CN107272069A - 基于磁异常梯度的磁性目标追踪方法 - Google Patents

基于磁异常梯度的磁性目标追踪方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107272069A
CN107272069A CN201710442436.XA CN201710442436A CN107272069A CN 107272069 A CN107272069 A CN 107272069A CN 201710442436 A CN201710442436 A CN 201710442436A CN 107272069 A CN107272069 A CN 107272069A
Authority
CN
China
Prior art keywords
mrow
msub
mtd
msup
mtr
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201710442436.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN107272069B (zh
Inventor
康崇
樊黎明
郑权
康曦元
周健
张晓峻
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Engineering University
Original Assignee
Harbin Engineering University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Engineering University filed Critical Harbin Engineering University
Priority to CN201710442436.XA priority Critical patent/CN107272069B/zh
Publication of CN107272069A publication Critical patent/CN107272069A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107272069B publication Critical patent/CN107272069B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/08—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices
    • G01V3/081—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices the magnetic field is produced by the objects or geological structures

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Geology (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Geophysics (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)
  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)

Abstract

本发明提供一种基于磁异常梯度的磁性目标追踪方法，通过对磁异常梯度的矩阵变换分离出目标磁矩的单位方向矢量，制定优化问题来估计目标的位置和磁性参数，通过构建特殊的适应度函数利用粒子群算法实现对目标参数的求解。本发明所提出的基于磁异常梯度的目标追踪方法，为利用地磁总场信息对目标定位提供了一种新的思路，而且该方法可以求解出运动目标速度的信息，对磁性目标的定位追踪具有一定的参考意义。

