CN112051615B - 一种水下磁异常探测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水下磁异常探测系统，其包括：磁探仪，其包括水密装置和安装于所述水密装置内的聚磁探头和采集处理及传输模块；以及信息处理设备，其用于接收磁探仪传输的磁异常数据，并基于已知的所处水域的背景磁信号和所输入的或本地存储的各类目标物的磁指纹信息，对是否有目标物进入所处水域进行判别。本申请可以通过水下磁异常信号的监测，来探测是否有具有铁磁壳体的目标物进入所处水域。

Description

一种水下磁异常探测系统
技术领域
本发明涉及磁探测技术领域，具体地说，本发明涉及一种水下磁异常探测系统。
背景技术
磁传感器广泛应用于现代工业和电子产品中，以感应磁场强度及其分布来测量电流、位置、方向等物理参数。在现有技术中，有许多不同类型的传感器用于测量磁场和其它参数，包括霍尔(Hall)器件、各项异性磁电阻(AMR)或巨磁阻(GMR)元件为敏感器件的磁传感器。TMR(Tunnel MagnetoResistance)是近年来开始工业应用的新型磁电阻效应传感器，利用磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应对磁场进行感应，通常也用磁隧道结(MTJ)来代指TMR元件。相比于其它磁性传感元件，TMR具有优异的温度稳定性、极高的灵敏度、微功耗、高分辨率、较大的动态范围等特点。
另一方面，在海洋监测领域，现有技术中主要采用的是基于水声换能器的探测系统。如果将磁探测技术应用海洋监测领域，将获得诸多优势。首先，磁探测具备可观的探测距离，同时不受介质条件限制；其次，磁探测系统可实现连续搜索、效率高；再者，磁探测装置相比水声换能器，其可靠性及精度优势明显。然而，基于磁探测的海洋监测系统目前尚处于初步发展阶段，如何在复杂的海洋电磁环境中快速准确地探测并识别目标，仍然是尚待解决的难题。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术的不足，提供一种的水下磁异常探测的解决方案。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种水下磁异常探测系统，其包括：磁探仪，其包括水密装置和安装于所述水密装置内的聚磁探头和采集处理及传输模块；以及信息处理设备，其用于接收磁探仪传输的磁异常数据，并基于已知的所处水域的背景磁信号和所输入的或本地存储的各类目标物的磁指纹信息，对是否有目标物进入所处水域进行判别。
其中，所述信息处理设备还用于：进一步地判别进入所处水域的目标物的类型、方位和距离。
其中，所述聚磁探头包括支架和安装于所述支架的两两正交的x轴聚磁探头、y轴聚磁探头和z轴聚磁探头，其中所述x轴聚磁探头、所述y轴聚磁探头和所述z轴聚磁探头分别用于探测所述磁异常数据的x分量、y分量和z分量。
其中，所述x轴聚磁探头、所述y轴聚磁探头和所述z轴聚磁探头均采用基于TMR元件的聚磁探头结构，所述基于TMR元件的聚磁探头结构包括位于中间的TMR元件和连接在所述TMR元件两端的聚磁体，每个所述聚磁体均采用聚磁材料制作并且其周围缠绕线圈。
其中，所述的基于TMR元件的聚磁探头结构包括单片式、堆叠式或分束式聚磁探头结构。
其中，所述x轴聚磁探头、所述y轴聚磁探头和所述z轴聚磁探头的输出端分别连接一对应的前置处理电路，x轴、y轴和z轴的所述前置处理电路均基于闭环磁平衡工作原理实现。
其中，所述前置处理电路集成信号放大和滤波电路，以对主输出Vout1进行放大滤波处理，得到多种不同类型的输出，所述多种不同类型的输出包括：第二输出VOUT2，所述第二输出VOUT2是主输出Vout1经电容隔直后，再由运放进行放大的输出；第三输出VOUT3，所述第三输出VOUT3是第二输出VOUT2经低通滤波后进行的输出；以及第四输出VOUT4，所述第四输出VOUT3是经二次低通滤波后，再由第二运放进行二次放大的输出。
其中，所述采集处理及传输模块的硬件部分包括：CPU应用系统功能单元；同步单元；触发单元；输入输出单元；网络接口单元；串口接口单元；ADC及信号调理单元；DAC及功放单元；传感器单元；以及供电单元；所述采集处理及传输模块的软件部分包括：嵌入式操作系统；驱动单元；远程API单元；数据采集、处理计算、分析单元；数据格式转换单元；数据传输单元；以及供电控制单元。
其中，所述采集处理及传输模块的硬件部分通过母板和插接于所述母板的扩展板实现，所述扩展板包括信号调理板；所述信号调理板包括输入量程控制调节单元；输入带宽控制调节单元；放大倍数控制调节单元；以及降噪单元。
