CN110646852B - 基于mems弱磁传感器阵列的低功耗安检探测系统及方法 - Google Patents

基于mems弱磁传感器阵列的低功耗安检探测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了基于MEMS弱磁传感器阵列的低功耗安检探测系统及方法，系统包括多个MEMS弱磁传感器阵列、采集器、微控制器和上位机；每个MEMS弱磁传感器阵列内部由4个三轴磁传感器模块构成，4个三轴磁传感器模块成平面十字形结构排列，每个三轴磁传感器模块到十字中心点的距离均为d，d大于零，每个MEMS弱磁传感器阵列内部的平面十字形结构相同。

Description

基于MEMS弱磁传感器阵列的低功耗安检探测系统及方法
技术领域
本发明涉及微弱磁场测量技术领域，具体涉及基于MEMS弱磁传感器阵列的低功耗安检探测系统及方法。
背景技术
日常生活中，在机场、火车站和超市等公共区域，人们常接触到安检门，安检门为公共安全出行提供了一层保障。安检门分为很多种，如金属安检门、机场安检门、监狱安检门、娱乐场合安检门、便携式安检门、防雨性安检门等。日常出行遇到的金属安检门，又被称为金属探测门，是一种检测人员有无携带金属物品的探测装置，具有勘探精度高、抗干扰才能极强、计数精确、稳定性好等特色。
灵敏度和抗干扰能力是安检门的关键技术要求。国产安检门中有不少灵敏度较高的产品，但是由于没有良好的抗干扰能力，导致有高灵敏度的安检门存在误报情况，无法投入使用，因此目前所投入使用的安检门主要依靠进口。
国外所生产的安检门主要是基于电磁感应原理，即Electromagnetic induction(EMI)，系统一般由探测门、激励信号发射模块、涡流/电磁信号传感器、模拟信号处理模块、数字信号处理模块、以及分析判断报警模块组成。然而，由于电磁感应工作原理的限制，这种安检门普遍存在体积较大、重量较大、功耗较大等缺点。同时，也有其他类型的基于EMI的安检探测方法及系统，包括X射线、太赫兹压缩成像、毫米波成像等。但这些方法仍然存在上文所述缺陷，使得它们很少被投入使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对上述目前安检门普遍存在体积较大、重量较大、功耗较大的技术问题，提供基于MEMS弱磁传感器阵列的低功耗安检探测系统及方法解决上述技术缺陷。
基于MEMS弱磁传感器阵列的低功耗安检探测系统，包括多个MEMS弱磁传感器阵列、采集器、微控制器和上位机；每个MEMS弱磁传感器阵列内部由4个三轴磁传感器模块构成，4个三轴磁传感器模块成平面十字形结构排列，每个三轴磁传感器模块到十字中心点的距离均为d，d大于零，每个MEMS弱磁传感器阵列内部的平面十字形结构相同。
进一步的，每个MEMS弱磁传感器阵列均用于监测其周边环境的x，y，z轴的磁场强度变化。
进一步的，微控制器用于控制采集器采集每个MEMS弱磁传感器阵列周边环境的x，y，z轴的磁场强度变化信息，并根据三轴磁传感器自身存在的非正交误差，利用粒子群遗传混合算法对所采集的磁梯度张量数据进行误差校正，并采用最小二乘算法对数据进行平滑滤波处理；还用于将上述处理后的数据实时传输至上位机完成对多个MEMS传感器阵列的磁纹成像处理。
进一步的，采集器用于在微控制器的驱动下，对每个MEMS弱磁传感器阵列中的4个三轴磁传感器模块进行数据采集，并将数据实时传输至微控制器。
进一步的，上位机用于实时接收微控制器传输的数据以完成磁纹成像，并根据磁纹成像结果，完成对通过安检探测系统的磁异常目标检测。
基于MEMS弱磁传感器阵列的低功耗安检探测方法，通过基于MEMS弱磁传感器阵列的低功耗安检探测系统上实现，包括：
S1、微控制器驱动采集器，以对每个MEMS弱磁传感器阵列中的4个三轴磁传感器模块进行数据采集，从而得到每个MEMS弱磁传感器阵列的9个磁梯度张量信息：
Figure BDA0002184906590000021
其中，Aab中的a代表x，y，z轴的磁场强度值，b代表x，y，z轴的磁场强度值分别在x，y，z轴上的变化率，Bmn中的m代表传感器阵列中的传感器号码，n代表x，y，z轴的磁场强度值，d代表MEMS弱磁传感器阵列内部的4个三轴磁传感器模块到十字中心点的距离；
