CN112986875B - 水下滑翔机磁场特征测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种水下滑翔机磁场特征测试系统、数据采集方法及测试方法，属于磁场特征测试技术领域。该系统包括：三轴磁通门传感器，用于采集三个正交方向的磁场数据；磁场信号调理模块，用于接收和处理三轴磁通门传感器输出的磁场数据；姿态传感器，用于采集三轴磁通门传感器的三个轴的姿态数据；数据处理和监控子系统，用于数据的实时查看和数据处理；主控模块，用于控制三轴磁通门传感器和姿态传感器同步采集，接收姿态数据和磁场数据，进行数据存储和回收，以及与数据处理和监控子系统进行数据传输。该系统能够实现对水下滑翔机本身磁场特征的准确测试，结合测试方法能够实现对水下滑翔机静态和动态条件下产生的磁异常的实时监测。

Description

水下滑翔机磁场特征测试方法

技术领域

本发明属于磁场特征测试技术领域，尤其涉及一种水下滑翔机磁场特征测试系统、数据采集方法及测试方法。

背景技术

海洋电磁探测系统搭载于水下滑翔机上，能够实现海洋电磁环境的大范围观测。然而，水下滑翔机在运动和静止过程中，内部的磁性部件、供电系统、运动驱动系统、控制系统等会产生不同频率、不同强度的磁场噪声，这些磁场噪声成为海洋电磁环境探测的重要干扰源，进而影响海洋电磁探测系统的灵敏度。因而，为了增加海洋电磁探测系统的磁探测能力，需要对水下滑翔机本身的磁特性进行测量。

目前，用于磁场特征测量的传感器有很多种，包括检测线圈、质子磁力仪和超导量子干涉仪等。其中，检测线圈灵敏度高，但对振动敏感，而且，灵敏度越高尺寸越大，不便于在移动平台上使用；质子磁力仪对角度振动不敏感，但是，其高频性能差、体积大且只能测标量磁场；超导量子干涉仪具有最高的探测灵敏度，但需要4K的液He低温工作环境，成本高，应用范围有限。

因而，如何对水下滑翔机本身磁场特征进行测量，以解决电磁探测系统的磁场噪声干扰问题，是当前急需解决的一项技术问题。

发明内容

本发明针对上述的技术问题，提出一种水下滑翔机磁场特征测试系统、数据采集方法及测试方法，能够实现对水下滑翔机本身磁场特征的准确测试。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明提供了一种水下滑翔机磁场特征测试系统，包括：

三轴磁通门传感器，用于采集三个正交方向的磁场数据；

磁场信号调理模块，连接于三轴磁通门传感器，用于接收和处理三轴磁通门传感器输出的磁场数据；

姿态传感器，用于采集三轴磁通门传感器的三个轴的姿态数据；

数据处理和监控子系统，用于数据的实时查看和数据处理，数据处理包括利用姿态数据校正磁场数据；

主控模块，与磁场信号调理模块、姿态传感器和数据处理和监控子系统分别连接，用于控制三轴磁通门传感器和姿态传感器同步采集，接收姿态传感器采集的姿态数据和磁场信号调理模块处理后的磁场数据，进行数据存储和回收，以及与数据处理和监控子系统进行数据传输。

在本发明的一些实施例中，主控模块包括FPGA，以及与FPGA分别连接的磁场采集接口、姿态采集接口、高精度时钟单元、数据存储单元、数据回收单元和通信单元；

FPGA，用于控制三轴磁通门传感器和姿态传感器同步采集，控制数据存储、回收流程；

磁场采集接口连接于磁场信号调理模块，用于接收磁场信号调理模块处理后的磁场数据；

姿态采集接口连接于姿态传感器，用于接收姿态传感器输出的姿态数据；

高精度时钟单元用于向FPGA提供时间信息；

数据存储单元用于数据存储；

数据回收单元用于数据回收；

通信单元用于向数据处理和监控子系统传输数据。

在本发明的一些实施例中，高精度时钟单元包括高精度温度补偿晶体振荡器和用于授时的GPS授时系统。

在本发明的一些实施例中，数据存储单元包括缓存和固态存储器，缓存为SRAM，固态存储器为CF卡；数据回收单元为以太网接口芯片，太网接口芯片内部集成TCP/IP协议栈，太网接口芯片通过SPI总线连接于FPGA。

在本发明的一些实施例中，磁场信号调理模块包括分别连接于三轴磁通门传感器的三路磁场信号处理采集电路，每路磁场信号处理采集电路包括依次连接的比例放大/衰减电路和电压跟随器；磁场信号调理模块还包括一模数转换器，三路磁场信号处理采集电路分别连接于模数转换器。

本发明还提供了一种水下滑翔机磁场特征测试系统的磁场数据采集方法，包括如下步骤：

数据采集步骤：通过主控模块控制三轴磁通门传感器采集三个正交方向的磁场数据，并控制姿态传感器同步采集三轴磁通门传感器的三个轴的姿态数据；

数据传输步骤：三轴磁通门传感器将采集到的磁场数据传输至磁场数据调理模块，磁场数据调理模块将其接收的磁场数据由电信号转换为数字量并传输至主控模块；同时，姿态传感器将采集到的姿态数据传输至主控模块；主控模块将其接收的磁场数据和姿态数据一起传输至数据处理和监控子系统；