其中，所述信息处理设备中，各类目标物的磁指纹信息的获取方法包括：采用约化场公式的计算方法仿真建模，根据所处水域的地理位置来确定该地点的背景磁场的矢量值，进而计算需要磁指纹信息的目标物在所处水域产生的地磁扰动；其中，对于需要磁指纹信息的目标物，通过将所述目标物的铁层结构以2D面嵌入到整体3D背景几何结构中进行计算，以得到所述目标物在所处水域产生的地磁扰动；所述信息处理设备还用于：根据所接收的实测磁异常数据，以及采用约化场公式的计算方法的仿真建模，得到所处水域产生的地磁扰动，再对目标物的类型、方位和距离进行反演，进而判别目标物的类型、方位和距离。
与现有技术相比，本申请具有下列至少一个技术效果：
1.本申请可以通过水下磁异常信号的监测，来探测是否有具有铁磁壳体的目标物(例如船舶)进入所处水域。
2.本申请的一些实施例中，可以通过水下磁异常信号的监测，来探测是否有目标物进入所处水域，并且还能够判别目标物的类型、方位和距离。
3.本申请的一些实施例中，可以采用约化场公式的计算方法仿真建模，根据所处水域的地理位置来确定该地点的背景磁场的矢量值，进而计算需要磁指纹信息的目标物在所处水域产生的地磁扰动。这种信息处理方法可以降低数据处理的计算量，从而快速地对磁异常信号进行判别。
4.本申请的一些实施例中，对于需要磁指纹信息的目标物，通过将所述目标物的铁层结构以2D面嵌入到整体3D背景几何结构中进行计算，以得到所述目标物在所处水域产生的地磁扰动。通过将铁层结构以2D面嵌入到整体3D背景几何结构中进行计算，可以显著地减小磁异常信号信息处理的复杂度，从而快速准确地对磁异常信号进行判别。
5.本申请的一些实施例中，提供了具有极高灵敏度和抗干扰能力的聚磁探头，从而为准确地判别目标物的类型、方位和距离提供了支撑。
6.本申请的一些实施例中，聚磁探头所得到的信号经前置电路处理后，可以提供多种不同类型的输出。具体来说，从应用上VOUT1是前置处理电路的主输出，包含最完整的外部磁场信息，VOUT2是VOUT1的隔直放大，较VOUT1具有更强的抗干扰能力，VOUT3和VOUT4进行了低通滤波处理，能有效抑制工频干扰，可根据不同应用场景进行选用。
附图说明
图1示出了本申请一个实施例中的磁探仪的纵向剖面示意图；
图2示出了本申请一个实施例中磁探仪在去掉第二外壳后的立体示意图；
图3示出了本申请中的TMR元件和基于TMR元件的三种形式的单轴聚磁探头示例；
图4示出了本申请一个实施例的TMR聚磁探头闭环式磁平衡结构示意图；
图5示出了本申请一个实施例中的TMR聚磁探头的前置处理电路的工作原理框图；
图6示出了本申请一个实施例中的采集处理及传输模块的电路原理框图；
图7示出了本申请一个实施例中的CPU应用系统电路板的结构示意图；
图8示出了本申请一个实施例中的信号调理板的工作原理示意图；
图9示出了本申请一个实施例中的采集处理及传输模块的软件系统的组成示意图；
图10示出了本申请一个实施例中的水下磁异常探测系统的组网示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本申请，将参考附图对本申请的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本申请的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本申请的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和全部组合。
应注意，在本说明书中，第一、第二等的表述仅用于将一个特征与另一个特征区分开来，而不表示对特征的任何限制。因此，在不背离本申请的教导的情况下，下文中讨论的第一主体也可被称作第二主体。
在附图中，为了便于说明，已稍微夸大了物体的厚度、尺寸和形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。
还应理解的是，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，修饰整个所列特征，而不是修饰列表中的单独元件。此外，当描述本申请的实施方式时，使用“可以”表示“本申请的一个或多个实施方式”。并且，用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。
如在本文中使用的，用语“基本上”、“大约”以及类似的用语用作表近似的用语，而不用作表程度的用语，并且旨在说明将由本领域普通技术人员认识到的、测量值或计算值中的固有偏差。
除非另外限定，否则本文中使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，用语(例如在常用词典中定义的用语)应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不被以理想化或过度正式意义解释，除非本文中明确如此限定。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步地描述。
