CN103926625B - 一种利用地磁总场对水下磁目标高精度远距离的定位方法 - Google Patents

Abstract

发明所涉及的是一种利用地磁总场对水下磁目标高精度远距离的定位方法。本发明包括：在水面或水下利用四台磁传感器排列成平面正方形阵列；采集第一传感器测量值、第二传感器测量值、第三传感器测量值、第四传感器测量值、四个传感器和目标的距离；计算目标的方位坐标及目标磁矩；输出各时间参数就描绘目标出运动轨迹。本方法是通过检测地磁总场单一标量实现目标定位。而且由于测量总场，磁力仪安装使用不需要姿态方位校准，非常方便。本发明采用磁场差值算法，可以排除地磁场时变的影响及空间环境磁场分布对磁定位的影响，本定位方法定位精度高，测量距离远。

Description

一种利用地磁总场对水下磁目标高精度远距离的定位方法

技术领域

发明所涉及的是一种利用地磁总场对水下磁目标高精度远距离的定位方法。

背景技术

地磁学是一门古老的学科，通过对地磁场的研究可以推进对宇宙演变、地球演变、地质构造演变及地震活动等相关领域的基础研究。地磁研究的成果在航海、航空、航天、能源勘探以及军事领域中有着广泛而重要的应用。

以扫雷为例，二战时期遗留的沉底水雷贴在百米深的海底，声特性与石头相似，声纳难以有效的将其与环境分开，对于声纳几乎是大海捞针。沉船、水下古迹、水下矿藏、水下管线、水下各种遗留失效设备等的声特性与沉底水雷有相似之处，很多时候单独依靠声纳很难判断。但沉船、古迹、矿藏、水下设备等在地磁场环境中都具有明显的感应磁场分布，这种感应磁场分布与普通地磁背景场不同，因而在磁图上属于明显异常点，所以磁法扫雷作为可行技术很早就得到了应用，随着磁法仪器硬件和地磁技术的发展也得到越来越多的重视和实效。

我国黄海平均海深50米，东海多为200米的大陆架，在这种环境下，海况和目标噪声是决定声呐探测距离的最大因素。而基于磁场探测则不用考虑这些因素，目标自身磁场和在地磁场中的感应磁场在地磁图中是非常明显的异常点，很容易发现。

地磁场是矢量场，实施矢量测量可以更全面地描述和掌握地磁要素与地磁信息，但要实现矢量测量困难重重，首先必须使用矢量磁传感器，现阶段一般采用三轴磁通门传感器，其安装使用都很复杂，安装时姿态方位一定要严格校正，载体运动过程中仍要实时补偿姿态和方位变化的影响，校正姿态方位还要使用其他高精度定位系统。

与探测地磁总场的光泵磁力仪比较，三轴磁通门磁力仪的分辨率不高，一般在0.1nT量级，水中目标如沉船以目标磁偶极子远场理论来估算，这种磁力仪对目标的探测极限距离是250m。而用基于总场的铯光泵磁力仪，最高分辨率可达fT量级，理论极限探测距离超过10km。即使分辨率降低至0.6pT，这种磁力仪在探测距离2km时仍能保证距离分辨率1m，对动态目标可以动态定位。而且由于测量地磁总场，总场光泵磁力仪安装使用不需要姿态方位校准，非常方便。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对水下磁目标高精度远距离定位的利用地磁总场对水下磁目标高精度远距离的定位方法。

本发明的目的是这样实现的：

（1）在水面或水下利用四台磁传感器排列成平面正方形阵列：

正方形的边长D，其中第一传感器T₁的位置设为坐标原点（0，0），第二传感器T₂放置于坐标系x轴上（-D，0）位置，第三传感器T₃放置于y轴上（0，D）位置，第四传感器T₄放置于xy平面上（-D，D）位，阵列平面方向与水平面平行；

