CN106546235A - 一种基于载体补偿的磁性目标定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于磁场测量领域，具体涉及一种基于载体补偿的磁性目标定位方法。本发明包括：在水面或水下利用4台磁传感器构建磁力仪阵列；测量在无磁性目标的条件下，记录每个磁力仪测量的随时间变换的磁场强度值，把磁场强度值和其中一个磁力仪记录的值进行自回归分析，得出测量值之间的线性关系；利用阵列中的传感器测量磁性目标产生的磁异常；构建磁偶极子模型，获得磁性目标在测量点处产生的磁场等。本发明所提出的基于载体补偿的磁性目标定位方法可以消除载体对磁力仪的影响，提高对磁性目标定位的精度，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。

Description

一种基于载体补偿的磁性目标定位方法

技术领域

本发明属于磁场测量领域，具体涉及一种基于载体补偿的磁性目标定位方法。

背景技术

地磁场是反映宇宙演变、地球演变、地质构造演变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^[2,3]。

发明所涉及的是一种基于载体补偿的磁性目标定位方法。具体地说是构建由四个标量磁力仪组成的传感器阵列，对传感器测得的数据进行自回归分析，获得不同磁力仪测量值之间的线性关系，进而消除载体对磁力仪的影响，最后测得地磁总场数据，依据磁性目标磁偶极子的远场理论，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，再通过改进的粒子群算法计算出磁性目标的位置坐标，实现磁性目标的定位。由于消除了载体对磁力仪的影响，可以提高测量的精度。在水下能源矿藏勘测、水下管线维护监测、水下考古、沉船勘测、扫雷反潜等方面有重要应用。

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。

在各种应用领域中，精确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法，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)。通过消除载体的影响可以提高探测的精度，提高信息的可用度。

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

本发明的目的在于提供一种基于载体补偿的磁性目标定位方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)在水面或水下利用4台磁传感器构建磁力仪阵列；

(2)测量在无磁性目标的条件下，记录每个磁力仪测量的随时间变换的磁场强度值，把磁场强度值和其中一个磁力仪记录的值进行自回归分析，得出测量值之间的线性关系：

N_m1＝α₁₂N_m2+β₁₂

其中：N_m1是第一个磁力仪的输出值，N_m2是第二个磁力仪的输出值；其中k₁,k₂是感生磁场与地磁场的比例系数，即H_id1＝k₁H_e，H_id2＝k₂H_e，H_pd1和H_pd2分别恒定磁场的值；

(3)利用阵列中的传感器测量磁性目标产生的磁异常ΔB，磁力仪测量值为：

H_m1＝H_e+H_pd1+H_id1+ΔB₁

＝H_e+H_pd1+k₁H_e+ΔB₁

＝N_m1+ΔB₁

H_m2＝H_e+H_pd2+H_id2+ΔB₂

＝H_e+H_pd2+k₂H_e+ΔB₂

＝N_m2+ΔB₂

其中，H_m1是有目标时第一个磁力仪的输出值，H_m2是有目标时第二个磁力仪的输出值，得到：

ΔB₁-α₁₂ΔB₂＝H_m1-α₁₂H_m2-β₁₂；

(4)构建磁偶极子模型，获得磁性目标在测量点处产生的磁场B_a的表示形式：

其中：μ₀为真空中的磁导率，B_a为地磁场矢量，m是磁偶极子磁矩；(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，

(5)建立磁异常ΔB和磁性目标位置信息(x,y,z)的关系；

其中：

其中I₀是地磁倾角，D₀是地磁偏角；

得到：

ΔB_i-α_ijΔB_j＝G(Κ_i-α_ijΚ_j)M；

(6)用矩阵变换分离物体的位置和磁矩；

其中，M^T(MM^T)^-1G^T是M_x,M_y,M_z,I₀,D₀的函数，是x,y,z D₀,ΔB，I₀的函数，由此构建磁力仪阵列，M^T(MM^T)^-1G^T对每个磁力仪探测器是一定的：

(7)利用粒子群算法求解磁性目标的位置信息，对目标的追踪和定位；

目标的位置由下列函数的最小值得到；

本发明的有益效果在于：

本发明所提出的基于载体补偿的磁性目标定位方法可以消除载体对磁力仪的影响，提高对磁性目标定位的精度，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。

