā)射天線位置的相對變化，接收天線上信號強度也相應(yīng)地變化；通過檢測接收天線上信號強度變化，計算發(fā)射天線與接收天線之間的距離(發(fā)射源的位置)，即可實現(xiàn)管道機器人管內(nèi)位置

9、的管外示蹤定位。3. 超低頻電磁波的基本應(yīng)用及其原理3.1 基本應(yīng)用由于超低頻電磁波的強穿透性，地衰減率等特點，可以將其應(yīng)于定位技術(shù)，生命探測，各種資源的勘測。穿墻生命探測技術(shù)是研究障礙物都有無生命現(xiàn)象的一種探測技術(shù)。它主要根據(jù)任區(qū)別于動物或環(huán)境的某些特征來判斷障礙物后有無活著的人員。這種技術(shù)在軍事戰(zhàn)爭、消防、公安以及自然災(zāi)害的人員救護等領(lǐng)域有重大的應(yīng)用前景。目前，已經(jīng)利用人體靜電場、雷達(dá)生命特征監(jiān)測、超寬帶雷達(dá)原理等開發(fā)了多種穿墻探測技術(shù)。而超低頻電磁波地下遙感探測儀是以大地電磁場為工作場源，利用不同的介質(zhì)電磁學(xué)性質(zhì)的差異測量地下巖性分界面，用天然電磁場的反射信息來解釋不同深度的地質(zhì)構(gòu)造，達(dá)

10、到解決地質(zhì)問題的一種被動要干電磁勘探方法。然而，我國在海洋油氣資源的開發(fā)中,已形成了縱橫交錯的海底輸油網(wǎng),由于海底表層地基不穩(wěn)定、 介質(zhì)腐蝕、海流沖淘及海上意外事故等原因, 管道易產(chǎn)生缺陷和損傷, 發(fā)生油氣泄漏, 造成巨大的經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)保損失。世界各海洋石油生產(chǎn)國對海底管道缺陷的檢測十分重視。對于海底管道的檢測,是把智能檢測器放到管內(nèi),在輸送介質(zhì)的推動下,完成管道內(nèi)腐蝕缺陷的檢測。由于泥土、 海水的衰減效應(yīng)和海底管道的屏蔽效應(yīng),在管道內(nèi)部難以接收衛(wèi)星定位信號; 再則,管道在鋪設(shè)及運行過程位貌發(fā)生變化, 檢測裝置如果只記錄自身周向坐標(biāo)與行走距離,難以進(jìn)行精確大地定位, 不能為管線維修裝置提供缺陷

11、的精確位置。本文介紹一套基于超低頻電磁波作為示蹤源,適用于確定海底管道內(nèi)缺陷位置點的定位技術(shù),能夠精確大地定位,便于修復(fù)管道。3.2 原 理1）探測器的工作原理根據(jù) Ferris D D在文獻(xiàn) 5 中繪制的不同頻率穿透一定厚度的各種材料的衰減曲線 ,曲線圖表明:在穿透相同材料時 ,低頻電磁波的衰減要比高頻電磁波的衰減要小得多 ,隨著頻率的增高 ,衰減急劇增加。而超低頻電磁波是指頻率在 30Hz3 kHz之間的電磁波 (按前蘇聯(lián)劃分 ) ,不僅在穿透障礙物時衰減極小 ,且其穿透性強 ,在用于潛艇與地面的信號傳輸時甚至可穿越冰川 6 。該探測器的工作原理如圖 1所示 1, 7, 8 。呼吸、 心跳

12、是檢測生命參數(shù)的重要指標(biāo) ,但由于超低頻信號在傳輸中被強烈的背景噪聲所淹沒 ,因此 ,為了檢測被背景噪聲覆蓋的微弱信號 ,首先 ,利用雙通道相關(guān)檢測方法來抑制或去除由于障礙物產(chǎn)生的強雜波干擾 ,提高信噪比 ,檢測信號;然后 ,利用人體區(qū)別于動物與環(huán)境的這些生命信號參數(shù)特征來確定障礙物后人體是否存在;最后 ,再進(jìn)行障礙物后目標(biāo)位置的提取。信號檢測原理：設(shè)接收天線接收到的信號為x ( t) =AL cos0 ( t +) + n ( t) +Aicos (t +) , 0tT , (1)式中 AL為被測量的強信號 (被固體反射回來的電磁波 )的幅度; n ( t)為白噪聲;0為被測信號的角頻率;為

13、延遲時間; Aicos(t +)為目標(biāo)信號; T為信號接收的時間長度。由于Ai AL ,即兩信號的相對振幅遠(yuǎn)小于 1,則其弱信號被強信號所抑制,表現(xiàn)出來的只是強信號的一些特性。因此,在進(jìn)行信號檢測分析時,可以將接收天線的輸入信號認(rèn)為x ( t) =AL cos0 ( t +) + n ( t) , 0tT . (2)參考信號是一對正交信號,分別為r( t) =Ar cos (0 t +) , (3)p ( t) =Ar sin (0 t +) . (4)式中 Ar為參考信號幅值;0為參考信號角頻率;為參考信號的相位偏移。圖 2為雙通道相關(guān)檢波的結(jié)構(gòu)圖。相關(guān)檢測是測量2個時域信號的相似性,由于確

14、定性信號的不同時刻的取值之間一般都具有比較強的相關(guān)性,而隨機干擾噪聲的隨機性較強,不同時刻的取值之間的相關(guān)性一般較差,利用這一差別可以將確定性信號和干擾信號區(qū)別開來,而雙通道相關(guān)檢測利用 2個正交的參考信號,不僅達(dá)到去噪的目的,還可以避免信號相位偏移對測量準(zhǔn)確度的影響 生命信號的識別：生命體識別最為重要的是從信號數(shù)據(jù)中提取信號特征,一個識別系統(tǒng)的識別能力與特征量的提取與選擇有著直接的關(guān)系。T WS探測器主要是通過探測人體生理活動所引起的各種微動信號,從而判斷有無生命現(xiàn)象。該微動信號主要由人體自身的活動引起,這些活動主要包括人體自身不能克服的生理運動,如,呼吸運動、 心臟跳動、 腸胃蠕動、 動脈