（2）采集第一传感器测量值T₁、第二传感器测量值T₂、第三传感器测量值T₃、第四传感器测量值T4、四个传感器和目标的距离r₁、r₂、r₃、r₄；

（3）计算目标的方位坐标（d、a）及目标磁矩|P_m|：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_1=\sqrt{d^2+a^2}\\ r_2=\sqrt{{(d+D)}^2+a^2}\\ r_3=\sqrt{d^2+{(D-a)}^2}\\ r_4=\sqrt{{(d+D)}^2+{(D-a)}^2}\end{array}\right.$ $\left\{\begin{array}{c}\frac{T_1-T_3}{T_2-T_4}=\frac{(\frac{1}{{r_1}^3}-\frac{1}{{r_3}^3})}{(\frac{1}{{r_2}^3}-\frac{1}{{r_4}^3})}\\ \frac{T_1-T_3}{T_1-T_3}=\frac{(\frac{1}{{r_1}^3}-\frac{1}{{r_3}^3})}{(\frac{1}{{r_1}^3}-\frac{1}{{r_2}^3})}\\ \left|P_m\right|=\frac{4\mathrm{\π}(T_1-T_2)}{{\mathrm{\μ}}_0\sqrt{3{\cos }^2\mathrm{\β}+1}\×(\frac{1}{{r_1}^3}-\frac{1}{{r_2}^3})}\end{array}\right.;$

（4）重复步骤（1）-（3）输出各时间参数（d(t)、a(t)）就描绘目标出运动轨迹，t为时间。

分辨率为fT量级的磁传感器成阵时，目标最远定位的距离11.5km；在用分辨率为pT量级的磁传感器成阵时，目标距离2km时，定位精度1m。

采用光泵磁传感器时，传感器光轴取向与地磁场矢量T₀方向基本保持平行。

本发明的有益效果在于：

上述定位方法是通过检测地磁总场单一标量实现目标定位。而且由于测量总场，磁力仪安装使用不需要姿态方位校准，非常方便。本发明采用磁场差值算法，可以排除地磁场时变的影响及空间环境磁场分布对磁定位的影响；用分辨率fT量级总场的铯光泵磁力仪对沉船目标进行定位，理论估算最远定位距离11.5km。以分辨率为0.6pT的总场铯光泵磁力仪来估算，在探测距离2km时仍能保证对目标的距离分辨率为1m。而基于地磁矢量测量的定位方法采用的分辨率0.1nT的三轴磁通门磁力仪，目标定位最远距离250m。可见本定位方法定位精度高，测量距离远。

计算出的磁矩|P_m|值可以初步判断目标的尺度。

附图说明

图1是二维磁定位阵列框图；

图2是三维磁定位阵列框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明具体地说是采用2×2磁定位阵列测量地磁总场数据，依据目标磁偶极子的远场理论经过严格的物理概念推演和算法设计，得出目标的位置坐标，实现精确定位的方法，由于采用磁测差值计算目标位置坐标，可以消除地磁场空间分布的影响及随时间变化的影响。在水下能源矿藏勘测、水下各种管线维护监测、地质灾害监测、水下考古、沉船勘测、扫雷反潜等领域有重要应用。

本发明具体内容包括：

阵列构成

①阵列几何形状

如附图1，在水面或水下利用四台磁传感器排列成平面正方形阵列，正方形的边长D，参照附图1，其中一个传感器T₁的位置设为坐标原点（0，0），第二个传感器T₂放置于x轴上（-D，0）位置，第三个传感器T₃放置于y轴上（0，D）位置，第四个传感器T₄放置于xy平面上（-D，D）位置。阵列平面方向一般与水平面的方向平行，或者根据实测需要采取其他方向。

②传感器布设方向

采用光泵磁传感器时，传感器光轴取向与地磁场矢量T₀方向基本保持平行。

③确定正方形的边长D的原则：

首先在各种客观条件允许的情况下，阵列尺度即正方形的边长D越大，阵列的定位精度越高。

边长D不能超过传感器的有效测量范围，这是由构成阵列传感器的分辨率决定的。

边长D不要妨碍阵列的机动航行，这是由装载或拖曳阵列载体的载荷能力及航行速度决定的。

通过计算可以给出D的参考最优值，a与D关系由公式（1）确定。

算法设计

四个磁传感器所在位置的测量值T₁、T₂、T₃、T₄，输入如下（1）式可计算目标位置坐标d、a，对目标定位。

由（1）式可解出d、a、|P_m|，d、a及其正负代表目标的位置坐标，而|P_m|可以判定目标的尺度。

流程

①用MathCAD或Matlab针对公式（1）编程。输入值T₁、T₂、T₃、T₄，输出值d、a、|P_m|。

②按附图1布置好阵列，启动传感器，通过高速数据采集接口将时刻t₀四个传感器同时输出的四个磁场值T₁(t₀)、T₂(t₀)、T₃(t₀)、T₄(t₀)赋值给程序，程序输出时刻t₀时目标位置（d(t₀)、a(t₀)）和目标磁矩|P_m|。

