CN108254796A - 一种标量磁力仪阵列基线的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种标量磁力仪阵列基线的优化方法，属于磁场探测领域，包含如下步骤：步骤(1)：用标量磁力仪构建磁力仪阵列，建立标量磁力仪的测量模型；步骤(2)：将标量磁力仪测量值进行泰勒级数展开；步骤(3)：建立总场梯度的测量模型，获得测得的总场梯度；步骤(4)：建立阵列信噪比SNR；步骤(5)：通过蒙特卡洛模拟确定磁力仪阵列x方向上的最优基线；步骤(6)：确定磁力仪阵列y方向上的最优基线和磁力仪阵列z方向上的最优基线。本发明采用标量磁力仪阵列，其测量结果不受空间位置和标量磁力仪阵列排布的影响，能够准确地获得标量磁力仪阵列的最优基线，从而为后续的使用提供高精度的保证。

Description

一种标量磁力仪阵列基线的优化方法

技术领域

本发明属于磁场探测领域，尤其涉及一种标量磁力仪阵列基线的优化方法。

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。

磁性目标在地磁场下产生的磁异常可用于定位磁目标。近年来，各种磁定位技术已在许多领域得到应用，如未爆炸的军火检测、磁性目标跟踪、人体医学调查。在这些定位技术中，磁性目标被看作是磁偶极子，共包含有六个参数，三个描述位置，三个描述磁矩。为了计算这些参数，至少应该构造六个非线性函数。因此，磁力仪阵列被广泛用于定位磁性目标。

通过基于磁梯度的磁偶极子定位方法来进行定位时，要求对磁异常场进行测量。由于定位精度对磁异常场的噪声具有很高的灵敏度，所以需要消除地磁场噪声的影响。因此，需要通过多个矢量磁力仪组成磁梯度张量阵列来定位磁目标。

磁力仪采集磁场数据的精确度和准确度将直接影响勘探或探测的效果,它主要用于测量地球的一个重要的基本参数即地磁场,是物探方法中的磁力勘探的基础设备,在航天、军事探测与监测潜艇、地震预报、地质填图、矿产资源勘探、空间物理研究、考古、环境监测、生物磁学等众多领域广泛应用。我国是历史上最早研究地球磁场的国家。但是到了近代,磁力仪的技术大大落后于西方国家。新中国成立后,我国的磁力仪技术开始了艰难的起步。先后研制了悬丝式磁力仪、磁通门磁力仪、磁探仪、质子磁力仪、工磁力仪、光泵磁力仪。改革开放后,我国引进了加拿大的一型质子磁力仪和美国的一型质子磁力仪。我国的地面磁法勘探水平在短时间内达到了国际先进水平。进入21世纪以来,国家对地质事业投资力度加大,社会对质子磁力仪的需求猛增。但是,我国的磁力仪在工艺水平上、仪器功能上与国外先进的磁力仪有很大差距,在稳定性与可靠性上也落后于国外先进的磁力仪。磁力仪的技术创新远远不够。

在应用矢量磁力仪进行测量过程中，磁力仪的安装很复杂，安装时姿态方位一定要严格校正。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，以及矢量磁力仪自身分辨率一般不高，测量距离不能太远。

与矢量磁力仪相比，标量磁力仪的测量值几乎不受其在测量坐标轴上的方位的影响。因此，在构造阵列时，不受传感器的方向和排列的影响。在使用该阵列进行磁异常检测时，确定该阵列的最优基线对于获取高精度的测量结果非常重要。

发明内容

本发明的目的在于公开精度高，的一种标量磁力仪阵列基线的优化方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种标量磁力仪阵列基线的优化方法,包含如下步骤：

步骤(1)：用标量磁力仪构建磁力仪阵列，建立标量磁力仪的测量模型，获得标量磁力仪测量值：

进一步地，磁力仪阵列，包括第一标量磁力仪(1)，第二标量磁力仪(2)，第三标量磁力仪(3)，第四标量磁力仪(4)，第五标量磁力仪(5)，第六标量磁力仪(6)；第一标量磁力仪(1)和第二标量磁力仪(2)位于x轴，第三标量磁力仪(3)和第四标量磁力仪(4)位于y轴，第五标量磁力仪(5)和第六标量磁力仪(6)位于z轴；