Description

基于磁异常梯度的磁性目标追踪方法
技术领域
本发明属于磁探技术领域，具体涉及基于磁异常梯度的磁性目标追踪方法。
背景技术
由于地球磁场的磁化作用，含有铁磁性材料的物质能够在地磁场上叠加磁场，即产生磁异常。通过测量这些磁异常的信息，可以反演实现对这些铁磁性物质的定位，追踪研究。这种方法已经被广泛应用于地质勘探，未爆炸物的探测，目标的定位，导航等多种方向。
地磁场是地球的一个天然的物理场，它由不同变化规律的磁场成分叠加而成。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称为地球的变化磁场，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。
根据地磁场可以使铁磁性物质磁化的特性，可以把地磁场应用于许多领域中，在各种应用领域中，精确确定目标物的位置是一项重要任务。如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。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定位方法，人们可以通过对磁异常的反演，获得该目标物体的定位信息(如几何参数，位置参数等)。
对磁性目标进行定位时，需首先测量目标产生的磁异常。测量磁异常使用的传感器有两种。一种是矢量传感器，另外一种是标量传感器。由于地磁场是矢量场，矢量传感器可以较为全面的测量磁异常的信息，然而在定位过程中，需要确定目标的六个参量才能最终确定目标的位置以及特性，包括目标的空间坐标，以及空间坐标下各个方向上面的磁矩分量。因此，至少需要2个能够测量三个方向场分量的矢量传感器。而且，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，以及矢量传感器自身分辨率一般不高，测量距离不能太远。如专利(公开号为CN106405658A)提出了一种基于矢量磁梯度计的运动式磁性目标定位方法，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。
相比于矢量传感而言，探测地磁总场的标量传感器如光泵磁力仪具有很高的分辨率，测量的地磁总场值不会因为微小的姿态变化而产生变化，因而光泵磁力仪安装使用不需要姿态方位校准，使用起来非常方便，而且探测距离远，所以实用性更强。
本发明在测量地磁总场信息的基础上，计算磁异常梯度值，通过分离出目标磁矩矢量，构建最优化问题，结合粒子群算法，从而实现对目标的定位追踪。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于磁异常梯度的磁性目标追踪方法
本发明的目的是这样实现的：
基于磁异常梯度的磁性目标追踪方法，具体的实现步骤如下：
步骤1.构建磁力仪阵列，计算磁异常的大小ΔB，ΔB可以表示为：
其中，磁性目标产生的磁场Ba的表达式为：
其中，μ0＝4π×10-7H/m是真空磁导率，M是磁偶极子的磁矩大小，[mx my mz]为磁矩的方向矢量，I和D分别表示传感器位置处的地磁场倾角和偏角，I和D的值可以通过国际地磁参考场模型(IGRF)获得或通过实测获得，
步骤2.计算得到各个轴向上的磁异常梯度值，磁异常的梯度可以表示为：
步骤3.通过矩阵变换得到磁矩的单位方向向量，根据公式(1)和(4)我们将磁异常的梯度用矩阵的形式表示为：
G＝FU (5)
其中，
由于F是可逆矩阵，磁矩的方向矢量可以表示为
U＝F-1G (6)
步骤4.构建最优化问题，磁异常梯度G的实际表达形式如下:
其中，Bi(i＝1L 6)表示第i个传感器的测量值，bx是关于原点对称的传感器1和2之间的距离，by是关于原点对称的传感器3和4之间的距离，bz是关于原点对称的传感器5和6之间的距离；
