CN110308490A - 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 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种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，该装置包括磁传感器阵列、旋转机构、旋转角度采集模块、GPS模块、信号采集模块、数据处理模块以及电源。根据磁传感器阵列采集的磁异常目标的磁场信息、旋转机构的旋转角度以及磁传感器阵列的实时地理位置，确定被测目标的地理坐标。本发明通过圆周运动的方式进行动态测量，获取更加全面的磁异常信息，定位结果更加准确。

Description

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
技术领域
本发明属于磁异常目标探测技术领域，具体为一种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。
背景技术
地磁场是地球的一个天然物理场，一般随时间、空间发生有规律的缓慢变化，铁磁性目标在地磁场环境下被磁化，磁化场与地磁场相互叠加，导致在目标附近区域内的磁场分布发生变化，即磁异常现象。埋藏在地下的铁磁性金属矿藏，城市地下的油气输送管道，战争时期或军事演习遗留的未爆弹，水下军事装备如潜艇、水雷等物体均含有铁磁性部件，从而导致周围地磁场的异常。磁异常目标探测系统通过检测和采集一定区域内的地磁场异常信息，实现该区域内铁磁性目标的探测与定位，在工程、军事等领域具有广阔的应用前景。
传统的磁异常探测方法要求搭载磁梯度计的运动平台沿直线运动，运动平台的设计、控制、软件算法较为复杂。为实现对磁异常目标进行有效的探测与定位，美国巴拿马海军水面作战中心的研究人员提出了一种用于实时定位目标的算法——STAR(ScalarTriangular and Ranging)算法(Wiegert R,Lee K,Oeschger J.Improved magnetic STARmethods for real-time,point-by-point localization ofunexploded ordnance andburied mines[C].OCEANS 2008.IEEE,2008:1-7.)，该算法定义了磁梯度张量矩阵范数CT用于估计目标的位置矢量和磁矩矢量，理论上来说，STAR算法可以实现磁异常目标的单点定位，可不依赖于运动平台实现目标定位，然而利用此算法对磁异常目标进行单点定位，获取到的磁异常信号特征较少，无法有效地识别被测目标的特征如形状、大小等信息，此外由于算法本身存在误差，定位的结果往往存在一定的误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种车载式旋转运动磁异常目标探测装置，解决使用STAR算法进行单点定位存在的磁异常信号特征信息匮乏、定位精度不高，以及传统磁探方法对平台直线运动的依赖性等问题。
实现本发明目的的技术方案为：一种车载式旋转运动磁异常目标探测装置，包括磁传感器阵列、旋转机构、旋转角度采集模块、GPS模块、信号采集模块、数据处理模块以及电源，所述磁传感器阵列设置在旋转机构上绕旋转机构中心做圆周运动；所述旋转角度采集模块用于采集旋转机构的旋转角度；所述GPS模块用于获取磁传感器阵列实时地理位置；所述信号采集模块用于采集磁传感器阵列以及光电传感器的输出信号，经过A/D转换将传感器输出的模拟信号转换为数字信号；所述数据处理模块用于对磁传感器阵列以及光电传感器的数据进行滤波放大，并根据滤波放大后的数据确定不同转角下磁异常目标的磁梯度张量，所述数据处理模块同时用于根据磁梯度张量计算磁异常目标与探测装置的相对位置，并根据实时地理位置确定被测目标的地理坐标。
