CN111239838B - 一种磁探测精度的检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种磁探测精度的检测方法，所述检测方法包括以下步骤：建立全方向磁探测模型，利用全方向定位误差分布图计算磁目标的方向对磁探测精度的影响规律，为实验检测中磁目标运动轨迹的选取提供依据；利用全方向精度分布曲线和全方向误差期望λ0，全面、准确地衡量磁探测方法的探测精度；通过全方向定位误差分布图找到有可能等效全方向磁探测模型的运动轨迹，利用总偏差率T选取能最准确地衡量磁探测精度的一条或多条运动轨迹；搭建实验平台，检测磁探测方法的探测精度。本发明能更加准确地检测磁探测方法的探测精度。

Description

一种磁探测精度的检测方法
技术领域
本发明涉及一种磁探测精度的检测方法，属于技术领域。
背景技术
磁探测可实时探测非配合的磁目标，是众多领域的研究热点。在医疗研究领域，磁探测可用于胶囊内窥镜定位、手术机器人导航、靶向癌细胞的检测、放射治疗等。在地球物理领域，可用于洞穴测绘、油气和矿产勘探、考古勘探、地球磁场监测等；在军事工程领域，可用于水下潜艇探测、舰船探测、未爆炸物探测等。
磁探测方法可以分为解析反演法和数值反演法。在数值反演法中，被广泛使用的有Levenberg-Marquardt(L-M)算法、粒子群优化(PSO)算法和遗传算法(GA)。数值反演法都需要几秒以上的时间才能完成一次探测，而且往往需要进行多点测量，适用的场合很有限。解析反演法通过单点测量即可反演出磁目标的位置和磁矩，能实时跟踪磁目标，被广泛使用。因此，本文所说的磁探测方法主要指解析反演法。
磁探测方法是磁探测的核心，方法的改进和探测精度的准确衡量是提高磁探测精度的重要研究内容。方法的改进后的一个关键问题是如何准确地衡量磁探测精度。如果片面地衡量磁探测精度，不仅会使实际的探测精度无法满足要求，还有可能为磁探测方法的二次改进提供错误的导向。因为确保实际磁探测中的探测精度满足要求是最终的目标，所以需要先搭建计算模型准确、全面地计算磁探测方法的探测精度，再通过实验检测磁探测方法的探测精度。在现有的磁探测精度的检测中，普遍存在如下问题：
1、在模型计算中，忽略了磁目标可以出现在任意方向上的实际工况，只计算磁目标在特定方向上的情况，片面地衡量了磁探测方法的探测精度。
现有研究在建立计算模型计算磁探测方法的探测精度时，都只计算了磁目标在特定方向上的情况。但在实际磁探测中，磁目标往往是非配合的，它所在的方向是任意和不受控制的。现有研究在没有证明特定情况具有全局代表性的情况下，只计算特定工况下的磁探测，这种计算方式无法全面、准确地衡量磁探测方法的探测精度。
2、在实验检测中，忽略了磁目标的运动轨迹对探测精度的影响，通过简单选取的运动轨迹无法准确地检测磁探测方法的探测精度。
现有研究都是通过磁目标在简单选取的运动轨迹上的探测误差来检测磁探测方法的探测精度。并且，现有研究没有考虑磁目标的运动轨迹对探测误差的影响，所选取的运动轨迹的缺乏依据。但磁目标的运动轨迹会对磁探测方法的探测误差产生很大的影响，不同的运动轨迹会有不同的检测结果。如果简单地选取一条运动轨迹来检测磁探测方法的探测精度，将造成检测结果的不确定性和片面性。因此，在实验检测中，现有研究所选取的运动轨迹无法准确地检测磁探测方法的探测精度。
发明内容
本发明的目的是提出一种磁探测精度的检测方法，解决在模型计算中，现有的研究忽略了实际工况，只计算磁目标在特定方向上的情况，片面地衡量了磁探测方法的探测精度，以及在实验检测中，现有的研究忽略了磁目标的运动轨迹对探测精度的影响，简单选取的一条运动轨迹，无法准确地检测磁探测方法的探测精度的问题。
一种磁探测精度的检测方法，所述检测方法包括以下步骤：
步骤一、建立全方向磁探测模型，利用全方向定位误差分布图计算磁目标的方向对磁探测精度的影响规律，为实验检测中磁目标运动轨迹的选取提供依据；
步骤二、利用全方向精度分布曲线和全方向误差期望λ0，全面、准确地衡量磁探测方法的探测精度；
步骤三、通过全方向定位误差分布图找到有可能等效全方向磁探测模型的运动轨迹，利用总偏差率T选取能最准确地衡量磁探测精度的一条或多条运动轨迹；
步骤四、搭建实验平台，检测磁探测方法的探测精度。
进一步的，在步骤一中，具体的，用定位误差δ来衡量探测误差：
Figure BDA0002370006700000021