进一步地，标量磁力仪的测量模型：

上式中，B_m是标量磁力仪测量值，B_e是地磁场。e_n是磁力仪的噪声；f(p)是磁性目标产生的磁场；p表示目标的参数向量(x,y,z,m_x,m_y,m_z)；u＝[cosIcosD,cosIsinD,sinI]，表示环境场的单位向量；B_a是磁性目标产生的矢量磁场：

上式中，μ₀＝4π×10^-7H/m，表示自由空间磁导率；M是磁矩的大小，m是磁矩的单位方向矢量，R＝(x,y,z)＝(x_m-x₀,y_m-y₀,z_m-z₀)；(x_m,y_m,z_m)表示标量磁力仪的位置，(x₀,y₀,z₀)表示磁性目标的位置。

步骤(2)：将标量磁力仪测量值进行泰勒级数展开，获得第一标量磁力仪磁场测量值和第二标量磁力仪磁场测量值的差：

将标量磁力仪测量值B_m在x处进行泰勒级数展开：

上式中，Δx_m是x的变化量；

第一标量磁力仪磁场测量值B_1m和第二标量磁力仪磁场测量值B_2m的差为：

上式中，b_x是x方向上的基线，是x方向上的理论梯度值；

步骤(3)：建立总场梯度的测量模型，获得测得的总场梯度：

建立总场梯度的测量模型为：

上式中，是总场梯度的噪声；e_1n是第一标量磁力仪的噪声，第一标量磁力仪的噪声e_1n的均值是0，第一标量磁力仪的噪声e_1n的方差是σ₁；e_2n是第二标量磁力仪的噪声，第二标量磁力仪的噪声e_2n的均值是0，第二标量磁力仪的噪声e_2n的方差是σ₂；

由总场梯度的测量模型得到测得的总场梯度：

步骤(4)：利用测得的总场梯度，建立阵列信噪比SNR：

阵列信噪比SNR：

步骤(5)：通过蒙特卡洛模拟确定磁力仪阵列x方向上的最优基线：

步骤(5.1)：在检测范围内，使x,y,z,m_x,m_y,m_z生成均匀分布的随机数，使磁性目标到达每个位置的概率相等；

步骤(5.2)：将随机数代入SNR：

统计所有随机数中使得SNR>T的比例，T为阈值；

步骤(5.3)：绘制x方向上的基线b_x长度变化时SNR>T的比例曲线，在比例曲线最大值处对应的x方向上的基线b_x即磁力仪阵列x方向上的最优基线b_xmax。

步骤(6)：同样的方法，确定磁力仪阵列y方向上的最优基线和磁力仪阵列z方向上的最优基线。

本发明的有益效果为：

本发明采用标量磁力仪阵列，其测量结果不受空间位置和标量磁力仪阵列排布的影响，能够准确地获得标量磁力仪阵列的最优基线，从而为后续的使用提供高精度的保证。且本方法实用性强，易于操作。

附图说明

图1是磁目标定位阵列示意图；

图2是不同基线下SNR>15的比例。

具体实施方式

下面结合附图来进一步描述本发明：

一种标量磁力仪阵列基线的优化方法,包含如下步骤：

步骤(1)：用标量磁力仪构建磁力仪阵列，建立标量磁力仪的测量模型，获得标量磁力仪测量值：

进一步地，如图1，磁力仪阵列，包括第一标量磁力仪(1)，第二标量磁力仪(2)，第三标量磁力仪(3)，第四标量磁力仪(4)，第五标量磁力仪(5)，第六标量磁力仪(6)；第一标量磁力仪(1)和第二标量磁力仪(2)位于x轴，第三标量磁力仪(3)和第四标量磁力仪(4)位于y轴，第五标量磁力仪(5)和第六标量磁力仪(6)位于z轴；

进一步地，标量磁力仪的测量模型：

上式中，B_m是标量磁力仪测量值，B_e是地磁场。e_n是磁力仪的噪声；f(p)是磁性目标产生的磁场；p表示目标的参数向量(x,y,z,m_x,m_y,m_z)；u＝[cos I cosD,cos I sin D,sinI]，表示环境场的单位向量；