优选地，所述磁传感器阵列包括磁传感器立方体框架以及设置在磁传感器立方体框架8个顶点上的8个三轴矢量磁传感器。
优选地，所述磁传感器立方体框架为无磁材料。
优选地，所述信号采集模块设置在磁传感器阵列内部。
优选地，所述旋转机构设置在手推车上。
优选地，所述旋转机构的底部装有调节螺钉。
优选地，所述磁传感器阵列设置在旋转机构的一端，所述电源设置在旋转机构与磁传感器阵列相对的一端，磁传感器阵列与电源使得旋转机构保持平衡。
优选地，所述旋转角度采集模块包括等间距设置在旋转机构上边缘的的黑白条码，以及正对黑白条码设置的光电传感器，所述光电传感器通过测量经过的黑白条码数目得到旋转机构的旋转角度。
本发明还提供了一种基于矢量磁传感器阵列的旋转运动磁异常目标探测方法，具体步骤为：
将磁传感器阵列置于水平旋转机构，并固定磁传感器阵列与旋转中心之间的距离；
调节旋转机构底部的调节螺钉，使得旋转机构的旋转中心与水平面垂直；
旋转机构绕其中心做圆周运动，磁传感器阵列感知周围环境中的磁异常场，信号采集模块采集磁传感器信号，通过A/D转换后传输至数据处理模块；
信号采集模块同步采集旋转机构的旋转角度信息、磁传感器阵列实时地理位置信息并传输至数据处理模块；
数据处理模块根据磁传感器信号以及旋转机构的旋转角度，确定不同转角下磁异常目标的磁梯度张量；
根据磁梯度张量计算出磁异常目标的位置矢量与磁矩矢量
根据磁异常目标的位置矢量以及磁传感器阵列实时地理位置，确定被测磁异常目标的地理坐标。
本发明与现有技术相比为，其显著优点为：
(1)本发明通过圆周运动的方式进行动态测量，获取更加全面的磁异常信息，定位结果更加准确；
(2)本发明具有精度高，运算简便等优点，并且能够满足实时探测与定位的要求；
(3)本发明采用车载的方式，提高了便携性，有利于目标探测装置的运输和转移。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图说明
图1为实施例1中的磁传感器阵列结构示意图。
图2为实施例1的装置示意图。
图3为本发明的方法流程图。
图4为实施例1仿真得到的XY平面定位结果示意图。
图5为实施例1仿真得到的磁异常信号曲线示意图。
图6为实施例2中的方法示意图。
具体实施方式
一种基于矢量磁传感器阵列的旋转运动磁异常目标探测装置，包括磁传感器阵列、旋转机构、旋转角度采集模块、GPS模块、信号采集模块、数据处理模块以及电源，所述磁传感器阵列设置在旋转机构上绕旋转机构中心做圆周运动；所述旋转角度采集模块用于采集旋转机构的旋转角度；所述GPS模块用于获取磁传感器阵列实时地理位置；所述信号采集模块用于采集磁传感器阵列以及光电传感器的输出信号，经过A/D转换将传感器输出的模拟信号转换为数字信号；所述数据处理模块用于对磁传感器阵列以及光电传感器的数据进行滤波放大，并根据滤波放大后的数据确定不同转角下磁异常目标的磁梯度张量，所述数据处理模块同时用于根据磁梯度张量计算磁异常目标与探测装置的相对位置，并根据实时地理位置确定被测目标的地理坐标。圆周运动方式下磁传感器阵列获取了丰富磁场信息，因此根据磁异常信号曲线上的特征点，如极大值、极小值、拐点、零点等坐标点和坐标之间的距离，可以大致估计出被测目标在地下的走向以及形状大小等参量；磁异常信号的峰值点对应的位置表明，该时刻磁传感器阵列与被测目标之间的距离最小；利用极大值点和零点对应的坐标值，可以估计出球类目标的埋深。
进一步的实施例中，所述磁传感器阵列包括磁传感器立方体框架以及设置在磁传感器立方体框架8个顶点上的8个三轴磁传感器。
进一步的实施例中，所述磁传感器立方体框架为无磁材料。在某些实施例中，为避免磁传感器立方体框架对磁传感器的输出带来影响，磁传感器立方体框架采用铝合金或者碳纤维等无磁材料。