其中，xt、yt、zt分别为磁目标在x、y、z方向上坐标的真实值，xc、yc、zc分别为在x、y、z方向上坐标的计算值。
进一步的，在步骤二中，具体的，将磁探测中所能允许的最大定位误差定义为探测精度，用ε表示，定义磁探测方法在某一探测精度ε0下的探测成功率DSR为：
DSR＝F(ε0)·100％ (2)
其中，函数F(ε0)为定位误差在全方向磁探测模型中的累积分布函数，将DSR的取值范围0～100％均匀地划分成N个区间绘制磁探测方法的全方向精度分布曲线，通过全方向精度分布曲线，得到不同探测成功率下的探测精度，从而根据探测成功率需求的不同，灵活地对比磁探测方法的探测精度，同时，通过F(ε2)-F(ε1)得到定位误差范围ε1～ε2(ε1<ε2)所占的比例，从而得到定位误差的变化情况。
进一步的，在步骤三中，具体的，衡量等效的全方向精度分布曲线与全方向精度分布曲线之间的偏差，定义分布偏差率ρ：
Figure BDA0002370006700000031
其中，εei为等效全方向精度分布曲线上的探测精度，εoi为全方向精度分布曲线上的探测精度，为了衡量等效的误差期望λe与全方向误差期望λ0之间的偏差，定义期望偏差率b：
Figure BDA0002370006700000032
在实验检测中，定义总偏差率T：
T＝ρ+b (5)
利用总偏差率T选取能最准确地衡量磁探测精度的一条或多条运动轨迹。
本发明的主要优点是：
(1)建立了全方向磁探测模型，可用于计算磁目标位于所有方向上的情况，更加符合实际的工况，从而能更加准确、全面地衡量磁探测方法的探测精度。
(2)基于全方向磁探测模型，得到了全方向定位误差分布图，可用于计算磁目标的方向对定位误差的影响规律，从而为实验检测中磁目标运动轨迹的选取提供依据；得到了全方向精度分布曲线和全方向误差期望，可用于量化磁目标的方向对探测精度的影响，从而全面、准确地计算和对比磁探测方法的探测精度；
(3)基于全方向定位误差分布图和总偏差率，选取了可以等效全方向磁探测模型的运动轨迹，既保证了磁探测精度检测的准确性，又大大降低了实验检测的资金成本和时间成本，具有很大的实用价值。
(4)本文所提出的磁探测精度的检测方法对磁探测方法没有限制，具有普适性，适用于检测各种磁探测方法的探测精度。
附图说明
图1为全方向磁探测模型图；
图2为全方向定位误差分布图；
图3为STAR法的全方向定位误差分布图；
图4为STAR法的全方向精度分布曲线图；
图5为一条经线轨迹的总偏差率图；
图6为两条经线轨迹的总偏差率图；
图7为等效的全方向精度分布曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了准确地检测磁探测方法的探测精度，需要先建立客观、全面的磁探测模型，考虑磁目标可位于所有方向上的实际工况，计算磁目标的运动轨迹对探测误差的影响规律。然后，基于模型计算，选取兼具准确性和可操作性的运动轨迹，检测磁探测方法的探测精度。
本发明提供了一种磁探测精度的检测方法的一实施例，所述检测方法包括以下步骤：
步骤一、建立全方向磁探测模型，利用全方向定位误差分布图计算磁目标的方向对磁探测精度的影响规律，为实验检测中磁目标运动轨迹的选取提供依据；
步骤二、利用全方向精度分布曲线和全方向误差期望
Figure BDA0002370006700000041
全面、准确地衡量磁探测方法的探测精度；
步骤三、通过全方向定位误差分布图找到有可能等效全方向磁探测模型的运动轨迹，利用总偏差率T选取能最准确地衡量磁探测精度的一条或多条运动轨迹；搭建实验平台，检测磁探测方法的探测精度。
在本部分优选实施例中，在步骤一中，运动轨迹的选取将影响磁探测精度衡量的准确性。磁目标的运动轨迹可以分解为磁目标的方向和探测距离。在实际探测中，磁目标的方向往往是任意和不可控的，计算特定方向下磁探测方法的探测精度是缺乏实际意义的。因此，实质上，是磁目标的方向对磁探测精度的衡量产生了影响。为了计算磁目标的方向对磁探测精度的影响，令
Figure BDA0002370006700000042
覆盖整个球面建立全方向模型，参照图1所示。在全方向磁探测模型中，γ是
Figure BDA0002370006700000043
与
Figure BDA0002370006700000044
的夹角，θ是
Figure BDA0002370006700000045
与x轴正向的夹角。
Figure BDA0002370006700000046
与z轴平行，从而使
Figure BDA0002370006700000047
与z轴正向的夹角
Figure BDA0002370006700000048
等于γ。因为磁矩向量是由位置向量计算得到的，所以用定位误差δ来衡量探测误差：
Figure BDA0002370006700000049
其中，xt、yt、zt分别为磁目标在x、y、z方向上坐标的真实值，xc、yc、zc分别为在x、y、z方向上坐标的计算值。
参照图2所示，以经纬的方式对全方向磁探测模型进行网格剖分，通过正轴等距离圆柱投影将全方向磁探测模型的结果展开成平面，绘出全方向定位误差分布图，在全方向定位误差分布图中，利用色块代表定位误差的大小，从而直观地展现磁目标的方向对定位误差的影响规律。通过影响规律，可以为实验检测中运动轨迹的选取提供依据。
在本部分优选实施例中，在步骤二中，具体的，将磁探测中所能允许的最大定位误差定义为探测精度，用ε表示，为了量化磁目标的方向对探测精度的影响，定义磁探测方法在某一探测精度ε0下的探测成功率DSR为：
DSR＝F(ε0)·100％ (2)
其中，函数F(ε0)为定位误差在全方向磁探测模型中的累积分布函数，由式(2)可以看出DSR表示在磁目标方向的影响下，磁探测方法能达到某一探测精度ε0的概率。将DSR的取值范围0～100％均匀地划分成N(N＝1,2,…)个区间绘制磁探测方法的全方向精度分布曲线。通过全方向精度分布曲线，可以得到不同探测成功率下的探测精度，从而可以根据探测成功率需求的不同，灵活地对比磁探测方法的探测精度。同时，通过F(ε2)-F(ε1)可以得到定位误差范围ε1～ε2(ε1<ε2)所占的比例，从而得到定位误差的变化情况。
利用定位误差的平均值来整体地衡量磁探测方法的定位误差，称为误差期望。磁探测方法在全方向磁探测模型中的误差期望称为全方向误差期望λo。
全方向精度分布曲线和全方向误差期望分别从局部特征和整体两个方面对磁探测方法的探测精度进行了量化，可用于全面、准确地衡量磁探测方法的探测精度。
在本部分优选实施例中，在步骤三中，具体的，因为实际工况中存在复杂的噪声等各种干扰因素，计算模型很难将所有的干扰因素都考虑在内，所以需要通过实验检测磁探测方法在实际工况中的探测精度。在模型计算中，可以利用全方向磁探测模型准确地计算磁探测方法的探测精度。但在实验检测中，构建全方向磁探测模型的实验平台需要精密的机械装置，增加了实验检测的资金成本。同时，利用全方向磁探测模型进行实验检测的操作难度很大，需要耗费巨大的时间成本。如果可以找到简单的轨迹来等效全方向磁探测模型，就可以大大地降低资金成本和提高实验检测的效率。
通过全方向定位误差分布图可以得到磁目标运动轨迹对探测精度的影响规律，从而找到可以等效全方向磁探测模型的运动轨迹。如果通过运动轨迹可以同时准确地计算出等效的全方向精度分布曲线和等效的全方向误差期望，则认为该运动轨迹可以等效全方向磁探测模型。为了衡量等效的全方向精度分布曲线与全方向精度分布曲线之间的偏差，定义分布偏差率ρ：
Figure BDA0002370006700000061
其中，εei为等效全方向精度分布曲线上的探测精度，εoi为全方向精度分布曲线上的探测精度，为了衡量等效的误差期望λe与全方向误差期望之间的偏差，定义期望偏差率b：
Figure BDA0002370006700000062
在实验检测中，全方向精度分布曲线和全方向误差期望需要都计算准确。定义总偏差率T：
T＝ρ+b (5)
利用总偏差率T选取能最准确地衡量磁探测精度的一条或多条运动轨迹。
下面提供一个具体实施例：
2003年，某学者提出了不受地磁场影响的标量三角测量与测距(STAR)法，受到了广泛的关注。以STAR法为例进行磁探测精度的检测，其它磁探测方法探测精度的检测完全类似。
模型计算中，地磁场幅值为55000nT，地磁偏角为-10°，地磁倾角为60°。探测距离r、磁矩向量
Figure BDA0002370006700000063
基线距离D、传感器的分辨率S、高斯白噪声的标准差σ的值如表1所示。在此工况中，先不考虑张量梯度仪的标定误差。其它工况下的计算完全类似。
Figure BDA0002370006700000064
表1模型计算的条件
图3展示了STAR法的全方向定位误差分布图。从图3中可以看出，STAR法的定位误差主要受夹角γ的影响，夹角γ越接近60°和120°，定位误差越大；夹角γ越接近0°、90°和180°，定位误差越小。通过计算，可得到STAR法的全方向误差期望为0.0434m。
将DSR的取值范围0～100％均匀地划分成50个区间绘制STAR法的全方向精度分布曲线，如图4所示。随着探测成功率的增加，探测精度ε接近线性增加，表明各个范围内的定位误差所占的比例是基本相同的。
通过图3可以看出，STAR法主要受γ影响。因此，经线轨迹TW(θ0,γ)有等效全方向磁探测模型的可能性。经线轨迹TW(θ0,γ)的数学表达式分别如式(6)所示。
Figure BDA0002370006700000071
式中γ0是γ的一个常值，θ0是θ的一个常值。
如果在实验检测中，使用一条经线轨迹检测STAR法的探测精度，经线轨迹的总偏差率如图5所示。从图中可以看出经线轨迹TW(249.48°,γ)可以最准确地检测STAR法的探测精度，总偏差率为3.70％。
为了更加准确地检测STAR法的探测精度，可以使用多条经线轨迹检测STAR法的探测精度。以两条经线轨迹为例，更多数量的经线轨迹完全类似。但经线轨迹的数量越多，操作的复杂性越大，不宜取过多条的经线轨迹来检测磁探测方法的探测精度。使用两条经线轨迹检测STAR法的探测精度时，总偏差率如图6所示。从图中可以看出利用经线轨迹TW(298.08°,γ)和经线轨迹TW(343.44°,γ)可以最准确地检测STAR法的探测精度，总偏差率为1.44％。
利用TW(298.08°,γ)和TW(343.44°,γ)两条经线运动轨迹检测STAR法的探测精度时，计算出等效的全方向精度分布曲线，如图7所示。通过对比图6和图7可以看出，等效的全方向精度分布曲线与全方向精度分布曲线基本相同。计算出等效的全方向误差期望为0.0431m，也与全方向误差偏差很小。因此，经线轨迹TW(298.08°,γ)和经线轨迹TW(343.44°,γ)可以准确地检测STAR法的探测精度，证明了本文方法的可行性和准确性。

Claims (3)

1.一种磁探测精度的检测方法，其特征在于，所述检测方法包括以下步骤：
步骤一、建立全方向磁探测模型，利用全方向定位误差分布图计算磁目标的方向对磁探测精度的影响规律，为实验检测中磁目标运动轨迹的选取提供依据；
步骤二、利用全方向精度分布曲线和全方向误差期望λ0，全面、准确地衡量磁探测方法的探测精度；
步骤三、通过全方向定位误差分布图找到有可能等效全方向磁探测模型的运动轨迹，利用总偏差率T选取能最准确地衡量磁探测精度的一条或多条运动轨迹；搭建实验平台，检测磁探测方法的探测精度，
在步骤三中，具体的，衡量等效的全方向精度分布曲线与全方向精度分布曲线之间的偏差，定义分布偏差率ρ：
Figure FDA0003374861350000011
其中，εei为等效全方向精度分布曲线上的探测精度，εoi为全方向精度分布曲线上的探测精度，为了衡量等效的误差期望λe与全方向误差期望λ0之间的偏差，定义期望偏差率b：
Figure FDA0003374861350000012
在实验检测中，定义总偏差率T：
T＝ρ+b (5)
利用总偏差率T选取能最准确地衡量磁探测精度的一条或多条运动轨迹。
2.根据权利要求1所述的一种磁探测精度的检测方法，其特征在于，在步骤一中，具体的，用定位误差δ来衡量探测误差：
Figure FDA0003374861350000013
其中，xt、yt、zt分别为磁目标在x、y、z方向上坐标的真实值，xc、yc、zc分别为在x、y、z方向上坐标的计算值。
3.根据权利要求1所述的一种磁探测精度的检测方法，其特征在于，在步骤二中，具体的，将磁探测中所能允许的最大定位误差定义为探测精度，用ε表示，定义磁探测方法在某一探测精度ε0下的探测成功率DSR为：
DSR＝F(ε0)·100％ (2)
其中，函数F(ε0)为定位误差在全方向磁探测模型中的累积分布函数，将DSR的取值范围0～100％均匀地划分成N个区间绘制磁探测方法的全方向精度分布曲线，通过全方向精度分布曲线，得到不同探测成功率下的探测精度，从而根据探测成功率需求的不同，灵活地对比磁探测方法的探测精度，同时，通过F(ε2)-F(ε1)得到定位误差范围ε1～ε2所占的比例，其中，ε1<ε2，从而得到定位误差的变化情况。
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