《Sensors》：An IR-RIME-SQP-Based Spectrum Modification Method for Shallow Surface Electromagnetic Detection Transmitting Scheme of Metal Traps in Forested Areas
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在林区浅表层地下金属套索陷阱的电磁探测中，传统发射方案如方波、伪随机二进制序列（PRBS）和粒子群优化（PSO）波形，不可避免地会激发具有黏滞剩磁化（VRM）的土壤中强烈的杂波，从而显著降低信号-杂波比（SCR）。为解决这一问题，本文提出了一种基于区间鲁棒混合
在林区浅表层地下金属套索陷阱的电磁探测中，传统发射方案如方波、伪随机二进制序列（PRBS）和粒子群优化（PSO）波形，不可避免地会激发具有黏滞剩磁化（VRM）的土壤中强烈的杂波，从而显著降低信号-杂波比（SCR）。为解决这一问题，本文提出了一种基于区间鲁棒混合RIME与序列二次规划（IR-RIME-SQP）算法的发射方案频谱修正方法。该方法通过耦合铁磁性目标的Debye弛豫特性与土壤VRM模型，将有限的发射能量集中到目标特征频率附近、呈钟形分布的最优SCR频率窗口中。此外，研究中引入区间分析，以保证系统在电感线圈参数动态漂移条件下仍具有鲁棒性能。该新型发射方案的可行性通过消融实验与对比仿真得到验证。最终，实验室测量结果表明，IR-RIME-SQP提供了更合理且更高效的能量分配策略，使目标频率能量保持率（TFER）提升约16.4%，从而同时增强了探测效率与探测精度。
该文发表于《Sensors》，聚焦林区浅表层环境下金属套索陷阱的电磁探测问题。研究背景在于，东北亚寒温带森林生态系统中的东北虎等珍稀野生动物长期受到非法金属套索陷阱威胁，而此类陷阱通常埋藏于薄表土层或枯落叶之下，具有埋深浅、尺寸小、信号弱的特点，因此对快速、准确和低误报的探测技术提出了很高要求。与传统深部矿产勘探不同，浅表层微弱铁磁目标探测面临一个突出的物理矛盾：森林土壤常富含磁铁矿等磁性成分，表现出强烈的黏滞剩磁化（VRM），其感应响应会在常规工作频带内随频率升高而线性增强，形成强烈的有色地质杂波。传统电磁感应（EMI）探测系统往往分别采用方波、脉冲波、伪随机二进制序列或能量均衡化频谱设计，这些方案在深部探测、白噪声背景或多频覆盖场景中具有一定优势，但在VRM主导的浅表层林地环境中，高频激励会显著放大土壤杂波，而过低频率又难以有效激发小型铁磁目标的特征响应，导致信号-杂波比（SCR）难以提升。因此，如何在严格硬件约束下，将有限发射能量从无效频段转移至最利于目标显现的频率窗口，成为开展本研究的核心动因。
研究人员围绕这一问题，提出了一种面向发射端的频谱修正方法。该方法并非沿用传统“多频均衡铺能”的设计思路，而是以最大化SCR为物理目标，将铁磁性金属套索陷阱的Debye弛豫模型与林地磁性土壤的VRM有色杂波模型耦合，构建面向目标频率集中的钟形带通谱。进一步地，考虑到实际野外工况中，发射线圈的等效电感L和电阻R会因温度漂移、磁性负载效应等因素发生非线性变化，研究人员在优化框架中嵌入区间分析，构建区间鲁棒目标函数，以提高波形在参数漂移边界条件下的稳定性。针对该问题本质上属于带有死区时间、单调约束和多目标非凸特征的高维非线性优化任务，本文设计了IR-RIME-SQP两阶段求解框架：先利用RIME算法进行全局鲁棒搜索，再以序列二次规划（SQP）进行局部精细锁定，最终得到满足微控制器（MCU）时序约束的开关角序列，并映射为实际可输出的PWM驱动查找表。研究结果表明，该方法显著改善了目标频率附近的能量集中特性，抑制了基波与高频泄漏对系统性能的不利影响，在仿真、等效实验电路与物理线圈驱动试验中均表现出优于PRBS、PSO及若干传统启发式算法的综合性能。