进一步的实施例中，所述信号采集模块设置在磁传感器阵列内部，缩短了传感器信号的传输距离，以减小信号传输过程中带来的噪声干扰，提高信噪比。
进一步的实施例中，所述旋转机构设置在手推车上，便于磁异常目标探测系统的运输和转移。磁传感器阵列在某一测量点处完成探测工作后，根据定位结果将探测装置沿着指向目标的方向移动一段距离，以进行下一步的目标探测与定位工作。
进一步的实施例中，所述旋转机构的底部装有调节螺钉。旋转机构可以绕其旋转中心在水平面内做圆周运动。为了保证旋转机构运动在水平面内，通过调节底部的螺钉可以使旋转机构的旋转轴心与水平面垂直。
进一步的实施例中，所述磁传感器阵列设置在旋转机构的一端，所述电源设置在旋转机构与磁传感器阵列相对的一端，磁传感器阵列与电源使得旋转机构保持平衡。将磁传感器阵列安装在旋转机构的一端，磁传感器阵列与旋转中心之间的距离可调整。为避免磁传感器阵列置于旋转机构的一端而产生倾覆力矩，将探测系统的电源安装在旋转机构的另一端，以平衡倾覆力矩。
进一步的实施例中，所述旋转角度采集模块包括等间距设置在旋转机构上边缘的的黑白条码，以及正对黑白条码设置的光电传感器，所述光电传感器通过测量经过的黑白条码数目得到旋转机构的旋转角度。
如图3所示，一种基于矢量磁传感器阵列的旋转运动磁异常目标探测方法，具体步骤为：
将磁传感器阵列置于水平旋转机构，并固定磁传感器阵列与旋转中心之间的距离；
调节旋转机构底部的调节螺钉，使得旋转机构的旋转中心与水平面垂直；
旋转机构绕其中心做圆周运动，磁传感器阵列感知周围环境中的磁异常场，信号采集模块采集磁传感器信号，通过A/D转换后传输至数据处理模块；
信号采集模块同步采集旋转机构的旋转角度和磁传感器阵列实时地理位置传输至数据处理模块；
数据处理模块根据磁传感器信号以及旋转机构的旋转角度，确定不同转角下磁异常目标的磁梯度张量；
根据磁梯度张量计算出磁异常目标的位置矢量与磁矩矢量
根据磁异常目标的位置矢量以及磁传感器阵列实时地理位置，确定被测磁异常目标的地理坐标。
进一步的实施例中，磁异常目标的位置矢量的计算方法为：
铁磁性目标在空间产生的磁感应强度可以表示为：
其中为磁异常目标产生的磁感应强度，为目标的磁矩矢量，为磁异常目标与测量基点之间的位置矢量，μ为环境介质磁导率，空气环境中取μ≈4π×10-7T·m/A。磁异常目标的磁梯度张量分量可以表示为：
其中，i＝x、y、z，j＝x、y、z，根据磁梯度张量的值，计算磁传感器阵列每个面心上的磁梯度张量矩阵范数CT,I，计算公式为：
cT,I＝[Σ(Gij)2]1/2
其中，I表示磁传感器阵列每个面心所对应的方向(±X、±Y、±Z)；
根据每个面心上的磁梯度张量矩阵的范数计算得到空间梯度计算公式为：
式中，分别为x、y、z方向的单位矢量，d为相邻磁传感器之间的距离，CT,+X、CT,-X、CT,+Y、CT,-Y、CT,+Z、CT,-Z分别为6个面心上的磁梯度张量矩阵范数；
计算得到被测目标的单位矢量
根据每个面心的磁梯度张量矩阵范数CT,I，选取相对方向上的一组值，以Z轴正方向为例，计算得到磁异常目标与测量基点之间的距离r
则位置矢量为：
实施例1
如图1所示，磁传感器阵列由8个三轴磁通门传感器1以及磁传感器立方体框架2构成；磁传感器1位于磁传感器立方体框架2的8个顶点处，相邻磁传感器1之间的距离均为0.3m；8个磁传感器1在安装之前进行校准，因此其输出性能可以看作基本一致；磁传感器立方体框架2采用铝合金或碳纤维等无磁材料加工而成。