③传感器输出的时间流数据连续输入并经程序连续计算，就实现了对目标实时定位。各个时刻参数方程（d(t)、a(t)）就描绘目标出运动轨迹。

定位阵列构成及算法设计

如图1，T₀是待测水域无目标时地磁场矢量，T₁、T₂、T₃、T₄是有目标时四个磁传感器所在位置的磁场矢量，模分别为T₁、T₂、T₃、T₄，也就是四个传感器的测量值。B₁、B₂、B₃、B₄是四个磁传感器所在位置由目标产生的感应磁场矢量，模分别为B₁、B₂、B₃、B₄。于是， $\left\{\begin{array}{c}{T}_1=T_0+B_1\\ T_3=T_0+B_3\end{array}\right.,$ 由此T₁-T₃=B₁-B₃，得|T₁-T₃|＝|B₁-B₃|。

又因为 $\left\{\begin{array}{c}|T_1-T_3|=\sqrt{{T_1}^2+{T_3}^2-{2T}_1{T}_3\cos {\mathrm{\α}}_{13}}\\ |B_1-B_3|=\sqrt{{B_1}^2+{B_3}^2-2B_1{B}_3\cos {\mathrm{\θ}}_{13}}\end{array}\right.,$

且d＞＞D，是远场测量，B₁、B₃的夹角θ₁₃趋于零，且|B₁|、|B₃|＜＜|T₀|，这样T₁、T₃的夹角α₁₃也趋于零。于是即

目标磁矩P_m与四个传感器矢径的夹角分别为β₁、β₂、β₃、β₄，由远场 d＞＞D，偶极子磁场矢量所以，

$\left|B\right|=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\frac{\left|P_m\right|}{r^3}\sqrt{3{\cos }^2\mathrm{\β}+1},$

因为 $\left\{\begin{array}{c}{r}_1=\sqrt{d^2+a^2}\\ r_2=\sqrt{{(d+D)}^2+a^2}\\ r_3=\sqrt{d^2+{(D-a)}^2}\\ r_4=\sqrt{{(d+D)}^2+{(D-a)}^2}\end{array}\right.$

所以得

$\left\{\begin{array}{c}{T}_1-T_3=\frac{{\mathrm{\μ}}_0\left|P_m\right|}{4\mathrm{\π}}\sqrt{3{\cos }^2+1}(\frac{1}{{r_1}^3}-\frac{1}{{r_3}^3})\\ T_2-T_4=\frac{{\mathrm{\μ}}_0\left|P_m\right|}{4\mathrm{\π}}\sqrt{3{\cos }^2\mathrm{\β}+1}(\frac{1}{{r_2}^3}-\frac{1}{{r_4}^3})\\ T_1-T_2=\frac{{\mathrm{\μ}}_0\left|P_m\right|}{4\mathrm{\π}}\sqrt{3{\cos }^2\mathrm{\β}+1}(\frac{1}{{r_1}^3}-\frac{1}{{r_2}^3})\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}\frac{T_1-T_3}{T_2-T_4}=\frac{(\frac{1}{{r_1}^3}-\frac{1}{{r_3}^3})}{(\frac{1}{{r_2}^3}-\frac{1}{{r_4}^3})}\\ \frac{T_1-T_3}{T_1-T_3}=\frac{(\frac{1}{{r_1}^3}-\frac{1}{{r_3}^3})}{(\frac{1}{{r_1}^3}-\frac{1}{{r_2}^3})}\\ \left|P_m\right|=\frac{4\mathrm{\π}(T_1-T_2)}{{\mathrm{\μ}}_0\sqrt{3{\cos }^2\mathrm{\β}+1}\×(\frac{1}{{r_1}^3}-\frac{1}{{r_2}^3})}\end{array}\right.;$ （1）

由（1）式可解出d、a、|P_m|，d、a及其正负代表目标的位置坐标，而|P_m|可以判定目标的尺度，虽然β的真实值无法解出，但的值域在[1，2]之间，即对|P_m|的值有一倍影响，但仍可初步判断目标的尺度大小。

阵列构成简易安装测量方便

上述定位方法是通过检测地磁总场单一标量实现目标定位。而且由于测量总场，磁力仪安装使用不需要姿态方位校准，非常方便。

不受地磁时变的影响

公式（1）中采用是磁场差值算法，可以排除地磁场时变的影响及空间环境磁场分布对磁定位的影响。

阵列的三维扩展

所采用的磁定位阵列是平面2×2阵列，仅能在二维平面内定位，但通过增加传感器的数量，容易实现三维定位，参考结构如附图2。虽然仅增加1只传感器即可实现三维定位，但传感器数量越多，数据冗余量越大，定位精度越高。