数据处理步骤，数据处理和监控子系统显示其接收的磁场数据和姿态数据，并利用其接收的姿态数据对其接收的磁场数据进行校正，得到磁场数据结果。

本发明进一步还提供了一种水下滑翔机磁场特征测试方法，包括如下步骤：

永磁材料静态磁场特征测试步骤：通过采集关闭状态下水下滑翔机周围的磁场数据，表征水下滑翔机永磁材料引起的静态磁场特征；

功能单元单独工作时的磁场特征测试步骤：通过采集水下滑翔机各个功能单元单独工作且处于不同工作状态时的磁场数据，表征水下滑翔机各功能单元单独工作时的磁场特征；其中，功能单元包括主控单元、浮力调节单元、俯仰调节单元、滚转调节单元和深度计；

模拟水下工作剖面时的磁场特征测试步骤：通过连续采集水下滑翔机模拟水下工作过程中的磁场数据，表征水下滑翔机模拟水下工作剖面时的磁场特征；

其中，上述三个测试步骤中，均利用上述水下滑翔机磁场特征测试系统的磁场数据采集方法采集磁场数据。

在本发明的一些实施例中，永磁材料静态磁场特征测试步骤具体为：

S101测试准备步骤：取一长度为50m、宽度为1m的测试区域，将两台水下滑翔机磁场特征测试系统分别放置于测试区域的两个长边中点处，沿测试区域长度方向的中心线布置测点；测点的具体布置方法为：自测试区域长度方向的一端至另一端，以5m为间隔布置测点；在测试区域中心两侧、距离测试区域中心5m范围内，以1m为间隔布置测点；在测试区域中心两侧、距离测试区域中心1m范围内，以0.1m为间隔布置测点；

S102测试步骤：将水下滑翔机放置于无磁小车上，驱动无磁小车沿测试区域长度方向的中心线自一端行至另一端，在无磁小车行进过程中，无磁小车在每个测点处停止，无磁小车停止时，利用水下滑翔机磁场特征测试系统采集该测点对应的磁场数据，每个测点的磁场数据采集时间为2min，汇总所有测点的磁场数据，得到水下滑翔机的永磁材料静态磁场特征测试结果。

在本发明的一些实施例中，功能单元单独工作时的磁场特征测试步骤中：

主控单元单独工作时的磁场特征测试步骤具体为：

S201测试准备步骤：将水下滑翔机放置于无磁小车上，将两台水下滑翔机磁场特征测试系统相对于水下滑翔机的中心线对称放置于水下滑翔机的左右两侧，每台水下滑翔机磁场特征测试系统与水下滑翔机的中心线之间的距离为0.5m，并使两台水下滑翔机磁场特征测试系统与水下滑翔机的主控单元位于同一直线上；

S202测试步骤：在主控单元处于上电状态和断电状态时，分别利用水下滑翔机磁场特征测试系统采集磁场数据，每个状态的采集时间为2min，汇总所有状态时的磁场数据，得到主控单元单独工作时的磁场特征测试结果；

浮力调节单元单独工作时的磁场特征测试步骤具体为：

S203测试准备步骤：将水下滑翔机放置于无磁小车上，将两台水下滑翔机磁场特征测试系统相对于水下滑翔机的中心线对称放置于水下滑翔机的左右两侧，每台水下滑翔机磁场特征测试系统与水下滑翔机的中心线之间的距离为0.5m，并使两台水下滑翔机磁场特征测试系统与水下滑翔机的浮力调节单元位于同一直线上；

S204测试步骤：在浮力调节单元处于关闭状态、排油状态和回油状态时，分别利用水下滑翔机磁场特征测试系统采集磁场数据，每个状态的采集时间为2min，汇总所有状态时的磁场数据，得到浮力调节单元单独工作时的磁场特征测试结果；

俯仰调节单元单独工作时的磁场特征测试步骤具体为：

S205测试准备步骤：将水下滑翔机放置于无磁小车上，将两台水下滑翔机磁场特征测试系统相对于水下滑翔机的中心线对称放置于水下滑翔机的左右两侧，每台水下滑翔机磁场特征测试系统与水下滑翔机的中心线之间的距离为0.5m，并使两台水下滑翔机磁场特征测试系统与水下滑翔机的俯仰调节单元位于同一直线上；

S206测试步骤：在俯仰调节单元控制电池包处于前移状态、后移状态和归位状态时，分别利用水下滑翔机磁场特征测试系统采集磁场数据，每个状态的采集时间为2min，汇总所有状态时的磁场数据，得到俯仰调节单元单独工作时的磁场特征测试结果；

滚转调节单元单独工作时的磁场特征测试步骤具体为：

S207测试准备步骤：将水下滑翔机放置于无磁小车上，将两台水下滑翔机磁场特征测试系统相对于水下滑翔机的中心线对称放置于水下滑翔机的左右两侧，每台水下滑翔机磁场特征测试系统与水下滑翔机的中心线之间的距离为0.5m，并使两台水下滑翔机磁场特征测试系统与水下滑翔机的滚转调节单元位于同一直线上；

