CN109459711B - 一种水下高精度磁场测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下高精度磁场测量系统，包括若干水下磁场测量单元与岸上主机，所述水下磁场测量单元包括：用于测量所述水下磁场测量单元所在位置实时磁场的磁传感器、用于测量水下磁场测量单元实时姿态变化的姿态传感器、用于测量水下磁场测量单元内部实时温度的温度传感器、用于测量水下磁场测量单元所在位置实时深度的深度传感器、用于接收所有传感器信息的数据采集模块、以及密封腔体与配重底板；所述岸上主机具有磁场解算模块，用于对所述数据采集模块传输的数据进行解算处理后输出磁场数据。本发明对水下海域或船舶、水下航行器等目标的磁场特征进行工程测量的效率高，准确性高，且使用简便。

Description

一种水下高精度磁场测量系统

技术领域

本发明涉及水下磁场测量领域，具体是一种水下高精度磁场测量系统。

背景技术

目前针对水下海域或船舶、水下航行器进行磁场测量时，存在诸多问题。现有测量方案多采用两种形式，其一是建立大型测试站，各磁传感器固定安装，覆盖整个被测区域，该方案测量精度高，但建设难度高，耗资巨大；另一种方案是在水下临时布置磁传感器阵列，然而磁传感器在水中易受水中波浪扰动，其姿态实时变化，导致磁场难以准确测量。而考虑集成姿态传感器时，由于磁传感器自身各轴不正交、各轴灵敏度不一致、各轴存在零偏以及磁传感器与姿态传感器集成安装误差等因素又会使得磁场测量解算的误差进一步扩大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水下高精度磁场测量系统，该系统能够准确地测量水下目标海域或船舶、水下航行器等物体的水下磁场特征。该系统采用岸上主机与水下磁场测量单元分离的组成形式，水下磁场测量单元集成度高、便携性好，能够适应被测目标的形状与大小进行灵活布置，同时能够克服水下波浪扰动，降低磁传感器自身三轴不正交度、三轴灵敏度系数不一致、三轴零点漂移以及磁传感器与姿态传感器间集成安装误差等因素所导致的测量误差。

具体而言本发明的技术方案是提供一种水下磁场测量系统，包括若干水下磁场测量单元与岸上主机，所述水下磁场测量单元包括：用于测量所述水下磁场测量单元所在位置实时磁场的磁传感器、用于测量水下磁场测量单元实时姿态变化的姿态传感器、用于测量水下磁场测量单元内部实时温度的温度传感器、用于测量水下磁场测量单元所在位置实时深度的深度传感器、用于接收所有传感器信息的数据采集模块、以及密封腔体与配重底板；所述岸上主机具有磁场解算模块，用于对所述数据采集模块传输的数据进行解算处理后输出磁场数据；所述数据采集模块包含电源板、信号采集板、控制板；所述电源板将岸上供电模块进行电压变换后给整个水下磁场测磁单元内部各部件供电；信号采集板用于采集磁传感器、姿态传感器、温度传感器、深度传感器测量的实时数据，同时将各传感器输出的模拟信号，经过放大、滤波、采样变化等处理转换成数字信号；控制板用于水下磁场测磁单元内部各部件的驱动与逻辑运算，同时用于与岸上主机间的通讯与数据交换。

进一步地，所述磁传感器为三分量磁通门传感器，用于测量水下磁场测量单元所在位置处的磁场三分量值，其外形尺寸为规则长方体，固定安装于测量单元底部，且相对远离测量单元其余带电部件。

进一步地，所述姿态传感器为双轴倾角传感器，用于测量测磁单元整体的双轴倾斜姿态，通过纵倾角与横滚角来表征此时测磁单元在水中的倾斜姿态。

进一步地，所述深度传感器为水深压力传感器，用于测量水下磁场测磁单元所在位置水深，其设置在所述水下磁场测磁单元内部独立设置空间中便于其与海水充分接触。

进一步地，所述解算处理包括以下步骤：

步骤1、根据测量需求，被测目标离场、处于某初始状态或运行某初始工况，根据被测目标的形状大小，布放单个或多个水下磁场测量单元形成测量线阵；

步骤2、各水下磁场测量单元开始实时采集测量，获取n组包含深度、温度、姿态、磁场的初始数据；

步骤3、岸上主机根据获取的n组初始数据进行校正模型参数计算与初始磁场的解算：

步骤3.1、建立磁传感器自校正模型，具体包含磁传感器的三轴不正交度、三轴灵敏度系数、三轴零点漂移的校正模型：

B_mag为自校正后的磁场三分量值，B_test为磁传感器实际测量值，T为三轴不正交修正矩阵，其中α、β、γ为待求解的磁传感器三轴不正交度，K为三轴灵敏度系数修正矩阵，其中K_x、K_y、K_z为待求解的磁传感器三轴灵敏度系数，B₀为三轴零点漂移修正向量，其中B_x0、B_y0、B_z0为待求解的磁传感器三轴零点漂移；