根据本发明的一个实施例，提供了一种水下磁异常探测系统(也可以称为水下目标弱磁探测系统)，其包括水面信息处理设备和多个部署于水下的磁探测节点。本实施例中，每个磁探测节点均可以通过水密线缆连接至水面信息处理设备，并通过信号处理平台来实现基于水下磁异常信号的水下目标探测和识别。具体来说，海洋磁场随着空间和时间的变化而变化，由传感器所探测到的海洋磁场实际上由多种磁场激发源产生的综合场。该综合场为地球磁场、海水运动激发磁场和海上目标激发磁场的叠加。在WMM2005地球磁场模型的基础上，建立海洋磁场数值计算模型矢量解，仿真并分析计算大型水下磁性目标物(例如船舶或其他水下大型目标物)的远程磁信号作为磁偶极子产生的远场，与更为强大的海洋背景磁场形成的磁场噪声耦合干涉后，产生的复杂磁场形态和数值分析特征，以便于对由于目标进入该区域环境对其磁场进行影响和形成的磁指纹特征进行建模。同时，通过仿真计算和反复迭代，获得区域磁场中在不同距离上的目标磁信号引起的波动幅度量级，由此即可判断磁异常传感器灵敏度的所需精度要求。这样，在海底部署灵敏度满足要求的磁探仪网络，即可根据所探测到的磁异常信号反推船舶或其他水下大型目标物的方位和距离。
本实施例中，可以通过理论分析结合仿真计算，对大型水下磁性目标物进入海洋环境区域立体空间所产生的磁异常情况进行建模，建立先验知识以便输入水下磁异常探测系统的水面信息处理设备。对于水下大型运载器，其主体通常是由铁磁材料组成的，这些水下目标在地球磁场中造成强烈扰动，形成区别于周围环境、具有明显特征的磁场信号。而水下大型运载器(例如船舶)由层状的铁磁性材料制成外壳，因为薄层结构的体积网格扩展会趋向于极限大、数据大到难以生成，从而很难采用标准有限元分析的方法来仿真。本实施例中，采用了两个创新技术来解决这一问题。第一，通过将铁层结构以2D面嵌入到整体3D背景几何结构中。这样，只需要创建相对简练的2D面延展网格单元代替惯用的3D体积网格，然后将3D方程(例如背景海洋磁场的3D方程)的值切向投影在2D平面网格上进行计算。第二，仿真建模中采用约化场公式(Reduced field formulation)的计算方法，将背景磁场根据其地理位置来确定该地点的矢量值，并解决被测水下目标物在这个特定区域产生的地磁扰动问题。
对于被测水下目标物，可以由该目标物的铁磁材料(例如其外壳)的长度、宽度等尺寸信息以及该铁磁材料的磁导率值，来建立该型水下目标物的特性仿真模型，进而计算其在水下产生的地磁异常信号大小，并实现该型水下目标物的磁场远距离推算。水下目标物可以由多个面状结构组成的几何模型进行模拟，以一个长方体代表水下目标物周围的水体。在没有电流存在时，有：
磁标量势有定义如下：
算子▽是一个矢性微分算子，也可以称为哈密顿算子。式(2)中的算子▽表示梯度。
进一步地，根据磁感应强度B和磁场强度H的本构关系
B＝μ(H+M) (3)
其中，μ为系数，再结合麦克斯韦方程
进一步地，将方程(2)、(3)和(4)结合起来则有：
公式(5)就是约化场公式，磁标量势就是因变量，解出/>即得到铁磁目标物产生的地磁异常量。因为磁化强度M为零，公式(5)可以变形成：
根据目标物所处的经纬度可以确定地磁总场的大小Hext、以及磁偏角θ和磁倾角从而计算出地磁场x，y，z三个方向的分量，公式如下：
Hext(z)＝-Hext*Sin(θ) (7)
因为代表周围水体的长方体的外部边界对于约化磁场是绝缘的，则关于边界条件有：
n·Hred＝0 (8)
将三维空间的切线投影应用于水下目标物的二维面状结构上，这对于高磁导率的薄层物体是很有帮助的。将水下目标物的外壳壁厚和相对磁导率作为参数引入，即可获得在水下目标物龙骨下方若干米(例如50米)深的平面产生的地磁异常信号在x轴、y轴、z轴三个正交方向的投影。在不同深度的平面上均生成地磁异常信号在x轴、y轴、z轴三个正交方向的投影，即可得出目标物的磁指纹。在水底布置多个测探仪节点，当某个或某几个测探仪节点所探测的地磁异常信号符合相应的磁指纹信息时，即可判断该型目标物进入了探测区域。本实施例中，磁指纹可以理解为不同磁性特征的目标进入海洋磁场的大环境后，与海洋背景磁场(包括地磁场和海水扰动磁场等)进行耦合作用，同时也存在由于目标航行时螺旋桨运转形成尾流，使海水进行受迫运动造成德拜磁效应的部分贡献，形成在一定范围内的局部磁场环境扰动与扭曲，造成了类似指纹特征结构的特定磁场，这种特定磁场可以称之为“磁特征纹”。这种磁纹络的特殊性反映了不同类型的目标甚至反映了相同目标不同运动状态和消磁结果后的磁性特征，是具有唯一性和可分辨性的。对上述磁纹进行采集与分析提取，进而结合数学模型建模仿真，建立固有特征向量参数，通过大量数据的分析和验模工作可以实现对目标的有效分类和识别。目前，利用广泛应用的深度学习理论可以将磁指纹数据进行预处理输入，得到复杂环境下的对目标的有效识别。