S208测试步骤：在滚转调节单元控制电池包处于左移状态、右移状态和归位状态时，分别利用水下滑翔机磁场特征测试系统采集磁场数据，每个状态的采集时间为2min，汇总所有状态时的磁场数据，得到滚转调节单元单独工作时的磁场特征测试结果；

深度计单独工作时的磁场特征测试步骤具体为：

S209测试准备步骤：将水下滑翔机放置于无磁小车上，将两台水下滑翔机磁场特征测试系统相对于水下滑翔机的中心线对称放置于水下滑翔机的左右两侧，每台水下滑翔机磁场特征测试系统与水下滑翔机的中心线之间的距离为0.5m，并使两台水下滑翔机磁场特征测试系统与水下滑翔机的深度计位于同一直线上；

S210测试步骤：在深度计处于上电状态和断电状态时，分别利用水下滑翔机磁场特征测试系统采集磁场数据，每个状态的采集时间为2min，汇总所有状态时的磁场数据，得到深度计单独工作时的磁场特征测试结果。

在本发明的一些实施例中，模拟水下工作剖面时的磁场特征测试步骤具体为：

S301测试准备步骤：将水下滑翔机放置于无磁小车上，将两台水下滑翔机磁场特征测试系统相对于水下滑翔机的中心线对称放置于水下滑翔机的左右两侧，每台水下滑翔机磁场特征测试系统与水下滑翔机的中心线之间的距离为0.5m，并使两台水下滑翔机磁场特征测试系统与水下滑翔机的头部平齐；

S302测试步骤：控制水下滑翔机模拟水下入水、下潜、上浮和出水过程，在整个过程中，以500Hz采样率利用水下滑翔机磁场特征测试系统连续采集磁场数据，得到水下滑翔机模拟水下工作剖面时的磁场特征测试结果。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：

1、本发明提供的水下滑翔机磁场特征测试系统，利用三轴磁通门传感器实现磁场测量，能够测量多个正交方向的磁场信号，磁场信号包含磁异场源磁场信息，既能够检测由材料引起的静态磁信号，也能够检测由电流回路、执行器、电子电路等工作产生的动态磁信号，准确推断出磁异常的目标位置，保证水下滑翔机磁场特征测试的准确性，并能够用于测试其他小型水下移动平台；

2、本发明提供的水下滑翔机磁场特征测试系统，实现了对水下滑翔机磁场特征的监测、数据采集、存储及查看，有利于对水下滑翔机磁场特征进行分析评估；

3、本发明的一些实施例提供的水下滑翔机磁场特征测试系统中，集成了姿态传感器，利用姿态传感器测量三轴磁通门传感器三个轴的方位姿态，从而实现了对三轴磁通门传感器进行姿态校正，克服了三轴磁通门传感器姿态难以通过物理方法校正的问题，有利于水下滑翔机磁场特征测试的准确性；

4、本发明提供的水下滑翔机磁场特征测试方法，实现了对水下滑翔机静态和动态条件下产生的磁异常进行实时监测，对水下滑翔机各个部件、不同运动状态的磁场特征进行定点、定性、定量的测试及评估，能够及早发现水下滑翔机产生的磁噪声，其测试结果有助于针对性的对水下滑翔机进行改进，从而有效解决电磁探测系统的磁场噪声干扰问题，增强海洋电磁探测系统的探测能力。

附图说明

图1为本发明实施例提供的水下滑翔机磁场特征测试系统的结构框图；

图2为本发明实施例提供的水下滑翔机磁场特征测试系统中磁场信号调理模块的结构框图；

图3为本发明实施例提供的水下滑翔机磁场特征测试系统中主控模块的结构框图；

图4为本发明实施例提供的水下滑翔机磁场特征测试方法中进行永磁材料静态磁场特征测试时的测试区域及测点布置示意图；

图5为本发明实施例提供的水下滑翔机磁场特征测试方法中永磁材料静态磁场特征测试结果；

图6为本发明实施例提供的水下滑翔机磁场特征测试方法中浮力调节单元单独工作时的磁场特征测试结果；

图7为本发明实施例提供的水下滑翔机磁场特征测试方法中模拟水下工作剖面时的磁场特征测试结果；

以上各图中：1、三轴磁通门传感器；2、磁场信号调理模块；21、比例放大/衰减电路；22、电压跟随器；23、模数转换器；3、姿态传感器；4、数据处理和监控子系统；5、主控模块；51、FPGA；52、磁场采集接口；53、姿态采集接口；54、高精度时钟单元；55、数据存储单元；56、数据回收单元；57、通信单元；58、电源电压检测单元；59、电源管理单元；6、水下滑翔机；7、无磁小车。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。

在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。

除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。

如图1所示，本发明实施例提供了一种水下滑翔机磁场特征测试系统，包括三轴磁通门传感器1、磁场信号调理模块2、姿态传感器3、数据处理和监控子系统4，以及主控模块5。

三轴磁通门传感器1用于采集三个正交方向的磁场信号，并将磁场信号转换成电信号。本实施例中，具体采用西安华舜测量设备公司的低噪声三轴磁通门传感器，其传感器量程为±100μT、带宽为DC～1KHz、频域噪声≤ 6pT/rms√Hz@1Hz、系统功耗≤0.4W。