就研究采用的关键技术方法而言，本文主要使用了四类核心方法。其一，基于Néel弛豫理论与Debye弛豫理论，分别建立浅表层磁性土壤VRM杂波模型和微小铁磁目标宽频响应模型，并据此推导SCR随频率变化的非对称钟形规律。其二，建立双极性PWM半波对称开关角序列到频域谐波幅值的解析映射，构造以目标频率能量增强、带外能量抑制和峰值电流安全约束为核心的多目标适应度函数。其三，引入区间分析，将线圈参数L、R的漂移离散为边界工况集合，通过极大极小与方差正则化相结合的鲁棒评价函数实施优化。其四，搭建基于TMS320F28379D微控制器与H桥逆变器的硬件平台，并通过RC等效模拟电路、FFT频谱分析、物理线圈激励及空间位移响应试验对方案进行验证；样本对象为高碳钢丝构成的金属套索陷阱模拟目标。
在结果部分，论文首先给出了“3.1.1. Comparative Ablation Study”的研究结果。该部分通过60次独立Monte Carlo统计模拟，对Classic RIME、IR-RIME、RIME-SQP和IR-RIME-SQP四种算法进行了消融比较。研究显示，在考虑电感与电阻极端漂移范围的条件下，IR-RIME-SQP在前50代启发式搜索阶段即持续维持较低的鲁棒代价函数值，说明区间方差正则项能够主动引导种群向对参数漂移不敏感的鲁棒低谷收敛；在第51代引入SQP后，代价迅速下降并稳定锁定优选开关序列，体现出全局搜索与局部收敛相结合的优势。箱线图分析进一步表明，未考虑边界扰动的RIME-SQP虽然在个别运行中可获得更低的名义参数代价下界，但该结果具有过拟合特征，难以适应真实参数波动；IR-RIME-SQP则在保证总体性能的同时获得更稳定的鲁棒最优解。进一步统计50次独立运行后关键频点电流幅值，结果显示算法能够稳定地将高频能量集中于3.5 kHz附近，同时持续压制基波幅值，证明了其频谱分配的重复性与稳定性。
在“3.1.2. Comparative Simulation Analysis”中，研究人员进一步开展了不同发射方案的对比仿真。方波方案由于缺乏内部调制开关角，电流表现出大幅三角波振荡，峰值电流超过20 A，且能量高度集中于基波，无法在3.5 kHz关键频点维持足够激励；PRBS虽然实现了宽频覆盖，但能量过度分散，大量能量滞留于基波和非目标高次谐波，在VRM背景下将激发强烈地质杂波。PSO方案可在一定程度上将能量推向3.5 kHz，其名义工况下目标频点电流幅值达到6.60 A，但基波抑制不足，导致大量低频功率被浪费。相比之下，IR-RIME-SQP在时域上满足第三谐波主导且无过窄脉冲，完全符合死区时间约束；在频域上，其基波电流幅值仅0.46 A，而第三谐波幅值达到6.39 A，说明该方法能够将频谱能量从易激发VRM噪声的频带转移至目标特征频率附近。文中还补充了遗传算法（GA）和差分进化（DE）的对比，结果显示这类传统启发式算法常陷入带约束的局部最优陷阱，难以同时实现基波强抑制与第三谐波增强。
在“3.2. Laboratory Experiments”中，论文通过实验室硬件平台对上述结论进行了验证。首先，研究人员建立了基于TMS320F28379D与H桥逆变器的发射-接收平台，并利用RC等效电路对物理线圈电流进行安全模拟。PRBS实验表明，其电压波形规则，但由于半周期内反转点较少、脉冲宽度变化明显，RC积分回路中电荷容易相互抵消，导致磁场能量无法持续积累；在频谱上，其1.166 kHz基波幅值约2.53 A，而3.5 kHz仅约1.63 A，且高频仍有显著能量泄漏。PSO实验显示，该方法可将3.5 kHz电流幅值提升至约5.79 A，但最优开关角序列中包含大量极短间隔的高频翻转，致使电压波形出现边沿侵占、过冲增大和等效电流高频震荡，说明其虽然提升了目标频率能量，却以硬件可实现性和时域平滑性为代价，且基波仍残留2.08 A。IR-RIME-SQP实验则显示更平衡的结果：其29个翻转点呈非线性簇状分布，避免了超短连续翻转造成的边沿侵占，实测电压切换平稳，电流形成连续、平滑的拟三角波，峰峰值约16.2 A；在频谱上，3.5 kHz处幅值维持高水平，而基波被显著压制至0.97 A，表明系统实现了有限能量向目标检测频带的有效迁移。虽然5次谐波仍存在约0.85 A的离散分量，但除特征频点和该次谐波外，其余宽频背景接近零噪声底，说明连续地质杂波激发已得到显著抑制。
