CN108227005A

CN108227005A - 一种目标定位及识别方法

Info

Publication number: CN108227005A
Application number: CN201611201932.8A
Authority: CN
Inventors: 张晓娟; 王辰
Original assignee: Institute of Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Electronics of CAS
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2018-06-29

Abstract

本发明提供一种目标定位及识别方法。其中定位及识别方法包括：获取磁异常信号，利用目标磁梯度张量角度和距离算法初步计算目标的距离和单位位置矢量，并计算得到位置矢量；把距离和单位位置矢量代入目标的磁梯度张量矩阵，计算磁矩矢量；根据位置矢量和磁矩矢量计算校正系数g和夹角余弦并进一步计算系数Q₁和Q₂收敛条件下输出新单位位置矢量。本发明提供的方法能取得定位精度高，磁矩估计准确，探测距离远的效果。

Description

一种目标定位及识别方法

技术领域

本发明涉及磁异常测量技术领域，尤其是一种磁异常目标定位及识别方法，还涉及该定位方法在矢量传感器定位和磁性异常体目标探测上的应用。

背景技术

铁磁物体在地磁场的作用下会产生磁异常信号。磁异常目标一般被等效为一个磁偶极子。利用产生的磁异常信号反演目标的位置，磁矩等信息有广泛的应用，如水下磁目标跟踪，未爆物探测，考古等。通常情况下，地磁场强度远远大于磁异常信号，因此磁异常信号无法用磁力计直接测量。磁梯度计能够有效的消除地磁场的干扰，广泛的应用于磁异常目标定位中。

现有技术提出了一种用于实时定位目标的算法-角度与距离测量算法(ScalarTriangulation and Ranging).该算法定义了磁梯度张量矩阵范数C_T用于估计目标的位置矢量和磁矩矢量。该算法假定C_T的等值线是一个球体，但实际上是一个轴比1.14的椭球。因此该方法的定位结果存在误差。对于该误差，现有技术还提出了一种迭代算法进行修正，但是该算法对信噪比要求较高。仿真结果表明，即使信噪比达到46dB，该算法也至少需要10次迭代才能收敛。在实际应用中，即使校正好的磁力计阵列，由于残余误差的存在，实际信噪比很难达到46dB。因此对于实际的磁异常信号，该算法的收敛速度及收敛性有待验证。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种目标定位及识别算法。

根据本发明的一方面，提供一种磁异常目标定位及识别方法，包括步骤：

S1：获取磁异常信号，利用磁梯度张量角度与距离测量算法初步计算目标的距离r和单位位置矢量并计算得到位置矢量

S2：把目标的距离r和单位位置矢量代入目标的磁梯度张量矩阵，利用最小二乘法估计得到磁矩矢量

S3：把位置矢量和磁矩矢量代入：

计算椭圆系数g和磁矩矢量与距离矢量的夹角的余弦并根据：

计算系数Q₁和系数Q₂；

S4：利用下式

获得新单位位置矢量其中，是单位矢量，是单位磁矩矢量；

当估计值满足收敛条件时输出位置信息和磁矩信息，否则返回S2。

进一步的，步骤S1中具体为：

S11：根据：

获得磁目标产生的磁异常信号与磁矩和位置矢量的关系，其中为磁异常信号，为目标的磁矩，为目标的位置矢量；

S12：计算目标的磁梯度张量G：

x，y，z分别表示立体坐标系下的三个互相垂直坐标方向；

S13：根据磁梯度张量G矩阵的范数得到C_T，

S14：设定磁力计为立方体结构的磁力计阵列，计算每个面上的C_T可以得到C_TX+，C_TX-，C_TY+，C_TY-，C_TZ+，C_TZ-，进而计算得到

其中，dx、dy、dz分别为x、y、z轴的磁力计基线距离；

S15：计算目标的单位位置矢量

S16：计算目标的距离r：

r＝ΔS_X{[(C_TX-/C_TX+)^0.25-1]^-1+0.5}

其中ΔS_X表示x轴的基线在位置矢量上的投影；

S17：获得位置矢量

进一步的，步骤S3中，系数C₁和系数C₂的计算具体为：

将计算得到的g和代入C_T得：

进一步求梯度得：

化简得：

定义单位矢量

其中，

根据本发明的另一方面，还提供一种以上任意定位方法在矢量传感器定位上的应用，其中所述矢量传感器包括：磁通门、GMR(巨磁阻传感器)、AMR(各向异性磁阻AMR传感器)和/或TMR(隧道磁电阻磁传感器)等三轴磁传感器。