磁场信号调理模块2连接于三轴磁通门传感器1，用于接收和处理三轴磁通门传感器1输出的磁场数据。如图2所示，磁场信号调理模块2包括分别连接于三轴磁通门传感器1的三路磁场信号处理采集电路，以及模数转换器(ADC)23，三路磁场信号处理采集电路分别连接于模数转换器23；其中，每路磁场信号处理采集电路包括依次连接的比例放大/衰减电路21和电压跟随器22。由于三轴磁通门传感器1输出的电压信号范围比较大，因而采用比例放大/衰减电路21结合电压跟随器22的方式设计磁场信号处理采集电路，以使磁场信号衰减以满足ADC采样范围。通过单片ADC芯片可实现3个通道模拟量数据同步采集转换功能，进而将转换完成的数字量通过串行总线高速传输给主控模块5，其工作模式、开始采样时刻、采样率、采样同步等都可以通过主控模块5设置可调。本实施例中，模数转换器23采用高精度24Bits MAX11040K，其信号输入的电压范围为-2.2V～+2.2V、最高采样率为16ksps。

姿态传感器3用于采集三轴磁通门传感器1的三个轴的姿态数据。本实施例中采用的姿态传感器3具体为TCM XB，该传感器方向精度达0.3°、俯仰精度达±0.2°、横滚精度达0.2°。本实施例提供的水下滑翔机磁场特征测试系统能够借助姿态传感器3获取系统工作过程中三轴磁通门传感器1三轴姿态信息，校正磁场数据由于姿态而引起的偏差。

数据处理和监控子系统4用于数据的实时查看和数据处理，数据处理包括利用姿态数据校正磁场数据。本实施例中，数据处理和监控子系统4具体为计算机。

主控模块5与磁场信号调理模块2、姿态传感器3和数据处理和监控子系统4分别连接，用于控制三轴磁通门传感器1和姿态传感器3同步采集，接收姿态传感器3采集的姿态数据和磁场信号调理模块2处理后的磁场数据，进行数据存储和回收，以及与数据处理和监控子系统4进行数据传输。如图3 所示，主控模块5包括FPGA 51，以及与FPGA 51分别连接的磁场采集接口 52、姿态采集接口53、高精度时钟单元54、数据存储单元55、数据回收单元 56、通信单元57、电源电压检测单元58和电源管理单元59。

FPGA 51用于控制三轴磁通门传感器1和姿态传感器3同步采集，控制数据存储、回收流程，配置电源管控参数，是本系统的核心控制器。本实施例中，具体采用Intel公司Cyclone V系列FPGA 5CGXFC5CF27，其内部含有 7.7万个逻辑单元、686个M10K存储器模块、336个用户I/O，能够满足设计要求。

磁场采集接口52连接于磁场信号调理模块2，用于接收磁场信号调理模块2处理后的磁场数据。

姿态采集接口53连接于姿态传感器3，用于接收姿态传感器3输出的姿态数据。

高精度时钟单元54用于向FPGA 51提供时间信息。本实施例中，高精度时钟单元54包括高精度温度补偿晶体振荡器和用于授时的GPS授时系统，利用GPS结合高精度温度补偿晶体振荡器对系统进行同步。GPS具有很高的时钟稳定度和精度，精度能够达到20ns，输出信号只有随机误差，没有累积误差，且不受地形及距离的影响。当系统接收到GPS信号时，系统利用GPS 进行授时，保证时钟的同步；当系统无法接收GPS信号时，系统利用温度补偿控制电路对温度补偿晶振进行控制，实现高精度低功耗走时，保证了系统时刻保持低时漂。

数据存储单元55用于数据存储。本实施例中，数据存储单元55具体包括大容量SRAM和32G CF卡。所选用的SRAM为低功耗静态随机存储器 IS64WV204816BLL，存储容量为4MB，作为数据缓存能够降低CF卡存储次数，降低存储噪声，提高系统信噪比。CF卡用于实现磁场数据和姿态数据的存储，保证系统长时间连续稳定工作。

数据回收单元56用于数据回收。本实施例中，具体选用WIZnet公司的以太网接口芯片W5500，芯片内部集成TCP/IP协议栈，与FPGA 51通过SPI 总线进行连接，最高支持80MHz速率，利用高速Ethernet接口可实现数据快速回收。

通信单元57用于向数据处理和监控子系统4传输数据，包括实现数据的抽样提取、参数设置、系统检测等功能。

电源电压检测单元58用于实时监测系统的供电状态，保证系统稳定连续可靠运行。

电源管理单元59用于根据FPGA 51输出的电源控制信号管控系统电源向系统中各个用电设备的供电情况。本实施例中，系统采用大容量高压锂电池供电，电源板将锂电池组的+24V电压稳压到±9V，然后供给各其他电路板。电源管理单元59由主控模块5引入的电源控制信号进行调控。各电路板内部电源模块将±9V电压转为需求电压为电路供电，保证电源的稳定性和可靠性，使系统电压在长时间的数据采集存储过程中处于强稳定状态。

