Двухцелевая регистрация и распознавание магнитных аномалий на основе платного микро полностью интегрированного флюксгейтного тензора для задач по неразорвавшимся боеприпасам (UXO)

Поиск скрытых опасностей под землей

На бывших полях сражений и полигонах неразорвавшиеся снаряды и бомбы могут лежать десятилетиями, представляя угрозу для мирных жителей, строителей и окружающей среды. Многие из этих объектов стальные и едва заметно искажают магнитное поле Земли. В статье описан новый карманный массив магнитных датчиков, который может обнаруживать и различать несколько зарытых металлических целей одновременно, открывая путь к более безопасному и эффективному удалению неразорвавшихся боеприпасов (UXO) с помощью портативных и беспилотных систем.

Новый вид магнитного «зрения»

Авторы опираются на принцип обнаружения магнитных аномалий: ферромагнитные объекты слегка искривляют магнитное поле Земли, и чувствительные приборы улавливают эти искажения. Традиционные приборы зачастую громоздки, хрупки, энергоемки или легко подвержены фоновым помехам. Команда использует технологию флюксгейтного датчика, которая предлагает практичный баланс высокой чувствительности, прочности и возможности работы при комнатной температуре. Они миниатюризируют эту технологию с помощью микрофабрикации, аналогичной процессам в производстве компьютерных чипов, чтобы множество крошечных датчиков можно было разместить компактно в одном модуле, сохраняющем измерение полного трехмерного магнитного поля.

Создание компактной сетки датчиков

В основе системы лежит миллиметровый магнитный датчик на стеклянном чипе. Каждый чип содержит специальное металлическое ядро, окруженное миниатюрными катушками, которые как возбуждают, так и считывают магнитный отклик. С помощью толстого фоторезиста, многослойного электролитического напыления и изоляционных полимерных пленок исследователи формируют строго контролируемые трехмерные структуры катушек с отличной однородностью от чипа к чипу. Три однонаправленных датчика затем соединяют под прямыми углами в U-образной рамке, создавая трехосный сенсор, измеряющий поле по всем трем осям. Четыре таких трехосных блока устанавливают крест-образно на небольшой печатной плате, с расстоянием лишь 20 миллиметров между соседними элементами. Финальное устройство — полный массив «магнитного тензора» — имеет размеры всего 86 × 80 × 16 мм и потребляет менее десятой доли ватта.

Видеть форму через магнитные тени

Поскольку четыре трехосных датчика расположены в точной конфигурации, устройство измеряет не только локальное магнитное поле, но и его пространственные изменения — магнитный градиент, или «тензор». Эта более богатая информация действует как тень, кодирующая размер и форму зарытых объектов, а также помогает подавлять фоновое вмешательство. Команда сначала проверяет базовые характеристики двенадцати отдельных чипов, обнаруживая высокую чувствительность и чрезвычайно низкий уровень шума. Затем они выходят на улицу в тестовую область размером 1,2 метра в квадрате, размещают разные магниты в центре и сканируют площадку в десятках точек, удерживая массив на высоте 10 сантиметров над землей. По этим измерениям они восстанавливают цветные карты магнитных градиентов и анализируют контуры аномалий.

Различение двух скрытых объектов

В тестах с одной целью исследователи сравнивают оливкообразный магнит и сферический магнит. Оба удается локализовать с точностью примерно до 15 сантиметров от их истинных центров, но их магнитные «следы» выглядят по-разному: удлиненный магнит дает растянутый рисунок, тогда как сфера выглядит почти круговой. Команда количественно оценивает это соотношением сторон, по сути сравнивая длинную и короткую оси карты аномалии; у оливкообразного магнита показатель выше, чем у почти круговой сферы. Затем они испытывают два полых магнита одновременно — один цилиндрический и один сферический — помещенные рядом. Хотя эти магниты относительно слабы, тензорные карты по-прежнему показывают две отдельные вершины и явно разные очертания. Снова удлиненная цель даёт более вытянутый рисунок, чем сферическая, что позволяет системе распознать наличие двух разных типов объектов в одной области.

Что это значит для безопасного разминирования

Для неспециалиста ключевая мысль в том, что эта миниатюрная плата датчиков может одновременно обнаруживать и различать несколько зарытых металлических объектов, считывая едва заметные искажения магнитного поля Земли, при этом оставаясь небольшой, лёгкой и энергоэффективной. Это делает её гораздо проще для установки на дронах, небольших роботах или ручных приборах по сравнению со старыми магнитными системами. По мере того как авторы совершенствуют электронику для более быстрой и высокоразрешающей съёмки данных, эта технология может существенно повысить скорость, точность и надёжность обследований на предмет UXO, помогая безопаснее и дешевле очищать зоны бывших конфликтов.

Цитирование: Pu, Z., Fang, D., Dai, Y. et al. Dual-target magnetic anomaly detection and recognition based on a board-level micro fully integrated fluxgate tensor for unexploded ordnance (UXO) mission. Microsyst Nanoeng 12, 119 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01227-y

Ключевые слова: обнаружение неразорвавшихся боеприпасов, сенсорика магнитных аномалий, массив флюксгейтных датчиков, МЭМС-магнитометр, портативное обследование UXO