CN104374385B - 一种海底磁传感器阵列目标定位的新方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种海底磁传感器阵列目标定位的新方法，采用五点磁传感器阵列排布，将前后磁场差值的平均值作为中心点磁场的变化范围，可以大大减小定位误差，并且在磁场定位时通过二次反转坐标求解，可以有效的去除奇异值。采用上述方案，抵消了阵列中心前后的偏差，同时在反演计算的过程中，采用了重复叠加的方法，克服了普通传感器阵列计算出现的奇异值问题，将定位精度和范围提高了一个数量级。

Description

一种海底磁传感器阵列目标定位的新方法

技术领域

本发明属于海底磁传感器阵列目标定位技术领域，尤其涉及的是一种海底磁传感器阵列目标定位的新方法。

背景技术

海洋磁目标定位是用布放于海底的磁探仪接收目标的磁场信号，通过对接收的磁场信号进行处理，解算出目标的位置、磁矩以及距离布放点的距离等参数的一种技术。磁探仪接收的目标信号是其速度、方向的函数，还是目标物理、几何特性的函数。由于目标参数多，取值连续，参数对信号的调制复杂，使一般的匹配滤波器法和非线性最小二乘法计算量较大，效率较低。

现有的一种简单的技术是将目标的远场等效为磁偶极子场，利用磁偶极子的磁场特性进行建模，将三台传感器集成后作为传感器阵列如图1所示，利用B点到A点，C点到A点的磁场的三分量的变化可以等效成A点处的磁梯度张量，再根据A点的三个分量的磁场，即可反推求得影响该传感器整列数值的距离远大于d(A到B的距离)的磁目标的位置。

现有技术中，将A点到B、C点的正向变化作为磁梯度张量的等效存在较大误差，并且磁目标在x，y方向的磁矩合成方向上存在不可避免的奇异值，其奇异值产生的误差甚至比磁目标本身距传感器阵列的距离还要大，是理论上的一个磁目标定位的方案，其实际仿真应用中，精度低，误差大，定位范围小，很难监测较宽海域。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种海底磁传感器阵列目标定位的新方法。

本发明的技术方案如下：

一种海底磁传感器阵列目标定位的新方法，其中，包括：

将磁性目标视为一个磁偶极子，在此条件下，距离磁性目标r处的磁场强度表示为公式1：

H＝[3(m·r₀)r₀-m]/(4πr³)

公式1中，m为水中磁性目标的磁矩，r＝|r|为磁性目标到测量点的距离，r₀＝r/r为沿r的单位矢量；设场点(r+r₀dr)处的磁场强度为H′，则得到公式2：

H′-H又表示为其该点的变化率，即公式3：

公式3中的行列式为磁场强度三分量(H_x，H_y，H_z)在空间3个方向(x，y，z)的变化率，称为磁梯度张量，用G表示，其有9个分量，即公式4：

由公式2-公式4等效并去微分得到公式5：

移项得公式6：

r＝-3G^-1H

公式6为磁性目标位置的表达式，已知磁场中一点的磁梯度张量和磁场强度即求出磁性目标的位置r；磁场强度通过矢量磁力仪直接测量得出，磁梯度张量通过构建磁力仪阵列等效测量得出，并求得磁目标的准确位置。所述的海底磁传感器阵列目标定位的新方法，其中，所述构建磁力仪阵列等效测量得出的具体方法：

将A点位置的磁场梯度等效成B点到D点、C点到E点的磁场的平均变化率；因此A点的磁梯度张量G_A中的5个分量写为公式7：

A点的梯度张量还需要满足散度及旋度都为0，即

则得到式8：

将式7式8代入公式4，计算出A点的磁梯度张量G_A，将其带入公式6得到磁目标位置的完全展开式公式9：

公式9中的所有参数均设置通过直接测量求得，因此通过公式9以求得磁目标的准确位置。

采用上述方案，对于传统的海底磁力仪阵列的磁性目标定位方法进行了改进，通过五点对称式放置磁力仪，纠正三点磁力仪测试时产生的计算 误差，使相同条件下的定位精度提高了一个数量级；在计算上采用了一种判别补偿方法，减小了定位目标在Y轴附近出现的奇异值，为海洋磁目标的准确定位提供了一种可靠的测试方法。

附图说明

图1为现有技术中三台传感器集成的传感器阵列。

图2为本发明磁传感器阵列。

图3为本发明实施例中去奇异值之前的定位误差分布图。

图4为本发明实施例中去奇异值之后的坐标误差分布图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

本发明设计了一种新型的传感器阵列排布方法，抵消了阵列中心前后的偏差，同时在反演计算的过程中，采用了重复叠加的方法，克服了普通传感器阵列计算出现的奇异值问题，将定位精度和范围提高了一个数量级。

水中磁性目标距离磁力仪阵列较远，即磁性目标可以视为一个磁偶极子。在此条件下，距离磁性目标r处的磁场强度可以表示为

H＝[3(m·r₀)r₀-m]/(4πr³)