当目标和磁力仪之间的距离超过目标最大尺寸的3倍时，磁性目标产生的矢量磁场B_a可以描述为：

上式中，μ₀＝4π×10^-7H/m，表示自由空间磁导率；M是磁矩的大小，m是磁矩的单位方向矢量，R＝(x,y,z)＝(x_m-x₀,y_m-y₀,z_m-z₀)；(x_m,y_m,z_m)表示标量磁力仪的位置，(x₀,y₀,z₀)表示磁性目标的位置。

步骤(2)：将标量磁力仪测量值进行泰勒级数展开，获得第一标量磁力仪磁场测量值和第二标量磁力仪磁场测量值的差：

将标量磁力仪测量值B_m在x处进行泰勒级数展开：

上式中，Δx_m是x的变化量；

一般地，地磁场的广泛特征在局部地区是一致的。我们假定地磁场使阵列中的每一个磁力仪的测量值的变化相同，如图1所示，因此第一标量磁力仪磁场测量值B_1m和第二标量磁力仪磁场测量值B_2m的差为：

上式中，Δx_1m表示第一标量磁力仪的x变化量，Δx_2m表示第二标量磁力仪的x变化量；

设x方向上的基线为b_x，则忽略高阶项，则第一标量磁力仪磁场测量值B_1m和第二标量磁力仪磁场测量值B_2m的差为：

上式中，是x方向上的理论梯度值；

步骤(3)：建立总场梯度的测量模型，获得测得的总场梯度：

建立总场梯度的测量模型为：

上式中，是总场梯度的噪声；e_1n是第一标量磁力仪的噪声，第一标量磁力仪的噪声e_1n的均值是0，第一标量磁力仪的噪声e_1n的方差是σ₁；e_2n是第二标量磁力仪的噪声，第二标量磁力仪的噪声e_2n的均值是0，第二标量磁力仪的噪声e_2n的方差是σ₂；因此有如下统计分布：

由总场梯度的测量模型得到测得的总场梯度：

步骤(4)：利用测得的总场梯度，建立阵列信噪比SNR：

阵列信噪比SNR：

步骤(5)：通过蒙特卡洛模拟确定磁力仪阵列x方向上的最优基线：

步骤(5.1)：在检测范围内，使x,y,z,m_x,m_y,m_z生成均匀分布的随机数，使磁性目标到达每个位置的概率相等；

步骤(5.2)：将随机数代入SNR：

统计所有随机数中使得SNR>T的比例，T为阈值；

步骤(5.3)：绘制x方向上的基线b_x长度变化时SNR>T的比例曲线，在比例曲线最大值处对应的x方向上的基线b_x即磁力仪阵列x方向上的最优基线b_xmax。

步骤(6)：同样的方法，确定磁力仪阵列y方向上的最优基线和磁力仪阵列z方向上的最优基线。

下面给出仿真结果，设定定位目标磁矩范围为200A·m2到600A·m2，阵列的最大探测范围为15m。在设定范围内，使用MATLAB生成包含位置参数和磁矩参数(x,y,z,m_x,m_y,m_z)并满足均匀分布的随机数。根据系统的定位要求确定SNR的阈值T为15dB。绘制不同基线下SNR>15的比例。结果如图2所示。分析图2可知，在x方向上，当基线长度为1.8m时，SNR>15的比例最大。在y方向上，当基线长度为1.8m时，SNR>15的比例最大。在z方向上，当基线长度为1.8m时，SNR>15的比例最大。综上所述，磁力仪阵列x方向上的最优基线b_xmax＝1.8m，磁力仪阵列y方向上的最优基线b_ymax＝1.8m，磁力仪阵列z方向上的最优基线b_zmax＝1.8m。

本发明采用标量磁力仪阵列，其测量结果不受空间位置和标量磁力仪阵列排布的影响，能够准确地获得标量磁力仪阵列的最优基线，从而为后续的使用提供高精度的保证。且本方法实用性强，易于操作。