步骤3.2、建立姿态传感器与磁传感器三轴偏离角度误差校正模型，即姿态传感器与磁传感器X、Y、Z三轴统一坐标系间的校正模型：

B_ges为姿态传感器与磁传感器安装误差校正后，即归算到理想水下磁场测量单元正交坐标系下的磁场三分量值，T_x、T_y、T_z分别为姿态传感器与磁传感器X、Y、Z三轴偏离修正矩阵，其中θ、ω、τ为待求解的姿态传感器与磁传感器三轴偏离角度；

步骤3.3、建立磁场姿态变换模型，根据校正后的磁场三分量值B_ges与姿态信息，计算提取得到垂向磁场分量：

B_Z,geo为解算提取后的垂向磁场分量，

σ为姿态传感器测量的双轴倾角；

步骤3.4、利用遗传算法、粒子群算法等优化方法，定义优化目标函数为：

求解得到各校正模型的相关校正参数α、β、γ、K_x、K_y、K_z、B_x0、B_y0、B_z0、θ、ω、τ与各水下磁场测量单元校正后的初始磁场垂向分量B_Z0；

步骤4、被测目标进场、处于另一状态或运行于另一工况，各水下磁场测量单元继续进行测量，利用步骤3中已计算得到的校正模型，直接提取计算得到目标磁场B_Z1，扣除初始磁场后，可获得测量前后的磁场变化：ΔB＝B_Z1-B_Z0，结合各水下磁场测量单元布置的位置与深度，便能得到被测目标的磁场特征。

进一步地，所述密封腔体用于为测磁单元内部各部件提供安装接口及水密工作环境，其整体结构采用无磁材料制造。密封腔体内部传感器安装架保证磁传感器与姿态传感器安装面的平行与对齐，同时保证磁传感器与其余部件的相对距离，以降低其余部件工作时对磁传感器测量的干扰；密封腔体外部具备悬挂缆绳的接口，便于测磁单元下放入水。

进一步地，所述配重底板用于增加测磁单元的重量，提高抗扰流能力，保证测磁单元布放后的姿态，配重底板应配置在测磁单元底部，且采用无磁材料制造。

本发明的有益效果在于：

1)本发明解决了水下海域或船舶、水下航行器等被测目标磁场特征工程测量的问题，同时该装置使用方便灵活，适应性强；

2)同时解决了水下磁场测量时，水下波浪对磁传感器姿态扰动导致磁场测量不准的问题；

3)同时降低了磁传感器自身三轴不正交度、三轴灵敏度系数不一致、三轴零点漂移以及磁传感器与姿态传感器集成安装误差等因素所导致的测量误差。

附图说明

图1是本发明水下磁场测量系统的原理组成图；

图2是采用本发明的磁场测量误差降低的效果对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步地说明。

如图1所示，本发明提出的一种水下高精度磁场测量系统，包括若干水下磁场测量单元(1)与岸上主机(2)，所述水下磁场测量单元包括：用于测量所述水下磁场测量单元所在位置实时磁场的磁传感器(3)、用于测量水下磁场测量单元实时姿态变化的姿态传感器(4)、用于测量水下磁场测量单元内部实时温度的温度传感器(5)、用于测量水下磁场测量单元所在位置实时深度的深度传感器(6)、用于接收所有传感器信息的数据采集模块(7)、以及密封腔体(8)与配重底板(9)；所述岸上主机具有磁场解算模块(11)，用于对所述数据采集模块传输的数据进行解算处理后输出磁场数据。

进一步地，所述磁传感器(3)为三分量磁通门传感器，用于测量测磁单元所在位置处的磁场三分量值，其外形尺寸为规则长方体，固定安装于测量单元底部，且相对远离测量单元其余带电部件，同时根据所选用的三分量磁通门传感器的技术手册，确定其不正交度、标度误差、零点漂移的范围；

进一步地，所述姿态传感器(4)为双轴倾角传感器，用于测量测磁单元整体的双轴倾斜姿态，通过纵倾角与横滚角来表征此时测磁单元在水中的倾斜姿态；

进一步地，所述温度传感器(5)用于测量测磁单元内部的实时温度，以补偿各传感器正常工作时的温度漂移，温度传感器集成于深度传感器内部、磁通门传感器内部，温度补偿在各传感器内部直接进行；