S2、微控制器根据MEMS弱磁传感器阵列自身存在的非正交误差，利用粒子群遗传混合算法对所采集的磁梯度张量信息进行误差校正，并采用最小二乘算法对误差校正后的磁梯度张量信息进行平滑滤波处理；
S3、微控制器将误差校正和平滑滤波处理后的磁梯度张量信息实时传输至上位机，并通过上位机软件完成对多个MEMS弱磁传感器阵列的磁纹成像处理，得到磁纹成像结果；
S4、上位机根据磁纹成像结果，完成对通过安检们的磁异常目标检测。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、采用MEMS三轴弱磁传感器模块，其功耗较低，可以避免基于EMI效应安检探测系统中所需要的大功率电流激发模块、复杂的模拟信号处理模块等，使得所述一种基于MEMS弱磁传感器阵列的低功耗安检探测系统具有体积小、重量轻、功耗低等优点。
2、利用磁梯度张量信息对磁异常目标进行检测，相比于常规磁矢量分量与总场强度，可以获得更多的磁异常信息；所述多传感器阵列模式，可以获得更高的磁纹成像分辨率，且抗干扰能力强，能够适应较复杂的测量环境。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明的基于MEMS弱磁传感器阵列的低功耗安检探测系统结构图；
图2为本发明的MEMS弱磁传感器阵列内部结构图；
图3为本发明的基于MEMS弱磁传感器阵列的低功耗安检探测方法流程图；
图4为本发明实施例成像效果图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
基于MEMS弱磁传感器阵列的低功耗安检探测系统，如图1所示，包括多个MEMS弱磁传感器阵列、采集器、微控制器和上位机；每个MEMS弱磁传感器阵列内部由4个三轴磁传感器模块构成，4个三轴磁传感器模块成平面十字形结构排列，每个三轴磁传感器模块到十字中心点的距离均为d，d大于零，平面十字形结构如图2所示，每个MEMS弱磁传感器阵列内部的平面十字形结构相同。
每个MEMS弱磁传感器阵列均用于监测其周边环境的x，y，z轴的磁场强度变化。考虑到安装与操作的便捷性及较易于进行传感器误差参数校准，每个MEMS弱磁传感器阵列内部的4个三轴磁传感器模块采用平面十字形结构以对磁梯度张量信息进行采集。相比常规磁矢量分量与总场强度，利用磁梯度张量进行磁异常探测，能提供目标体更丰富的姿态信息，具有更高空间分辨率，且抗干扰能力强，能够适应较复杂的测量环境。
微控制器用于控制采集器，采集MEMS弱磁传感器阵列周边环境的x，y，z轴的磁场强度变化，并根据三轴磁传感器自身存在的非正交误差，利用粒子群遗传混合算法对所采集的磁梯度张量数据进行误差校正，并采用最小二乘算法对数据进行平滑滤波处理；还用于将数据实时传输至上位机完成对MEMS传感器阵列的磁纹成像处理。
采集器用于在微控制器的驱动下，对MEMS弱磁传感器阵列中的各个三轴磁传感器模块进行数据采集，并将数据实时传输至微控制器。
上位机用于实时接收微控制器传输的数据以完成磁纹成像，并根据成像结果，完成对通过安检探测系统的磁异常目标检测，并实时报警。
基于MEMS弱磁传感器阵列的低功耗安检探测方法，如图3所示，通过基于MEMS弱磁传感器阵列的低功耗安检探测系统上实现，具体步骤包括：
S1、微控制器驱动采集器，以对每个MEMS弱磁传感器阵列中的4个三轴磁传感器模块进行数据采集，从而得到每个MEMS弱磁传感器阵列的9个磁梯度张量信息：
Figure BDA0002184906590000041
其中，Aab中的a代表x，y，z轴的磁场强度值，b代表x，y，z轴的磁场强度值分别在x，y，z轴上的变化率，Bmn中的m代表图2所示传感器阵列中的传感器号码，n代表x，y，z轴的磁场强度值，d代表MEMS弱磁传感器阵列内部的4个三轴磁传感器模块到十字中心点的距离；
S2、微控制器根据MEMS弱磁传感器阵列自身存在的非正交误差，利用粒子群遗传混合算法对所采集的磁梯度张量信息进行误差校正，并采用最小二乘算法对误差校正后的磁梯度张量信息进行平滑滤波处理；
S3、微控制器将误差校正和平滑滤波处理后的磁梯度张量信息实时传输至上位机，并通过上位机软件完成对多个MEMS弱磁传感器阵列的磁纹成像处理，得到磁纹成像结果；
S4、上位机根据磁纹成像结果，完成对通过安检们的磁异常目标检测。
