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基于MED-iForest算法的水下金属目标探测技术研究

摘要

本文研究水下主动频率域磁探测技术的创新与实现方法，相关研究成果可应用于

探测海洋中的金属目标，如水下航行器、水下未爆弹等。在复杂的海洋环境中，噪声

概率分布的不确定性以及各国消磁技术的成熟发展，一般使用主动频率域技术进行水

下金属目标探测，然而使用单一磁传感器进行接收异常磁场信号时容易受到器件本身

的磁测灵敏度的限制，难以探测更远距离的金属目标。并且目前的磁异常检测算法存

在着当环境噪声为非高斯白噪声时检测性能下降以及筛选异常点时判定阈值难以确定

等问题。因此，需要研究具有更优性能的接收装置以及更优的磁异常检测算法以实现

水下金属目标的精准探测，这对于国防安全以及海洋资源的开发利用等方面都具有重

要意义。

本文设计了基于MED-iForest算法的水下金属目标的探测系统，提出了基于电磁耦

合的磁通门灵敏度提升方法，可以明显提升环境磁感应强度以实现远距离探测。并且

将传统MED算法进行优化，可以有效检测出磁异常点，论文的主要工作内容如下：

（1）分析了水下探测模型及其原理，海水以及金属导体的电涡流对探测的影响；

对磁感应强度增益模型进行分析，并将其应用至探测模型中；对矩形线圈激励磁场模

型进行理论推导，并对矩形电感值的计算公式进行实验验证。

（2）对以上分析的理论模型在COMSOL中建立相关的仿真模型：针对水下金属

与线圈模型，主要仿真分析电涡流损耗、线圈参数变化；针对水下金属探测模型，主

要仿真研究金属与探测线圈相对位置变化时，接收线圈的相对幅值与相位变化；针对

磁感应强度增益模型，主要仿真研究在非谐振回路下环境磁感应强度与增益线圈内磁

感应强度的增益情况。

（3）针对MED算法默认输入数据分布为高斯分布的局限，使用KDE核密度估计

首先进行估计输入信号的概率分布然后进行MED信息熵检测；针对CA-CFAR算法难

以确定参考窗的不足以及充分利用两通道信息的需要，使用改进的孤立森林算法对两

通道信号进行数据融合以获得更准确的磁异常位置，得到MED-iForest算法。通过实验

近似获取两通道无噪声干扰的磁异常信号，将两通道信号通过叠加不同概率分布以及

不同功率的噪声来测试传统MED算法与MED-iForest算法的异常检测能力。仿真结果

表明MED-iForest算法在不同噪声分布下的检出率与虚警率都要优于传统MED算法。

（4）设计并实际验证基于电磁耦合的磁通门灵敏度提升方法，并构建前置增益系

哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文

统，实测增益约37.6dB。建立最终的水下金属探测系统，包括硬件平台与软件平台，

并在空气介质与水下环境进行实际测试，最终完成了水下金属的定位任务。

关键词：金属探测；磁场强增益；最小熵检测算法；孤立森林算法

基于MED-iForest算法的水下金属目标探测技术研究

Abstract

Thisthesisinvestigatestheinnovationandimplementationmethodsofunderwateractive

frequencydomainmagneticdetectiontechnology,withpotentialapplicationsindetecting

metallictargetsintheocean,suchasunderwatervehiclesandunderwaterunexplodedordnance.

Incomplexmarineenvironments,theuncertaintyofnoiseprobabilitydistributionandthe

maturedevelopmentofdemagnetizationtechnologiesworldwidetypicallynecessitatetheuse

ofactivefrequencydomaintechniquesforunder