海洋论坛▏浅海未爆弹磁异常探测和定位技术

随着我国对于“21世纪海上丝绸之路”的建设和海洋数字化的发展，海洋信息的获取和处理技术显得日益紧迫。而海洋磁探测技术是海洋信息工程和地球物理探测技术的重要组成部分，广泛应用于海洋磁场分布和变化的测绘、海洋资源勘探。由于磁探测具备可穿透多种物质（水、空气、气泡、植被和泥沙）进行探测的特性，特别适合对海底掩埋铁磁性目标开展探测识别，如海缆管道检查、船只搜救打捞以及遗留的军火弹药搜排等应用。近年来，随着水下多物理场复合探测的需求，利用多种技术手段综合判断目标可有效降低虚警率，提高探测的准确率，而磁异常探测具备准确率高的特点，是多物理场复合探测的重要组成。

磁异常探测的基本原理是基于铁磁性目标物被地球磁场磁化，扰动地球背景场从而产生地磁异常的现象，当磁传感器经过目标物附近时，地磁场的扰动将以磁异常信号的形式被磁传感器获取，可以用来对目标进行探测、定位和识别。沿海地区的战争以及军事演习活动，在近岸未开发海域会存在一定数量的未爆弹药或船只残骸，对海上航行和作业构成威胁。因而在进行海洋开发、海洋设施的建设活动之前往往需要事先对目标海域进行海底搜探和清扫。

对于目标物的海底搜探，目前常见探测手段包括使用多波束声呐、侧扫声呐进行的海洋声学测量和使用磁力仪进行的海洋磁力测量。侧扫声呐测量可以绘制海底声学侧扫图像来描绘海底地貌起伏变化，对于裸露于海底的沉船、集装箱等具有良好的识别。但是，对于如弹药、水雷残骸形状不规则以及声学回波性质和海底地质类似的目标物，则难以进行识别判定。此外，随着水流等海况变化，遗留物被掩埋之后声学方法将更加难以探寻。金属外壳的炮弹、水雷是理想的磁力探测目标物，并且在面对被泥沙及其他海底表层沉积物掩埋时，磁异常探测可以发挥跨介质探测的优势。因此，在大海域搜探以及海底底质环境信息缺乏的情况下，海洋磁力探测是进行海底清障的有效手段。

一、探测原理

⒈磁异常探测

在目标探测中，磁性目标物的磁场模型通常被归为以下3类中的一种：磁偶极子（如球体）、无限长圆柱体（如管线）、长方体。当磁力仪和目标之间的距离大于目标尺寸的5倍以上时，可以将其视为磁偶极子目标。磁偶极子周围空间中磁场可表示为

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式中：真空磁导率μ0＝4π×10-7H/m，-由偶极子指向传感器的位置矢量r＝[x,y,z]T，磁偶极子的磁矩矢量m＝[mx,my,mz]T，磁偶极子取向（MMO）由α和β2个角度定义，α用于描述正x轴与偶极子定向到x-y平面的投影之间的角度，β用于描述磁矩与正z轴之间的角度，角度范围分别为α∈[0°,360°）和β∈[0°,180°）。

未爆弹磁异常探测的基本原理如图1所示，以传感器初始位置为坐标原点，传感器运动路径和目标物所在平面为x-y平面，传感器沿y轴以恒定速度v直线运动经过目标物，二者之间最短距离为R0，当传感器通过该位置时设定时间t＝0，则位置矢量r可以表示为r＝[0,vt－R0]。

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图1 磁异常探测模型图

⒉正交基检测算法（OBFs）

正交基检测算法（OBFs）是处理磁异常信号的常用检测算法，正交基检测算法的程序处理流程如图2所示。

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图2 正交基检测算法流程

在上述磁偶极子模型中，引入特征时间变量τ＝R0/v，继而可以给出一个无量纲时间参数w＝t/τ，公式（1）所表示的信号序列可使用如下的3个正交基函数表示：

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磁异常信号的总场强度值便可以写成由3个正交基函数组合的形式：

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式中：an可以看成是表征信号中各个正交基成分所具有能量大小的因子。因子an计算方式如公式（4）所示。

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对于离散的磁场数值序列，可以使用公式（5）计算：

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式中：△w＝wi＋1－wi为空间采样长度。信号在第m点处的特征能量值可以表示为E(m)＝a1(m2)＋a2(m2)＋a3(m2)。