进一步地，所述深度传感器(6)为水深压力传感器，用于测量测磁单元所在位置水深，考虑其工作原理，应在测磁单元内部独立设置空间便于其与海水充分接触。

进一步地，所述数据采集模块(7)包含电源板、信号采集板、控制板等。电源板将岸上供电进行电压变换后给整个测磁单元内部各部件供电；信号采集板用于采集磁传感器、温度传感器、深度传感器、姿态传感器测量的实时数据，同时将各传感器输出的模拟信号，经过一定的放大、滤波、采样变化等处理转换成数字信号；控制板用于测磁单元内部各部件的驱动与逻辑运算，同时用于与岸上主机间的通讯与数据交换；

进一步地，所述密封腔体(8)用于为测磁单元内部各部件提供安装接口及水密工作环境，其整体结构采用无磁材料制造。密封腔体内部传感器安装架保证磁传感器与姿态传感器安装面的平行与对齐，同时保证磁传感器与其余部件的相对距离，以降低其余部件工作时对磁传感器测量的干扰；密封腔体外部具备悬挂缆绳的接口，便于测磁单元下放入水。

进一步地，所述配重底板(9)用于增加测磁单元的重量，提高抗扰流能力，保证测磁单元布放后的姿态，配重底板应配置在测磁单元底部，且采用无磁材料制造。

更进一步地，所述数据采集模块的解算处理具体包括以下步骤：

步骤1、根据测量需求，被测目标离场、处于某初始状态或运行某初始工况，根据被测目标的形状大小，布放单个或多个水下磁场测量单元形成测量线阵；

步骤2、各水下磁场测量单元开始实时采集测量，获取n组包含深度、温度、姿态、磁场的初始数据；

步骤3、岸上主机根据获取的n组初始数据进行校正模型参数计算与初始磁场的解算：

步骤3.1、建立磁传感器自校正模型，具体包含磁传感器的三轴不正交度、三轴灵敏度系数、三轴零点漂移的校正模型：

B_mag为自校正后的磁场三分量值，B_test为磁传感器实际测量值，T为三轴不正交修正矩阵，其中α、β、γ为待求解的磁传感器三轴不正交度，K为三轴灵敏度系数修正矩阵，其中K_x、K_y、K_z为待求解的磁传感器三轴灵敏度系数，B₀为三轴零点漂移修正向量，其中B_x0、B_y0、B_z0为待求解的磁传感器三轴零点漂移；

三轴不正交修正矩阵、三轴灵敏度系数修正矩阵都为常规的数学矩阵。

步骤3.2、建立姿态传感器与磁传感器三轴偏离角度误差校正模型，即姿态传感器与磁传感器X、Y、Z三轴统一坐标系间的校正模型：

B_ges为姿态传感器与磁传感器安装误差校正后，即归算到理想水下磁场测量单元正交坐标系下的磁场三分量值，T_x、T_y、T_z分别为姿态传感器与磁传感器X、Y、Z三轴偏离修正矩阵，其中θ、ω、τ为待求解的姿态传感器与磁传感器三轴偏离角度，确定密封腔体内传感器支架的制造所导致的三轴偏离角度范围；

步骤3.3、建立磁场姿态变换模型，根据校正后的磁场三分量值B_ges与姿态信息，计算提取得到垂向磁场分量：

B_Z,geo为解算提取后的垂向磁场分量，

σ为姿态传感器测量的双轴倾角；

步骤3.4、利用遗传算法进行优化求解，定义优化目标函数为：

根据校正模型中各参数α、β、γ、K_x、K_y、K_z、B_x0、B_y0、B_z0、θ、ω、τ的范围，定义相应解空间。

求解得到各校正模型的相关校正参数α、β、γ、K_x、K_y、K_z、B_x0、B_y0、B_z0、θ、ω、τ与各水下磁场测量单元校正后的初始磁场垂向分量B_Z0；

步骤4、被测目标进场、处于另一状态或运行于另一工况，各水下磁场测量单元继续进行测量，利用步骤3中已计算得到的校正模型，直接提取计算得到目标磁场B_Z1，扣除初始磁场后，可获得测量前后的磁场变化：ΔB＝B_Z1-B_Z0，结合各水下磁场测量单元布置的位置与深度，便能得到被测目标的磁场特征。