如图4所示，依次为手机、菜刀、榔头和水果刀的9个磁梯度张量信息中的1个磁纹成像图，可以发现本发明所述基于MEMS弱磁传感器阵列的低功耗安检探测系统及方法可以有效检测具有磁感应特性的金属目标体，并能根据不同磁异常目标体的磁感应特性产生不同的磁纹图像，从而实现安检探测系统对金属危险目标体的实时监测。
本发明采用MEMS三轴弱磁传感器模块，其功耗较低，可以避免基于EMI效应安检探测系统中所需要的大功率电流激发模块、复杂的模拟信号处理模块等，使得所述一种基于MEMS弱磁传感器阵列的低功耗安检探测系统具有体积小、重量轻、功耗低等优点；并利用磁梯度张量信息对磁异常目标进行检测，相比于常规磁矢量分量与总场强度，可以获得更多的磁异常信息；所述多传感器阵列模式，可以获得更高的磁纹成像分辨率，且抗干扰能力强，能够适应较复杂的测量环境。
综上所述，本发明采用由粒子群遗传混合算法和最小二乘平滑滤波算法相结合的方式，实现了对磁异常目标体9个磁梯度张量信息的实时、有效且准确的数据采集，有效克服了现有基于EMI的安检探测方法存在的体积大、重量大、功耗大、复杂环境下抗干扰能力差等缺点，有效提高了安检探测系统的环境适应能力和对磁异常目标体的检测性能。同时，所述三轴磁传感器模块，可在后期根据不同的探测需求和环境，更换测量范围、精度、灵敏度更高的MEMS弱磁传感器模块，有效提高安检探测系统的性能。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.基于MEMS弱磁传感器阵列的低功耗安检探测系统，其特征在于，包括多个MEMS弱磁传感器阵列、采集器、微控制器和上位机；每个MEMS弱磁传感器阵列内部由4个三轴磁传感器模块构成，4个三轴磁传感器模块成平面十字形结构排列，每个三轴磁传感器模块到十字中心点的距离均为d，d大于零，每个MEMS弱磁传感器阵列内部的平面十字形结构相同；
所述微控制器用于控制采集器采集每个MEMS弱磁传感器阵列周边环境的x，y，z轴的磁场强度变化信息，并根据三轴磁传感器自身存在的非正交误差，利用粒子群遗传混合算法对所采集的磁梯度张量数据进行误差校正，并采用最小二乘算法对数据进行平滑滤波处理；还用于将上述处理后的数据实时传输至上位机完成对多个MEMS传感器阵列的磁纹成像处理。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS弱磁传感器阵列的低功耗安检探测系统，其特征在于，每个MEMS弱磁传感器阵列均用于监测其周边环境的x，y，z轴的磁场强度变化。
3.根据权利要求1所述的基于MEMS弱磁传感器阵列的低功耗安检探测系统，其特征在于，采集器用于在微控制器的驱动下，对每个MEMS弱磁传感器阵列中的4个三轴磁传感器模块进行数据采集，并将数据实时传输至微控制器。
4.根据权利要求1所述的基于MEMS弱磁传感器阵列的低功耗安检探测系统，其特征在于，上位机用于实时接收微控制器传输的数据以完成磁纹成像，并根据磁纹成像结果，完成对通过安检探测系统的磁异常目标检测。
5.基于MEMS弱磁传感器阵列的低功耗安检探测方法，基于如权利要求1-4任一项所述的基于MEMS弱磁传感器阵列的低功耗安检探测系统实现，其特征在于，包括：
S1、微控制器驱动采集器，以对每个MEMS弱磁传感器阵列中的4个三轴磁传感器模块进行数据采集，从而得到每个MEMS弱磁传感器阵列的9个磁梯度张量信息：
Figure FDA0003086161350000011
其中，Aab中的a代表x，y，z轴的磁场强度值，b代表x，y，z轴的磁场强度值分别在x，y，z轴上的变化率，Bmn中的m代表传感器阵列中的传感器号码，n代表x，y，z轴的磁场强度值，d代表MEMS弱磁传感器阵列内部的4个三轴磁传感器模块到十字中心点的距离；
S2、微控制器根据MEMS弱磁传感器阵列自身存在的非正交误差，利用粒子群遗传混合算法对所采集的磁梯度张量信息进行误差校正，并采用最小二乘算法对误差校正后的磁梯度张量信息进行平滑滤波处理；
S3、微控制器将误差校正和平滑滤波处理后的磁梯度张量信息实时传输至上位机，并通过上位机软件完成对多个MEMS弱磁传感器阵列的磁纹成像处理，得到磁纹成像结果；
S4、上位机根据磁纹成像结果，完成对通过安检门的磁异常目标检测。
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