根据本发明的另一方面，还提供一种以上任意定位方法在磁性异常体目标探测的应用，磁性异常体目标包括铁磁性目标源、永磁铁、电磁铁和其他引起磁异常的目标源。

通过以上技术方案，可以获知本发明的有益效果在于：

(1)该定位方法的精度高，运算量小，满足实时高精度定位要求，达到探测距离远的效果；

(2)通过将上述定位方法应用于矢量传感器定位和磁性异常体目标探测，能够有效降低对实际信噪比的探测要求。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明实施例的目标定位及识别方法流程图；

图2为本发明实施例的实验系统框图；

图3为本发明实施例的XY平面的定位结果；

图4为本发明实施例Z方向的定位结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明的基本思路是：首先分析角度与距离测量算法误差的主要来源，找到误差的解析表达式，寻找相关算法修正该误差。

本发明的实施例的技术方案是：

首先给出角度与距离测量算法的基本原理。为了估计目标的位置信息和磁矩信息，设计一个立方体结构的磁力计阵列。参见图2所示，磁力计放置于立方体结构的8个顶点处。磁目标产生的磁异常信号如下式：

其中M为目标的磁矩，R为目标的位置矢量，其中为磁异常信号。目标的磁梯度张量表示如下：

求磁梯度张量矩阵的2-范数得到C_T

其中k的变化率较小，因此C_T的梯度大约指向磁目标体。计算磁力计阵列每个面上的C_T可以得到C_TX+，C_TX-，C_TY+，C_TY-，C_TZ+，C_TZ-。进而计算得到

其中dx、dy、dz分别为x、y、z轴的磁力计基线距离。目标的位置单位矢量为：

目标到测量点的距离为：

r＝ΔS_X{[(C_TX-/C_TX+)^0.25-1]^-1+0.5} (6)

其中ΔS_X表示x轴的基线在位置矢量上的投影。所以位置矢量可以表示为：

把上式代入(2)式中，利用最小二乘(当然不仅限于该方法，可替代的确定性和非确定性的计算方法均可应用于此，包括：共轭梯度法、遗传算法或模拟退火法等)可以得到目标的磁矩信息。通过分析发现，角度与距离测量算法算法中的误差主要来源于把系数g当做常数。经过计算得：

其中g是椭圆系数，为磁矩矢量与距离矢量的夹角的余弦。

代入C_T得：

C_T的表达式完全由磁矩矢量和位置矢量确定。对其求梯度得：

化简得：

上式看出，角度与距离测量算法算法中椭球误差是由于未考虑磁矩信息对定位的影响。因此只要估计出磁矩信息代入(11)中即可得到真实的位置单位矢量。实际应用中，由于磁力计阵列残余误差的影响，测量得到的值存在误差，估计得到的磁矩与位置模值误差较大。因此定义如下单位矢量：

