0 引言

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^[1]。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^[2]、船只搜救打捞^[3]以及遗留的军火弹药搜排等应用^[4-5]。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^[6-7]。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^[1，4]。

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^[8]。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^[9]。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^[3]。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^[10-11]。

1 探测原理

1.1 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^[10]。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

式中：真空磁导率${\mu }_0=4\pi \times {10}^{-7}\mathrm{H}/\mathrm{m}$，由偶极子指向传感器的位置矢量$\mathit{r}=[x，y，z{]}^{\mathrm{T}}$，磁偶极子的磁矩矢量$\mathit{m}={\left[m_x，m_y，m_z\right]}^{\mathrm{T}}$，磁偶极子取向（Magnetic Moment Orientation，MMO）由$\alpha$和$\beta$ 2 个角度定义，$\alpha$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，$\beta$用于描述磁矩与正 z 轴之间的角度，角度范围分别为$\alpha \in \left[0^{\circ }，{360}^{\circ }\right)$和$\beta \in \left[0^{\circ }，{180}^{\circ }\right)$。

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$\mathit{r}={\left[0，vt-R_0\right]}^{\mathrm{T}}$。

1.2 正交基检测算法（OBFs）

正交基检测算法（Orthogonal Basis Functions， 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。

在上述磁偶极子模型中，引入特征时间变量$\tau =R_0/v$，继而可以给出一个无量纲时间参数 $w=t/\tau$，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：

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：

式中： a_n 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 a_n 的计算方式如公式（4）所示。

对于离散的磁场数值序列，可以使用公式（5） 计算：

式中：$\mathrm{\Delta }w=w_{i+1}-w_i$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$E（m）=a_1（m{）}^2+a_2（m{）}^2+a_3（m{）}^2$。

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 $-2.5\tau \sim 2.5\tau$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。

2 仿真验证

2.1 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、C 3 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 1 cm，椭球体的3 个半长轴参数 a = 0.2 m， b = 0.2 m，c = 0.3 m，MMO 表示未爆弹的磁矩方向，$\mathrm{M}\mathrm{M}\mathrm{O}（\alpha ，\beta ）=\left(0^{\circ }，{20}^{\circ }\right)$，设置相对磁导率${\mu }_{\mathrm{r}}=500$。 3 个未爆弹模型仿真参数如表1 所示。

2.2 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 =100 m，宽Y =100 m，高 Z =15 m，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 2 m，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 G_x = 30 000 nT， G_y = 20 000 nT， G_z = 20 000 nT。

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。

2.3 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= 0.1 m，设定观测载体的路径间距 d=5 m，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。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。

为减小位置误差，将观测载体的路径间距优化为 d=3 m，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 = 0.1 m，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。

当路径间距 d 由 5 m 减小到 3 m，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$X\in \left(\mathrm{58，62}\right)，Y\in （\mathrm{78，82}）$减小至$X\in （\mathrm{58.5，61.5}），Y\in （\mathrm{78.5，81.5}）$，引入定位偏差 $\delta （x，y）$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$\delta （x，y）=（\mathrm{5，4}）$减小至$\delta （x，y）=（\mathrm{3，3}）$。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。

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。

3 浅滩未爆弹磁异常探测

3.1 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 10 000 m²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 4 m，大部分海域水深 2 m。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 5 m，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 1 m 左右。

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。

3.2 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 260 nT，信噪比SNR = 14.34 dB。

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 20.04 dB，显著提高了 5.7 dB。

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。

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 1~2 m，目标探测准确率达到 100%，虚警率为 0。

4 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 10 000 m² 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 5.7 dB，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。

参考文献