以上所述并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种标量磁力仪阵列基线的优化方法,其特征在于：包含如下步骤：

步骤(1)：用标量磁力仪构建磁力仪阵列，建立标量磁力仪的测量模型，获得标量磁力仪测量值；

步骤(2)：将标量磁力仪测量值进行泰勒级数展开，获得第一标量磁力仪磁场测量值和第二标量磁力仪磁场测量值的差；

步骤(3)：建立总场梯度的测量模型，获得测得的总场梯度；

步骤(4)：利用测得的总场梯度，建立阵列信噪比SNR；

步骤(5)：通过蒙特卡洛模拟确定磁力仪阵列x方向上的最优基线；

步骤(6)：同样的方法，确定磁力仪阵列y方向上的最优基线和磁力仪阵列z方向上的最优基线。

2.根据权利要求1所述的一种标量磁力仪阵列基线的优化方法，其特征在于：

所述的步骤(1)中的磁力仪阵列，包括第一标量磁力仪(1)，第二标量磁力仪(2)，第三标量磁力仪(3)，第四标量磁力仪(4)，第五标量磁力仪(5)，第六标量磁力仪(6)；第一标量磁力仪(1)和第二标量磁力仪(2)位于x轴，第三标量磁力仪(3)和第四标量磁力仪(4)位于y轴，第五标量磁力仪(5)和第六标量磁力仪(6)位于z轴；

所述的标量磁力仪的测量模型：

上式中，B_m是标量磁力仪测量值，B_e是地磁场；e_n是磁力仪的噪声；f(p)是磁性目标产生的磁场；p表示目标的参数向量(x,y,z,m_x,m_y,m_z)；u＝[cosIcosD,cosIsinD,sinI]，表示环境场的单位向量；B_a是磁性目标产生的矢量磁场。

3.根据权利要求2所述的一种标量磁力仪阵列基线的优化方法，其特征在于：所述的磁性目标产生的矢量磁场：

上式中，μ₀＝4π×10^-7H/m，表示自由空间磁导率；M是磁矩的大小，m是磁矩的单位方向矢量，R＝(x,y,z)＝(x_m-x₀,y_m-y₀,z_m-z₀)；(x_m,y_m,z_m)表示标量磁力仪的位置，(x₀,y₀,z₀)表示磁性目标的位置。

4.根据权利要求1所述的一种标量磁力仪阵列基线的优化方法，其特征在于：所述的步骤(2)具体为：

将标量磁力仪测量值B_m在x处进行泰勒级数展开：

上式中，Δx_m是x的变化量；

第一标量磁力仪磁场测量值B_1m和第二标量磁力仪磁场测量值B_2m的差为：

上式中，b_x是x方向上的基线，是x方向上的理论梯度值；

5.根据权利要求1所述的一种标量磁力仪阵列基线的优化方法，其特征在于：所述的步骤(3)具体为：

建立总场梯度的测量模型为：

上式中，是总场梯度的噪声；e_1n是第一标量磁力仪的噪声，第一标量磁力仪的噪声e_1n的均值是0，第一标量磁力仪的噪声e_1n的方差是σ₁；e_2n是第二标量磁力仪的噪声，第二标量磁力仪的噪声e_2n的均值是0，第二标量磁力仪的噪声e_2n的方差是σ₂；

由总场梯度的测量模型得到测得的总场梯度：

6.根据权利要求1所述的一种标量磁力仪阵列基线的优化方法，其特征在于：所述的步骤(4)中的阵列信噪比SNR：

7.根据权利要求1所述的一种标量磁力仪阵列基线的优化方法，其特征在于：所述的步骤(5)具体为：

步骤(5.1)：在检测范围内，使x,y,z,m_x,m_y,m_z生成均匀分布的随机数，使磁性目标到达每个位置的概率相等；

步骤(5.2)：将随机数代入SNR：

统计所有随机数中使得SNR>T的比例，T为阈值；

步骤(5.3)：绘制x方向上的基线b_x长度变化时SNR>T的比例曲线，在比例曲线最大值处对应的x方向上的基线b_x即磁力仪阵列x方向上的最优基线b_xmax。