CN108827284B - 一种对运动双磁性目标定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种对运动双磁性目标定位的方法，涉及磁性目标定位技术领域；通过标量磁传感器构成阵列，获得地磁场测量值；基于两个目标产生的磁偶极子场，再通过测得的磁异常值获得地磁场方向投影的值，设计了基于地磁总场对两个运动磁性目标进行定位的方法；通过二重梯度算法消除了测量数据中变化地磁场的影响，采用了优化算法中的粒子群算法来求解出方程组的数值解。基于此求解算法和实测数据，实现了对两个运动磁性目标的定位。

Description

一种对运动双磁性目标定位的方法

技术领域

本发明涉及磁性目标定位技术领域，具体涉及一种对运动双磁性目标定位的方法。

背景技术

地磁场是反映地球演变、地质构造演变等过程的重要物理量。地磁场研究成果在航海、航空、航天、能源、矿产、安全、考古等领域中有着重要的应用。磁偶极子模型在很多领域得到了应用，在众多应用中，对目标物的位置进行精确测量是一项首要任务，是进行后续工作的前提。一个带有磁性的目标产生的感应磁场会导致空间地磁场分布的变化，从而能够在地磁下产生磁异常。磁异常能够用来定位磁性目标。磁性目标一般被看作磁偶极子，常用磁力计进行磁性目标定位。测量目标磁偶极子磁矩矢量是实现目标磁探测及目标磁隐身(消磁)的前提，对磁探测和反磁探测都具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对运动双磁性目标定位的方法。

以标量磁传感器构成地磁总场测量阵列，利用远场磁偶极子模型，设计了基于地磁总场对两个磁性目标定位的方法。由于地磁场是随时间变化的，在空间分布上还存在异常点，通过设计地磁场二重梯度的算法，消除地磁场随时间变化的影响和空间异常场的影响。采用了优化算法中的粒子群算法来求解出方程组的数值解。基于此求解算法和实测数据，对两个磁性目标进行定位。

本发明提供了一种对运动双磁性目标定位的方法，定位准确，简单高效。

1.一种对运动双磁性目标定位的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：构建阵列，获得地磁场测量值；构建如图1所示的磁传感器阵列，阵列由十四个标量传感器构成标量传感器阵列，且传感器到阵列中心的距离都为D，称为阵列孔径；传感器i所在位置为(x_i,y_i,z_i)(i＝1，2，……14)，目标A和B所在位置为(x_A,y_A,z_A)，(x_B,y_B,z_B)，则传感器i的测量值为：

T_i＝T₀+ΔT_A(t,x_i,y_i,z_i)+ΔT_B(t,x_i,y_i,z_i) (1)

其中，ΔT_A(t,x_i,y_i,z_i)和ΔT_B(t,x_i,y_i,z_i)分别为t时刻目标A和目标B引起位于(x_i,y_i,z_i)的传感器i测量值增量，表示为：

T₀为无目标时地磁场值，μ₀是真空磁导率，P_mA是目标A的磁矩矢量，它的方向倾角和偏角分别为α_A,β_A，P_mB是目标B的磁矩矢量，它的方向倾角和偏角分别为α_B,β_B；当地已知的磁倾角和磁偏角为θ，

目标A和B的磁矩矢量可以表示为：

传感器i到目标A和B的位移矢量分别为:

r_Ai＝(x_A-x_i)i+(y_A-y_i)j+(z_A-z_i)k，r_Bi＝(x_B-x_i)i+(y_B-y_i)j+(z_B-z_i)k，i＝1～14；

步骤二：消除变化磁场的影响；在传感器阵列中，位于(x_i,y_i,z_i)的传感器i在t时刻测量值T_i(t,x_i,y_i,z_i)，由三项组成：

T_i(t,x_i,y_i,z_i)＝T₀(t₀,i)+ΔT(t-t₀)+ΔT_A(t,x_i,y_i,z_i)+ΔT_B(t,x_i,y_i,z_i)