任意基于磁偶极子模型的磁异常信号都可以表示成正交基函数组合的方式。在对传感器与目标物的相对运动速度v和最短距离R0进行估计后，可将该条件下的正交基函数组作为匹配滤波器。一般匹配模板的长度选取-2.5τ～2.5τ来实现磁异常信号的匹配滤波。该滤波器的输出为相对能量值，通过设定相应阈值的方式来进行磁异常信号的检测。

二、仿真验证

⒈建立未爆弹模型

使用有限元仿真的方法对掩埋物在地磁背景下所产生的磁异常进行建模。首先建立A、B、C3个未爆弹模型，未爆弹B的仿真模型示意图如图3所示。未爆弹模型设计为椭球体薄壳，薄壳厚度为1cm，椭球体的3个半长轴参数a＝0.2m，b＝0.2m，c＝0.3m，MMO表示未爆弹的磁矩方向，MMO(α,β﹚＝（0°，20°），设置相对磁导率μr＝500。3个未爆弹模型仿真参数如表1所示。

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图3 未爆弹B仿真模型示意图

表1 未爆弹模型仿真参数

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⒉建立仿真域

仿真域中模拟了浅滩的水域情况，模拟空间尺寸长X＝100m，宽Y＝100m，高Z＝15m，按照实际模型分为泥沙层，水层和空气域3部分，水层的高度为2m，水平剖面模型如图4所示，3枚未爆弹按照表1位置参数掩埋在泥沙层下方不同位置。地磁背景按照在所设定的空间坐标系下设定为Gx＝30000nT，Gy＝20000nT，Gz＝20000nT。

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图4 掩埋炮弹建模示意图

仿真水层上方得到的磁异常分布如图5所示，可以明显的看到3个未爆弹产生的磁场，由于3个未爆弹仿真尺寸、掩埋位置及角度的不同，导致3个异常点磁场强度不同。由仿真磁异常平面图可得3个未爆弹的准确位置。

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图5 仿真磁异常平面图

⒊模拟探测

实际的探测当中，需要使用多条测线往复测试的方式来进行地区磁图的测绘，常用的方式是待测区域“梳状”观测的方式，模拟实际当中的空间采样过程，实际采样过程中观测载体的行进路径并非完全按照直线行驶的，因此在此处引入随机的路径偏差σ＝0.1m，设定观测载体的路径间距d＝5m，通过21条路径可以覆盖扫测区域，得到的观测区采样信号图如图6所示。

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图6 d＝5m模拟磁异常空间采样

从图中可以看到，在原有的磁异常目标处测线时，能够感应到相应的磁异常信息，但是难以进行位置的选取。因此，考虑通过插值的方法进行磁场的重构，实现未爆弹的定位，重构后的磁异常分布图如图7所示。能够看出，重构后的信号观测较为明显，但是根据图中异常点，对未爆弹的定位会有较大误差。

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图7 d＝5m磁异常观测信息重构

为减小位置误差，将观测载体的路径间距优化为d＝3m，扫测路径增加到34条，可以覆盖扫测区域，设置随机路径偏差σ＝0.1m，得到的观测区采样信号图如图8所示，通过插值的方法进行磁场的重构，重构后的磁异常分布图如图9所示。可以看出，将路径间距降低之后，异常点位置范围明显减小。

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图8 d＝3m模拟磁异常空间采样

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图9 d＝3m磁异常观测信息重构

路径间距d由5m减小到3m，可有效减小异常点位置的误差，得到更加准确的异常点定位范围，异常点A的定位范围由X∈（58,62），Y∈（78,82），减小至X∈（58.5,61.5），Y∈（78.5,81.5），引入定位偏差δ(x,y)用来表示异常点定位坐标范围大小，异常点A的定位偏差由δ(x,y)＝(5,4)减小至δ(x,y)＝(3,3)。表2综合对比了3个未爆弹在不同的扫测间距下的定位范围。由于3个未爆弹仿真模型的尺寸、MMO不同，使得路径间距减小后，异常点位置范围得到不同程度的减小。

表2 不同路径间距对比信息

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通过上述仿真，对整个未爆弹探测流程进行说明，流程如图10所示，首先按照设定的路径间距对探测区域进行扫测，经过滤波、正交基算法检测，将磁异常数据和坐标数据融合处理，得到观测区采样信号图。通过插值的方法进行磁场的重构，最后获取异常点的位置信息。并且可以通过优化路径间距的方式，缩小异常点位置范围，证明了海底磁异常数据的数据融合，然后创建地磁图来定位可疑的UXO目标的位置。