在水平运动目标追踪问题中，目标的运动等效于一阶马尔可夫进程，因此，运动过程中X轴的坐标分量x可以表示为：
其中，Δt表示两个采样点间的时间间隔，目标运动过程中的Y和Z分量近似于X分量，如果目标在水平面内运动，可以假设vz＝0；
目标的磁矩信息可以表示为：
根据磁矩的单位方向矢量的性质，我们可以获得以下的表达式：
UTU＝GT(F-1)TF-1G＝1 (10)
当梯度仪中的基线长度已知时，磁异常的梯度可以通过测量值计算得到，因此利用公式(10)，磁性目标参数反演的问题转化为一种最优化问题。
步骤5.利用粒子群算法(PSO)求解最优化问题，参数矢量p＝[x,y,z,vx,vy,M]表示该最优化问题，通过构建适应度函数g(p)来实现对目标参量的求解，适应度函数表示式为：
其中，n是参与计算的采样点的个数。
步骤6.获得目标的位置和速度信息，使用粒子群算法求解出目标的位置和速度信息。
步骤1中所述的阵列由6个标量磁传感器构成。
所述的磁传感器的测量值包含地磁场Be和磁性目标产生的磁场Ba，在远场测量时由于|Ba|远小于|Be|，磁异常的大小ΔB可被视为磁场Ba在地磁场Be方向上的投影，即ΔB≈u·Ba。
本发明的有益效果在于：
本发明通过搭建磁力仪阵列并且基于地磁总场定位理论，首先计算地磁异常的梯度。通过对磁异常梯度的矩阵变换分离出目标磁矩的单位方向向量，然后制定最优化问题来估计目标的位置和磁性参数，最后构建出特殊的适应度函数，利用粒子群算法实现对目标参数的求解。本发明所提出的基于磁异常梯度的目标追踪方法，为利用地磁总场信息对目标定位提供了一种新的思路，此方法可以求解出运动目标速度的信息，具有实际意义。
附图说明
图1为磁力仪阵列及目标运动方式示意图。
图2为目标追踪过程流程图。
图3为目标X,Y,Z方向位置的理论与实际位置对比图。
图4为目标X和Y方向的速度的理论与实际值对比图。
图5为目标磁矩的理论与实际值对比图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的描述：
本发明涉及一种基于磁异常梯度的磁性目标追踪方法，该方法通过搭建磁力仪阵列并且基于地磁总场定位理论，首先计算地磁异常的梯度。通过对磁异常梯度的矩阵变换分离出目标磁矩的单位方向向量，然后制定最优化问题来估计目标的位置和磁性参数，最后构建出特殊的适应度函数，利用粒子群算法实现对目标参数的求解。
磁梯度仪含有6个总场磁力仪，基线长度为4m，磁力仪的中心位于坐标系的中心，每个磁力仪距离中心的位置为2m。同时我们认为在每个磁力仪上的测量噪声为均值为0，方差为0.01nT的高斯分布的噪声。目标磁矩在运动过程中保持不变，其大小为648A·m2，单位方向矢量为[0.6172,-0.1543,0.7715]，磁性目标沿着X轴方向运动，磁性目标的速度为[1m/s,0m/s,0m/s]，同时系统的采样时间间隔为1s。在利用粒子群算法进行反演时，系统的参数设置如下c1＝c2＝2,种群大小s＝60,最大迭代次数为200。
由已知的参量数值利用粒子群算法使用适应度函数即公式(11)对目标的位置、目标的速度、目标磁矩进行反演，具体的流程如图2所示，数据结果如图3、图4、图5所示。
图3中，在X方向目标从-21m处运动到15m处，在Y方向上目标保持距离阵列中心20m位置不变，在Z方向上保持0m不变，从图2中可知，估计出的目标位置与实际位置比较接近。
图4中，目标在X方向的速度为1m/s，在Y方向的速度为0m/s，图3给出了目标在X方向和Y方向上的计算速度，计算速度和实际速度基本吻合。
图5表示的目标的真实磁矩和估计的磁矩，尽管与磁矩的实际值相比估计值的误差较大，但是估计值和真实值在同一量级上。因此利用该算法可以计算目标磁矩的大小。

