超低频电磁波定位技术研究报告

1超低频电磁波定位技术研究报告摘要：利用超低频电磁波的强穿透性，地衰减率的特点，将超低频电磁波作为示踪源，建立磁场模型，并对其原理进行详细的论证和研究，包括利用相关检验方法来得到目标信号，利用信号的特征来对目标信号进行识别，并通过仿真来进行验证仿真结果表明：这种基于超低频波的探测仪可以实现对目标对象的定位和探测。1.引言电磁波（又称电磁辐射）是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，有效的传递能量和动量。电磁辐射可以按照频率分类，从低频率到高频率，包括有无线电波、微波、红外线、可见光、紫外光、X-射线和伽马射线等等。人眼可接收到的电磁辐射，波长大约在380至780纳米之间，称为可见光。只要是本身温度大于绝对零度的物体，都可以发射电磁辐射，而世界上并不存在温度等于或低于绝对零度的物体。而超低频是指频率在3～30千赫（KHz）之间，波长在100～10km之间的电磁波。低频是指频率在30～300千赫（KHz）之间，波长在10～1km之间的电磁波。2电磁波是电磁场的一种运动形态。电与磁可说是一体两面，电流会产生磁场，变动的磁场则会产生电流。变回的电厂和变回的磁场就构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波，大inc的变动就如同微风轻抚水面产生水波一般，因此被称为电磁波，也常称为电波。超低频电磁波由于其对金属、土层等介质具有良好的穿透性，可以用于示踪定位系统中。尽管电磁波理论已经很成熟，但是，传统电磁波发射理论中半波天线长度的要求，导致超低频电磁波发射天线的长度将达到几千千米，这是实际应用中所不容许的。因此，需要寻找一种新的模型，一方面能够描述超低频电磁波的规律，另一方面，方便实际的工程应用。本文根据超低频电磁波发射频率极低的特点，结合电磁学中静磁场理论，分析、提出超低频电磁波的磁偶极子模型，并以实验验证了由超低频电磁波磁偶极子模型理论计算所得到的双峰对称分布的规律。本章所提出的超低频电磁波磁偶极子模型是超低频电磁波示踪定位技术的基石，对于超低频电磁波示踪定位原理的研究具有实际和理论上的指导意义。2.超低频电磁波示踪定位原理2.1电磁波的磁偶极子模型如果螺线管的半径R远小于螺线管的长度2l，即(R2l)时以将螺线管产生的磁场等效为磁偶极子所产生的磁场。磁偶极子是由一对3等量异号的点磁荷±qm组成的体系。由磁偶极子磁荷±qm所产生的磁场如图3-3所示。取磁荷间的距离为螺线管的长度2l，螺线管所等效的磁偶极矩如式(3-15)所示，磁荷的大小如式(3-16)所示。正磁荷+qm在场点D(x,0,z)处的磁感应强度B在x，z方向上的分量分别如式(3-17)、式(3-18)所示。负磁荷-qm在场点D处的磁感应强度B在x，z方向上的分量分别如式(3-19)式(3-20)所示。4场点D上的磁场由磁荷qm、-qm所产生的磁场矢量叠加而形成。根据式(3-17)式(3-19)，磁偶极子在场点D处的磁感应强度B在x方向上的分量如式(3-21)所示。同理，根据式(3-18)式(3-20)，磁偶极子在场点D处的磁感应强度B在z方向上的分量如式(3-22)所示。式(3-21)式(3-22)描述了磁偶极子在场点D上的磁场分布，通过式(3-21)式(3-22)可以分析场点的磁场在x、z方向上的分布情况。发射天线简化为磁偶极子模型时，在某一个瞬间，由发射线圈电流形成的磁场分布可以等效为由正负磁荷所形成的磁场，在场点上的磁场强度分布示意图如图3-4所示。5根据式(3-21)式(3-22)所描述的发射天线的磁偶极子模型，可以对发射天线场点上的磁场强度分布进行定量分析。发射天线的基本参数如表3-1所示。选取x=140cm，计算磁感应强度在x方向上的分量Bx随z的变化曲线如图3-5所示。由图3-5可知，当z处于零点附近时，磁感应强度在x方向上的分量Bx随z增加，符号与z的符号相同。