上述水下滑翔机磁场特征测试系统的磁场数据采集方法，包括如下步骤：

数据采集步骤：通过主控模块5控制三轴磁通门传感器1采集三个正交方向的磁场数据，并控制姿态传感器3同步采集三轴磁通门传感器1的三个轴的姿态数据；

数据传输步骤：三轴磁通门传感器1将采集到的磁场数据传输至磁场数据调理模块，磁场数据调理模块将其接收的磁场数据由电信号转换为数字量并传输至主控模块5；同时，姿态传感器3将采集到的姿态数据传输至主控模块5；主控模块5将其接收的磁场数据和姿态数据一起传输至数据处理和监控子系统4；

数据处理步骤，数据处理和监控子系统4显示其接收的磁场数据和姿态数据，并利用其接收的姿态数据对其接收的磁场数据进行校正，得到磁场数据结果。

本实施例提供的水下滑翔机磁场特征测试系统，利用三轴磁通门传感器 1实现磁场测量，能够测量多个正交方向的磁场信号，磁场信号包含磁异场源磁场信息，既能够检测由材料引起的静态磁信号，也能够检测由电流回路、执行器、电子电路等工作产生的动态磁信号，准确推断出磁异常的目标位置，保证水下滑翔机磁场特征测试的准确性，并能够用于测试其他小型水下移动平台。而且，本实施例提供的水下滑翔机磁场特征测试系统，实现了对水下滑翔机磁场特征的监测、数据采集、存储及查看，有利于对水下滑翔机磁场特征进行分析评估。此外，本实施例提供的水下滑翔机磁场特征测试系统中，集成了姿态传感器3，利用姿态传感器3测量三轴磁通门传感器1三个轴的方位姿态，从而实现了对三轴磁通门传感器1进行姿态校正，克服了三轴磁通门传感器姿态难以通过物理方法校正的问题，有利于水下滑翔机磁场特征测试的准确性。

本实施例还提供了一种水下滑翔机磁场特征测试方法，包括如下步骤：

1、永磁材料静态磁场特征测试步骤：通过采集关闭状态下水下滑翔机周围的磁场数据，表征水下滑翔机永磁材料引起的静态磁场特征。

本步骤具体包括：

S101测试准备步骤：如图4所示，取一长度为50m、宽度为1m的测试区域，将两台水下滑翔机磁场特征测试系统分别放置于测试区域的两个长边中点处，沿测试区域长度方向的中心线布置测点；测点的具体布置方法为：自测试区域长度方向的一端至另一端，以5m为间隔布置测点；在测试区域中心两侧、距离测试区域中心5m范围内，以1m为间隔布置测点；在测试区域中心两侧、距离测试区域中心1m范围内，以0.1m为间隔布置测点；

S102测试步骤：将水下滑翔机6放置于无磁小车7上，驱动无磁小车7 沿测试区域长度方向的中心线自一端行至另一端，在无磁小车7行进过程中，无磁小车7在每个测点处停止，无磁小车7停止时，利用水下滑翔机磁场特征测试系统采集该测点对应的磁场数据，每个测点的磁场数据采集时间为 2min，汇总所有测点的磁场数据，得到水下滑翔机6的永磁材料静态磁场特征测试结果。以H分量为例，其测试结果如图5所示，由图5可见，水下滑翔机6经过测试系统时，磁异常H分量先正向增大，再反向增大。

2、功能单元单独工作时的磁场特征测试步骤：通过采集水下滑翔机各个功能单元单独工作且处于不同工作状态时的磁场数据，表征水下滑翔机各功能单元单独工作时的磁场特征；其中，功能单元包括主控单元、浮力调节单元、俯仰调节单元、滚转调节单元和深度计。

本步骤具体包括：

(1)主控单元单独工作时的磁场特征测试步骤具体为：

S201测试准备步骤：将水下滑翔机放置于无磁小车上，将两台水下滑翔机磁场特征测试系统相对于水下滑翔机的中心线对称放置于水下滑翔机的左右两侧，每台水下滑翔机磁场特征测试系统与水下滑翔机的中心线之间的距离为0.5m，并使两台水下滑翔机磁场特征测试系统与水下滑翔机的主控单元位于同一直线上；

S202测试步骤：在主控单元处于上电状态和断电状态时，分别利用水下滑翔机磁场特征测试系统采集磁场数据，每个状态的采集时间为2min，汇总所有状态时的磁场数据，得到主控单元单独工作时的磁场特征测试结果。

(2)浮力调节单元单独工作时的磁场特征测试步骤具体为：

S203测试准备步骤：将水下滑翔机放置于无磁小车上，将两台水下滑翔机磁场特征测试系统相对于水下滑翔机的中心线对称放置于水下滑翔机的左右两侧，每台水下滑翔机磁场特征测试系统与水下滑翔机的中心线之间的距离为0.5m，并使两台水下滑翔机磁场特征测试系统与水下滑翔机的浮力调节单元位于同一直线上；

S204测试步骤：在浮力调节单元处于关闭状态、排油状态和回油状态时，分别利用水下滑翔机磁场特征测试系统采集磁场数据，每个状态的采集时间为2min，汇总所有状态时的磁场数据，得到浮力调节单元单独工作时的磁场特征测试结果。