Claims (3)

1.基于磁异常梯度的磁性目标追踪方法，其特征在于，具体的实现步骤如下：
步骤1.构建磁力仪阵列，计算磁异常的大小ΔB，ΔB可以表示为：
<mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>B</mi> <mo>&amp;ap;</mo> <mi>u</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>B</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>=</mo> <msup> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>cos</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>I</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>cos</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>D</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>cos</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>I</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>sin</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>D</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>sin</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>I</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mi>T</mi> </msup> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>B</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>B</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>y</mi> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>B</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>z</mi> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>=</mo> <msub> <mi>f</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>m</mi> <mi>x</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>f</mi> <mn>2</mn> </msub> <msub> <mi>m</mi> <mi>y</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>f</mi> <mn>3</mn> </msub> <msub> <mi>m</mi> <mi>z</mi> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，磁性目标产生的磁场Ba的表达式为：
<mrow> <msub> <mi>B</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>B</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>B</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>y</mi> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>B</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>z</mi> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;mu;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mi>M</mi> </mrow> <mrow> <mn>4</mn> <msup> <mi>&amp;pi;r</mi> <mn>5</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mn>3</mn> <msup> <mi>x</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <msup> <mi>r</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mn>3</mn> <mi>x</mi> <mi>y</mi> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mn>3</mn> <mi>x</mi> <mi>z</mi> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mn>3</mn> <mi>x</mi> <mi>y</mi> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mn>3</mn> <msup> <mi>y</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <msup> <mi>r</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mn>3</mn> <mi>y</mi> <mi>z</mi> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mn>3</mn> <mi>x</mi> <mi>z</mi> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mn>3</mn> <mi>y</mi> <mi>z</mi> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mn>3</mn> <msup> <mi>z</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <msup> <mi>r</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>m</mi> <mi>x</mi> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>m</mi> <mi>y</mi> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>m</mi> <mi>z</mi> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，μ0＝4π×10-7H/m是真空磁导率，M是磁偶极子的磁矩大小，[mx my mz]为磁矩的方向矢量，I和D分别表示传感器位置处的地磁场倾角和偏角，I和D的值可以通过国际地磁参考场模型(IGRF)获得或通过实测获得，
<mrow> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>f</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;mu;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mi>M</mi> </mrow> <mrow> <mn>4</mn> <msup> <mi>&amp;pi;r</mi> <mn>5</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mo>(</mo> <mrow> <mn>3</mn> <msup> <mi>x</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <msup> <mi>r</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mo>)</mo> <mi>cos</mi> <mo>(</mo> <mi>I</mi> <mo>)</mo> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mo>(</mo> <mi>D</mi> <mo>)</mo> <mo>+</mo> <mn>3</mn> <mi>x</mi> <mi>y</mi> <mi>cos</mi> <mo>(</mo> <mi>I</mi> <mo>)</mo> <mi>sin</mi> <mo>(</mo> <mi>D</mi> <mo>)</mo> <mo>+</mo> <mn>3</mn> <mi>x</mi> <mi>z</mi> <mi>sin</mi> <mo>(</mo> <mi>I</mi> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>f</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;mu;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mi>M</mi> </mrow> <mrow> <mn>4</mn> <msup> <mi>&amp;pi;r</mi> <mn>5</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mi>x</mi> <mi>y</mi> <mi>cos</mi> <mo>(</mo> <mi>I</mi> <mo>)</mo> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mo>(</mo> <mi>D</mi> <mo>)</mo> <mo>+</mo> <mo>(</mo> <mrow> <mn>3</mn> <msup> <mi>y</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <msup> <mi>r</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mo>)</mo> <mi>cos</