这种磁场变化规律是实现管道机器人示踪定位的重要依据。62.2超低频电磁波示踪定位基本原理超低频电磁波空间分布的磁偶极子模型如式（4-1）所示。7根据式（4-1），磁感应强度在x方向上分量的幅值|Bx|随距离z的变化如图4-1所示。由图4-1可知，|Bx|随z的变化具有如下规律：1)|Bx|随z的变化呈现双峰分布；2)|Bx|随|z|的变化呈对称规律。超低频电磁波在电磁场空间分布的幅值与场点的位置密切相关；可以通过检测在场点上电磁场幅值来求解超低频电磁发射源位置，实现超低频电磁波的示踪定位。图4-2是实际的测试曲线，发射天线位于管道内中心位置、与管道平行；管道的两端通过堵头堵住，管道直径为22.5cm，管道的厚度为1cm；接收天线与发射天线的垂直距离保持140cm不变，超低频电磁波接收传感器的输出为电压信号。图4-2中横坐标为超低频电磁波发射线圈与接收线圈间的水平8距离，纵坐标为接收输出的电压信号大小。对比理论计算（如图4-1）和实际的测试结果（如图4-2）可知，超低频电磁波场点上的电磁波信号所呈现的双峰规律、曲线对称分布的规律在理论计算和实际实验结果上具有一致性。因此，在超低频电磁波示踪定位系统中，采集场点上超低频电磁波信号强度，利用超低频电磁波在空间上磁场强度的分布规律，通过计算得到超低频电磁波发射源的位置，实现管道机器人的示踪定位。将这种示踪定位方法称之为基于强度变化的示踪定位技术。超低频电磁波示踪定位过程中，接收天线通过LC振荡电路接收垂直于发射天线方向磁场变化的幅值信号，如图4-3所示。随着超低频电磁波接收天线与发射天线位置的相对变化，接收天线上信号强度也相应地变化；通过检测接收天线上信号强度变化，计9算发射天线与接收天线之间的距离(发射源的位置)，即可实现管道机器人管内位置的管外示踪定位。3.超低频电磁波的基本应用及其原理3.1基本应用由于超低频电磁波的强穿透性，地衰减率等特点，可以将其应于定位技术，生命探测，各种资源的勘测。穿墙生命探测技术是研究障碍物都有无生命现象的一种探测技术。它主要根据任区别于动物或环境的某些特征来判断障碍物后有无活着的人员。这种技术在军事战争、消防、公安以及自然灾害的人员救护等领域有重大的应用前景。目前，已经利用人体静电场、雷达生命特征监测、超宽带雷达原理等开发了多种穿墙探测技术。而超低频电磁波地下遥感探测仪是以大地电磁场为工作场源，利用不同的介质电磁学性质的差异测量地下岩性分界面，用天然电磁场的反射信息来解释不同深度的地质构造，达到解决地质问题的一种被动要干电磁勘探方法。然而，我国在海洋油气资源的开发中,已形成了纵横交错的海底输油网,由于海底表层地基不稳定、介质腐蚀、海流冲淘及海上意外事故等原因,管道易产生缺陷和损伤,发生油气泄漏,造成巨大的经济与生态环保损失。世界各海洋石油生产国对海底管道缺陷的检测十分重视。10对于海底管道的检测,是把智能检测器放到管内,在输送介质的推动下,完成管道内腐蚀缺陷的检测。由于泥土、海水的衰减效应和海底管道的屏蔽效应,在管道内部难以接收卫星定位信号;再则,管道在铺设及运行过程位貌发生变化,检测装置如果只记录自身周向坐标与行走距离,难以进行精确大地定位,不能为管线维修装置提供缺陷的精确位置。本文介绍一套基于超低频电磁波作为示踪源,适用于确定海底管道内缺陷位置点的定位技术,能够精确大地定位,便于修复管道。3.2原理1）探测器的工作原理根据FerrisDD在文献[5]中绘制的不同频率穿透一定厚度的各种材料的衰减曲线,曲线图表明:在穿透相同材料时,低频电磁波的衰减要比高频电磁波的衰减要小得多,随着频率的增高,衰减急剧增加。而超低频电磁波是指频率在30Hz～3kHz之间的电磁波(按前苏联划分),不仅在穿透障碍物时衰减极小,且其穿透性强,在用于潜艇与地面的信号传输时甚至可穿越冰川[6]。该探测器的工作原理如图1所示[1,7,8]。