同理，位于(x_j,y_j,z_j)的传感器j在t时刻测量值为T_j(t,x_j,y_j,z_j)；

其中，在t₀时刻传感器i的测量值为:T_i(t₀,x_i,y_i,z_i)＝T₀(t₀,i)+ΔT_A(t₀,x_i,y_i,z_i)+ΔT_B(t₀,x_i,y_i,z_i)

同理，在t₀时刻传感器j的测量值为T_j(t₀,x_j,y_j,z_j)；

令

ΔT_i-j|_测量＝T_i(t,x_i,y_i,z_i)-T_j(t,x_j,y_j,z_j)-[T_i(t₀,x_i,y_i,z_i)-T_j(t₀,x_j,y_j,z_j)] (3)

其中ΔT_A(t₀,x_i,y_i,z_i)和ΔT_B(t₀,x_i,y_i,z_i)分别为t₀时刻目标A和目标B引起位于(x_i,y_i,z_i)的传感器i测量值增量；T_i(t,x_i,y_i,z_i)是传感器i在t时刻的测量值；

把式(1)代入式(2)可得到ΔT_i-j的理论值ΔT_i-j|_理论，ΔT_i-j的实验值ΔT_i-j|_测量可由(3)式中传感器i、j在t、t₀时刻的测量值得出；ΔT_i-j是阵列测量值在时间和空间上的二重梯度；

ΔT_i-j|_理论＝ΔT_i-j|_测量 (4)

式(4)的方程组中，消除了地磁场随时间的变化量和空间分布不均匀的影响；因此采用式(4)计算出目标A和B的位置(x_A,y_A,z_A)，(x_B,y_B,z_B)及磁矩P_mA，P_mB；其结果与地磁场随时间变化无关，也与地磁场空间分布无关；

步骤三：利用粒子群算法实现求解两个目标的位置；由于方程组(4)属于高阶非线性方程组，因此不能够通过一般方法得出其解析解；采用优化算法中的粒子群算法来求解出方程组的数值解，这样有利于对目标进行实时连续定位；构建双目标定位的粒子群算法的适应度函数为：

其中，维数N＝12；经过运算后可以到的A目标和B目标的计算值。

本发明的有益效果在于：

一种对运动双磁性目标定位的方法，以标量磁传感器构成阵列，基于两个目标产生的磁偶极子场，通过测得的磁异常值获得地磁场方向投影的值，设计了基于地磁总场对两个运动磁性目标进行定位的方法。通过二重梯度算法消除了测量数据中变化地磁场的影响，采用了优化算法中的粒子群算法来求解出方程组的数值解。基于此求解算法和实测数据，实现了对两个运动磁性目标的定位，具有定位准确，方法简单高效的特点。

附图说明

图1为定位阵列及目标运动方式实施示意图；

图2为两个运动目标位置定位的过程流程图；

图3为目标运动过程中第一个测量单元二重梯度值；

图4为目标运动过程中第二个测量单元二重梯度值；

图5为目标A的定位位置真实值与磁场计算值；

图6为目标A磁矩的真实值与磁场计算值；

图7为目标B的定位位置真实值与磁场计算值；

图8为目标B磁矩的真实值与磁场计算值。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1

本发明提供的是一种对运动双磁性目标定位的方法，其特征是：构建如图1所示的磁传感器阵列，该阵列由十四个标量磁传感器构成阵列，以七个标量磁传感器为一个测量单元，其可以实现对一个磁性目标的定位。图1中包含两个单元：单元一和单元二。在单元一中，以T₁位置为单元中心，T₁坐标为(x₁,y₁,z₁)，那么有T₂(x₁-D,y₁,z₁),T₃(x₁+D,y₁,z₁),T₄(x₁,y₁-D,z₁),T₅(x₁,y₁+D,z₁),T₆(x₁,y₁+D,z₁+D),T₇(x₁,y₁-D,z₁+D)。单元二和单元一结构相同，以T₈位置为单元中心，T₈坐标为(x₈,y₈,z₈)，其中x₈＝x₁+L，y₈＝y₁,z₈＝z₁。