(3)俯仰调节单元单独工作时的磁场特征测试步骤具体为：

S205测试准备步骤：将水下滑翔机放置于无磁小车上，将两台水下滑翔机磁场特征测试系统相对于水下滑翔机的中心线对称放置于水下滑翔机的左右两侧，每台水下滑翔机磁场特征测试系统与水下滑翔机的中心线之间的距离为0.5m，并使两台水下滑翔机磁场特征测试系统与水下滑翔机的俯仰调节单元位于同一直线上；

S206测试步骤：在俯仰调节单元控制电池包处于前移状态、后移状态和归位状态时，分别利用水下滑翔机磁场特征测试系统采集磁场数据，每个状态的采集时间为2min，汇总所有状态时的磁场数据，得到俯仰调节单元单独工作时的磁场特征测试结果。

(4)滚转调节单元单独工作时的磁场特征测试步骤具体为：

S207测试准备步骤：将水下滑翔机放置于无磁小车上，将两台水下滑翔机磁场特征测试系统相对于水下滑翔机的中心线对称放置于水下滑翔机的左右两侧，每台水下滑翔机磁场特征测试系统与水下滑翔机的中心线之间的距离为0.5m，并使两台水下滑翔机磁场特征测试系统与水下滑翔机的滚转调节单元位于同一直线上；

S208测试步骤：在滚转调节单元控制电池包处于左移状态、右移状态和归位状态时，分别利用水下滑翔机磁场特征测试系统采集磁场数据，每个状态的采集时间为2min，汇总所有状态时的磁场数据，得到滚转调节单元单独工作时的磁场特征测试结果。

(5)深度计单独工作时的磁场特征测试步骤具体为：

S209测试准备步骤：将水下滑翔机放置于无磁小车上，将两台水下滑翔机磁场特征测试系统相对于水下滑翔机的中心线对称放置于水下滑翔机的左右两侧，每台水下滑翔机磁场特征测试系统与水下滑翔机的中心线之间的距离为0.5m，并使两台水下滑翔机磁场特征测试系统与水下滑翔机的深度计位于同一直线上；

S210测试步骤：在深度计处于上电状态和断电状态时，分别利用水下滑翔机磁场特征测试系统采集磁场数据，每个状态的采集时间为2min，汇总所有状态时的磁场数据，得到深度计单独工作时的磁场特征测试结果。

以浮力调节单元单独工作时的磁场特征测试为代表，其测试结果如图6 所示。

3、模拟水下工作剖面时的磁场特征测试步骤：通过连续采集水下滑翔机模拟水下工作过程中的磁场数据，表征水下滑翔机模拟水下工作剖面时的磁场特征。

本步骤具体为：

S301测试准备步骤：将水下滑翔机放置于无磁小车上，将两台水下滑翔机磁场特征测试系统相对于水下滑翔机的中心线对称放置于水下滑翔机的左右两侧，每台水下滑翔机磁场特征测试系统与水下滑翔机的中心线之间的距离为0.5m，并使两台水下滑翔机磁场特征测试系统与水下滑翔机的头部平齐；

S302测试步骤：控制水下滑翔机模拟水下入水、下潜、上浮和出水过程，在整个过程中，以500Hz采样率利用水下滑翔机磁场特征测试系统连续采集磁场数据，得到水下滑翔机模拟水下工作剖面时的磁场特征测试结果，如图7 所示。其中，水下滑翔机模拟水下入水、下潜、上浮和出水的整个过程具体如下：

a、滑翔机启动滑翔，各电机、传感器上电，检测各电气部分工作状态；

b、滑翔机入水，通讯模块上电，进入GPS定位检测；

c、滑翔机进入水下下潜滑翔阶段，搭载传感器开始工作；

d、滑翔机下潜过程中，深度计和电子罗盘开始工作，实时调整滑翔机姿态；

e、滑翔机距离目标深度小于一定距离，滑翔机进入上浮准备状态；

f、滑翔机进入水下上浮阶段；

g、滑翔机上浮过程中，深度计和电子罗盘开始工作，实时调整滑翔机姿态；

h、滑翔机接近水面一定距离后，进入水面过渡阶段，搭载传感器停止工作；

i、滑翔机到达水面后进入水面等待阶段，进行定位与通讯；

j、滑翔机浮力调节单元归中。

根据上述测试结果，能够准确评估水下滑翔机各个位置、各个部件的磁场特征，进而对水下滑翔机进行改进，提高利用水下滑翔机进行磁探测定位能力。

本实施例提供的上述水下滑翔机磁场特征测试方法，实现了对水下滑翔机静态和动态条件下产生的磁异常进行实时监测，对水下滑翔机各个部件、不同运动状态的磁场特征进行定点、定性、定量的测试及评估，能够及早发现水下滑翔机产生的磁噪声，其测试结果有助于针对性的对水下滑翔机进行改进，从而有效解决电磁探测系统的磁场噪声干扰问题，增强海洋电磁探测系统的探测能力。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.水下滑翔机磁场特征测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