如图2所示，对于单个水下磁场测量单元连续采样多次，经过磁场解算后，其磁场测量误差相比解算前降低了75％，表明本发明具有较高精度的磁场测量效果。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据实施例和附图公开内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变换或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种水下磁场测量系统，其特征在于，包括若干水下磁场测量单元与岸上主机，所述水下磁场测量单元包括：用于测量所述水下磁场测量单元所在位置实时磁场的磁传感器、用于测量水下磁场测量单元实时姿态变化的姿态传感器、用于测量水下磁场测量单元内部实时温度的温度传感器、用于测量水下磁场测量单元所在位置实时深度的深度传感器、用于接收所有传感器信息的数据采集模块、以及密封腔体与配重底板；所述岸上主机具有磁场解算模块，用于对所述数据采集模块传输的数据进行解算处理后输出磁场数据；所述数据采集模块包含电源板、信号采集板和控制板；所述电源板将岸上供电模块进行电压变换后给整个水下磁场测量单元内部各部件供电；信号采集板用于采集磁传感器、姿态传感器、温度传感器和深度传感器测量的实时数据，同时将各传感器输出的模拟信号，经过放大、滤波和采样变化处理转换成数字信号；控制板用于水下磁场测量单元内部各部件的驱动与逻辑运算，同时用于与岸上主机间的通讯与数据交换；水下磁场测量单元的数量根据被测目标的形状大小确定，通过布放多个水下磁场测量单元形成测量线阵；所述岸上主机用于获取所述测量线阵获得的初始数据，并在被测目标进场获取目标磁场；扣除初始磁场后，可获得测量前后的磁场变化：结合所述若干个水下磁场测量单元布置的位置与深度，便能得到被测目标的磁场特征；所述解算处理包括以下步骤：

步骤1、根据测量需求，被测目标离场、处于某初始状态或运行某初始工况，根据被测目标的形状大小，布放多个水下磁场测量单元形成测量线阵；

步骤2、各水下磁场测量单元开始实时采集测量，获取n组包含深度、温度、姿态和磁场的初始数据；

步骤3、岸上主机根据获取的n组初始数据进行校正模型参数计算与初始磁场的解算：

步骤3.1、建立磁传感器自校正模型，具体包含磁传感器的三轴不正交度、三轴灵敏度系数和三轴零点漂移的校正模型：

B_mag为自校正后的磁场三分量值，B_test为磁传感器实际测量值，T为三轴不正交修正矩阵，其中α、β、γ为待求解的磁传感器三轴不正交度，K为三轴灵敏度系数修正矩阵，其中K_x、K_y、K_z为待求解的磁传感器三轴灵敏度系数，B₀为三轴零点漂移修正向量，其中B_x0、B_y0、B_z0为待求解的磁传感器三轴零点漂移；

步骤3.2、建立姿态传感器与磁传感器三轴偏离角度误差校正模型，即姿态传感器与磁传感器X、Y、Z三轴统一坐标系间的校正模型：

B_ges为姿态传感器与磁传感器安装误差校正后，即归算到理想水下磁场测量单元正交坐标系下的磁场三分量值，T_x、T_y、T_z分别为姿态传感器与磁传感器X、Y、Z三轴偏离修正矩阵，其中θ、ω、τ为待求解的姿态传感器与磁传感器三轴偏离角度；

步骤3.3、建立磁场姿态变换模型，根据校正后的磁场三分量值B_ges与姿态信息，计算提取得到垂向磁场分量：

B_Z,geo为解算提取后的垂向磁场分量，

σ为姿态传感器测量的双轴倾角；

步骤3.4、利用遗传算法或粒子群算法，定义优化目标函数为：

求解得到各校正模型的相关校正参数α、β、γ、K_x、K_y、K_z、B_x0、B_y0、B_z0、θ、ω、τ与各水下磁场测量单元校正后的初始磁场垂向分量B_Z0；

步骤4、被测目标进场、处于另一状态或运行于另一工况，各水下磁场测量单元继续进行测量，利用步骤3中已计算得到的校正模型，直接提取计算得到目标磁场B_Z1，扣除初始磁场后，可获得测量前后的磁场变化：ΔB＝B_Z1-B_Z0，结合各水下磁场测量单元布置的位置与深度，便能得到被测目标的磁场特征。

2.根据权利要求1所述的水下磁场测量系统，其特征在于，所述磁传感器为三分量磁通门传感器，用于测量水下磁场测量单元所在位置处的磁场三分量值，其外形尺寸为规则长方体，固定安装于测量单元底部，且相对远离测量单元其余带电部件。

3.根据权利要求1或2所述的水下磁场测量系统，其特征在于，所述姿态传感器为双轴倾角传感器，用于测量水下磁场测量单元整体的双轴倾斜姿态，通过纵倾角与横滚角来表征此时水下磁场测量单元在水中的倾斜姿态。

4.根据权利要求1所述的水下磁场测量系统，其特征在于，所述深度传感器为水深压力传感器，用于测量水下磁场测量单元所在位置水深，其设置在所述水下磁场测量单元内部独立设置空间中便于其与海水充分接触。

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