如图2所示，将磁传感器立方体框架2固定在旋转机构上的长杆31上，使得磁传感器阵列能够随着旋转机构3的转动而做圆周运动；为保证磁传感器阵列能够运动在水平面内，旋转机构3的底部安装有调节螺钉32，通过调节底部的四个螺钉32使得旋转机构3的旋转轴与水平面垂直。整个探测系统由蓄电池4进行供能，考虑到磁传感器阵列对旋转机构3产生的倾覆力矩，将蓄电池4安装在旋转机构3长杆31另一端，以平衡倾覆力矩；磁传感器立方体框架2的底部装有信号采集模块5，信号采集模块5能够同时采集24个通道的磁传感器信号，并将磁传感器输出的模拟信号转换为数字信号；在旋转机构3的底部边缘与光电传感器8等高处涂有等间距的黑白条码，光电传感器8通过感应旋转机构运动时经过的黑白条码数量，得到旋转机构在工作时转过的角度；GPS位置模块7与磁传感器阵列固连，以获取磁传感器阵列的实时地理坐标。数据处理模块6用于对磁传感器数据进行滤波放大处理，并将光电传感器8的输出信号与磁传感器1的输出信号同步，以得到探测装置在不同转角下对应的磁传感器输出，数据处理模块6同时用于根据磁梯度张量数据反演被测目标的位置矢量与磁矩矢量进一步确定被测磁异常目标的地理坐标。
确定被测磁异常目标的地理坐标具体方法为：
磁异常目标产生的磁梯度张量分量可以表示为：
其中，i＝x、y、z，j＝x、y、z，为磁异常目标产生的磁感应强度，为目标的磁矩矢量，为磁异常目标与测量基点之间的位置矢量，μ为环境介质磁导率，空气环境中取μ≈4π×10-7T·m/A。
根据磁梯度张量的各个分量，计算磁梯度张量矩阵的范数CT，I
CT，I＝[∑(Gij)2]1/2 (2)
其中，I表示磁传感器阵列每个面心所对应的方向(±X、±Y、±Z)；
根据6个CT，I的值，计算得到磁梯度张量矩阵范数的空间梯度
式中，分别为x、y、z方向的单位矢量，d为相邻磁传感器之间的距离，在本实施例中d＝0.3m；
由于指向被测磁异常目标，因此可以计算得到被测目标的单位矢量：
根据各个面心的CT值，选取相对方向上的一组值，以Z方向为例，计算得到磁异常目标与测量基点之间的距离r
则位置矢量可以表示为
根据式(1)计算出被测目标的磁矩矢量利用计算出的目标位置矢量和GPS位置模块7的数据，两者相加即可确定被测目标的地理坐标。
图4中“计算值”表示计算出的被测目标与测量基点之间的距离值，“真实值”表示仿真时设定的磁传感器阵列运动轨迹真实值。被测目标位于坐标原点，图中曲线与坐标原点之间的距离即为被测目标与测量基点之间的距离，而两条曲线中不重合的部分即为定位算法自身的误差，从图4中可以看出，两条曲线基本重合，说明采用圆周运动的方式可以有效地进行磁异常目标定位。
图5为仿真计算的磁传感器三轴磁异常信号曲线。曲线上的一些特征点，如峰值点、拐点、极大值和极小值点等，表征了磁传感器阵列与被测目标的磁矩矢量之间的特殊位置关系。磁异常信号的峰值点对应的位置表明，该时刻磁传感器阵列与被测目标之间的距离最小；利用极大值点和零点对应的坐标值，可以求解出球类目标的埋深。利用磁异常信号曲线上的这些特征点，结合光电传感器8测得的磁传感器阵列转动角度，可以有效地估算出被测目标的走向、形状大小等参量，进而提高目标的定位精度。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上通过多个位置探测以提高定位精度。如图6所示，测量基线1与测量基线2相互垂直，测量点A、B分别位于两条测量基线上。旋转机构搭载磁传感器阵列，在测量点A进行磁异常目标探测，按照实施例1获取磁传感器三轴的磁异常信号，利用目标定位算法计算出目标位置矢量以及目标磁矩用手推车9将目标探测装置转移到测量点B，并重复在测量点A处进行的磁异常目标探测工作。结合各个方位上的磁异常信号曲线的特征，从多个测量点的数据估计出目标的尺寸、大小等参数；根据磁异常信号的水平分量、垂直分量上极值点的位置，判断出目标的磁矩方向，进而修正目标的定位结果，以提高定位精度。
相较于实施例一，实施例二所提供的方法在多个位置进行目标探测，避免了测量的片面性；结合多个位置的计算结果和磁异常信号特征，有利于提高定位结果的可靠性，减小算法本身带来的误差。

Claims (10)