最远定位距离估算

单只传感器与目标相距r处的地磁总场测量值若水中目标（如沉船）磁矩估算约为|P|＝7.85×10³A·m²，用基于总场的铯光泵磁力仪，目前最高分辨率可达fT量级，由此估算理论上最远探测距离11.5km。

以目标磁偶极子远场偏差来估算，如果距离分辨率Δr＝1m，以分辨率为0.6pT的光泵磁力仪来估算，这个磁力仪在探测距离2km时仍能保证对目标的距离分辨率为1m。

定位实验及结果分析

在陆上目标定位实验中，经纬度：126.5855；45.77720。阵列孔径D＝4.38m，因条件限制，用一台CS-L光泵磁力仪，灵敏度0.6pT，通过移动传感器至附图1阵列的四个位置，分时测量以模拟构成磁测阵列。探测目标：IVECO-A50小型客车。将测量平面抬高到距离地面50cm的高度，以减小地表磁场的影响。实验结果：当汽车距离阵列原点50m，方位角0°时，磁测定位的计算结果：42.9m。

误差分析：由于使用单台磁力仪分置阵列四个布设点获取数据，阵列设计中四台传感器同时测量不能实现，会引入地磁场时变的误差，即方案设计中的差值算法的同时性不能保障，从而引入定位误差，如果具备四台传感器同时测量，这一影响就自然排除。另外更重要的一点，由于陆上实验，传感器距离地表较近，在有无目标两种情况下，单台传感器在阵列在四个空间点复位因人工操作不够严格，这样受地表磁场异常影响较大，引入定位误差较大，而在四个传感器同时测量和水中环境下，不会引入这一影响。

Claims (3)

1.一种利用地磁总场对水下磁目标的定位方法，其特征在于：

(1)在水面或水下利用四台磁传感器排列成平面正方形阵列：

正方形的边长D，其中第一传感器的位置设为坐标原点(0，0)，第二传感器放置于坐标系x轴上(-D，0)位置，第三传感器放置于y轴上(0，D)位置，第四传感器放置于xy平面上(-D，D)位置，阵列平面方向与水平面平行；

(2)采集第一传感器测量值T₁、第二传感器测量值T₂、第三传感器测量值T₃、第四传感器测量值T₄、四个传感器和目标的距离r₁、r₂、r₃、r₄；

(3)计算目标的方位坐标(d、a)及目标磁矩|P_m|：

$\begin{array}{cc}\left\{\begin{array}{c}{r}_1=\sqrt{d^2+a^2}\\ r_2=\sqrt{{(d+D)}^2+a^2}\\ r_3=\sqrt{d^2+{(D-a)}^2}\\ r_4=\sqrt{{(d+D)}^2+{(D-a)}^2}\end{array}\right.& \left\{\begin{array}{c}\frac{T_1-T_3}{T_2-T_4}=\frac{(\frac{1}{r_1^3}-\frac{1}{r_3^3})}{(\frac{1}{r_2^3}-\frac{1}{r_4^3})}\\ \frac{T_1-T_3}{T_1-T_2}=\frac{(\frac{1}{r_1^3}-\frac{1}{r_3^3})}{(\frac{1}{r_1^3}-\frac{1}{r_2^3})}\\ \left|P_m\right|=\frac{4\mathrm{\π}(T_1-T_2)}{{\mathrm{\μ}}_0\sqrt{3{\cos }^2\mathrm{\β}+1}\×(\frac{1}{r_1^3}-\frac{1}{r_2^3})}\end{array}\right.\end{array};$

(4)重复步骤(1)-(3)输出各时间参数(d(t)、a(t))就描绘出目标运动轨迹，t为时间，β为目标磁矩与四个传感器矢径的夹角值。

2.根据权利要求1所述的一种利用地磁总场对水下磁目标的定位方法，其特征在于：分辨率为fT量级的磁传感器成阵时，目标最远定位的距离11.5km；在用分辨率为pT量级的磁传感器成阵时，目标距离2km时，定位精度1m。

3.根据权利要求1所述的一种利用地磁总场对水下磁目标的定位方法，其特征在于：采用光泵磁传感器时，传感器光轴取向与地磁场矢量T₀方向基本保持平行。