磁异探测技术广泛应用于地质勘探、未爆炸物(UXO)扫除和潜艇探测等方面,具有重要的民用和军事价值。随着无人机(UAV)技术的发展,基于小型无人机的磁探测技术成为了研究热点。一方面,小型无人机的载重、电源等受限,难以搭载现有的高性能磁探仪,需要研制小型化、模块化和低廉化的磁探仪;另一方面,小型无人机的干扰磁场更加复杂,对磁测量信号预处理和异常信号检测方法提出了更高的要求。针对上述问题,本文深入剖析了磁异探测影响因素、磁异信号时频特征和地磁噪声分布规律,在此基础上研究了磁异信号检测理论和方法,为小型无人机磁探测系统进行信号预处理和异常检测提供了理论与方法支撑。主要工作和创新点如下:1、针对小型无人机磁异探测的特点,提出了集信号预处理和二元假设检验于一体的磁异信号检测理论与方法。磁异探测描述的是磁探仪在和目标存在相对运动时(两者之间的距离由远及近再远),对目标产生的磁异信号进行有效检测,从而实现目标探测的过程。磁异探测主要包括搜索和监测两种情形,前者常用于航空磁探潜。磁异探测系统固连在无人机上时,测得的磁异信号易受背景噪声和平台干扰的影响,而且磁异信号是一个非周期能量有限信号。本文提出了集信号预处理和二元假设检验于一体的磁异信号检测理论与方法,即首先通过信号预处理抑制规律明确的干扰和误差,然后进行二元假设检验实现异常信号判定。2、针对三轴磁传感器测量误差、载体干扰磁场和坐标系未对准误差等影响因素,研究了相应的预处理方法。一方面,通过建立误差和干扰的数学模型,运用最小二乘和椭圆拟合等方法进行参数标定,从而实现了误差校正和干扰补偿,提高了总量测量的精度,使三轴磁传感器的总量测量精度达到了1nT。另一方面,建立了捷联式地磁矢量测量系统的综合误差模型,构建了“矢量+总量”约束的方程组,采用拉格朗日乘数法准确估计校准参数,进而实现测量系统的一体化校准,可有效提升地磁矢量测量精度。3、针对搜索模式下的磁异探测问题,提出了基于卡亨南-洛维展开的正交基函数(KLE-OBF)相关检测方法,有效克服了色噪声的影响。搜索模式下,为了降低载体姿态抖动的影响,往往以磁场总量作为有效信息。本文基于卡亨南-洛维展开原理和地磁噪声自相关矩阵,修正了标准正交基函数,构建了KLE-OBF检波器,实现了色噪声背景下的最优检测,并对检波器参数进行了优化。仿真和实验结果表明,在虚警概率1.5%和信噪比-3dB的前提下,相比标准OBF检波器,KLE-OBF检波器将检测概率从70%提升到了80%左右。4、针对监测模式下的磁异探测问题,提出了矢量相关检测方法,进一步提升了对磁异信号的检测概率。基于磁偶极子模型,推导了磁异矢量的正交基函数,构建了矢量相关检波器。并针对双传感器监测系统,提出了频域自适应消噪方法,可有效抑制共模地磁噪声和干扰。该方法充分利用了地磁参考信息和三分量测量信号,可有效提高对磁异信号的检测概率。而且,随着捷联式地磁矢量测量系统测量精度的不断提高,该方法也可应用到搜索模式。仿真和实验结果表明,在虚警概率1.5%和信噪比-3dB的前提下,相比基于总量信息的OBF检波,矢量检波将检测概率从80%提升到了约97%。5、针对信号先验信息缺失的情形,提出了基于随机共振的磁异信号检测方法,保障了稳健的检测性能。在信号先验信息缺失情形下,一般的非参量检测方法往往难以对低信噪比下的磁异信号进行有效检测,而随机共振系统可利用噪声增强信号,提高信噪比,从而保障了对磁异信号的有效检测。因此,首先研究了随机共振系统的信号增强机制以及其数值仿真实现方法;然后,根据随机共振输出信号的时频特征,设计了基于并联随机共振系统的检波器(PSR检波器),即测量信号先通过随机共振增强,再进行能量检波。实验结果表明,在虚警概率1.5%和信噪比-3dB的前提下,PSR检波器的检测概率可以稳定在70%左右,明显优于最小熵检波器的检测概率(约为55%)。6、搭建了无人机磁异探测系统,开展了磁异探测实验,验证了所提方法的有效性。基于小型三轴磁通门传感器和旋翼无人机搭建了无人机磁异探测系统,进行了无人机干扰补偿、飞行搜索和悬停监测等验证性实验。干扰补偿后,无人机姿态变化引起的磁场总量波动由78.7nT降至3nT左右,与现有航磁补偿器的补偿改善比相当。而探测实验结果表明,实测磁异信号信噪比低至-3dB的前提下,KLE-OBF检波器和PSR检波器仍实现了对磁异信号的有效检测。总的来说,本文初步论证了小型旋翼无人机固连磁异探测系统进行磁性目标探测的可行性,实现了强干扰/噪声背景下的磁异信号检测。