利用建立水下磁性目标磁场信号特征模型，能够为传感器设计及传感网络系统构建提供重要的数据支撑。为了实现在复杂海洋环境中实现目标精确探测必须要对有益信号和噪声信号进行识别和分离。该内容主要是针对目标进入磁场区域产生磁异常信号波动在进行信号处理技术的要求较高，除了传感器自身具有较高的信噪比，传感器网络化后的信号处理同样至关重要，实时性、抗干扰能力强的信号处理技术是实现项目目标的重要保障条件。
为此，本实施例的系统中，采用了一种目标磁信号与环境磁噪声(含大地磁场和海洋磁场)的自适应抵消技术，该自适应抵消技术包括：通过前端(即磁探仪)内部集成式的地磁和噪声抵消线圈去除一部分干扰，此外通过后端综合分析设备处理算法，分析磁背景的频谱和时空分布特征，从空域、时域、频域等多维进行信号自适应抵消，从而提高系统对目标的综合检测性能。另一方面，为提高实时性、抗干扰能力，本实施例中还提出了一种单轴、三轴和矢量信号检测方法及双节点梯度检测技术。经仿真研究发现，对比目标物(例如船舶)进入被测区域(即被测水体)前后的磁场变化分布可以看出，目标物(例如船舶)进入某一区域的海洋磁场后，海平面和海底磁场的变化明显，磁场强度有近似一个数量级的变化率，梯度有4～13个数量级的变化率，变化明显的区域在目标物周围1km～1.7km的范围内。在磁探仪中采用TMR隧道磁组进行三维磁场测量，主要获取低频(5Hz以内)慢周期变化的运动目标矢量变化规律及其梯度变化特性。具体来说，可以对磁异常的探测可以包括：磁异常单轴信号检测、磁异常三轴矢量信号检测和双节点磁异常梯度信号探测。进一步地，本实施例的系统中，还建立了水下目标物磁异常的特征先验知识，由此对因此磁场扰动的目标位置及其运动学特性进行反演。通常意义下的目标特征提取和判识方法在这里是适用的，包括基于频谱特征分析的目标辨识与检测方法等。此外，对于非线性信号或者不易得到数学解释的信号检测与判识可以尝试采用基于深度学习的方法，该方法稳健性和适应性广泛。
以上介绍了本实施例的水下磁异常探测系统的探测原理。下面将对系统中的磁探测节点和水面信息处理设备的机械结构、电路构造以及软件系统做进一步的描述。
本实施例中，磁探测节点即磁探仪。磁探仪包括水密装置、安装在水密装置内部的聚磁探头和采集处理及传输模块。图1示出了本申请一个实施例中的磁探仪的纵向剖面示意图。参考图1，本实施例中，磁探仪具有一水密装置，该水密装置包括配重底盘1和安装于所述配重底盘的壳体2，壳体2可以包括容纳采集处理及传输模块4的圆柱形第一外壳21和容纳三轴聚磁探头3的具有球形顶面的第二外壳22。第一外壳21和第二外壳22密封连接(例如可以通过O型密封圈23密封)。这种具有球形顶面的设计可以更好地抵抗水压，而采用三轴聚磁探头3可以有效地利用球形顶面内部形成的空间，来提高磁异常探测的能力。需注意，在其他实施例中，第二外壳的顶面也可以是非球面，例如一般弧面。
进一步地，图2示出了本申请一个实施例中磁探仪在去掉第二外壳后的立体示意图。结合参考图1和图2，本实施例中，三轴聚磁探头3安装在水密装置内的空腔中。该三轴聚磁探头3包括支架31和安装于该支架31的x轴聚磁探头32、y轴聚磁探头33和z轴聚磁探头34。x轴、y轴、z轴之间两两垂直，且每个轴的聚磁探头的形状和结构可以基本一致。下面将对单轴聚磁探头的形状和结构做进一步的介绍。进一步地，本实施例中，所述第一外壳21的外侧还可以设置第一水密接头51和第二水密接头52。第一水密接头可以与水密光缆连接，以便磁探仪与上位机进行数据交互。第二水密接头52可以与充电电缆连接。需注意，磁探仪与上位机或网络交换机的连接方式不限于此。
图3示出了本申请中的TMR元件和基于TMR元件的三种形式的单轴聚磁探头示例。参考图3的(a)部分，本实施例中，TMR元件呈薄片状，该TMR元件可以也称为隧道磁电阻效应传感器或隧道磁电阻效应传感器芯片。图3的(b)部分示出了基于TMR元件堆叠的单轴聚磁探头。其中，TMR元件堆叠由多个片状TMR元件堆叠而成，TMR元件堆叠的两端分别连接聚磁材料构成的聚磁体，本实施例中，聚磁体具有垂直于所述TMR元件表面的轴线，聚磁体的端面呈矩形，且该聚磁体的远离所述TMR元件堆叠的端面面积大于与所述TMR元件堆叠连接的端面的面积。为便于描述，将聚磁体的远离所述TMR元件堆叠的端面成为外端面，将聚磁体的与所述TMR元件堆叠连接的端面成为内端面。所述聚磁体中可以具有锥形段，假设外端面的面积为第一面积，内端面的面积为第二面积，则所述锥形段的横截面面积由所述第一面积逐渐减小至所述第二面积。本实施例中，TMR元件堆叠的两端分别连接一个聚磁体，且两个聚磁体形状和结构一致，并对称地布置。所述聚磁体的靠近外端面的部分可以缠绕线圈，以便接收外界的磁信号。参考图3的(c)部分，在本申请的另一实施例中，所述单轴聚磁探头还可以采用单片式设计，即TMR元件堆叠被单片TMR元件替代。此时，聚磁体的内端面由矩形状变为线状(或称为长条状)。进一步地，参考图3的(d)部分，所述单轴聚磁探头还可以采用分束式设计，即分束式的TMR元件替代，分束式TMR元件的一端为线状，另一端为矩形状。此时两个聚磁体的形状可以略有差别，其中一个聚磁体的内侧面呈线状，以与所述分束式TMR元件的一端适配，另一个聚磁体的内侧面呈矩形状，以与分束式TMR元件的另一端适配。
