CN105783919B

CN105783919B - H型标量传感器阵列对磁性目标的追踪定位方法

Info

Publication number: CN105783919B
Application number: CN201610133360.8A
Authority: CN
Inventors: 康崇; 樊黎明; 张晓峻; 王明; 郑权; 周健
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2016-03-09
Filing date: 2016-03-09
Publication date: 2019-02-26
Anticipated expiration: 2036-03-09
Also published as: CN105783919A

Abstract

本发明公开了一种H型标量传感器阵列对磁性目标的追踪定位方法。包括以下步骤，步骤一：在水面或水下利用五台磁传感器构建“H”型阵列；步骤二：利用H”型阵列中的传感器测量磁性目标产生的磁异常ΔB；步骤三：构建磁偶极子模型，获得磁性目标在测量点处产生的磁场步骤四：建立磁异常ΔB和磁性目标位置信息(x,y,z)的关系；步骤五：耦合阵列中五个磁传感器的磁异常数据；步骤六：利用粒子群算法求解磁性目标的位置信息，实现对目标的追踪和定位。本发明探测方法实施简单，定位精度高，定位距离远。

Description

H型标量传感器阵列对磁性目标的追踪定位方法

技术领域

本发明属于磁性目标定位领域，尤其涉及一种H型标量传感器阵列对磁性目标的追踪定位方法。

背景技术

地磁场是地球的一个天然的物理场，它有各种不同的起源，由不同变化规律的磁场成分叠加而成。按照场源位置划分，地磁场可以分为内源场和外源场。如果考虑地磁场随时间的变化特征，将随时间变化较快的地磁场成为地球的变化磁场，随时间变化较慢或者基本不变的地磁场成为地球的稳定磁场。同时地磁场是反映宇宙演变、地球演变、地质结构演变以及地震活动等过程的重要物理量之一。地磁场研究成果在航海、航空、航天、能源矿产、安全、考古等领域中有着广泛而重要的应用。

在各种应用领域中，确定目标物的位置是一项首要任务，是进行后续工作的前提。如军事上需要进行的沉没船只的货物抢救、排雷、海滩救援作业、港口船舶监测、反潜应用等，都需要对水下目标物进行准确而快速的定位。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。由于磁性目标的存在，其产生的感应磁场会导致空间地磁场分布的变化，从而在该空间中产生磁异常。因此磁测技术是非常有效的方，人们可以通过对磁异常的反演，获得该目标物体的一些信息(如，几何参数，位置参数等)。

对磁性目标进行定位时，一般需要能够测量地磁分离的矢量传感器或者能够测量地磁总场的标量传感器中的一种。在应用矢量传感器进行测量过程中，传感器的安装很复杂，安装时姿态方位一定要严格校正。当传感器的角度误差为0.05°时，测量的地磁误差大概为50nT左右。因此在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。同时由于地磁场随时间变化的影响，基于矢量传感器的方法的测量距离不能太长。

相比于矢量传感而言，探测地磁总场的标量传感器光泵磁力仪具有高可靠高精度的特点，测量的地磁总场值不会因为传感器的旋转而产生变化，同时最高分辨率可达fT量级。因此，在fT量级下的传感器阵列的极限探测距离超过10km。由于测量地磁总场，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

本发明的目的是提供一种能够实现精确定位的，H型标量传感器阵列对磁性目标的追踪定位方法。

H型标量传感器阵列对磁性目标的追踪定位方法，包括以下步骤，

步骤一：在水面或水下利用五台磁传感器构建“H”型阵列；

步骤二：利用H”型阵列中的传感器测量磁性目标产生的磁异常ΔB，

其中：表示地磁正常场，表示磁性目标在测量点处产生的磁场，表示地磁场的方向向量，B_Ax、B_Ay和B_Az分别表示磁异常在x、y和z三个方向的分量，I₀和D₀分别表示地磁场的磁倾角和磁偏角；

步骤三：构建磁偶极子模型，获得磁性目标在测量点处产生的磁场

其中：μ₀为真空中的磁导率(μ₀＝4π10^-7)，(0,0,0)表示磁偶极子的位置坐标，(x,y,z)表示测量点处的位置坐标，M_x，M_y，M_z分布表示磁偶极子的磁矩在X，Y，Z方向上的分量，即

步骤四：建立磁异常ΔB和磁性目标位置信息(x,y,z)的关系；

其中：P＝[cos(I₀)cos(D₀)cos(I₀)sin(D₀)sin(I₀)]

步骤五：耦合阵列中五个磁传感器的磁异常数据；

其中，i,j表示传感器的标识；

步骤六：利用粒子群算法求解磁性目标的位置信息，实现对目标的追踪和定位。

本发明H型标量传感器阵列对磁性目标的追踪定位方法，还可以包括：

1、在水面或水下利用五台磁传感器构建“H”型阵列的平面方向与水平面的方向平行，磁性目标的位置为坐标原点(0，0，0)，传感器T₁的位置坐标为(x，y，z)，第二个传感器T₂的位置坐标为(x+L₁，y+L₂,z)，第三个传感器T₃的位置坐标为(x-L₁，y+L₂，z)，第四个传感器T₄的位置坐标为(x+L₁，y-L₂，z)，第五个传感器T₅的位置坐标为(x-L₁，y-L₂，z)。