呼吸、心跳是检测生命参数的重要指标,但由于超低频信号在传输中被强烈的背景噪声所淹没,因此,为了检测被背景噪声覆盖的微弱信号,首先,利用双通道相关检测方法来抑制或去除由于障碍物产生的强杂波干11扰,提高信噪比,检测信号;然后,利用人体区别于动物与环境的这些生命信号参数特征来确定障碍物后人体是否存在;最后,再进行障碍物后目标位置的提取。信号检测原理：设接收天线接收到的信号为x(t)=ALcos[ω0(t+τ)]+n(t)+Aicos(ωt+ν),0≤t≤T,(1)式中AL为被测量的强信号(被固体反射回来的电磁波)的幅度;n(t)为白噪声;ω0为被测信号的角频率;τ为延迟时间;Aicos(ωt+ν)为目标信号;T为信号接收的时间长度。由于AiνAL,即两信号的相对振幅远小于1,则其弱信号被强信号所抑制,表现出来的只是强信号的一些特性。因此,在进行信号检测分析时,可以将接收天线的输入信号认为x(t)=ALcos[ω0(t+τ)]+n(t),0≤t≤T.(2)参考信号是一对正交信号,分别为r(t)=Arcos(ω0t+φ),(3)p(t)=Arsin(ω0t+φ).(4)式中Ar为参考信号幅值;ω0为参考信号角频率;φ为参考信号的相12位偏移。图2为双通道相关检波的结构图。相关检测是测量2个时域信号的相似性,由于确定性信号的不同时刻的取值之间一般都具有比较强的相关性,而随机干扰噪声的随机性较强,不同时刻的取值之间的相关性一般较差,利用这一差别可以将确定性信号和干扰信号区别开来,而双通道相关检测利用2个正交的参考信号,不仅达到去噪的目的,还可以避免信号相位偏移对测量准确度的影响生命信号的识别：生命体识别最为重要的是从信号数据中提取信号特征,一个识别系统的识别能力与特征量的提取与选择有着直接的关系。TWS探测器主要是通过探测人体生理活动所引起的各种微动信号,从而判断有无生命现象。该微动信号主要由人体自身的活动引起,这些活动主要包括人体自身不能克服的生理运动,如,呼吸运动、心脏跳动、肠胃蠕动、动脉搏动等。其中,由呼吸运动在体表产生的微动信号最强,其次是心脏跳动。观察人体心跳与呼吸信号的时域波形可以发现,虽然它们并不是严格平稳的,也表现出非平稳随机信号的特点,但信号在13整体上具有一定的周期性和平衡性,每个心跳信号与呼吸信号周期内的波形大致相似。因此,可以用心跳信号与呼吸信号作为人体生命参数的特征,再利用频域积累方法进行特征提取。在时间允许条件下,信号通过一定的补偿后(如,延时、包络移动等),进行信号积累处理,可在一定程度上提高信噪比。频域积累是指利用变换域的方法将需要处理的时域信号变换到频域中,在频域中进行信号积累,通过频域积累可以增强运动目标的谱线,从而可以在较低信噪比下检测到目标[12]。基于FFT的频域积累有2种方式,一种是可变点数FFT积累;另一种是固定点数FFT积累,这里,采用的是固定点数FFT积累,其原理如下:设s(n)是长度为N=M×L的待处理序列,其中,M为积累次数,L为FFT点数。则其积累计算式为超低频电磁波遥感探测技术在煤田勘探中的应用.实践证明:人体的心跳与呼吸产生的电磁波的频率为0.2～3Hz,所以,检测频域积累后的信号是否含有0.2～3Hz之间的频率即可判别人体的存在与否。如果没有人体存在,则结束操作;如果有,则可对人体的位置进行具体定位。2)地下探测仪的原理介绍14超长电磁波地下遥感技术仪器使用的电磁波的波长可穿透深部地层,来自天然波场的电磁波与地下不同深度的地质岩体相互作用可产生不同频率的超长电磁波,并传到地面上来。天然电磁波场可以由图1简要表示。超长电磁波频谱曲线振幅的强弱,主要与岩石密度、胶结程度、破坏程度以及磁性和介电常数有关系,频谱曲线能够反映出有岩性差别的岩性界面、风化面、断层面及含水部位。在水平均匀层状介质中,根据Swift公式,可以求得第n层介质的表面阻抗用超长电磁波遥感探测仪,实现了对地下不同岩性反射到地面电磁场中的、随深度微小频率变化的电磁场的综合能量值的采集。通过对该方法的研究,实现对地下储集层的流体性质的解释与判别。超长电磁波频谱曲线形态特征可用幅值、均匀度、平稳度、稀疏程度来