超低頻電磁波定位技術(shù)研究報(bào)告

1、.超低頻電磁波定位技術(shù)研究報(bào)告摘要：利用超低頻電磁波的強(qiáng)穿透性，地衰減率的特點(diǎn)，將超低頻電磁波作為示蹤源，建立磁場(chǎng)模型，并對(duì)其原理進(jìn)行詳細(xì)的論證和研究，包括利用相關(guān)檢驗(yàn)方法來(lái)得到目標(biāo)信號(hào)，利用信號(hào)的特征來(lái)對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，并通過仿真來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證仿真結(jié)果表明：這種基于超低頻波的探測(cè)儀可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)對(duì)象的定位和探測(cè)。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(chǎng)與磁場(chǎng)在空間中以波的形式移動(dòng)，其傳播方向垂直于電場(chǎng)與磁場(chǎng)構(gòu)成的平面，有效的傳遞能量和動(dòng)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(wú)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(zhǎng)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(duì)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(duì)零度的物體。而超低頻是指頻率在 330千赫（KHz）之間， 波長(zhǎng)在 10010km 之間的電磁波。低頻是指頻率在30300千赫（KHz）之間，波長(zhǎng)在101km之間的電磁波。 電磁波是電磁場(chǎng)的一種運(yùn)動(dòng)形態(tài)。電與磁可說(shuō)是一體兩面，電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，變動(dòng)的磁場(chǎng)則會(huì)產(chǎn)生電流。變回的電廠和變回的磁場(chǎng)就構(gòu)成了一個(gè)不可分離的統(tǒng)一的場(chǎng)，這就是電磁場(chǎng)，而變化的電磁場(chǎng)在空間的傳播形成了電磁波，大inc的變動(dòng)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(duì)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(zhǎng)度的要求，導(dǎo)致超低頻電磁波發(fā)射天線的長(zhǎng)度將達(dá)到幾千千米，這是實(shí)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(shí)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(diǎn)，結(jié)合電磁學(xué)中靜磁場(chǎng)理論，分析、提出超低頻電磁波的磁偶極子模型，并以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了由超低頻電磁波磁偶極子模型理論計(jì)算所得到的雙峰對(duì)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(duì)于超低頻電磁波示蹤定位原理的研究具有實(shí)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(zhǎng)度2l，即(R 2l)時(shí)以將螺線管產(chǎn)生的磁場(chǎng)等效為磁偶極子所產(chǎn)生的磁場(chǎng)。磁偶極子是由一對(duì)等量異號(hào)的點(diǎn)磁荷±qm組成的體系。由磁偶極子磁荷±qm所產(chǎn)生的磁場(chǎng)如圖3-3所示。取磁荷間的距離為螺線管的長(zhǎng)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(chǎng)點(diǎn)D(x,0,z)處的磁感應(yīng)強(qiáng)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(chǎng)點(diǎn)D處的磁感應(yīng)強(qiáng)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(chǎng)點(diǎn)D上的磁場(chǎng)由磁荷qm、-qm所產(chǎn)生的磁場(chǎng)矢量疊加而形成。根據(jù)式(3-17)式(3-19)，磁偶極子在場(chǎng)點(diǎn)D處的磁感應(yīng)強(qiáng)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(chǎng)點(diǎn)D處的磁感應(yīng)強(qiáng)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(chǎng)點(diǎn)D上的磁場(chǎng)分布，通過式(3-21)式(3-22)可以分析場(chǎng)點(diǎn)的磁場(chǎng)在x、z方向上的分布情況。發(fā)射天線簡(jiǎn)化為磁偶極子模型時(shí)，在某一個(gè)瞬間，由發(fā)射線圈電流形成的磁場(chǎng)分布可以等效為由正負(fù)磁荷所形成的磁場(chǎng)，在場(chǎng)點(diǎn)上的磁場(chǎng)強(qiáng)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(duì)發(fā)射天線場(chǎng)點(diǎn)上的磁場(chǎng)強(qiáng)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(jì)算磁感應(yīng)強(qiáng)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(diǎn)附近時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度在x方向上的分量Bx隨z增加，符號(hào)與z的符號(hào)相同。這種磁場(chǎng)變化規(guī)律是實(shí)現(xiàn)管道機(jī)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(qiáng)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(duì)稱規(guī)律。超低頻電磁波在電磁場(chǎng)空間分布的幅值與場(chǎng)點(diǎn)的位置密切相關(guān)；可以通過檢測(cè)在場(chǎng)點(diǎn)上電磁場(chǎng)幅值來(lái)求解超低頻電磁發(fā)射源位置，實(shí)現(xiàn)超低頻電磁波的示蹤定位。圖4-2是實(shí)際的測(cè)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(hào)。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(hào)大小。對(duì)比理論計(jì)算（如圖4-1）和實(shí)際的測(cè)試結(jié)果（如圖4-2）可知，超低頻電磁波場(chǎng)點(diǎn)上的電磁波信號(hào)所