2、利用粒子群算法求解磁性目标的位置信息中，粒子群算法中的适应度函数F为：

通过适应度函数获得磁性目标相对于传感器1的位置坐标(x,y,z)及磁性目标磁矩M，最终实现对目标的追踪和定位。

有益效果

本发明所涉及的是一种基于标量磁传感器(光泵磁力仪)阵列，利用地磁场总场数据对磁性目标进行三维追踪定位的方法。具体地说是利用五个标量磁力仪构成的传感器阵列获得的地磁总场数据，依据磁性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，将磁性目标的空间位置信息转化到对应的地磁总场信息中，再通过改进的粒子群算法计算出磁性目标的位置坐标，实现精确定位的方法，由于采用地磁准梯度，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。

附图说明

图1“H”型标量传感器阵列示意图；

图2磁场信息示意图；

图3磁性目标的运动轨迹；

图4目标的追踪定位结果(X,Y,Z方向上的相对误差)。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明的目的在于对磁性目标进行高精度的追踪和定位。利用五个标量磁力仪构成的传感器阵列获得的地磁总场数据，依据磁性目标磁偶极子的远场理论经过严格的物理概念推演，将磁性目标的空间位置信息转化到对应的地磁总场信息中，再通过改进的粒子群算法计算出磁性目标的位置坐标，实现对目标的精确定位。

本发明是通过以下技术方案实现的：

H型标量传感器阵列对磁性目标的追踪定位方法，包括以下步骤：

步骤一：在水面或水下利用五台磁传感器构建“H”型阵列；

步骤二：利用H”型阵列中的传感器测量磁性目标产生的磁异常，通常磁异常可以表示为：

其中：表示地磁正常场，表示磁性目标在测量点处产生的磁场，表示地磁场的方向向量，B_Ax、B_Ay和B_Az分别表示磁异常在x、y和z三个方向的分量，I₀和D₀分别表示地磁场的磁倾角和磁偏角。

步骤三：构建磁偶极子模型，获得磁性目标在测量点处产生的磁场的表示形式：

步骤四：建立磁异常ΔB和磁性目标位置信息(x,y,z)的关系；

其中：P＝[cos(I₀)cos(D₀)cos(I₀)sin(D₀)sin(I₀)]

步骤五：耦合阵列中五个磁传感器的磁异常数据；

其中，i,j表示传感器的标识。

本发明是一种基于H型标量传感器阵列对磁性目标的追踪定位方法，还可以包括：

1、阵列几何形状

如附图1，在水面或水下利用五台磁传感器排列成“H”型阵列，参照附图1，阵列平面方向一般与水平面的方向平行，定义磁性目标的位置为坐标原点(0，0，0)，传感器T₁的位置坐标为(x，y，z)，第二个传感器T₂的位置坐标为(x+L₁，y+L₂,z)，第三个传感器T₃的位置坐标为(x-L₁，y+L₂，z)，第四个传感器T₄的位置坐标为(x+L₁，y-L₂，z)，第五个传感器T₅的位置坐标为(x-L₁，y-L₂，z)。

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,同时“H”型传感器阵列中T₁所在边对准地理北极方向。

3、确定传感器之间的间距L₁、L₂的原则：

首先在各种客观条件允许的情况下，相邻传感器之间的距离L越大，阵列的定位精度越高。

距离L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。

距离L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。

4、构建粒子群算法中的适应度函数F的形式：

其中，i,j表示传感器的标识。

5、通过获得的磁性目标的位置信息，可以估算出对应的磁矩M，从而可以初步判断目标的尺寸大小。

本发明提供的是一种“H”型标量传感器阵列(光泵磁力仪)对磁性目标的追踪定位方法。通过搭建“H”型标量传感器阵列和传感器之间的位置关系，将磁性目标的空间位置信息转化到对应的地磁总场信息中，利用算法获得磁性目标的三维位置信息。本发明所提出的磁性目标的追踪定位方法可以实时对磁性目标进行追踪定位，同时标量传感器测量的地磁信息是一种旋转不变量，从而传感器阵列的布放与方位无关，因此该探测方法实施简单，定位精度高，定位距离远。

由于地磁矢量传感器测量的地磁信息会随着传感器的旋转发生变化。当传感器角度误差为0.05°时，测量的地磁场误差大概为50nT左右。而地磁标量传感器(光泵磁力仪)测量的地磁误差不会随着传感器的旋转发生变化。在本方法中，基于五个标量传感器的阵列能够测量旋转不变量的地磁信息，提高测量精度，其特征是：通过传感器阵列之间的位置关系，获得对应的地磁总场，从而实现对磁性目标的三维追踪定位。五个标量传感器排列成”H”型阵列，参照附图1。