mi> <mo>(</mo> <mi>I</mi> <mo>)</mo> <mi>sin</mi> <mo>(</mo> <mi>D</mi> <mo>)</mo> <mo>+</mo> <mn>3</mn> <mi>y</mi> <mi>z</mi> <mi>sin</mi> <mo>(</mo> <mi>I</mi> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>f</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;mu;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mi>M</mi> </mrow> <mrow> <mn>4</mn> <msup> <mi>&amp;pi;r</mi> <mn>5</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mi>x</mi> <mi>z</mi> <mi>cos</mi> <mo>(</mo> <mi>I</mi> <mo>)</mo> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mo>(</mo> <mi>D</mi> <mo>)</mo> <mo>+</mo> <mn>3</mn> <mi>y</mi> <mi>z</mi> <mi>cos</mi> <mo>(</mo> <mi>I</mi> <mo>)</mo> <mi>sin</mi> <mo>(</mo> <mi>D</mi> <mo>)</mo> <mo>+</mo> <mo>(</mo> <mrow> <mn>3</mn> <msup> <mi>z</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <msup> <mi>r</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mo>)</mo> <mi>sin</mi> <mo>(</mo> <mi>I</mi> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
步骤2.计算得到各个轴向上的磁异常梯度值，磁异常的梯度可以表示为：
<mrow> <mo>&amp;dtri;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>B</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>&amp;part;</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>B</mi> </mrow> <mrow> <mo>&amp;part;</mo> <mi>x</mi> </mrow> </mfrac> <mi>i</mi> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <mo>&amp;part;</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>B</mi> </mrow> <mrow> <mo>&amp;part;</mo> <mi>y</mi> </mrow> </mfrac> <mi>j</mi> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <mo>&amp;part;</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>B</mi> </mrow> <mrow> <mo>&amp;part;</mo> <mi>z</mi> </mrow> </mfrac> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
步骤3.通过矩阵变换得到磁矩的单位方向向量，根据公式(1)和(4)我们将磁异常的梯度用矩阵的形式表示为：
G＝FU (5)
其中，
由于F是可逆矩阵，磁矩的方向矢量可以表示为
U＝F-1G (6)
步骤4.构建最优化问题，磁异常梯度G的实际表达形式如下:
<mrow> <mi>G</mi> <mo>=</mo> <msup> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>B</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>B</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> <msub> <mi>b</mi> <mi>x</mi> </msub> </mfrac> </mtd> <mtd> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>B</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>B</mi> <mn>4</mn> </msub> </mrow> <msub> <mi>b</mi> <mi>y</mi> </msub> </mfrac> </mtd> <mtd> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>B</mi> <mn>5</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>B</mi> <mn>6</mn> </msub> </mrow> <msub> <mi>b</mi> <mi>z</mi> </msub> </mfrac> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mi>T</mi> </msup> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>7</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，Bi(i＝1L 6)表示第i个传感器的测量值，bx是关于原点对称的传感器1和2之间的距离，by是关于原点对称的传感器3和4之间的距离，bz是关于原点对称的传感器5和6之间的距离；
在水平运动目标追踪问题中，目标的运动等效于一阶马尔可夫进程，因此，运动过程中X轴的坐标分量x可以表示为：
<mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>x</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>x</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>v</mi> <mi>x</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>v</mi> <mi>x</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>v</mi> <mi>x</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>8</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，Δt表示两个采样点间的时间间隔，目标运动过程中的Y和Z分量近似于X分量，如果目标在水平面内运动，可以假设vz＝0；
目标的磁矩信息可以表示为：
根据磁矩的单位方向矢量的性质，我们可以获得以下的表达式：
UTU＝GT(F-1)TF-1G＝1 (10)
当梯度仪中的基线长度已知时，磁异常的梯度可以通过测量值计算得到，因此利用公式(10)，磁性目标参数反演的问题转化为一种最优化问题。
步骤5.利用粒子群算法(PSO)求解最优化问题，参数矢量p＝[x,y,z,vx,vy,M]表示该最优化问题，通过构建适应度函数g(p)来实现对目标参量的求解，适应度函数表示式为：
<mrow> <mi>g</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>p</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <msup> <mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msup> <msub> <mi>G</mi> <mi>i</mi> </msub> <mi>T</mi> </msup> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msup> <msub> <mi>F</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <mo>)</mo> </mrow> <mi>T</mi> </msup> <msup> <msub> <mi>F</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <msub> <mi>G</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>11</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，n是参与计算的采样点的个数。
步骤6.获得目标的位置和速度信息，使用粒子群算法求解出目标的位置和速度信息。
2.根据权利要求1所述的基于磁异常梯度的磁性目标追踪方法，其特征在于：步骤1中所述的阵列由6个标量磁传感器构成。
3.根据权利要求2所述的基于磁异常梯度的磁性目标追踪方法，其特征在于：所述的磁传感器的测量值包含地磁场Be和磁性目标产生的磁场Ba，在远场测量时由于|Ba|远小于|Be|，磁异常的大小ΔB可被视为磁场Ba在地磁场Be方向上的投影，即ΔB≈u·Ba。
CN201710442436.XA 2017-06-13 2017-06-13 基于磁异常梯度的磁性目标追踪方法 Active CN107272069B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710442436.XA CN107272069B (zh) 2017-06-13 2017-06-13 基于磁异常梯度的磁性目标追踪方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710442436.XA CN107272069B (zh) 2017-06-13 2017-06-13 基于磁异常梯度的磁性目标追踪方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107272069A true CN107272069A (zh) 2017-10-20
CN107272069B CN107272069B (zh) 2019-02-26