所述提出两个测量单元位置摆放的最小间距准则。其特征是：相邻测量单元中心的间距必须满足L≥1.5m。

当定位多目标时，只需根据目标个数增添测量单元，将其中一个测量单元设为主测量单位，其他测量单元以主测量单位的中心点位置沿直线方式进行延拓。对N个磁性目标进行定位时，只需构建N个单元的阵列即可。

所述确定两个运动磁性目标的位置及磁矩信息的适应度函数，见公式(5)：

其特征是：采用优化算法中的粒子群算法建立两个磁性目标的适应度函数，通过公式(5)求解出方程组的数值解，得到两个磁性目标的位置以及磁矩的方向和大小，从而确定两个运动磁性目标的位置。

实施例2

利用仿真对所提方法的实用性进行验证。构建如图1所示的磁传感器阵列，阵列有14个总场磁传感器，孔径D＝0.5m，阵列x轴方向指向地理北极。地磁倾角为1.0rad，地磁偏角为0.1rad。

A目标初始位置坐标(-5，-10，0)，其沿着x轴正向匀速直线运动v_A＝1m/s，目标位置坐标(25，-10，0)。A目标的磁矩大小为900A·m²，磁矩倾角为1.1rad，磁矩偏角为0.18rad。

B目标初始位置坐标(-5，-15，0)，其沿着x轴正向匀速直线运动v_B＝1m/s，目标位置坐标(25，-25，0)。B目标的磁矩大小为1200A·m²，磁矩倾角为1.2rad，磁矩偏角为0.21rad。

在经过二重梯度算法处理的数据中加入均值为0，方差为0.05nT的高斯白噪声。

在仿真过程中，将两个目标的磁矩和位置信息代入公式(1)，模拟出多个传感器的各个测量值，将测量值代入建立的适应度函数中，如公式(5)所示，由公式(5)中利用粒子群算法建立的适应度函数就可以计算出目标A和B的位置和磁矩大小，对两个运动目标位置定位的过程流程图如图2所示。

公式(4)是由多个传感器的测量值经过二重梯度算法构成的方程组，可以得到两个目标运动过程中第一个测量单元二重梯度值，如图3所示。两个目标运动过程中第二个测量单元二重梯度值，如图4所示。其中图3中的(a)，(b)，(c)，(d)，(e)，(f)分别是两个目标从初始位置运动到终止位置过程中，以X轴方向的位置为横坐标，第一个测量单元中ΔT_2-1,ΔT_3-1,ΔT_4-1,ΔT_5-1,ΔT_6-1,ΔT_7-1的二重梯度值。图4中的(a)，(b)，(c)，(d)，(e)，(f)分别是两个目标从初始位置运动到终止位置过程中，以X轴方向的位置为横坐标，第二个测量单元中ΔT_9-8,ΔT_10-8,ΔT_11-8,ΔT_12-8,ΔT_13-8,ΔT_14-8的二重梯度值。

由粒子群算法构建的适应度函数，见公式(5)，经计算可以得到图5，图6，图7和图8。其中，图5中(a)，(b)，(c)是目标A的位置分别在X，Y，Z轴方向上的真实值与磁场计算值对比图。图6中(a)，(b)，(c)是目标A磁矩大小，磁倾角，磁偏角的真实值与磁场计算值对比图。图7中(a)，(b)，(c)是目标B的位置在X，Y，Z轴方向上的真实值与磁场计算值对比图。图8中(a)，(b)，(c)是目标B磁矩大小，磁倾角，磁偏角的真实值与磁场计算值对比图。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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 (1)