永磁材料静态磁场特征测试步骤：通过采集关闭状态下水下滑翔机周围的磁场数据，表征水下滑翔机永磁材料引起的静态磁场特征；

功能单元单独工作时的磁场特征测试步骤：通过采集水下滑翔机各个功能单元单独工作且处于不同工作状态时的磁场数据，表征水下滑翔机各功能单元单独工作时的磁场特征；其中，所述功能单元包括主控单元、浮力调节单元、俯仰调节单元、滚转调节单元和深度计；

模拟水下工作剖面时的磁场特征测试步骤：通过连续采集水下滑翔机模拟水下工作过程中的磁场数据，表征水下滑翔机模拟水下工作剖面时的磁场特征；

其中，上述三个测试步骤中，利用水下滑翔机磁场特征测试系统采集磁场数据，所述水下滑翔机磁场特征测试系统包括：

三轴磁通门传感器，用于采集三个正交方向的磁场数据；

磁场信号调理模块，连接于所述三轴磁通门传感器，用于接收和处理所述三轴磁通门传感器输出的磁场数据；

姿态传感器，用于采集所述三轴磁通门传感器的三个轴的姿态数据；

数据处理和监控子系统，用于数据的实时查看和数据处理，所述数据处理包括利用所述姿态数据校正所述磁场数据；

主控模块，与所述磁场信号调理模块、姿态传感器和数据处理和监控子系统分别连接，用于控制所述三轴磁通门传感器和姿态传感器同步采集，接收所述姿态传感器采集的姿态数据和所述磁场信号调理模块处理后的磁场数据，进行数据存储和回收，以及与所述数据处理和监控子系统进行数据传输；

采集方法包括如下步骤：

数据采集步骤：通过所述主控模块控制所述三轴磁通门传感器采集三个正交方向的磁场数据，并控制所述姿态传感器同步采集所述三轴磁通门传感器的三个轴的姿态数据；

数据传输步骤：所述三轴磁通门传感器将采集到的磁场数据传输至所述磁场数据调理模块，所述磁场数据调理模块将其接收的磁场数据由电信号转换为数字量并传输至所述主控模块；同时，所述姿态传感器将采集到的姿态数据传输至所述主控模块；所述主控模块将其接收的磁场数据和姿态数据一起传输至所述数据处理和监控子系统；

数据处理步骤，所述数据处理和监控子系统显示其接收的磁场数据和姿态数据，并利用其接收的姿态数据对其接收的磁场数据进行校正，得到磁场数据结果；

其中，所述永磁材料静态磁场特征测试步骤具体为：

S101测试准备步骤：取一长度为50m、宽度为1m的测试区域，将两台所述水下滑翔机磁场特征测试系统分别放置于所述测试区域的两个长边中点处，沿所述测试区域长度方向的中心线布置测点；所述测点的具体布置方法为：自所述测试区域长度方向的一端至另一端，以5m为间隔布置测点；在所述测试区域中心两侧、距离所述测试区域中心5m范围内，以1m为间隔布置测点；在所述测试区域中心两侧、距离所述测试区域中心1m范围内，以0.1m为间隔布置测点；

S102测试步骤：将水下滑翔机放置于无磁小车上，驱动所述无磁小车沿所述测试区域长度方向的中心线自一端行至另一端，在所述无磁小车行进过程中，所述无磁小车在每个所述测点处停止，所述无磁小车停止时，利用所述水下滑翔机磁场特征测试系统采集该测点对应的磁场数据，每个所述测点的磁场数据采集时间为2min，汇总所有测点的磁场数据，得到水下滑翔机的永磁材料静态磁场特征测试结果；

所述功能单元单独工作时的磁场特征测试步骤中：

所述主控单元单独工作时的磁场特征测试步骤具体为：

S201测试准备步骤：将水下滑翔机放置于无磁小车上，将两台所述水下滑翔机磁场特征测试系统相对于水下滑翔机的中心线对称放置于所述水下滑翔机的左右两侧，每台所述水下滑翔机磁场特征测试系统与所述水下滑翔机的中心线之间的距离为0.5m，并使两台所述水下滑翔机磁场特征测试系统与所述水下滑翔机的主控单元位于同一直线上；

S202测试步骤：在所述主控单元处于上电状态和断电状态时，分别利用所述水下滑翔机磁场特征测试系统采集磁场数据，每个状态的采集时间为2min，汇总所有状态时的磁场数据，得到主控单元单独工作时的磁场特征测试结果；

所述浮力调节单元单独工作时的磁场特征测试步骤具体为：

S203测试准备步骤：将水下滑翔机放置于无磁小车上，将两台所述水下滑翔机磁场特征测试系统相对于水下滑翔机的中心线对称放置于所述水下滑翔机的左右两侧，每台所述水下滑翔机磁场特征测试系统与所述水下滑翔机的中心线之间的距离为0.5m，并使两台所述水下滑翔机磁场特征测试系统与所述水下滑翔机的浮力调节单元位于同一直线上；

S204测试步骤：在所述浮力调节单元处于关闭状态、排油状态和回油状态时，分别利用所述水下滑翔机磁场特征测试系统采集磁场数据，每个状态的采集时间为2min，汇总所有状态时的磁场数据，得到浮力调节单元单独工作时的磁场特征测试结果；