Family

ID=60066216

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710442436.XA Active CN107272069B (zh) 2017-06-13 2017-06-13 基于磁异常梯度的磁性目标追踪方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107272069B (zh)

Cited By (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108254796A (zh) * 2018-01-29 2018-07-06 哈尔滨工程大学 一种标量磁力仪阵列基线的优化方法
CN108827284A (zh) * 2018-03-23 2018-11-16 哈尔滨工程大学 一种对运动双磁性目标定位的方法
CN108873086A (zh) * 2018-06-05 2018-11-23 哈尔滨工程大学 一种采用地磁总场梯度阵列对磁性目标定位的方法
CN108931241A (zh) * 2018-03-22 2018-12-04 南京理工大学 基于磁总场梯度和磁张量模量梯度的磁目标单点定位方法
CN109164268A (zh) * 2018-08-28 2019-01-08 华东师范大学 一种磁异常信号测量装置及测量方法
CN109579828A (zh) * 2018-12-24 2019-04-05 中国船舶重工集团公司第七〇九研究所 一种基于弧形磁场传感器阵列的定位系统及其使用方法
CN109579827A (zh) * 2018-12-24 2019-04-05 中国船舶重工集团公司第七〇九研究所 一种基于弧形阵列的磁性目标探测和定位方法
CN109738957A (zh) * 2018-12-10 2019-05-10 兰州空间技术物理研究所 一种磁性运动目标探测方法
CN110308490A (zh) * 2019-06-13 2019-10-08 南京理工大学 基于磁传感器阵列的旋转运动磁异常目标探测装置及方法
CN110824570A (zh) * 2019-10-28 2020-02-21 杭州电子科技大学 一种三轴磁传感器的本体磁性校正方法
CN111190230A (zh) * 2020-01-16 2020-05-22 哈尔滨工业大学 一种基于磁梯度张量的探测方法
CN111190229A (zh) * 2020-01-16 2020-05-22 哈尔滨工业大学 一种磁目标探测方法
CN111399066A (zh) * 2020-04-03 2020-07-10 西北工业大学青岛研究院 一种基于正交基函数处理标量磁异常梯度信号的方法
CN111913227A (zh) * 2020-08-11 2020-11-10 哈尔滨工程大学 一种磁异常信号频率特征的计算方法和系统
CN113218393A (zh) * 2021-04-06 2021-08-06 青岛海月辉科技有限公司 基于磁异常总场匹配定位算法的水下目标分布式组网定位方法
CN113632029A (zh) * 2019-03-28 2021-11-09 索尼集团公司 信息处理装置、程序及信息处理方法
CN114330004A (zh) * 2021-12-31 2022-04-12 华中科技大学 一种基于反演估计的铁磁性目标探测半径计算方法及系统
CN114440870A (zh) * 2021-12-29 2022-05-06 宜昌测试技术研究所 一种基于自适应互补滤波的九轴磁罗盘姿态获取方法
CN114518599A (zh) * 2022-01-28 2022-05-20 北京大学 一种自适应的磁异常目标成像与检测方法
CN114526730A (zh) * 2022-01-21 2022-05-24 华南理工大学 基于磁梯度的运动速度估计方法及装置
CN114547830A (zh) * 2020-11-25 2022-05-27 中国船舶重工集团公司第七六0研究所 一种基于草原狼跳跃追踪机制的水下目标探测定位方法
CN115032704A (zh) * 2022-05-24 2022-09-09 青岛农业大学 一种磁异常探测方法、系统、介质、设备及终端
CN116975991A (zh) * 2022-04-24 2023-10-31 中国人民解放军海军工程大学 一种基于粒子群算法的磁目标三维寻优反演定位方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7342399B1 (en) * 2006-04-17 2008-03-11 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Magnetic anomaly sensing-based system for tracking a moving magnetic target
CN101361660A (zh) * 2008-05-16 2009-02-11 深圳先进技术研究院 一种多磁性目标的定位方法及定位系统
CN105783919A (zh) * 2016-03-09 2016-07-20 哈尔滨工程大学 H型标量传感器阵列对磁性目标的追踪定位方法
CN106595670A (zh) * 2016-12-30 2017-04-26 北京航空航天大学 一种采用广义逆矩阵消除盲区的方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7342399B1 (en) * 2006-04-17 2008-03-11 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Magnetic anomaly sensing-based system for tracking a moving magnetic target
CN101361660A (zh) * 2008-05-16 2009-02-11 深圳先进技术研究院 一种多磁性目标的定位方法及定位系统
CN105783919A (zh) * 2016-03-09 2016-07-20 哈尔滨工程大学 H型标量传感器阵列对磁性目标的追踪定位方法
CN106595670A (zh) * 2016-12-30 2017-04-26 北京航空航天大学 一种采用广义逆矩阵消除盲区的方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LIMING FAN 等: "An efficient method for tracking a magnetic target using scalar magnetometer array", 《SPRINGERPLUS》 *
LIMING FAN 等: "Real-Time Tracking Method for a Magnetic Target Using Total Geomagnetic Field Intensity", 《PURE AND APPLIED GEOPHYSICS》 *
于振涛 等: "基于磁梯度张量的目标定位改进方法", 《系统工程与电子技术》 *