15、搏動等。其中,由呼吸運動在體表產(chǎn)生的微動信號最強,其次是心臟跳動。觀察人體心跳與呼吸信號的時域波形可以發(fā)現(xiàn),雖然它們并不是嚴(yán)格平穩(wěn)的,也表現(xiàn)出非平穩(wěn)隨機信號的特點,但信號在整體上具有一定的周期性和平衡性,每個心跳信號與呼吸信號周期內(nèi)的波形大致相似。因此,可以用心跳信號與呼吸信號作為人體生命參數(shù)的特征,再利用頻域積累方法進(jìn)行特征提取。在時間允許條件下,信號通過一定的補償后 (如,延時、 包絡(luò)移動等 ) ,進(jìn)行信號積累處理,可在一定程度上提高信噪比。頻域積累是指利用變換域的方法將需要處理的時域信號變換到頻域中,在頻域中進(jìn)行信號積累,通過頻域積累可以增強運動目標(biāo)的譜線,從而可以在較低信噪比下檢測到目

16、標(biāo)12 。基于 FFT的頻域積累有 2種方式 ,一種是可變點數(shù)FFT積累;另一種是固定點數(shù) FFT積累 ,這里 ,采用的是固定點數(shù) FFT積累 ,其原理如下:設(shè) s ( n)是長度為 N =M × L的待處理序列,其中,M為積累次數(shù), L為 FFT點數(shù)。則其積累計算式為超低頻電磁波遙感探測技術(shù)在煤田勘探中的應(yīng)用.實踐證明:人體的心跳與呼吸產(chǎn)生的電磁波的頻率為0 . 23Hz,所以 ,檢測頻域積累后的信號是否含有0 . 23Hz之間的頻率即可判別人體的存在與否。如果沒有人體存在 ,則結(jié)束操作;如果有 ,則可對人體的位置進(jìn)行具體定位。2) 地下探測儀的原理介紹超長電磁波地下遙感技術(shù)儀器使

17、用的電磁波的波長可穿透深部地層 ,來自天然波場的電磁波與地下不同深度的地質(zhì)巖體相互作用可產(chǎn)生不同頻率的超長電磁波 ,并傳到地面上來。天然電磁波場可以由圖 1簡要表示。超長電磁波頻譜曲線振幅的強弱 ,主要與巖石密度、 膠結(jié)程度、 破壞程度以及磁性和介電常數(shù)有關(guān)系 ,頻譜曲線能夠反映出有巖性差別的巖性界面、 風(fēng)化面、 斷層面及含水部位。在水平均勻?qū)訝罱橘|(zhì)中 ,根據(jù) Swift公式 ,可以求得第 n層介質(zhì)的表面阻抗用超長電磁波遙感探測儀,實現(xiàn)了對地下不同巖性反射到地面電磁場中的、 隨深度微小頻率變化的電磁場的綜合能量值的采集。通過對該方法的研究 ,實現(xiàn)對地下儲集層的流體性質(zhì)的解釋與判別。超長電磁波頻

18、譜曲線形態(tài)特征可用幅值、 均勻度、 平穩(wěn)度、 稀疏程度來描述。頻譜曲線解釋主要是分析曲線的幅值變化 ,通過不同深度頻譜曲線的變化及不同測點頻譜曲線對比 ,劃分不同的地質(zhì)界面、斷裂構(gòu)造及含水部位等。頻譜曲線解釋是一個綜合分析研究過程 ,既要對頻譜曲線特征作深入細(xì)致的分析對比 ,又要對測區(qū)底層、 巖性、 構(gòu)造、 水文、 地質(zhì)等有較詳細(xì)的了解。解譯中 ,每一測點選擇地質(zhì)信息多、 地質(zhì)界面反映清楚、 干擾信息少的曲線作為該測點的解釋曲線 ,干擾信息多、 地質(zhì)界面不太清楚、地質(zhì)信息含量少的曲線作為解釋參考曲線。巖石物性特征變化是引起曲線特征變化的主要因素 ,巖石的致密與疏松、 富水性的強弱 ,都會引起曲

19、線特征一系列的相應(yīng)變化。通常巖石物性特征變化是引起曲線特征變化的主要因素。通常巖石越致密、 完整 ,成巖及膠結(jié)程度越高 ,富水性越差 ,相應(yīng)超長波曲線的幅值、 變化幅度、 基值越小 ,均勻度和平穩(wěn)度越好;相反 ,巖石越松散、 柔軟、 破碎 ,成巖和膠結(jié)程度越低 ,富水性越強 ,超長波曲線的幅值、 變化幅度、 基值越大 ,均勻度和平穩(wěn)度越差。在具體探測過程中發(fā)現(xiàn)的干擾 ,主要是來自人體、 周圍的電線、 通過的車輛 ,以及隨身攜帶的手機等通訊設(shè)備。所以在探測時人體盡量不要靠近探頭 ,關(guān)掉隨身攜帶的手機等通訊器材 ,盡量避免在電線周圍及道路旁邊探測。通過探測得到的結(jié)果分析 ,電線的影響主要是在較深部底層產(chǎn)生一個很大的波峰;而車輛及通訊設(shè)備等的影響主要是產(chǎn)生隨機的尖峰值。3) 電磁場海底勘測技術(shù)原理 考慮