式中，m为水中磁性目标的磁矩，r＝|r|为磁性目标到测量点的距离，r₀＝r/r为沿r的单位矢量。设场点(r+r₀dr)处的磁场强度为H′，则

又

式中的行列式为磁场强度三分量(H_x，H_y，H_z)在空间3个方向(x，y，z)的变化率，称为磁梯度张量，用G表示，其有9个分量，即

由上三式可得

上式也可以写为：

由上式可知，已知磁场中一点的磁场强度和磁梯度张量可以求出磁性目标的位置r。在不考虑噪声的条件下，磁场强度可以通过矢量磁力仪直接测量得出，磁梯度张量可以通过磁力仪阵列的测量数据计算得出。

本发明的磁传感器阵列如上图2所示，由于该计算方法的前提条件是磁性目标距离磁力仪阵列较远，且磁力仪间隔距离d的取值范围为0.5～2.5m，因此A点磁力仪到磁性目标的距离远远大于磁力仪间隔距离d，因此A点位置的磁场梯度可以近似等于B点到D点、C点到E点的磁场的平均变化率。因此A点的磁梯度张量G_A中的5个分量有以下计算式：

A点的磁场强度还需要满足式下面两式：

即

因此由式上三式可以计算出A点的磁梯度张量G_A，将其带入磁目标位置表达式就可以实现磁性目标的探测定位，即：

假设水中磁性目标在磁力仪矩阵布控坐标系Z＝300m的平面上平移，且目标的磁矩不随目标位置的变化而变化；坐标系中磁性目标的磁矩为Mx＝5×10⁷A·m²、My＝1×10⁶A·m²、Mz＝1×10⁶A·m²；磁力仪间隔距离d为2m；采用磁力仪的测量精度为1pT。定位误差定义为仿真条件中的磁性目标位置与定位计算求出的目标位置之间的空间绝对距离。如果按照以上方法对磁目标定位进行仿真，得到的磁目标定位误差分布图像如图3所示，由图3可以看到，在xoy平面上Mx与My夹角方向上，出现了一系列奇异值，其误差严重偏离了实际值，这种奇异值由于磁目标处于其本身磁矩在xoy平面的投影方向时，利用磁阵列等效此时的磁梯度张量不准确引起的，为了消除这种奇异值，则假设磁目标在x，y方向上的磁矩进行互换，则这一变化将使磁传感器阵列中x，y方向上的磁场量发生互换，而最终反演求得的r(x，y，z)是不变的，而此时产生的奇异值的分布是与原奇异值分布相垂直的，通过叠加比对，就可以消掉存在的奇异值，得到如图4所示的定位误差分布图像。

采用上述方案，对于传统的海底磁力仪阵列的磁性目标定位方法进行了改进，通过五点对称式放置磁力仪，纠正三点磁力仪测试时产生的计算误差，使相同条件下的定位精度提高了一个数量级；在计算上采用了一种判别补偿方法，减小了定位目标在Y轴附近出现的奇异值，为海洋磁目标的准确定位提供了一种可靠的测试方法。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种海底磁传感器阵列目标定位的新方法，包括：

将磁性目标视为一个磁偶极子，在此条件下，距离磁性目标的位置r处的磁场强度表示为公式1：

H＝[3(m·r₀)r₀-m]/(4πr³)

公式1中，m为水中磁性目标的磁矩，r＝|r|为磁性目标到测量点的距离，r₀＝r/r为沿r的单位矢量；设场点(r+r₀dr)处的磁场强度为H′，则得到公式2：

H′-H又表示为其该点的变化率，即公式3：

公式3中的行列式为磁场强度三分量(H_x，H_y，H_z)在空间3个方向(x，y，z)的变化率，称为磁梯度张量，用G表示，其有9个分量，即公式4：

由公式2-公式4等效并去微分得到公式5：

移项得公式6：

r＝-3G^-1H

公式6为磁性目标位置的表达式，已知磁场中一点的磁梯度张量和磁场强度即求出磁性目标的位置r；磁场强度通过矢量磁力仪直接测量得出，磁梯度张量通过构建磁力仪阵列等效测 量得出，并求得磁目标的准确位置；

所述构建磁力仪阵列等效测量得出的具体方法：

将A点位置的磁场梯度等效成B点到D点、C点到E点的磁场的平均变化率；因此A点的磁梯度张量G_A中的5个分量写为公式7：

A点的梯度张量还需要满足散度及旋度都为0，即

则得到式8：

将式7式8代入公式4，计算出A点的磁梯度张量G_A，将其带入公式6得到磁目标位置的完全展开式公式9：

公式9中的所有参数均设置通过直接测量求得，因此通过公式9以求得磁目标的准确位置；

其特征在于，将磁目标在x，y方向上的磁矩进行互换，使磁传感器阵列中x，y方向上的磁场量发生互换，而最终反演求得的r(x，y，z)不变，此时产生的奇异值的分布是与原奇异值分布相垂直的，通过叠加比对，消掉存在的奇异值。