Cited By (38)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108254796A (zh) * 2018-01-29 2018-07-06 哈尔滨工程大学 一种标量磁力仪阵列基线的优化方法
CN108254796B (zh) * 2018-01-29 2019-09-27 哈尔滨工程大学 一种标量磁力仪阵列基线的优化方法
CN108931241A (zh) * 2018-03-22 2018-12-04 南京理工大学 基于磁总场梯度和磁张量模量梯度的磁目标单点定位方法
CN108931241B (zh) * 2018-03-22 2021-09-03 南京理工大学 基于磁总场梯度和磁张量模量梯度的磁目标单点定位方法
CN108827284B (zh) * 2018-03-23 2021-06-01 哈尔滨工程大学 一种对运动双磁性目标定位的方法
CN108827284A (zh) * 2018-03-23 2018-11-16 哈尔滨工程大学 一种对运动双磁性目标定位的方法
CN108873086A (zh) * 2018-06-05 2018-11-23 哈尔滨工程大学 一种采用地磁总场梯度阵列对磁性目标定位的方法
CN109164268A (zh) * 2018-08-28 2019-01-08 华东师范大学 一种磁异常信号测量装置及测量方法
CN109738957A (zh) * 2018-12-10 2019-05-10 兰州空间技术物理研究所 一种磁性运动目标探测方法
CN109579827B (zh) * 2018-12-24 2022-06-21 中国船舶重工集团公司第七一九研究所 一种基于弧形阵列的磁性目标探测和定位方法
CN109579827A (zh) * 2018-12-24 2019-04-05 中国船舶重工集团公司第七〇九研究所 一种基于弧形阵列的磁性目标探测和定位方法
CN109579828B (zh) * 2018-12-24 2022-06-21 中国船舶重工集团公司第七一九研究所 一种基于弧形磁场传感器阵列的定位系统及其使用方法
CN109579828A (zh) * 2018-12-24 2019-04-05 中国船舶重工集团公司第七〇九研究所 一种基于弧形磁场传感器阵列的定位系统及其使用方法
CN113632029B (zh) * 2019-03-28 2024-02-27 索尼集团公司 信息处理装置、程序及信息处理方法
CN113632029A (zh) * 2019-03-28 2021-11-09 索尼集团公司 信息处理装置、程序及信息处理方法
CN110308490A (zh) * 2019-06-13 2019-10-08 南京理工大学 基于磁传感器阵列的旋转运动磁异常目标探测装置及方法
CN110824570B (zh) * 2019-10-28 2021-07-27 杭州电子科技大学 一种三轴磁传感器的本体磁性校正方法
CN110824570A (zh) * 2019-10-28 2020-02-21 杭州电子科技大学 一种三轴磁传感器的本体磁性校正方法
CN111190229A (zh) * 2020-01-16 2020-05-22 哈尔滨工业大学 一种磁目标探测方法
CN111190230A (zh) * 2020-01-16 2020-05-22 哈尔滨工业大学 一种基于磁梯度张量的探测方法
CN111399066A (zh) * 2020-04-03 2020-07-10 西北工业大学青岛研究院 一种基于正交基函数处理标量磁异常梯度信号的方法
CN111399066B (zh) * 2020-04-03 2022-05-17 西北工业大学青岛研究院 一种基于正交基函数处理标量磁异常梯度信号的方法
CN111913227B (zh) * 2020-08-11 2023-03-28 哈尔滨工程大学 一种磁异常信号频率特征的计算方法和系统
CN111913227A (zh) * 2020-08-11 2020-11-10 哈尔滨工程大学 一种磁异常信号频率特征的计算方法和系统
CN114547830A (zh) * 2020-11-25 2022-05-27 中国船舶重工集团公司第七六0研究所 一种基于草原狼跳跃追踪机制的水下目标探测定位方法
CN114547830B (zh) * 2020-11-25 2023-07-04 中国船舶重工集团公司第七六0研究所 一种基于草原狼跳跃追踪机制的水下目标探测定位方法
CN113218393A (zh) * 2021-04-06 2021-08-06 青岛海月辉科技有限公司 基于磁异常总场匹配定位算法的水下目标分布式组网定位方法
CN114440870A (zh) * 2021-12-29 2022-05-06 宜昌测试技术研究所 一种基于自适应互补滤波的九轴磁罗盘姿态获取方法
CN114440870B (zh) * 2021-12-29 2023-06-27 宜昌测试技术研究所 一种基于自适应互补滤波的九轴磁罗盘姿态获取方法
CN114330004B (zh) * 2021-12-31 2024-05-28 华中科技大学 一种基于反演估计的铁磁性目标探测半径计算方法及系统
CN114330004A (zh) * 2021-12-31 2022-04-12 华中科技大学 一种基于反演估计的铁磁性目标探测半径计算方法及系统
CN114526730A (zh) * 2022-01-21 2022-05-24 华南理工大学 基于磁梯度的运动速度估计方法及装置
CN114526730B (zh) * 2022-01-21 2023-06-30 华南理工大学 基于磁梯度的运动速度估计方法及装置
CN114518599B (zh) * 2022-01-28 2024-05-17 北京大学 一种自适应的磁异常目标成像与检测方法
CN114518599A (zh) * 2022-01-28 2022-05-20 北京大学 一种自适应的磁异常目标成像与检测方法
CN116975991A (zh) * 2022-04-24 2023-10-31 中国人民解放军海军工程大学 一种基于粒子群算法的磁目标三维寻优反演定位方法
CN116975991B (zh) * 2022-04-24 2024-04-26 中国人民解放军海军工程大学 一种基于粒子群算法的磁目标三维寻优反演定位方法
CN115032704A (zh) * 2022-05-24 2022-09-09 青岛农业大学 一种磁异常探测方法、系统、介质、设备及终端