所述俯仰调节单元单独工作时的磁场特征测试步骤具体为：

S205测试准备步骤：将水下滑翔机放置于无磁小车上，将两台所述水下滑翔机磁场特征测试系统相对于水下滑翔机的中心线对称放置于所述水下滑翔机的左右两侧，每台所述水下滑翔机磁场特征测试系统与所述水下滑翔机的中心线之间的距离为0.5m，并使两台所述水下滑翔机磁场特征测试系统与所述水下滑翔机的俯仰调节单元位于同一直线上；

S206测试步骤：在所述俯仰调节单元控制电池包处于前移状态、后移状态和归位状态时，分别利用所述水下滑翔机磁场特征测试系统采集磁场数据，每个状态的采集时间为2min，汇总所有状态时的磁场数据，得到俯仰调节单元单独工作时的磁场特征测试结果；

所述滚转调节单元单独工作时的磁场特征测试步骤具体为：

S207测试准备步骤：将水下滑翔机放置于无磁小车上，将两台所述水下滑翔机磁场特征测试系统相对于水下滑翔机的中心线对称放置于所述水下滑翔机的左右两侧，每台所述水下滑翔机磁场特征测试系统与所述水下滑翔机的中心线之间的距离为0.5m，并使两台所述水下滑翔机磁场特征测试系统与所述水下滑翔机的滚转调节单元位于同一直线上；

S208测试步骤：在所述滚转调节单元控制电池包处于左移状态、右移状态和归位状态时，分别利用所述水下滑翔机磁场特征测试系统采集磁场数据，每个状态的采集时间为2min，汇总所有状态时的磁场数据，得到滚转调节单元单独工作时的磁场特征测试结果；

所述深度计单独工作时的磁场特征测试步骤具体为：

S209测试准备步骤：将水下滑翔机放置于无磁小车上，将两台所述水下滑翔机磁场特征测试系统相对于水下滑翔机的中心线对称放置于所述水下滑翔机的左右两侧，每台所述水下滑翔机磁场特征测试系统与所述水下滑翔机的中心线之间的距离为0.5m，并使两台所述水下滑翔机磁场特征测试系统与所述水下滑翔机的深度计位于同一直线上；

S210测试步骤：在所述深度计处于上电状态和断电状态时，分别利用所述水下滑翔机磁场特征测试系统采集磁场数据，每个状态的采集时间为2min，汇总所有状态时的磁场数据，得到深度计单独工作时的磁场特征测试结果；

所述模拟水下工作剖面时的磁场特征测试步骤具体为：

S301测试准备步骤：将水下滑翔机放置于无磁小车上，将两台所述水下滑翔机磁场特征测试系统相对于水下滑翔机的中心线对称放置于所述水下滑翔机的左右两侧，每台所述水下滑翔机磁场特征测试系统与所述水下滑翔机的中心线之间的距离为0.5m，并使两台所述水下滑翔机磁场特征测试系统与所述水下滑翔机的头部平齐；

S302测试步骤：控制所述水下滑翔机模拟水下入水、下潜、上浮和出水过程，在整个过程中，以500Hz采样率利用所述水下滑翔机磁场特征测试系统连续采集磁场数据，得到水下滑翔机模拟水下工作剖面时的磁场特征测试结果。

2.根据权利要求1所述的水下滑翔机磁场特征测试方法，其特征在于：所述水下滑翔机磁场特征测试系统中，所述主控模块包括FPGA，以及与所述FPGA分别连接的磁场采集接口、姿态采集接口、高精度时钟单元、数据存储单元、数据回收单元和通信单元；

所述FPGA，用于控制所述三轴磁通门传感器和姿态传感器同步采集，控制数据存储、回收流程；

所述磁场采集接口连接于所述磁场信号调理模块，用于接收所述磁场信号调理模块处理后的磁场数据；

所述姿态采集接口连接于所述姿态传感器，用于接收所述姿态传感器输出的姿态数据；

所述高精度时钟单元用于向所述FPGA提供时间信息；

所述数据存储单元用于数据存储；

所述数据回收单元用于数据回收；

所述通信单元用于向所述数据处理和监控子系统传输数据。

3.根据权利要求2所述的水下滑翔机磁场特征测试方法，其特征在于：所述水下滑翔机磁场特征测试系统中，所述高精度时钟单元包括高精度温度补偿晶体振荡器和用于授时的GPS授时系统。

4.根据权利要求2所述的水下滑翔机磁场特征测试方法，其特征在于：所述水下滑翔机磁场特征测试系统中，所述数据存储单元包括缓存和固态存储器，所述缓存为SRAM，所述固态存储器为CF卡；所述数据回收单元为以太网接口芯片，所述太网接口芯片内部集成TCP/IP协议栈，所述太网接口芯片通过SPI总线连接于所述FPGA。

5.根据权利要求1所述的水下滑翔机磁场特征测试方法，其特征在于：所述水下滑翔机磁场特征测试系统中，所述磁场信号调理模块包括分别连接于所述三轴磁通门传感器的三路磁场信号处理采集电路，每路所述磁场信号处理采集电路包括依次连接的比例放大/衰减电路和电压跟随器；所述磁场信号调理模块还包括一模数转换器，三路所述磁场信号处理采集电路分别连接于所述模数转换器。

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