依据磁偶极子(磁性目标)的远场理论，将磁性目标的空间位置信息转化到对应的地磁总场信息中，利用高精度的总场数据，通过对应的算法，实现对磁性目标的追踪定位。

采用改进的粒子群算法实现了快速计算，能够对移动磁性目标实现实时追踪定位。

“H”型传感器阵列的安装和探测时无需对传感器阵列进行姿态方位校准。

一般情况下，如图2所示，由于地磁场的存在，标量地磁传感器测量到磁性目标的磁异常可以表示为：

其中：表示地磁正常场，表示磁性目标在测量点处产生的磁场，表示地磁场的方向向量，I₀和D₀分布表示地磁场的磁倾角和磁偏角。

远距离处的磁性目标可以视为磁偶极子，磁偶极子的磁场分量在直角坐标系下可以表示为：

其中：μ₀为真空中的磁导率(＝4π10^-7)，(0,0,0)表示磁偶极子的位置坐标，(x,y,z)表示测量点处的位置坐标，M_x，M_y，M_z分布表示磁偶极子的磁矩在X，Y，Z方向上的分量，即

通过(4)和(5)，我们可以得到以下的式子：

其中：P＝[cos(I₀)cos(D₀)cos(I₀)sin(D₀)sin(I₀)]

通过对(6)式的变换处理，得到公式(7):

其中：c表示cos，s表示sin，U＝QQ^T

有(7)式可知，Q^TU^-1P只与磁偶极子的磁矩和地磁场的磁倾角、磁偏角有关。

通过对磁偶极子在远距离处产生的磁异常分析，Q^TU^-1P只与磁偶极子的磁矩和地磁场的磁倾角、磁偏角有关。我们提出了一种基于五个标量传感器阵列的对远距离目标的追踪定位的方法。对于阵列中的每个传感器来说，在同一时刻，Q^TU^-1P的值应该都相等。因此，可以得到以下的等式：

其中，i,j表示传感器的标示。

利用(8)式，构建粒子群算法中的适应度函数F：

采用式(9)作为粒子群算法中的适应度函数F，我们可获得磁性目标相对于传感器1的位置坐标(x,y,z)及磁性目标磁矩M。

以图1结构搭建“H”型标量磁传感器阵列，阵列中的传感器间距L₁＝0.8m，L₂＝0.6m磁传感器采用灵敏度为0.6pT的CS-L光泵磁力仪。传感器阵列沿着平行与地磁北极的方向进行放置。磁性目标在水平面内移动，在x方向上的移动速度为5m/s，在Y方向上的移动速度为0.25m/s。采样间隔为2s。磁性目标沿着规划的航迹从(10,5)点运动到(60,30)点，如图3所示。图4是采用本方法的追踪定位的结果,给出了各个点的相对误差的情况。X,Y和Z方向上的相对误差小于5％。除去个别明显误差点外，磁性目标到传感器1的距离的平均相对误差为0.04％。可见该方案能够对磁性目标进行高精度的追踪和定位。同时计算出的磁性目标磁矩为P＝145A·m²。

Claims

1.H型标量传感器阵列对磁性目标的追踪定位方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一：在水面或水下利用五台磁传感器构建“H”型阵列；

步骤二：利用“H”型阵列中的传感器测量磁性目标产生的磁异常ΔB，

其中：μ₀为真空中的磁导率μ₀＝4π10^-7，(0,0,0)表示磁偶极子的位置坐标，(x,y,z)表示测量点处的位置坐标，M_x，M_y，M_z分别表示磁偶极子的磁矩在X，Y，Z方向上的分量，即

步骤四：建立磁异常ΔB和测量点处的位置坐标(x,y,z)的关系；

其中：P＝[cos(I₀)cos(D₀) cos(I₀)sin(D₀) sin(I₀)]

步骤五：耦合阵列中五个磁传感器的磁异常数据；

其中，i,j表示传感器的标识；

2.根据权利要求1所述的H型标量传感器阵列对磁性目标的追踪定位方法，其特征在于：所述的在水面或水下利用五台磁传感器构建“H”型阵列的平面方向与水平面的方向平行，磁偶极子的位置坐标为(0，0，0)，传感器T₁的测量点处的位置坐标为(x，y，z)，第二个传感器T₂的位置坐标为(x+L₁，y+L₂,z)，第三个传感器T₃的位置坐标为(x-L₁，y+L₂，z)，第四个传感器T₄的位置坐标为(x+L₁，y-L₂，z)，第五个传感器T₅的位置坐标为(x-L₁，y-L₂，z)。

3.根据权利要求1所述的H型标量传感器阵列对磁性目标的追踪定位方法，其特征在于：所述的利用粒子群算法求解磁性目标的位置信息中，粒子群算法中的适应度函数F为：

通过适应度函数获得磁性目标相对于传感器T₁的测量点处的位置坐标及磁性目标磁矩M，最终实现对目标的追踪和定位。