更进一步地，在本申请的一个实施例中，所述TMR元件可以是MDT9005磁传感芯片，其增益为28。以此为基础制作的单轴聚磁探头的增益可以达到400以上。但需要注意，聚磁材料的尺寸和结构形式对聚磁效果的影响是比较明显的，下面的表1给出了单片式、堆叠式和分束式三种不同结构以及两种不同尺寸下的单轴聚磁探头性能参数。两种不同尺寸分别为：12mm×12mm×100mm，25×25mm×200mm。
表1
表1中，gain指增益，Gain指单轴聚磁探头相对于MDT9005磁传感芯片的放大倍数，res指聚焦磁场增益，其单位为pT，它可以表征磁场增强的幅度。Implentation1代表单片式单轴聚磁探头，Implentation2代表堆叠式单轴聚磁探头，Implentation3代表分束式单轴聚磁探头。
进一步地，本申请的一个实施例中，所述单轴聚磁探头中，聚磁体的制作材料(即聚磁材料)可以是坡莫合金，坡莫合金又称铁镍合金，镍的含量可从35％～90％。坡莫合金是软磁材料中性能优异的品种，其磁导率高，饱和磁通大，是聚磁材料的优选，当有特殊要求时，还可选用超坡莫合金。
上述单轴聚磁探头可以安装于一个大致呈长条状的探头壳体中，以便于通过所述支架31进行组装，构成所述的三轴聚磁探头3(可参考图1和图2)。
更进一步地，本申请的一个实施例中，所述单轴聚磁探头基于磁平衡技术来实现弱磁异常检测。本实施例中，TMR聚磁探头即前文所述的单轴聚磁探头。当被测磁场远小于环境背景磁场时，采用磁平衡技术。当要求更高精度和更快反应速度时，优先采用闭环式磁平衡技术。当被测磁场产生扰动，并且该扰动高于磁传感器的灵敏度，磁传感器感应到该扰动，内部惠斯通电桥失去平衡，将输出一个差分信号，通过差分放大，控制的补偿电流Im流过次级线圈产生的磁场补偿，当补偿磁场与扰动磁场达到平衡时，其补偿电流Im即可精确反映环境磁场的异常值。图4示出了本申请一个实施例的TMR聚磁探头闭环式磁平衡结构示意图。参考图4，单轴聚磁探头的两端的聚磁体可以分别设置磁平衡补偿线圈C1、C2。隧道磁电阻效应传感器芯片TMR的两端可以分别输出来自两个磁平衡补偿线圈C1、C2的信号至运算放大器的正负输入端，运算放大器将这两个信号差分后输出反馈信号至右侧的磁平衡补偿线圈C2，左侧的磁平衡补偿线圈C1则引出作为测量输出Vm。具体地，左侧的磁平衡补偿线圈C1可以连接一精密测量电阻Rm后接地，然后测量精密测量电阻Rm两端的电压作为输出Vm。其中通过精密测量电阻Rm的电流Im是由环境磁场扰动产生的补偿电流。
进一步地，图5示出了本申请一个实施例中的TMR聚磁探头的前置处理电路的工作原理框图。参考图5，本实施例中，前置处理电路基于闭环磁平衡工作原理实现。低噪声TMR磁阻传感器芯片检测到待测外磁场Hext并输出电压信号，电压信号放大后经反馈回路产生反馈磁场Hfed抵消外磁场Hext，最后通过取样电阻RS检测反馈回路电流Ifed来检测外磁场信号。当反馈稳定时，反馈回路工作在深度负反馈状态，反馈线圈产生的反馈磁场Hfed完全抵消外磁场，有：
Hfed＝H (a1)
其中反馈线圈产生的磁场由线圈常数和反馈电流Ifed决定，有：
Hfed＝kIfed (a2)
其中k为反馈线圈常数，Ifed为通过线圈的反馈电流。
经闭环磁场反馈后，传感器的输出电压有：
VOUT1＝Ifed×RS＝RS×Hext/k (a3)
相应的前置处理电路的灵敏度为：
即经闭环反馈后，前置处理电路的灵敏度由取样电阻RS和反馈线圈常数k共同决定，从(a3)式可以看出输出VOUT1随外磁场Hext呈线性变化关系，通常有：
VOUT1＝Sen×Hext+Voffset (a5)
其中，Sen为传感器灵敏度，Voffset为零点失调电压，通常，通过测试传感器电压-磁场(V-H)传输特性曲线，经线性拟合得到传感器的灵敏度指标Sen和零点失调电压Voffset。
进一步地，为了方便应用，在前置处理电路中还可以集成相应的信号放大和滤波电路，经对输出Vout1(即VOUT1)进行放大滤波处理后得到以下输出。
VOUT1：前置处理电路的主输出；
VOUT2：Vout1经电容隔直后，由运放A1进行放大输出，运放A1的增益为Gain＝100；
VOUT3：VOUT2经四阶有源巴特沃斯低通滤波后进行输出，截止频率20Hz；
VOUT4：VOUT3经额外四阶有源巴特沃斯低通滤波后进行输出，截止频率20Hz，由运放A2进行二次放大，运放A2的增益为Gain＝10。
从应用上VOUT1是前置处理电路的主输出，包含最完整的外部磁场信息，VOUT2是VOUT1的隔直放大，较VOUT1具有更强的抗干扰能力，VOUT3和VOUT4进行了低通滤波处理，能有效抑制工频干扰，可根据不同应用场景进行选用。
进一步地，图6示出了本申请一个实施例中的采集处理及传输模块的电路原理框图。参考图6，本实施例中，TMR聚磁探头的前置处理电路的各项输出可以作为采集处理及传输模块的输入信号。采集处理及传输模块的硬件部分可以集成为一块电路板(其可称为母板)及插接于该电路板的多块扩展板。母板和扩展板上可以搭载CPU、FPGA等多种芯片，并实现各个功能电路。采集处理及传输模块的软件部分可以运行在母板的CPU、FPGA中。具体来说，采集处理及传输模块的硬件部分可以包括：CPU应用系统功能单元；同步单元(以太网同步)；触发单元；输入输出单元；网络接口单元；串口接口单元；ADC及信号调理单元；DAC及功放单元；传感器单元；以及供电单元。采集处理及传输模块的软件部分可以包括：嵌入式操作系统；系统所需全部驱动单元；远程API单元；数据采集、处理计算、分析单元；数据格式转换单元；数据传输单元；以及供电控制单元。
图7示出了本申请一个实施例中的CPU应用系统电路板的结构示意图。参考图7，本实施例中，CPU应用系统电路板可以作为母板(也可以称为底板)，其它电路模块将采用叠装方式集成到底板上。考虑正常状态下，仅需3路高精度采集通道，为最大限度减少电路引入噪声，在低板上直接集成3路信号调理、滤波放大、ADC转换器。ADC通道配置16路。在底板上集成2路DAC，配置一定的功率放大，作为备用。CPU、FPGA、时钟、同步、内存、FLASH等也可以集成在底板上。考虑应用环境，同步可采用网络同步，这样可以取消硬件时钟同步电路。底板上还可以集成2路远程数据传输以太网光纤接口，以及3路串口用于数字式传感器接口。本实施例中，根据应用环境需要，触发采用软件触发，因此可以不配置触发电路。
图8示出了本申请一个实施例中的信号调理板的工作原理示意图。参考图8，本实施例中，为保证信号通道的可增减性，为母板配置独立的信号调理板。每块信号调理板配置为3个通道。信号调理板主要包括：输入量程控制调节单元；输入带宽控制调节单元；放大倍数控制调节单元；以及降噪单元。信号调理板可以作为母板的扩展板与母板插接。一块母板可以插接多个信号调理板。本实施例中，各个单轴聚磁探头的第二、第三、第四输出端可以先接入信号调理板或者连接集成在母板上的调理电路，然后再提供给下一级的信号处理单元进行信号处理。另外，信号调理板还可以帮助母板实现多种扩展设计。例如，在采集处理及传输模块中加装模拟式振动传感器时，可以为其配置一块信号调理板(需注意，如果选用的振动传感器为数字式传感器，则可以取消配置，即可以不为其配置信号调理板)；又例如，在采集处理及传输模块中加装姿态传感器时，也可以配置一块信号调理板(类似地，当选用的姿态传感器为数字式传感器时，也可以取消该信号调理板的配置)；再例如，还可以为选装的声纳传感器，流体、压力传感器，以及电场传感器等扩展装配的传感器配置对应的信号调理板。
进一步地，在本申请的一个实施例中，采集处理及传输模块可以基于下述方法进行数据采集和传输：模拟信号经过前置电路的调理处理，对耦合方式和输入阻抗处理后，接入到可编程运算放大器件；可编程运算放大器根据软件设置，对输入信号进行幅度调整，再经过抗混频低通滤波电路，滤除高于采样频率一半以上的信号，最后模拟信号输入到ADC器件，进行数字化。数字化后的数据，打上时间戳后，保存在本地的FLASH中。当接收到远端服务器的上传命令时，首先按照要求，将数据进行格式转换，再将数据封装成UDP报文，通过以太网将数据上传给远端服务器。
进一步地，在本申请的一个实施例中，采集处理及传输模块中，所述母板可以实现CPU处理、数据采集接口、传输传输接口以及数据存储等核心功能；以及实现所有模拟信号阻抗匹配、耦合和衰减功能，实现4路信号放大、滤波和ADC功能，2路DAC、3路RS232转换，以太网电口，电源控制电路，以及与扩展板和外部接口的互连。其中，CPU处理、数据采集接口、传输传输接口以及数据存储等核心功能也可以集成为一块核心板，再将核心板与所述母板互联。本实施例中，采集处理及传输模块还可以包括多块扩展板，每块扩展板可以实现3路缓冲、放大、滤波、ADC等功能。
进一步地，在本申请的一个实施例中，采集处理及传输模块中，对于前置处理电路输入的信号可以进行信号预处理和信号调理，然后再存在本地的FLASH中。信号预处理单元可以包括：阻抗匹配单元、信号耦合单元和衰减单元。阻抗匹配单元通过继电器，可以选择50欧姆下拉到地。信号耦合单元可以通过继电器选择0.1uF电容耦合。衰减单元可以通过继电器选择采用800K+200K分压方式，衰减到输入的0.2倍，保证输入到信号调理单元的信号幅度不超过±2V。信号调理单元可以包括可编程放大单元、带通/可编程低通滤波单元、单端变差分单元和ADC转换单元。本实施例中，对于x、y、z轴前置处理电路的三路主通道所连接的信号调理单元，主通道的滤波为带通滤波，采用有源滤波电路由1个4阶0.01Hz高通滤波器和1个4阶20Hz低通滤波器组成。除了带通/可编程低通滤波单元，其它部分可以与扩展板(信号调理板)完全相同。
进一步地，在本申请的一个实施例中，采集处理及传输模块还可以包括串口、模拟输出接口和电源控制等单元。
进一步地，图9示出了本申请一个实施例中的采集处理及传输模块的软件系统的组成示意图。参考图9，采集处理及传输模块的软件系统包括安装于CPU(例如ARM)的Linux嵌入式操作系统和安装于FPGA的FPGA逻辑软件及其驱动。Linux嵌入式操作系统上可以安装采集传输系统应用软件，其包括初始化模块、硬件配置模块、信号处理分析模块、远程传输ok和数据处理模块。采集传输系统应用软件可以实现采集数据接口功能，数据本地存储功能，网络协议处理功能，采集数据上传功能等。FPGA逻辑软件实现ADC的控制接口，DAC的控制接口，以太网接口功能。
进一步地，图10示出了本申请一个实施例中的水下磁异常探测系统的组网示意图。参考图10，本实施例中，水下磁异常探测系统可以包括多个布置在水下的磁探仪，每个磁探仪通过水密光纤电缆和电池充电电缆连接至光纤交换机，再由光纤交换机通过以太网电缆(例如RJ45)连接至水面信息处理设备(例如便携式服务器/工作站)。光纤交换机可以通过充电适配器以220v、50Hz的方式为水下磁探仪进行供电。磁探仪可以具有两个水密接口，分别是双通道水密光纤接口和电池充电接口。
进一步地，本申请的一个实施例中，所述水面信息处理设备可以根据磁探仪所提供的数据进行分析处理，实现在复杂海洋环境中实现目标精确探测。本实施例中，水面信息处理设备可以采用目标磁信号与环境磁噪声(含大地磁场和海洋磁场)的自适应抵消技术，该自适应抵消技术包括：通过前端(即磁探仪)内部集成式的地磁和噪声抵消线圈过的一部分增益，此外通过后端综合分析设备处理算法，分析磁背景的频谱和时空分布特征，从空域、时域、频域等多维进行信号自适应抵消，从而提高系统对目标的综合检测性能。另一方面，为提高实时性、抗干扰能力，本实施例中还提出了一种单轴、三轴和矢量信号检测方法及双节点梯度检测技术。经仿真研究发现，对比目标物(例如船舶)进入被测区域(即被测水体)前后的磁场变化分布可以看出，目标物(例如船舶)进入某一区域的海洋磁场后，海平面和海底磁场的变化明显，磁场强度有近似一个数量级的变化率，梯度有4～13个数量级的变化率，变化明显的区域在目标物周围1km～1.7km的范围内。在磁探仪中采用TMR隧道磁组进行三维磁场测量，主要获取低频(5Hz以内)慢周期变化的运动目标矢量变化规律及其梯度变化特性。具体来说，可以对磁异常的探测可以包括：磁异常单轴信号检测、磁异常三轴矢量信号检测和双节点磁异常梯度信号探测。进一步地，本实施例的系统中，还建立了水下目标物磁异常的特征先验知识，由此对因此磁场扰动的目标位置及其运动学特性进行反演。其中，对于形状和结构已知的目标物来说，可以为其建立水下目标物磁异常的特征先验知识。第一，通过将目标物的铁层结构以2D面嵌入到整体3D背景几何结构中，创建相对简练的2D面延展网格单元代替惯用的3D体积网格，然后将3D方程的值切向投影在2D平面网格上进行计算。第二，仿真建模中采用约化场公式(Reduced field formulation)的计算方法，将背景磁场根据其地理位置来确定该地点的矢量值，并计算目标物在这个特定区域产生的地磁扰动。这样，在水面信息处理设备在接收到磁探仪所提供的磁异常信号后，可以基于水下目标物磁异常的特征先验知识，在2D网格进行搜索匹配，从而判别目标物的类型、方位和速度。
进一步地，在本申请的一个实施例中，还可以进一步地采用一些常见的目标特征提取和判识方法，包括基于频谱特征分析的目标辨识与检测方法等。此外，对于非线性信号或者不易得到数学解释的信号检测与判识可以采用基于深度学习的方法。
上述实施例中，所述的水下磁异常探测系统采用了有线连接的方式，但本申请并不限于此。在其他实施例中，所述水下磁异常探测系统也可以采用无线连接的方式。例如，在另一实施例中，所述的水下磁探仪可以具有无线通信模块，多个水下磁探仪可以组成无线传感器网络，该无线传感器网络中，任意一个磁探仪的信号均可以通过一跳或多跳传输至上位机(例如水面信息处理设备)，进而在上位机中根据磁探仪所提供的数据进行分析处理，实现在复杂海洋环境中实现目标精确探测。基于无线通信的水下磁异常探测系统中，其磁探仪可以采用飞机布放的方式，在感兴趣的海洋区域进行大面积投放，然后再由所投放的磁探仪通过自组织的方式构建传感器网络。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种水下磁异常探测系统，其特征在于，包括：磁探仪和信息处理设备；
所述磁探仪包括水密装置和安装于所述水密装置内的聚磁探头和采集处理及传输模块；其中，所述聚磁探头包括三个单轴聚磁探头，每个所述单轴聚磁探头均具有一个TMR元件和分别连接在所述TMR元件两端的两个聚磁体，所述聚磁体具有锥形段，且其横截面的面积由其外端面向其内端面逐渐减小，直至与所述TMR元件的端面匹配；
每个所述单轴聚磁探头的尺寸至少为12mm×12mm×100mm；所述三个单轴聚磁探头的轴线方向分别沿x轴、y轴和z轴布置，所述x轴、y轴和z轴两两正交；所述三个单轴聚磁探头固定于同一支架，且所述支架与每个所述单轴聚磁探头的接触区均位于所述单轴聚磁探头的中间区段；
所述采集处理及传输模块的硬件部分包括一块母板及插接于所述母板的多块扩展板，所述母板和所述扩展板用于实现各个功能电路；
所述水密装置包括密封连接的第一外壳和第二外壳，所述聚磁探头和所述采集处理及传输模块被所述第一外壳和所述第二外壳隔开；所述第一外壳呈圆柱状，所述采集处理及传输模块容纳在所述第一外壳内部，所述第二外壳位于所述第一外壳上方且其具有球形顶面或其具有非球面的一般弧面作为顶面；所述三个单轴聚磁探头通过所述支架设置于所述第二外壳内部；
每个所述单轴聚磁探头的两端的聚磁体分别设置一个磁平衡补偿线圈，所述TMR元件的两端分别输出来自两端的所述磁平衡补偿线圈的信号至运算放大器的正负输入端，所述运算放大器将这两个信号差分后输出反馈信号至其中一端的所述磁平衡补偿线圈，而另一端的所述磁平衡补偿线圈则连接一精密测量电阻Rm后接地；对于每个所述单轴聚磁探头，反馈稳定时，将通过所述精密测量电阻Rm的电流Im作为由环境磁场扰动产生的补偿电流，并以所述补偿电流Im反映环境磁场的异常值；
所述信息处理设备用于接收磁探仪传输的磁异常数据，并基于已知的所处水域的背景磁信号和所输入的或本地存储的各类目标物的磁指纹信息，对是否有目标物进入所处水域进行判别；
所述信息处理设备中，各类目标物的磁指纹信息的获取方法包括：采用约化场公式的计算方法仿真建模，根据所处水域的地理位置来确定该地点的背景磁场的矢量值，进而计算需要磁指纹信息的目标物在所处水域产生的地磁扰动；其中，通过将目标物的铁层结构以2D面嵌入到整体3D背景几何结构中，创建2D面延展网格单元代替3D体积网格，然后将3D方程的值切向投影在2D网格上进行计算，以得到所述目标物在所处水域产生的地磁扰动；
所述信息处理设备还用于：根据所接收的实测磁异常数据，以及采用约化场公式的计算方法的仿真建模，得到所处水域产生的地磁扰动，基于水下目标物磁异常的特征先验知识，在2D网格进行搜索匹配，再对目标物的类型、方位和距离进行反演，进而判别目标物的类型、方位和距离。
2.根据权利要求1所述的水下磁异常探测系统，其特征在于，所述三个单轴聚磁探头的输出端分别连接一对应的前置处理电路，x轴、y轴和z轴的所述前置处理电路均基于闭环磁平衡工作原理实现。
3.根据权利要求2所述的水下磁异常探测系统，其特征在于，所述前置处理电路集成信号放大和滤波电路，以对主输出Vout1进行放大滤波处理，得到多种不同类型的输出，所述多种不同类型的输出包括：
第二输出VOUT2，所述第二输出VOUT2是主输出Vout1经电容隔直后，再由运放进行放大的输出；
第三输出VOUT3，所述第三输出VOUT3是第二输出VOUT2经低通滤波后进行的输出；以及
第四输出VOUT4，所述第四输出VOUT3是经二次低通滤波后，再由第二运放进行二次放大的输出。
4.根据权利要求2所述的水下磁异常探测系统，其特征在于，所述采集处理及传输模块的硬件部分包括：CPU应用系统功能单元；同步单元；触发单元；输入输出单元；网络接口单元；串口接口单元；ADC及信号调理单元；DAC及功放单元；传感器单元；以及供电单元；
所述采集处理及传输模块的软件部分包括：嵌入式操作系统；驱动单元；远程API单元；数据采集、处理计算、分析单元；数据格式转换单元；数据传输单元；以及供电控制单元。
5.根据权利要求2所述的水下磁异常探测系统，其特征在于，所述扩展板包括信号调理板；
所述信号调理板包括输入量程控制调节单元；输入带宽控制调节单元；放大倍数控制调节单元；以及降噪单元。
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