1.一种对运动双磁性目标定位的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：构建阵列，获得地磁场测量值；构建磁传感器阵列，阵列由十四个标量传感器构成标量传感器阵列，且传感器到阵列中心的距离都为D，称为阵列孔径；传感器i所在位置为(x_i,y_i,z_i),i＝1,2,……14，目标A和B所在位置为(x_A,y_A,z_A)，(x_B,y_B,z_B)，则传感器i的测量值为：

T_i＝T₀+ΔT_A(t,x_i,y_i,z_i)+ΔT_B(t,x_i,y_i,z_i) (1)

其中，ΔT_A(t,x_i,y_i,z_i)和ΔT_B(t,x_i,y_i,z_i)分别为t时刻目标A和目标B引起位于(x_i,y_i,z_i)的传感器i测量值增量，表示为：

T₀为无目标时地磁场值，μ₀是真空磁导率，P_mA是目标A的磁矩矢量，它的方向倾角和偏角分别为α_A,β_A，P_mB是目标B的磁矩矢量，它的方向倾角和偏角分别为α_B,β_B；当地已知的磁倾角和磁偏角为θ,

目标A和B的磁矩矢量表示为：

传感器i到目标A和B的位移矢量分别为:

r_Ai＝(x_A-x_i)i+(y_A-y_i)j+(z_A-z_i)k,r_Bi＝(x_B-x_i)i+(y_B-y_i)j+(z_B-z_i)k，i＝1～14；

步骤二：消除变化磁场的影响；在传感器阵列中，位于(x_i,y_i,z_i)的传感器i在t时刻测量值T_i(t,x_i,y_i,z_i)，由三项组成：

T_i(t,x_i,y_i,z_i)＝T₀(t₀,i)+ΔT(t-t₀)+ΔT_A(t,x_i,y_i,z_i)+ΔT_B(t,x_i,y_i,z_i)

同理，位于(x_j,y_j,z_j)的传感器j在t时刻测量值为T_j(t,x_j,y_j,z_j)；

其中，在t₀时刻传感器i的测量值为:T_i(t₀,x_i,y_i,z_i)＝T₀(t₀,i)+ΔT_A(t₀,x_i,y_i,z_i)+ΔT_B(t₀,x_i,y_i,z_i)同理，在t₀时刻传感器j的测量值为T_j(t₀,x_j,y_j,z_j)；

令

ΔT_i-j|_测量＝T_i(t,x_i,y_i,z_i)-T_j(t,x_j,y_j,z_j)-[T_i(t₀,x_i,y_i,z_i)-T_j(t₀,x_j,y_j,z_j)] (3)

其中ΔT_A(t₀,x_i,y_i,z_i)和ΔT_B(t₀,x_i,y_i,z_i)分别为t₀时刻目标A和目标B引起位于(x_i,y_i,z_i)的传感器i测量值增量；T_i(t,x_i,y_i,z_i)是传感器i在t时刻的测量值；

把式(1)代入式(2)得到ΔT_i-j的理论值ΔT_i-j|_理论，ΔT_i-j的实验值ΔT_i-j|_测量由(3)式中传感器i、j在t、t₀时刻的测量值得出；ΔT_i-j是阵列测量值在时间和空间上的二重梯度；

ΔT_i-j|_理论＝ΔT_i-j|_测量 (4)

式(4)的方程组中，消除了地磁场随时间的变化量和空间分布不均匀的影响；因此采用式(4)计算出目标A和B的位置(x_A,y_A,z_A),(x_B,y_B,z_B)及磁矩P_mA,P_mB；其结果与地磁场随时间变化无关，也与地磁场空间分布无关；

步骤三：利用粒子群算法实现求解两个目标的位置；由于方程组(4)属于高阶非线性方程组，因此不能够通过一般方法得出其解析解；采用优化算法中的粒子群算法来求解出方程组的数值解，这样有利于对目标进行实时连续定位；构建双目标定位的粒子群算法的适应度函数为：

其中，维数N＝12；经过运算后得到A目标和B目标的计算值。

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