Also Published As

Publication number Publication date
CN107272069B (zh) 2019-02-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107272069B (zh) 基于磁异常梯度的磁性目标追踪方法
Storms et al. Magnetic field navigation in an indoor environment
CN105783919B (zh) H型标量传感器阵列对磁性目标的追踪定位方法
CN105091880B (zh) 一种基于标量传感器阵列的追踪定位水下远距离磁性目标的方法
US6476610B1 (en) Magnetic anomaly sensing system and methods for maneuverable sensing platforms
CN102445201B (zh) 用于水下载体的地磁异常特征点匹配导航方法
CN103630139B (zh) 一种基于地磁梯度张量测量的水下载体全姿态确定方法
Liu et al. Calibration and compensation of geomagnetic vector measurement system and improvement of magnetic anomaly detection
CN103926625B (zh) 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
CN106546235B (zh) 一种基于载体补偿的磁性目标定位方法
CN107544042A (zh) 一种磁力计阵列校正方法
CN103926627B (zh) 水下载体地磁三分量测量方法
CN105891755A (zh) 航空器挂载式磁通门磁梯度张量仪的校正方法
CN104166169A (zh) 一种捷联于水下潜器的三轴磁场传感器误差补偿方法
Shockley Ground vehicle navigation using magnetic field variation
CN113156355B (zh) 一种超导全张量磁梯度测量装置的磁干扰补偿方法
CN103900564A (zh) 一种潜深辅助地磁异常反演测速/水下连续定位方法
CN110440746A (zh) 一种基于四元数梯度下降的非开挖地下钻头姿态融合方法
Zhang et al. Magnetic interference compensation method for geomagnetic field vector measurement
Pang et al. The component compensation of geomagnetic field vector measurement system
Zongwei et al. A low-cost calibration strategy for measurement-while-drilling system
Huang et al. Method of separating dipole magnetic anomaly from geomagnetic field and application in underwater vehicle localization
Karshakov et al. Aeromagnetic gradiometry and its application to navigation
CN106842080A (zh) 一种磁场测量装置姿态摆动干扰去除方法
Pang et al. Misalignment error suppression between host frame and magnetic sensor array

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant