CN111077480A - 一种水下磁场测量姿态噪声去除方法及装置 - Google Patents

一种水下磁场测量姿态噪声去除方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种水下磁场测量姿态噪声去除方法及装置，对测量传感器输出的测量信号进行滤波，去除运动噪声；根据测量传感器相对于惯性坐标系的实时横摆角α，俯仰角β，偏航角γ构建旋转矩阵；将去除运动噪声后的测量信号利用旋转矩阵进行坐标转换，实现测量信号的姿态校正。能够有效实现水下磁场传感器姿态噪声去除。

Description

一种水下磁场测量姿态噪声去除方法及装置
技术领域
本发明涉及一种水下磁场测量姿态噪声去除方法及装置。
背景技术
由于地磁场的磁化效应，沉船、暗礁等水下异常体会在其周围产生异常磁场，该异常磁场可以在水下传播很远的距离，是水下异常体的主要信号源。利用水下磁场传感器进行异常磁场测量，可以对水下异常体进行有效探测。磁场传感器的种类很多，如感应线圈传感器、磁通门传感器、霍尔效应传感器等，其中感应线圈磁场传感器是一种经典的磁场传感器。感应线圈磁场传感器最主要的部件是感应线圈，当外部磁场发生变化时，感应线圈内的磁通量会发生改变。根据法拉第电磁感应原理，磁通量的变化会使感应线圈产生感应电动势，通过对感应电动势进行分析，即可实现对变化磁场的测量。
当使用感应线圈磁场传感器(磁棒等)进行水下磁场测量时，由于海流、拖曳船航速改变等原因，使得磁场传感器在测量过程中会产生横摆、俯仰、偏航等姿态变化，导致测量结果产生偏差，应进行相应的校正和补偿。姿态变化对测量数据的影响包括两部分：首先，姿态变化使得磁场传感器相对于初始坐标系产生旋转，其测量结果变为真实磁场值在旋转后的坐标系内的投影，这称为姿态变化的几何效应；其次，由于地磁场的存在，姿态变化会使得磁场传感器内部的接收线圈切割地磁场磁力线，导致接收线圈内的地磁场磁通量变化，产生感应电动势，这称为姿态变化的运动噪声。几何效应和运动噪声可统称为姿态噪声。姿态噪声对于磁场探测没有意义，应予以去除。
现有技术中，去除姿态噪声方法主要应用于航空电磁法勘探领域。航空电磁法勘探一般采用主动源方式进行数据采集，测量发射电流关断后的感应磁场。而异常体探测的水下磁场测量属于被动源方式，因此航空电磁法勘探领域的姿态噪声去除方法并不适用于水下磁场测量领域。而且，航空电磁法勘探领域主要采用的高通滤波方法也无法对运动噪声进行完全去除，不能满足完全去除水下磁场测量噪声的要求。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种水下磁场测量姿态噪声去除方法及装置，能够有效实现水下磁场传感器运动噪声去除和几何效应校正。
基于同一发明构思，本发明具有两个独立的技术方案：
1、一种水下磁场测量姿态噪声去除方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：对测量传感器输出的测量信号进行滤波，去除运动噪声；
步骤2：根据测量传感器相对于惯性坐标系的实时横摆角α，俯仰角β，偏航角γ构建旋转矩阵；
步骤3：将去除运动噪声后的测量信号利用旋转矩阵进行坐标转换，实现测量信号的姿态校正。
进一步地，步骤1中，利用高通滤波器对测量传感器输出的测量信号进行滤波。
进一步地，步骤1中，利用高通滤波器对测量传感器输出的测量信号进行滤波后，利用经验模态分解方法对残余运动噪声进行压制。
进一步地，步骤2中，利用与测量传感器连接的九轴姿态测量装置，获得测量传感器的实时横摆角α，俯仰角β，偏航角γ。
进一步地，步骤2中，单一角度下的姿态旋转矩阵为，
Figure BDA0002338440390000031
Figure BDA0002338440390000032
Figure BDA0002338440390000033
其中Dα,Dβ,Dγ分别为单一姿态角度α，β，γ下的旋转矩阵。
进一步地，步骤3中，将去除运动噪声后的测量信号利用旋转矩阵进行坐标转换，通过如下公式实现，
B(t)＝DγDβDαY(t)
Dα,Dβ,Dγ分别为单一姿态角度α，β，γ下的旋转矩阵，Y(t)是去除运动噪声后的测量数据，B(t)是校正后的测量数据。
进一步地，利用经验模态分解方法对残余运动噪声进行压制，包括如下步骤：
步骤1.1：识别数据X(t)中所有的极大值点和极小值点；X(t)为利用高通滤波器对测量传感器输出的测量信号进行滤波后的数据；
步骤1.2：分别对所有极大值点和极小值点进行三次样条插值，得到X(t)的上、下包络线；
步骤1.3：将上下包络线对应各点进行求和并取均值，得到m11，X(t)与m11做差得到h11，
X(t)-m11＝h11
步骤1.4：判断h11是否满足固有模态函数的两个条件：极值点个数与过零点个数相等或相差为1；在任一点上、下包络线的均值为0；
若h11不满足该条件，则将h11作为新的输入重复步骤1.3，直到第i次得到的h1i满足上述条件，将h1i作为第一个IMF，记为imf1；
步骤1.5：从X(t)中剔除imf1，得到第一个余项r1，
X(t)-imf1＝r1
步骤1.6：将余项r1作为新的输入，重复步骤1.3至步骤1.5，得到新的余项r2，以此类推，直到hy(i-1)与hyi的标准差SD满足设定的阈值ε，即，
Figure BDA0002338440390000041
通过阈值ε截断得到n阶的固有模态函数imf1，imf2，…，imfn和一个余项rn；
步骤1.7：根据所得到的经验模态函数和余项，对信号进行重构，
Figure BDA0002338440390000042
Y(t)即为压制残余运动噪声后的测量数据。
2、一种水下磁场测量姿态噪声去除装置，其特征在于，包括：
测量传感器，用于测量水下磁场；
九轴姿态测量装置，与测量传感器刚性连接，用于获得测量传感器的实时横摆角α，俯仰角β，偏航角γ；
姿态噪声去除模块，用于实现上述方法，对测量传感器输出的测量信号进行姿态噪声去除。
本发明具有的有益效果：
本发明对测量传感器输出的测量信号进行滤波，去除运动噪声；根据测量传感器相对于惯性坐标系的实时横摆角α，俯仰角β，偏航角γ构建旋转矩阵；将去除运动噪声后的测量信号利用旋转矩阵进行坐标转换，实现测量信号的姿态校正。本发明通过滤波有效去除运动噪声，通过旋转矩阵坐标转化，对几何效应进行有效校正，即，有效实现水下磁场传感器运动噪声去除和几何效应校正。
本发明利用高通滤波器对测量传感器输出的测量信号进行滤波，对运动噪声进行初步去除；利用高通滤波器对测量传感器输出的测量信号进行滤波后，利用经验模态分解方法对残余运动噪声进行压制，进一步保证了对运动噪声的全面有效去除。
本发明利用与测量传感器刚性连接的九轴姿态测量装置，获得测量传感器的实时横摆角α，俯仰角β，偏航角γ。单一角度下的姿态旋转矩阵为，
Figure BDA0002338440390000051
Figure BDA0002338440390000052
Figure BDA0002338440390000053
其中Dα,Dβ,Dγ分别为单一姿态角度α，β，γ下的旋转矩阵。
将去除运动噪声后的测量信号利用旋转矩阵进行坐标转换，通过如下公式实现，
B(t)＝DγDβDαY(t)
Dα,Dβ,Dγ分别为单一姿态角度α，β，γ下的旋转矩阵，Y(t)是去除运动噪声后的测量数据，B(t)是校正后的测量数据。
本发明通过上述方法将去除运动噪声后的测量信号利用旋转矩阵进行坐标转换，有效保证测量信号的姿态校正可靠性。
附图说明
图1是本发明高通滤波器初步去除运动噪声示意图；
图2是本发明水下磁场测量姿态噪声去除方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
实施例一：
水下磁场测量姿态噪声去除方法
如图2所示，一种水下磁场测量姿态噪声去除方法，包括如下步骤：
步骤1：对测量传感器输出的测量信号进行滤波，去除运动噪声。
首先，利用高通滤波器对测量传感器输出的测量信号进行滤波。如图1所示，设原始数据为x(t)，由于运动噪声随着频率的增大迅速衰减，因此将原始数据x(t)通过一个高通滤波器，可以实现对大部分运动噪声的去除，得到初步去除运动噪声后的数据X(t)。由于运动噪声主要集中于500Hz以下的频段范围内，据此确定高通滤波器的截止频率为500Hz。
利用高通滤波器对测量传感器输出的测量信号进行滤波后，利用经验模态分解方法(EMD)对残余运动噪声进行压制。
对初步去除运动噪声后的数据X(t)进行经验模态分解可以得到若干个固有模态函数(IMF)，固有模态函数阶数越大，其对应的信号频率越低，余项则为频率最低的信号成分。
根据预先设定的阈值对IMF分解进行截断，利用截断后的所有IMF与余项可以实现对信号的重构，得到去除运动噪声后的数据。
利用经验模态分解方法对残余运动噪声进行压制，包括如下步骤：
步骤1.1：识别数据X(t)中所有的极大值点和极小值点；X(t)为利用高通滤波器对测量传感器输出的测量信号进行滤波后的数据；
步骤1.2：分别对所有极大值点和极小值点进行三次样条插值，得到X(t)的上、下包络线；
步骤1.3：将上下包络线对应各点进行求和并取均值，得到m11，X(t)与m11做差得到h11，
X(t)-m11＝h11
步骤1.4：判断h11是否满足固有模态函数的两个条件：极值点个数与过零点个数相等或相差为1；在任一点上、下包络线的均值为0；
若h11不满足该条件，则将h11作为新的输入重复步骤1.3，直到第i次得到的h1i满足上述条件，将h1i作为第一个IMF，记为imf1；
步骤1.5：从X(t)中剔除imf1，得到第一个余项r1，
X(t)-imf1＝r1
步骤1.6：将余项r1作为新的输入，重复步骤1.3至步骤1.5，得到新的余项r2，以此类推，直到hy(i-1)与hyi的标准差SD满足设定的阈值ε，即，
Figure BDA0002338440390000071
通过阈值ε截断得到n阶的固有模态函数imf1，imf2，…，imfn和一个余项rn；
步骤1.7：根据所得到的经验模态函数和余项，对信号进行重构，
Figure BDA0002338440390000081
Y(t)即为压制残余运动噪声后的测量数据。
步骤2：根据测量传感器相对于惯性坐标系的实时横摆角α，俯仰角β，偏航角γ构建旋转矩阵。
利用与测量传感器连接的九轴姿态测量装置，获得测量传感器的实时横摆角α，俯仰角β，偏航角γ。
单一角度下的姿态旋转矩阵为，
Figure BDA0002338440390000082
其中Dα,Dβ,Dγ分别为单一姿态角度α，β，γ下的旋转矩阵。
步骤3：将去除运动噪声后的测量信号利用旋转矩阵进行坐标转换，实现测量信号的姿态校正。
将去除运动噪声后的测量信号利用旋转矩阵进行坐标转换，通过如下公式实现，
B(t)＝DγDβDαY(t) (2)
Dα,Dβ,Dγ分别为单一姿态角度α，β，γ下的旋转矩阵，Y(t)是去除运动噪声后的测量数据，B(t)是校正后的测量数据。
将上述公式(1)、(2)联立可得公式(3)
Figure BDA0002338440390000091
根据公式(3)即可实现数据的姿态校正，得到最终的姿态噪声去除结果。
实施例二：
水下磁场测量姿态噪声去除装置
包括测量传感器，用于测量水下磁场。实施时，采用感应线圈磁场传感器(磁棒等)。
九轴姿态测量装置，与测量传感器刚性连接，用于获得测量传感器的实时横摆角α，俯仰角β，偏航角γ。实施时，九轴姿态测量装置由三轴陀螺仪、三轴磁力计、三轴加速度计组成。
姿态噪声去除模块，用于实现上述方法，对测量传感器输出的测量信号进行姿态噪声去除。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (8)

1.一种水下磁场测量姿态噪声去除方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：对测量传感器输出的测量信号进行滤波，去除运动噪声；
步骤2：根据测量传感器相对于惯性坐标系的实时横摆角α，俯仰角β，偏航角γ构建旋转矩阵；
步骤3：将去除运动噪声后的测量信号利用旋转矩阵进行坐标转换，实现测量信号的姿态校正。
2.根据权利要求1所述的水下磁场测量姿态噪声去除方法，其特征在于：步骤1中，利用高通滤波器对测量传感器输出的测量信号进行滤波。
3.根据权利要求1所述的水下磁场测量姿态噪声去除方法，其特征在于：步骤1中，利用高通滤波器对测量传感器输出的测量信号进行滤波后，利用经验模态分解方法对残余运动噪声进行压制。
4.根据权利要求1所述的水下磁场测量姿态噪声去除方法，其特征在于：步骤2中，利用与测量传感器刚性连接的九轴姿态测量装置，获得测量传感器的实时横摆角α，俯仰角β，偏航角γ。
5.根据权利要求4所述的水下磁场测量姿态噪声去除方法，其特征在于：步骤2中，单一角度下的姿态旋转矩阵为，
Figure FDA0002338440380000021
Figure FDA0002338440380000022
Figure FDA0002338440380000023
其中Dα,Dβ,Dγ分别为单一姿态角度α，β，γ下的旋转矩阵。
6.根据权利要求5所述的水下磁场测量姿态噪声去除方法，其特征在于：步骤3中，将去除运动噪声后的测量信号利用旋转矩阵进行坐标转换，通过如下公式实现，
B(t)＝DγDβDαY(t)
Dα,Dβ,Dγ分别为单一姿态角度α，β，γ下的旋转矩阵，Y(t)是去除运动噪声后的测量数据，B(t)是校正后的测量数据。
7.根据权利要求3所述的水下磁场测量姿态噪声去除方法，其特征在于，步骤1中，利用经验模态分解方法对残余运动噪声进行压制，包括如下步骤：
步骤1.1：识别数据X(t)中所有的极大值点和极小值点；X(t)为利用高通滤波器对测量传感器输出的测量信号进行滤波后的数据；
步骤1.2：分别对所有极大值点和极小值点进行三次样条插值，得到X(t)的上、下包络线；
步骤1.3：将上下包络线对应各点进行求和并取均值，得到m11，X(t)与m11做差得到h11，
X(t)-m11＝h11
步骤1.4：判断h11是否满足固有模态函数的两个条件：极值点个数与过零点个数相等或相差为1；在任一点上、下包络线的均值为0；
若h11不满足该条件，则将h11作为新的输入重复步骤1.3，直到第i次得到的h1i满足上述条件，将h1i作为第一个IMF，记为imf1；
步骤1.5：从X(t)中剔除imf1，得到第一个余项r1，
X(t)-imf1＝r1
步骤1.6：将余项r1作为新的输入，重复步骤1.3至步骤1.5，得到新的余项r2，以此类推，直到hy(i-1)与hyi的标准差SD满足设定的阈值ε，即，
Figure FDA0002338440380000031
通过阈值ε截断得到n阶的固有模态函数imf1，imf2，…，imfn和一个余项rn；
步骤1.7：根据所得到的经验模态函数和余项，对信号进行重构，
Figure FDA0002338440380000032
Y(t)即为压制残余运动噪声后的测量数据。
8.一种水下磁场测量姿态噪声去除装置，其特征在于，包括：
测量传感器，用于测量水下磁场；
九轴姿态测量装置，与测量传感器刚性连接，用于获得测量传感器的实时横摆角α，俯仰角β，偏航角γ；
姿态噪声去除模块，用于实现权利要求1至7任何一项所述的方法，对测量传感器输出的测量信号进行姿态噪声去除。
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