随后，研究人员在真实发射线圈上加载MCU输出的开关序列，并使用磁通门磁强计测量一次场响应。结果表明，PRBS在1.166 kHz和3.5 kHz处的响应幅值分别为1023.17 mV和447.19 mV，表现为大量能量浪费于基波；PSO在两频点的响应幅值分别为845.51 mV和1482.54 mV，虽然增强了特征频率，但基波仍较高；IR-RIME-SQP则分别为313.91 mV和1435.66 mV，在保持高目标响应幅值的同时大幅抑制了基波，说明其发射频谱更加合理。进一步的接收测试中，研究人员将金属套索陷阱沿线圈直径方向移动，在20个离散空间位置采集3.5 kHz处的有效响应信号。结果显示，目标远离磁通门时响应接近0 mV，靠近中心后先因物理遮挡降至约?18.7 mV，随后迅速上升，在中心位置达到24.4 mV峰值，并在向另一侧移动时呈对称衰减。这一空间分布与感应电磁场理论一致，证明该频谱修正方案能够较准确地激发并重建目标特征响应轨迹。
论文还通过频率敏感性分析验证了3.5 kHz特征频率选择的合理性。实验采用直径0.6 mm至1.7 mm的多股高碳钢丝束模拟真实套索陷阱，并基于接收试验数据在不同提取频率窗口下进行FFT峰值分析。当特征频率设定为3.5 kHz且容差为20 Hz时，可获得对称且峰值为24.4 mV的空间响应曲线；当频率偏移至3.47 kHz或3.53 kHz时，响应曲线明显失真，峰值降至0.65 mV和0.53 mV；而在基波、5次谐波或任意非发射频率如2 kHz、5 kHz处提取时，仅得到明显更弱或无特征的响应。由此可以确认，模拟高碳钢丝套索的Debye弛豫峰值确实精确落在3.5 kHz附近，且偏差小于10 Hz，这从实验上支撑了发射频谱围绕3.5 kHz进行优化的理论依据。
在讨论部分，论文主要从理论普适性、计算代价与收敛行为、方法比较及实验局限性四方面进行了归纳。首先，作者指出，Debye模型能够较准确描述高导电、高磁导金属目标的宽频极化张量响应，而VRM杂波随频率近线性增长，两者在物理上天然错位，因此通过发射端频谱约束抑制非目标高频谐波，可在源头上减少土壤VRM杂波生成，这与提升检测前端基础SCR在信号检测理论上是等价的。其次，IR-RIME-SQP虽然在离线设计阶段引入了更高的计算成本，但这些代价主要来自真实时域常微分方程（ODE）积分及四边界工况的鲁棒评估；一旦获得最优开关序列，在线执行仅需调用查找表，其实时计算负担与简单方波或PRBS并无差异。再次，与传统解析型波形设计或单一启发式优化相比，该方法在复杂非凸、强约束空间中更能避免死区时间惩罚陷阱，并通过RIME的全局搜索与SQP的确定性局部切割改善收敛质量。最后，作者也明确指出当前实验的边界：RC等效电路虽适用于安全验证，但无法完全再现真实磁性土壤中的非线性磁饱和、互感和实际耦合效应；空间位移实验在空气中完成，尚未覆盖真实埋设目标、后端自适应滤波、深度反演及ROC曲线等整机统计性能，因此这些内容仍需在未来的VRM仿真沙箱与野外埋藏试验中进一步完成。
研究结论部分可译述如下：本文提出了一种基于IR-RIME-SQP算法的林区浅表层电磁探测发射方案频谱修正方法。该方法将微小铁磁目标的Debye弛豫特性与磁性土壤的VRM有色杂波模型耦合，构建了以SCR最大化为导向的多目标适应度函数，并通过引入区间分析，有效克服了实际探测过程中线圈参数动态漂移带来的影响。在MCU时序约束条件下，研究成功生成了具有高鲁棒性的发射波形，并在RC模拟测试电路中对其物理输出特性进行了系统评估。仿真和实验结果表明，IR-RIME-SQP方案的目标频率能量保持率（TFER）达到51.85%；与PSO方案相比，TFER提高约16.4%。该方法有效避免了低频基波能量的过度消耗以及高次谐波泄漏引发的强地质杂波，使有限发射功率更合理地集中于探测所需的特征频率窗口，从而提升了浅表层林区金属套索陷阱探测的效率与精度。此外，该频谱修正方法并不局限于林区套索陷阱探测，通过调整适应度函数中的特征参数，还可推广至未爆弹（UXO）清理、地下隐蔽管线勘测等其他可控源电磁探测场景。
