CN106405658B - 一种基于矢量磁梯度计的运动式磁性目标定位方法 - Google Patents

一种基于矢量磁梯度计的运动式磁性目标定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于矢量磁梯度计的运动式磁性目标定位方法，包括如下步骤：(1)对构成矢量磁梯度计的两组矢量磁强计的结构误差进行补偿，使两组矢量磁强计的信号输出保持一致；(2)使矢量磁梯度计在磁异常空间绕竖直轴线旋转，采集磁梯度计在旋转方位角的磁场方向梯度数据，并根据方向梯度与方位角的关系获取磁场全张量；(3)利用磁场全张量进行磁性目标定位；本发明提供的这种运动式磁性目标定位方法，采用三轴系数补偿的方式解决了矢量磁梯度计的结构误差补偿问题，使得构成磁梯度计的两组矢量磁强计的输出对应一致；由于消除了结构误差，可以实现高分辨率的探测。

Description

一种基于矢量磁梯度计的运动式磁性目标定位方法
技术领域
本发明属于磁探测技术领域，更具体地，涉及一种基于矢量磁梯度计的运动式磁性目标定位方法。
背景技术
磁探测法常用于地质勘探、生物医疗、导航定位、未爆物探测等领域；在这些领域应用高分辨率的磁场总强度探测方法可方便地进行磁性物体的移动探测，但实现磁性物体的精确定位较为困难。基于磁梯度计的探测方法能够有效实现目标的定位，但矢量磁梯度计的安装制作需要保证构成矢量磁梯度计的两组矢量磁强计的轴线严格平行、电气性能严格对称；现有技术通过加工工艺来保证轴线平行度以及电气对称性，存在结构误差，难以实现高分辨率的探测，实际的探测分辨率在10nT～100nT的量级，难以在未爆物的探测领域应用。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于矢量磁梯度计的运动式磁性目标定位方法，其目的在于解决矢量磁梯度计的结构误差补偿问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于矢量磁梯度计的运动式磁性目标定位方法，利用目标磁场全张量信息进行目标定位，包括如下步骤：
(1)对构成矢量磁梯度计的两组矢量磁强计的结构误差进行补偿，使两组矢量磁强计的信号输出保持一致；
(2)使矢量磁梯度计在磁异常空间绕竖直轴线旋转，采集磁梯度计在旋转方位角的磁场方向梯度数据，并根据方向梯度与方位角的关系获取磁场全张量；
(3)利用磁场全张量，根据GR＝-3B进行磁性目标定位；其中，B是磁异常量，R是探测点相对于磁性目标的位置；G是指磁场全张量。
优选地，上述基于矢量磁梯度计的运动式磁性目标定位方法，其步骤(1)包括如下子步骤：
(1.1)使矢量磁梯度计在均匀磁场的空间做三自由度旋转，根据构成矢量磁梯度计的两组磁强计在旋转方位角处对应轴的数据相等关系，获取矢量磁梯度计的三轴补偿系数；
(1.2)根据补偿系数对构成磁梯度计的两组矢量磁强计的结构误差进行补偿，使得两组矢量磁强计的输出一致。
优选地，上述基于矢量磁梯度计的运动式磁性目标定位方法，其步骤(1.1)包括如下子步骤：
(1.1.1)获取三分量的磁梯度计输出
其中，Bax、Bay、Baz分别是第一矢量磁强计a的x、y、z三轴数据；
Bbx、Bby、Bbz分别是第二矢量磁强计b的x、y、z三轴数据，ΔBx是指磁梯度计x轴的数据，ΔBy是指磁梯度计y轴的数据，ΔBz是指磁梯度计z轴的数据；
(1.1.2)获取空间两点的实际磁场梯度与磁梯度计输出之间的误差
其中，ΔB* x是指补偿后的磁梯度计x轴的数据，ΔB* y是指补偿后的磁梯度计y轴的数据，ΔB* z是指补偿后的磁梯度计z轴的数据，kmn(m,n＝1、2、3)为磁梯度计的三轴补偿系数；
(1.1.3)使矢量磁梯度计在均匀磁场的空间做三自由度旋转，采集三轴磁强计和矢量磁梯度计的输出样本，根据输出样本建立三轴补偿系数方程；
其中，j＝1、2、3……M为样本序号；ΔBxj、ΔByj、ΔBzj是指样本j中未经过补偿的矢量磁梯度计的x、y、z轴数据；
(1.1.4)求解上述三轴补偿系数方程，获得磁梯度计的三轴补偿系数kmn(m,n＝1、2、3)。
优选地，上述基于矢量磁梯度计的运动式磁性目标定位方法，其步骤(2)包括如下子步骤：
(2.1)使矢量磁梯度计在磁异常空间绕竖直轴线旋转，采集矢量磁梯度计在各旋转方位角的磁场方向梯度数据；
(2.2)将矢量磁梯度计轴线与竖直轴线的夹角θ、矢量磁梯度计转动的方位角与矢量磁梯度计x方向的梯度之间的关系作为参量，建立方程：
其中，L是指第一矢量磁强计a与第二矢量磁强计b的距离，Gxx指x轴方向的磁场分量在x方向上的梯度，Gxy指x轴方向的磁场分量在y方向上的梯度，Gxz指x轴方向的磁场分量在z方向上的梯度；
(2.3)根据矢量磁梯度计的旋转方位角与第一矢量磁强计a和第二矢量磁强计b的x轴输出的对应关系，建立方程组：
其中，Baxj是指旋转方位角为时第一矢量磁强计a的x轴数据；Bbxj是指旋转方位角为时第二矢量磁强计b的x轴数据；
(2.4)求解所述方程组，获得Gxx、Gxy、Gxz；
(2.5)以矢量磁强计旋转方位角与第一矢量磁强计a和第二矢量磁强计b的y轴数据对应的关系作为参量，重复步骤(2.2)～(2.3)，获得Gyx、Gyy、Gyz；
(2.6)以矢量磁强计旋转方位角与磁强计a和磁强计b的z轴数据对应的关系作为参量，重复步骤(2.2)～(2.3)，获得Gzx、Gzy、Gzz；
(2.7)获取磁场全张量
优选地，上述基于矢量磁梯度计的运动式磁性目标定位方法，探测点相对于磁性目标的位置