8、呈現(xiàn)的雙峰規(guī)律、曲線對(duì)稱分布的規(guī)律在理論計(jì)算和實(shí)際實(shí)驗(yàn)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(chǎng)點(diǎn)上超低頻電磁波信號(hào)強(qiáng)度，利用超低頻電磁波在空間上磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布規(guī)律，通過計(jì)算得到超低頻電磁波發(fā)射源的位置，實(shí)現(xiàn)管道機(jī)器人的示蹤定位。將這種示蹤定位方法稱之為基于強(qiáng)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(chǎng)變化的幅值信號(hào)，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(duì)變化，接收天線上信號(hào)強(qiáng)度也相應(yīng)地變化；通過檢測(cè)接收天線上信號(hào)強(qiáng)度變化，計(jì)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(shí)現(xiàn)管道機(jī)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(qiáng)穿透性，地衰減率等特點(diǎn)，可以將其應(yīng)于定位技術(shù)，生命探測(cè)，各種資源的勘測(cè)。穿墻生命探測(cè)技術(shù)是研究障礙物都有無(wú)生命現(xiàn)象的一種探測(cè)技術(shù)。它主要根據(jù)任區(qū)別于動(dòng)物或環(huán)境的某些特征來(lái)判斷障礙物后有無(wú)活著的人員。這種技術(shù)在軍事戰(zhàn)爭(zhēng)、消防、公安以及自然災(zāi)害的人員救護(hù)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(chǎng)、雷達(dá)生命特征監(jiān)測(cè)、超寬帶雷達(dá)原理等開發(fā)了多種穿墻探測(cè)技術(shù)。而超低頻電磁波地下遙感探測(cè)儀是以大地電磁場(chǎng)為工作場(chǎng)源，利用不同的介質(zhì)電磁學(xué)性質(zhì)的差異測(cè)量地下巖性分界面，用天然電磁場(chǎng)的反射信息來(lái)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(dòng)要干電磁勘探方法。然而，我國(guó)在海洋油氣資源的開發(fā)中,已形成了縱橫交錯(cuò)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(jì)與生態(tài)環(huán)保損失。世界各海洋石油生產(chǎn)國(guó)對(duì)海底管道缺陷的檢測(cè)十分重視。對(duì)于海底管道的檢測(cè),是把智能檢測(cè)器放到管內(nèi),在輸送介質(zhì)的推動(dòng)下,完成管道內(nèi)腐蝕缺陷的檢測(cè)。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(hào); 再則,管道在鋪設(shè)及運(yùn)行過程位貌發(fā)生變化, 檢測(cè)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(diǎn)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(cè)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(shí) ,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(shí)衰減極小 ,且其穿透性強(qiáng) ,在用于潛艇與地面的信號(hào)傳輸時(shí)甚至可穿越冰川 6 。該探測(cè)器的工作原理如圖 1所示 1, 7, 8 。呼吸、 心跳

12、是檢測(cè)生命參數(shù)的重要指標(biāo) ,但由于超低頻信號(hào)在傳輸中被強(qiáng)烈的背景噪聲所淹沒 ,因此 ,為了檢測(cè)被背景噪聲覆蓋的微弱信號(hào) ,首先 ,利用雙通道相關(guān)檢測(cè)方法來(lái)抑制或去除由于障礙物產(chǎn)生的強(qiáng)雜波干擾 ,提高信噪比 ,檢測(cè)信號(hào);然后 ,利用人體區(qū)別于動(dòng)物與環(huán)境的這些生命信號(hào)參數(shù)特征來(lái)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(hào)檢測(cè)原理：設(shè)接收天線接收到的信號(hào)為x ( t) =AL cos0 ( t +) + n ( t) +Aicos (t +) , 0tT , (1)式中 AL為被測(cè)量的強(qiáng)信號(hào) (被固體反射回來(lái)的電磁波 )的幅度; n ( t)為白噪聲;0為被測(cè)信號(hào)的角頻率;為

13、延遲時(shí)間; Aicos(t +)為目標(biāo)信號(hào); T為信號(hào)接收的時(shí)間長(zhǎng)度。由于Ai AL ,即兩信號(hào)的相對(duì)振幅遠(yuǎn)小于 1,則其弱信號(hào)被強(qiáng)信號(hào)所抑制,表現(xiàn)出來(lái)的只是強(qiáng)信號(hào)的一些特性。因此,在進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)分析時(shí),可以將接收天線的輸入信號(hào)認(rèn)為x ( t) =AL cos0 ( t +) + n ( t) , 0tT . (2)參考信號(hào)是一對(duì)正交信號(hào),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(hào)幅值;0為參考信號(hào)角頻率;為參考信號(hào)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(cè)是測(cè)量2個(gè)時(shí)域信號(hào)的相似性,由于確