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图10 未爆弹探测流程

三、浅滩未爆弹磁异常探测

⒈搜索规划

搜探地点在山东莱州附近某岛屿，核心目标海域是岛屿附件面积约为10000m2的四边形区域，如图11中的4个实心黑点所包含的范围，黄色区域为岸基。待测区域最深处约为4m，大部分海域水深2m。使用磁力仪进行海域扫测，在目标海域规划了13条测线路径，相邻路径间隔5m，作业中磁力仪扫过的测线路径如图11中的蓝色线所示。作业过程中磁力仪与海面的距离保持在1m左右。

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图11 GPS测线轨迹

在该区域按照指定路径扫测并收集水下的磁场强度信息，经过相应信息融合处理判断疑似未爆弹的地理位置。将GPS装置所记录的地理坐标信息进行绘制，将GPS地理坐标数据进行插值后与磁力仪数据进行映射，在原本的地理测线平面图中标注磁场大小并绘制地磁图，如图11所示。从图中可以看出，13条测线上显示异常磁场强度值。

⒉磁异常数据分析

海上磁测作业结束后，提取磁力仪所记录的海底磁异常数据集以及GPS装置记录的磁力仪地理坐标数据集，对2个数据集进行分别处理后，进行融合绘制整个目标海域的磁场强度分布图。首先，对于磁力仪所记录的磁力异常数据进行分析，对原始磁异常数据进行滤波、正交基算法检测，观察到测线路径上产生了明显磁异常指纹信号。如图13所示，原始磁异常信号的大小约为260nT，信噪比SNR＝14.34dB。

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图12 观测场在GPS轨迹上的映射

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图13 可疑点t1处磁异常信号

经过正交基算法检测之后，得到表征原3个正交基成分所包含的能量的信号，可以规避原信号中正负值同时存在的不利因素，并可以发现能量信号在磁异常峰值处凸显，信噪比SNR提升到20.04dB，显著提高了5.7dB。

除上述数据外，对边缘海域也进行了相应的数据采集及处理操作。在此基础之上对试验的结果进行了相应的地磁图成像处理，将目标海域中测线未能覆盖的点进行数据插值，扫测海域的总体观测图如图14所示，其中的色谱图强度经过了正交基波形匹配算法处理，为相对强度值，具有判断目标异常的作用。

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图14 扫测海域总体观测图

在目标海域的总体观测图中发现8个疑似点，并确定其相应坐标位置，其中t1～t8未爆弹可疑位置坐标如表3所示。之后采用水下无人挖掘机对t1～t8未爆弹可疑点进行挖掘，8个位置点均发现目标物。目标掩埋深度在1～2m，目标探测准确率达到100%，虚警率为0。

表3 8处未爆弹可疑位置坐标

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四、结束语

近年来，浅海未爆弹探测是当前军队关注的焦点，水下地貌复杂多变、浑水和淤泥条件引起的高混响密度给未爆弹探测带来很大的困难与挑战，磁异常探测在浅海未爆弹探测中应用效果明显。本文以海底未爆弹作为待测目标物，对其建立了偶极子磁异常探测模型，提出处理海底磁异常数据的数据融合过程，通过仿真对整个处理流程进行说明。在浅滩未爆弹磁力探测中，使用磁力仪对10000m2核心区进行全覆盖、高效率探测，应用OBFs算法使信噪比提高了5.7dB，绘制扫测海域总体观测图，确定未爆弹的坐标位置，目标探测准确率达到100%，进一步证明磁异常探测在浅海未爆弹探测中的准确性与可靠性。在岛礁近滩下，利用该方法进行未爆弹探测与定位，扫测范围大，作业效率高，操作方便，探测准确率高，为浅海未爆弹的探测提供了较好的方法，解决了近滩环境安全保障与岛礁可持续发展的瓶颈问题。

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【作者简介】文/沈莹 杨晓宝 王嘉增 杨雷贤 陈诚 李宝聚，分别来自哈尔滨工程大学青岛创新发展基地、91144部队。第一作者沈莹，1984年出生，女，博士，教授，主要从事高灵敏度传感器和弱磁探测研究。本文为基金项目，科技部重点研发计划项目“海洋电磁场传感器研发与电磁探测应用示范”（2022YFC3104000）、国家自然科学基金项目“基于磁异常指纹曲线特征解析的水下目标探测方法研究”（62101151）。文章来自《数字海洋与水下攻防》（2023年第5期），参考文章略，版权归出版单位与作者所有，用于学习与交流，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑与整理。

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