其中，Bx是指磁异常量B的x轴方向分量、By是指磁异常量B的y轴方向分量、Bz是指磁异常量B的z轴方向分量。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的基于矢量磁梯度计的运动式磁性目标定位方法，由于采用三轴系数补偿的方法，进行矢量磁梯度计的结构误差补偿；有效降低了空间梯度的测量误差，能够更加准确地获得目标磁场全张量信息；
(2)本发明提供的基于矢量磁梯度计的运动式磁性目标定位方法，由于对矢量磁梯度计进行了补偿校正，能有效提高目标磁场梯度的测量精度，因此具有更加准确实现目标探测定位的效果。
附图说明
图1是实施例中矢量磁梯度计结构误差补偿的示意图；
图2是实施例中转动矢量磁梯度计进行探测定位的示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：a-第一矢量磁强计，b-第二矢量磁强计，c-探棒。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例中，如图1所示的，矢量磁梯度计由平行放置的矢量磁强计构成；其中，a、b两个模块是指第一矢量磁强计a、第二矢量磁强计b；Bax、Bay、Baz是磁强计a的x、y、z三轴的输出数据；Bbx、Bby、Bbz是磁强计b的x、y、z三轴的输出数据；α、β、γ是第一矢量磁强计a与第二矢量磁强计b的三轴夹角。
实施例提供的基于矢量磁梯度计的运动式磁性目标定位方法，包括如下步骤：
步骤(1)：矢量磁梯度计的结构误差补偿：
三分量的磁梯度计输出为：
由于存在安装结构误差和电气一致性的误差，空间两点的实际磁场梯度与磁梯度计输出之间的误差为：
其中，ΔB* x、ΔB* y、ΔB* z为磁强计a和b的实际磁场x、y、z三分量的差值，kmn(m,n＝1、2、3)为磁场梯度的补偿系数；
使矢量磁梯度计在均匀磁场的空间做三自由度旋转，采集三轴磁强计与矢量磁梯度计的输出样本，以求解磁场梯度补偿系数；
由于磁场均匀空间中真实的磁梯度为零，三分量磁场差值与三轴补偿系数的关系具体如下：
其中，j＝1、2、3……M为样本序号，求解上述方程，获得补偿系数。
步骤(2)：根据方位角与磁场的方向倒数之间的关系计算获取磁场全张量：
实施例中，将矢量磁梯度计倾斜悬挂在运动探测平台(如旋翼无人机)上，使磁梯度计旋转，采集磁梯度计在处于方位角时的磁场方向梯度数据，根据方向梯度与方位角的关系，建立方程解算目标的磁场全张量，具体如下：
如图2所示，当磁梯度计轴线与竖直轴线的夹角为θ、磁梯度计转动的方位角为时，根据全微分的概念有：
联立方位角对应的关系式，建立以下方程组：
求解上述方程组，获得Gxx、Gxy、Gxz；
根据矢量磁梯度计的旋转方位角与矢量磁梯度计的y轴梯度对应的关系方程组：
获得Gyx、Gyy、Gyz；
根据矢量磁梯度计的旋转方位角与矢量磁梯度计的z轴梯度对应的关系方程组：
获得Gzx、Gzy、Gzz；
由此获得磁场全张量
步骤(3)：磁性目标定位：
依据GR＝-3B，利用磁场全张量进行磁性目标定位；其中，B是磁异常量，R是探测点相对于磁性目标的位置；
获得相对位置R，实现目标的定位。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于矢量磁梯度计的运动式磁性目标定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对构成矢量磁梯度计的两组矢量磁强计的结构误差进行补偿，使两组矢量磁强计的信号输出保持一致；
(2)使矢量磁梯度计在磁异常空间绕竖直轴线旋转，采集矢量磁梯度计在各旋转方位角的磁场方向梯度数据，并根据所述磁场方向梯度与方位角的关系获取磁场全张量G；
(3)根据GR＝-3B进行磁性目标定位；其中，B是磁异常量，R是探测点相对于磁性目标的位置；
所述步骤(1)包括如下子步骤：
(1.1)使矢量磁梯度计在均匀磁场的空间做三自由度旋转，根据构成矢量磁梯度计的两组矢量磁强计在各旋转方位角处对应轴的数据相等关系，获取矢量磁梯度计的三轴补偿系数；
(1.2)根据所述三轴补偿系数对构成矢量磁梯度计的两组矢量磁强计的结构误差进行补偿，使得两组矢量磁强计的输出一致；
所述步骤(1.1)包括如下子步骤：
(1.1.1)获取三分量的矢量磁梯度计输出
其中，Bax、Bay、Baz分别是第一矢量磁强计a的x、y、z三轴数据；Bbx、Bby、Bbz分别是第二矢量磁强计b的x、y、z三轴数据，ΔBx是指矢量磁梯度计x轴的数据，ΔBy是指矢量磁梯度计y轴的数据，ΔBz是指矢量磁梯度计z轴的数据；
(1.1.2)获取空间两点的实际磁场梯度与磁梯度计输出之间的误差
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其中，ΔB* x是指补偿后的矢量磁梯度计x轴的数据，ΔB* y是指补偿后的矢量磁梯度计y轴的数据，ΔB* z是指补偿后的矢量磁梯度计z轴的数据，kmn为矢量磁梯度计的三轴补偿系数；
(1.1.3)使矢量磁梯度计在均匀磁场的空间做三自由度旋转，采集三轴矢量磁强计和矢量磁梯度计的输出样本，根据所述输出样本建立三轴补偿系数方程；
<mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;B</mi> <mrow> <mi>x</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>k</mi> <mn>11</mn> </msub> <msub> <mi>B</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>x</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>k</mi> <mn>12</mn> </msub> <msub> <mi>B</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>y</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>k</mi> <mn>13</mn> </msub> <msub> <mi>B</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>z</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;B</mi> <mrow> <mi>y</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>k</mi> <mn>21</mn> </msub> <msub> <mi>B</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>x</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>k</mi> <mn>22</mn> </msub> <msub> <mi>B</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>y</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>k</mi> <mn>23</mn> </msub> <msub> <mi>B</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>z</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;B</mi> <mrow> <mi>z</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>k</mi> <mn>31</mn> </msub> <msub> <mi>B</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>x</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>k</mi> <mn>32</mn> </msub> <msub> <mi>B</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>y</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>k</mi> <mn>33</mn> </msub> <msub> <mi>B</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>z</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>;</mo> </mrow>
其中，j＝1、2、3……M为样本序号；ΔBxj、ΔByj、ΔBzj是指样本j中未经过补偿的矢量磁梯度计的x、y、z轴数据；
(1.1.4)求解所述三轴补偿系数方程，获得矢量磁梯度计的三轴补偿系数kmn；m,n＝1、2、3；
所述步骤(2)包括如下子步骤：
(2.1)使矢量磁梯度计在磁异常空间绕竖直轴线旋转，采集矢量磁梯度计在各旋转方位角的磁场方向梯度数据；
(2.2)将矢量磁梯度计轴线与竖直轴线的夹角θ、矢量磁梯度计转动的方位角与矢量磁梯度计x方向的梯度之间的关系作为参量，建立方程：
其中，L是指第一矢量磁强计a与第二矢量磁强计b的距离，Gxx指x轴方向的磁场分量在x方向上的梯度，Gxy指x轴方向的磁场分量在y方向上的梯度，Gxz指x轴方向的磁场分量在z方向上的梯度；
(2.3)根据矢量磁梯度计的旋转方位角与第一矢量磁强计a和第二矢量磁强计b的x轴输出的对应关系，建立方程组：
其中，Baxj是指旋转方位角为时第一矢量磁强计a的x轴数据；Bbxj是指旋转方位角为时第二矢量磁强计b的x轴数据；
(2.4)求解所述方程组，获得Gxx、Gxy、Gxz；
(2.5)以矢量磁强计旋转方位角与第一矢量磁强计a和第二矢量磁强计b的y轴数据对应的关系作为参量，重复步骤(2.2)～(2.3)，获得Gyx、Gyy、Gyz；
(2.6)以矢量磁强计旋转方位角与第一磁强计a和第二磁强计b的z轴数据对应的关系作为参量，重复步骤(2.2)～(2.3)，获得Gzx、Gzy、Gzz；
(2.7)获取磁场全张量
2.如权利要求1所述的运动式磁性目标定位方法，其特征在于，所述探测点相对于磁性目标的位置
其中，Bx是指磁异常量B的x轴方向分量、By是指磁异常量B的y轴方向分量、Bz是指磁异常量B的z轴方向分量。
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