14、定性信號(hào)的不同時(shí)刻的取值之間一般都具有比較強(qiáng)的相關(guān)性,而隨機(jī)干擾噪聲的隨機(jī)性較強(qiáng),不同時(shí)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(hào)和干擾信號(hào)區(qū)別開來(lái),而雙通道相關(guān)檢測(cè)利用 2個(gè)正交的參考信號(hào),不僅達(dá)到去噪的目的,還可以避免信號(hào)相位偏移對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響 生命信號(hào)的識(shí)別：生命體識(shí)別最為重要的是從信號(hào)數(shù)據(jù)中提取信號(hào)特征,一個(gè)識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)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(cè)器主要是通過探測(cè)人體生理活動(dòng)所引起的各種微動(dòng)信號(hào),從而判斷有無(wú)生命現(xiàn)象。該微動(dòng)信號(hào)主要由人體自身的活動(dòng)引起,這些活動(dòng)主要包括人體自身不能克服的生理運(yùn)動(dòng),如,呼吸運(yùn)動(dòng)、 心臟跳動(dòng)、 腸胃蠕動(dòng)、 動(dòng)脈

15、搏動(dòng)等。其中,由呼吸運(yùn)動(dòng)在體表產(chǎn)生的微動(dòng)信號(hào)最強(qiáng),其次是心臟跳動(dòng)。觀察人體心跳與呼吸信號(hào)的時(shí)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(jī)信號(hào)的特點(diǎn),但信號(hào)在整體上具有一定的周期性和平衡性,每個(gè)心跳信號(hào)與呼吸信號(hào)周期內(nèi)的波形大致相似。因此,可以用心跳信號(hào)與呼吸信號(hào)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(shí)間允許條件下,信號(hào)通過一定的補(bǔ)償后 (如,延時(shí)、 包絡(luò)移動(dòng)等 ) ,進(jìn)行信號(hào)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(shí)域信號(hào)變換到頻域中,在頻域中進(jìn)行信號(hào)積累,通過頻域積累可以增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的譜線,從而可以在較低信噪比下檢測(cè)到目

16、標(biāo)12 ?；?FFT的頻域積累有 2種方式 ,一種是可變點(diǎn)數(shù)FFT積累;另一種是固定點(diǎn)數(shù) FFT積累 ,這里 ,采用的是固定點(diǎn)數(shù) FFT積累 ,其原理如下:設(shè) s ( n)是長(zhǎng)度為 N =M × L的待處理序列,其中,M為積累次數(shù), L為 FFT點(diǎn)數(shù)。則其積累計(jì)算式為超低頻電磁波遙感探測(cè)技術(shù)在煤田勘探中的應(yīng)用.實(shí)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(cè)頻域積累后的信號(hào)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(duì)人體的位置進(jìn)行具體定位。2) 地下探測(cè)儀的原理介紹超長(zhǎng)電磁波地下遙感技術(shù)儀器使

17、用的電磁波的波長(zhǎng)可穿透深部地層 ,來(lái)自天然波場(chǎng)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(zhǎng)電磁波 ,并傳到地面上來(lái)。天然電磁波場(chǎng)可以由圖 1簡(jiǎn)要表示。超長(zhǎng)電磁波頻譜曲線振幅的強(qiáng)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(zhǎng)電磁波遙感探測(cè)儀,實(shí)現(xiàn)了對(duì)地下不同巖性反射到地面電磁場(chǎng)中的、 隨深度微小頻率變化的電磁場(chǎng)的綜合能量值的采集。通過對(duì)該方法的研究 ,實(shí)現(xiàn)對(duì)地下儲(chǔ)集層的流體性質(zhì)的解釋與判別。超長(zhǎng)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(lái)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(cè)點(diǎn)頻譜曲線對(duì)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(gè)綜合分析研究過程 ,既要對(duì)頻譜曲線特征作深入細(xì)致的分析對(duì)比 ,又要對(duì)測(cè)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(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)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(qiáng)弱 ,都會(huì)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(zhǎng)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(qiáng) ,超長(zhǎng)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(cè)過程中發(fā)現(xiàn)的干擾 ,主要是來(lái)自人體、 周圍的電線、 通過的車輛 ,以及隨身攜帶的手機(jī)等通訊設(shè)備。所以在探測(cè)時(shí)人體盡量不要靠近探頭 ,關(guān)掉隨身攜帶的手機(jī)等通訊器材 ,盡量避免在電線周圍及道路旁邊探測(cè)。通過探測(cè)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(gè)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(jī)的尖峰值。3) 電磁場(chǎng)海底勘測(cè)技術(shù)原理 考慮