附图说明

图1标量传感器阵列示意图；

图2传感器1测量值和其余传感器测量值之间自回归分析；

图3磁性目标的运动轨迹和预测的运动轨迹。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

一种基于载体补偿的磁性目标定位方法，构建如图1所示的标量传感器阵列，由四个标量传感器记录磁场强度的信息，获得了标量传感器之间在测量磁场强度时的函数关系，可以消除目标定位中载体的影响，获得对应的磁异常，从而实现对磁性目标的三维追踪定位。

本发明采用图1所示阵列中多个标量传感器输出值之函数补偿载体的干扰。由四个标量传感器记录磁场强度的信息，利用线性回归方法确定标量传感器之间在测量磁场强度时的函数关系，利用此函数关系整体补偿载体的干扰，具体步骤见发明内容步骤三。

本发明构建目标定位的函数模型。用粒子群算法构建出图1所示阵列的目标定位函数模型，实现对目标的磁场定位。

本发明的目的在于消除载体的影响，对磁性目标进行高精度的追踪和定位。先记录四个磁力仪测量的地磁强度，通过自回归分析这些数据，得到两个传感器测量磁场强度之间的关系，从而消除载体对于磁力仪的影响，再利用四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，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，最后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：

基于载体补偿的磁性目标定位方法，包括以下步骤：

步骤一：在水面或水下利用4台磁传感器构建磁力仪阵列；

步骤二：测量在无磁性目标的条件下，记录每个磁力仪测量的随时间变换的磁场强度值。把这些值和其中一个磁力仪记录的值进行自回归分析，得出测量值之间的线性关系：

N_m1＝α₁₂N_m2+β₁₂ (1)

其中：N_m1是第一个磁力仪的输出值，N_m2是第二个磁力仪的输出值。其中k₁,k₂是感生磁场与地磁场的比例系数，即H_id1＝k₁H_e，H_id2＝k₂H_e，H_pd1和H_pd2分别恒定磁场的值。

步骤三：利用阵列中的传感器测量磁性目标产生的磁异常ΔB，磁力仪测量值可以表示为：

其中，H_m1是有目标时第一个磁力仪的输出值，H_m2是有目标时第二个磁力仪的输出值。由公式(1)，(2)，(3)可以得到：

ΔB₁-α₁₂ΔB₂＝H_m1-α₁₂H_m2-β₁₂ (4)

由此，可以消除载体对磁力仪的影响。

步骤四：构建磁偶极子模型，获得磁性目标在测量点处产生的磁场B_a的表示形式：

其中：μ₀为真空中的磁导率(μ₀＝4π10^-7)，B_a为地磁场矢量，m是磁偶极子磁矩。(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，

步骤五：建立磁异常ΔB和磁性目标位置信息(x,y,z)的关系；

其中：

其中I₀是地磁倾角，D₀是地磁偏角。

由公式(4)和(6)可以得到：

ΔB_i-α_ijΔB_j＝G(Κ_i-α_ijΚ_j)M (7)

步骤六：用矩阵变换分离物体的位置和磁矩；

其中，M^T(MM^T)^-1G^T是M_x,M_y,M_z,I₀,D₀的函数。是x,y,zD₀,ΔB,I₀的函数。由此构建磁力仪阵列，M^T(MM^T)^-1G^T对每个磁力仪探测器来说是一定的。得到：

步骤七：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。

当I₀,D₀,ΔB时已知时，目标的位置可由下列函数的最小值得到；

本发明是一种基于载体补偿的磁性目标定位方法，还可以包括：

1、阵列几何形状

如附图1，在水面或水下利用四台磁传感器排列成阵列，参照附图1。

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方向夹角为[10,85]或者[95,170],同时传感器阵列中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、磁力仪探测器测量值之间进行自回归分析结果参照附图2。

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。

以图1结构搭建标量磁传感器阵列，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。获得传感器之间的线性关系如图2。磁性目标在水平面内移动，在x方向上的移动速度为0m/s，在Y方向上的移动速度为1m/s。采样间隔为1s。磁性目标沿着规划的航迹从(20,-20)点运动到(20,20)点，如图3所示。采用本方法的追踪定位的结果显示：X,Y和Z方向上的相对误差小于6％。磁性目标到传感器1的距离的平均相对误差为0.05％。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)