其中，系数Q₁和Q₂如下所示：

参见图1所示，本发明的实施例大体步骤如下：

第一步：利用角度与距离测量算法估计目标到测量点的距离r和单位位置矢量

第二步：把位置矢量代入式(2)中，利用最小二乘估计目标的磁矩矢量

第三步：把位置矢量和磁矩矢量代入式(8)中计算得到cosθ和k，进而得到系数C₁、C₂。

第四步：利用下式估计新的单位位置矢量

回到第二步，直至满足收敛条件：前后两次迭代的结果小于某一设定值，该数值是根据信噪比设定的。

下面结合附图对本发明提供的磁异常目标定位方法进行说明。

图1是本发明所提供的目标定位算法流程图。该流程图中：

S1：利用角度与距离测量算法初步估计目标距离和单位位置矢量。

S2：把距离矢量代入(2)，利用最小二乘估计得到磁矩矢量。

S3：把计算得到的距离矢量和磁矩矢量代入(8)中，计算得到C₁和C₂。

S4：利用(14)更新单位位置矢量估计值。当估计值满足收敛条件时输出结果，否则返回第二步。

图2至图4是利用本发明具体实施方式进行的野外实验结果。

该系统由磁力计阵列，供电与前置调理模块以及24通道数据采集处理模块组成，如图2所示。磁梯度张量系统由8个mag-03磁通门组成，分别放置在长方体结构的8个顶点处，其中X方向和Z方向的磁通门间距300mm，Y方向的磁通门间距为400mm。试件为空心铁管。试件的运动轨迹为一条直线，具体表达式如下：

x＝1.6-0.2N

y＝0.5

z＝-0.55 (15)

从图3和图4中可以看出，本文的算法的定位精度更高。实测结果表明，该算法收敛速度快，仅需要3～5次迭代即可收敛。

根据本发明实施例的另一方面，还提供一种矢量传感器定位应用，其采用上述实施例的定位方式，能够明显降低信噪比。

其中所述矢量传感器包括：磁通门、GMR(巨磁阻传感器)、AMR(各向异性磁阻AMR传感器)和/或TMR(隧道磁电阻磁传感器)等三轴磁传感器。

根据本发明实施例的另一方面，还提供一种磁性异常体目标探测方面应用，其采用上述实施例的定位方式，能够明显降低信噪比。

其中，磁性异常体目标包括铁磁性目标源，永磁铁、电磁铁和其他引起磁异常的目标源。

通过上述实施例的定位方案，使定位的精度高，运算量小，满足实时高精度定位要求，达到远距离探测；在实际应用中(例如将上述定位方法应用于矢量传感器定位和磁性异常体目标探测)，能够有效降低实际信噪比。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种目标定位及识别方法，其特征在于包括步骤：

S2：把目标的距离r和单位位置矢量代入目标的磁梯度张量矩阵，计算磁矩矢量

S3：把位置矢量和磁矩矢量代入：

计算椭圆系数g和磁矩矢量与距离矢量的夹角的余弦cosθ，并根据：

计算系数Q₁和系数Q₂；

S4：利用下式

获得新单位位置矢量其中，是单位矢量，是单位磁矩矢量当估计值满足收敛条件时输出位置和磁矩信息，否则返回S2。

2.根据权利要求1所述的目标定位及识别方法，其特征在于，步骤S1中具体为：

S11：根据：

S12：计算目标的磁梯度张量G：

x，y，z分别表示立体坐标系下的三个互相垂直坐标方向；

S13：根据磁梯度张量G矩阵的范数得到C_T，

其中，dx、dy、dz分别为x、y、z轴的磁力计基线距离；

S15：计算目标的单位位置矢量

S16：计算目标的距离r：

r＝ΔS_X{[(C_TX-/C_TX+)^0.25-1]^-1+0.5}

其中ΔS_X表示x轴的基线在位置矢量上的投影；

S17：获得位置矢量

3.根据权利要求1所述的目标定位及识别方法，其特征在于，步骤S2中，计算磁矩矢量的方法包括：最小二乘法、共轭梯度法、遗传算法或模拟退火法。

4.根据权利要求1所述的目标定位及识别方法，其特征在于，步骤S3中，系数Q₁和系数Q₂的计算具体为：

将计算得到的g和代入C_T得：

进一步求梯度得：

化简得：

定义单位矢量

其中，

5.根据权利要求1所述的目标定位及识别方法，其特征在于，步骤S4中的收敛条件为：前后两次迭代的结果小于设定值。

6.权利要求1-4任一所述定位方法在矢量传感器定位上的应用，其中所述矢量传感器为三轴磁传感器，包括：磁通门、巨磁阻传感器、各向异性磁阻传感器和/或隧道磁电阻磁传感器。

7.权利要求1-4任一所述定位方法在磁性异常体目标探测的应用，所述磁性异常体包括铁磁性目标源永磁铁和/或电磁铁。