1.一种基于矢量磁传感器阵列的旋转运动磁异常目标探测装置，其特征在于，包括磁传感器阵列、旋转机构、旋转角度采集模块、GPS模块、信号采集模块、数据处理模块以及电源，所述磁传感器阵列设置在旋转机构上绕旋转机构中心做圆周运动；所述旋转角度采集模块用于采集旋转机构的旋转角度；所述GPS模块用于获取磁传感器阵列实时地理位置；所述信号采集模块用于采集磁传感器阵列以及光电传感器的输出信号，经过A/D转换将传感器输出的模拟信号转换为数字信号；所述数据处理模块用于对磁传感器阵列以及光电传感器的数据进行滤波放大，并根据滤波放大后的数据确定不同转角下磁异常目标的磁梯度张量，所述数据处理模块同时用于根据磁梯度张量计算磁异常目标与探测装置的相对位置，并根据实时地理位置确定被测目标的地理坐标。
2.根据权利要求1所述的基于矢量磁传感器阵列的旋转运动磁异常目标探测装置，其特征在于，所述磁传感器阵列包括磁传感器立方体框架以及设置在磁传感器立方体框架8个顶点上的8个三轴磁传感器。
3.根据权利要求2所述的基于矢量磁传感器阵列的旋转运动磁异常目标探测装置，其特征在于，所述磁传感器立方体框架为无磁材料。
4.根据权利要求2所述的基于矢量磁传感器阵列的旋转运动磁异常目标探测装置，其特征在于，所述信号采集模块设置在磁传感器阵列内部。
5.根据权利要求1～4任一所述的基于矢量磁传感器阵列的旋转运动磁异常目标探测装置，其特征在于，所述旋转机构设置在手推车上。
6.根据权利要求5所述的基于矢量磁传感器阵列的旋转运动磁异常目标探测装置，其特征在于，所述旋转机构的底部装有调节螺钉。
7.根据权利要求1所述的基于矢量磁传感器阵列的旋转运动磁异常目标探测装置，其特征在于，所述磁传感器阵列设置在旋转机构的一端，所述电源设置在旋转机构与磁传感器阵列相对的一端，磁传感器阵列与电源使得旋转机构保持平衡。
8.根据权利要求1所述的基于矢量磁传感器阵列的旋转运动磁异常目标探测装置，其特征在于，所述旋转角度采集模块包括等间距设置在旋转机构上边缘的的黑白条码，以及正对黑白条码设置的光电传感器，所述光电传感器通过测量经过的黑白条码数目得到旋转机构的旋转角度。
9.基于权利要求1～8任一所述的探测装置的探测方法，其特征在于，具体步骤为：
将磁传感器阵列置于水平旋转机构，并固定磁传感器阵列与旋转中心之间的距离；
调节旋转机构底部的调节螺钉，使得旋转机构的旋转中心与水平面垂直；
旋转机构绕其中心做圆周运动，磁传感器阵列感知周围环境中的磁异常场，信号采集模块采集磁传感器信号，通过A/D转换后传输至数据处理模块；
信号采集模块同步采集旋转机构的旋转角度信息、磁传感器阵列实时地理位置信息并传输至数据处理模块；
数据处理模块根据磁传感器信号以及旋转机构的旋转角度，确定不同转角下磁异常目标的磁梯度张量；
根据磁梯度张量计算出磁异常目标的位置矢量与磁矩矢量
根据磁异常目标的位置矢量以及磁传感器阵列实时地理位置，确定被测磁异常目标的地理坐标。
10.根据权利要求1所述的基于矢量磁传感器阵列的旋转运动磁异常目标探测方法，其特征在于，磁异常目标的位置矢量的计算方法为：
根据磁异常信号数值计算磁传感器阵列每个面心上的磁梯度张量矩阵G的范数CT,I，计算公式为：
CT,I＝[∑(Gij)2]1/2
其中，I表示磁传感器阵列每个面心所对应的方向(±X、±Y、±Z)，Gij为磁异常目标的磁梯度张量的分量，i＝x、y、z，j＝x、y、z；
根据6个CT,I的值，计算得到磁梯度张量矩阵范数的空间梯度计算公式为：
其中，分别为x、y、z方向的单位矢量，d为相邻磁传感器间的距离；
计算得到被测目标的单位矢量
根据每个面心的磁梯度张量矩阵范数CT,I，选取相对方向上的一组值，以Z方向为例，计算得到磁异常目标与测量基点之间的距离r
则位置矢量为：
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