1.一种基于载体补偿的磁性目标定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在水面或水下利用4台磁传感器构建磁力仪阵列；

(2)测量在无磁性目标的条件下，记录每个磁力仪测量的随时间变换的磁场强度值，把磁场强度值和其中一个磁力仪记录的值进行自回归分析，得出测量值之间的线性关系：

N_m1＝α₁₂N_m2+β₁₂

其中：N_m1是第一个磁力仪的输出值，N_m2是第二个磁力仪的输出值；其中k₁,k₂是感生磁场与地磁场的比例系数，即H_id1＝k₁H_e，H_id2＝k₂H_e，H_pd1和H_pd2分别恒定磁场的值；

(3)利用阵列中的传感器测量磁性目标产生的磁异常ΔB，磁力仪测量值为：

H_m1＝H_e+H_pd1+H_id1+ΔB₁

＝H_e+H_pd1+k₁H_e+ΔB₁

＝N_m1+ΔB₁

H_m2＝H_e+H_pd2+H_id2+ΔB₂

＝H_e+H_pd2+k₂H_e+ΔB₂

＝N_m2+ΔB₂

其中，H_m1是有目标时第一个磁力仪的输出值，H_m2是有目标时第二个磁力仪的输出值，得到：

ΔB₁-α₁₂ΔB₂＝H_m1-α₁₂H_m2-β₁₂；

(4)构建磁偶极子模型，获得磁性目标在测量点处产生的磁场B_a的表示形式：

$B_a(m,r)=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}\left|\right|r|{|}^3}(\frac{3r^{T}m}{r^{T}r}-m)$

其中：μ₀为真空中的磁导率，B_a为地磁场矢量，m是磁偶极子磁矩；(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，

(5)建立磁异常ΔB和磁性目标位置信息(x,y,z)的关系；

$\mathrm{\Δ}B\≈\frac{{\stackrel{\→}{H}}_e\·{\stackrel{\→}{B}}_A}{H_e}={\mathrm{GB}}_a=GKM$

其中：

$K=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}\left|\right|r|{|}^3}\left[\begin{array}{ccc}3x^2-\left|\right|r|{|}^2& 3\mathrm{\λ}y& 3xz\\ 3xy& 3y^2-\left|\right|r|{|}^2& 3yz\\ 3xz& 3yz& 3z^2-\left|\right|r|{|}^2\end{array}\right]$

其中I₀是地磁倾角，D₀是地磁偏角；

得到：

ΔB_i-α_ijΔB_j＝G(Κ_i-α_ijΚ_j)M；

(6)用矩阵变换分离物体的位置和磁矩；

$M^T{\left({\mathrm{MM}}^T\right)}^{-1}{G}^T=\frac{G(K_i-{\mathrm{\α}}_{ij}{K}_j)G^T}{{\mathrm{\ΔB}}_i-{\mathrm{\α}}_{ij}{\mathrm{\ΔB}}_j}$

其中，M^T(MM^T)^-1G^T是M_x,M_y,M_z,I₀,D₀的函数，是x,y,zD₀,ΔB，I₀的函数，由此构建磁力仪阵列，M^T(MM^T)^-1G^T对每个磁力仪探测器是一定的：

$\frac{G(K_i-{\mathrm{\α}}_{ij}{K}_j)G^T}{{\mathrm{\ΔB}}_i-{\mathrm{\α}}_{ij}{\mathrm{\ΔB}}_j}=\mathrm{...}=\frac{G(K_m-{\mathrm{\α}}_{mn}{K}_n)G^T}{{\mathrm{\ΔB}}_m-{\mathrm{\α}}_{mn}{\mathrm{\ΔB}}_n}$

(7)利用粒子群算法求解磁性目标的位置信息，对目标的追踪和定位；

目标的位置由下列函数的最小值得到；

$F(x,y,z)=\underset{i,j}{\overset{4}{\Σ}}{(\frac{G(K_i-{\mathrm{\α}}_{ij}{K}_j)G^T}{{\mathrm{\ΔB}}_i-{\mathrm{\α}}_{ij}{\mathrm{\ΔB}}_j}-\frac{G(K_m-{\mathrm{\α}}_{mn}{K}_n)G^T}{{\mathrm{\ΔB}}_m-{\mathrm{\α}}_{mn}{\mathrm{\ΔB}}_n})}^2.$