超低频电磁波定位技术研究报告

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。

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(R 2l)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。

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。

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。

2.2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。

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

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