CN112146657B - 一种基于旋转磁偶极子的两点轴频磁场定位方法和装置 - Google Patents

一种基于旋转磁偶极子的两点轴频磁场定位方法和装置 Download PDF

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CN112146657B CN202010949884.0A CN202010949884A CN112146657B CN 112146657 B CN112146657 B CN 112146657B CN 202010949884 A CN202010949884 A CN 202010949884A CN 112146657 B CN112146657 B CN 112146657B
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Abstract

本发明实施例提供一种基于旋转磁偶极子的两点轴频磁场定位方法和装置，将旋转螺旋桨等效成相同旋转速度的旋转磁偶极子，并对旋转磁偶极子进行了磁场建模，将旋转磁偶极子磁矩分解为在x、y、z轴方向上的磁矩分量
Figure DDA0002676575860000011
和
Figure DDA0002676575860000012
分别计算了由三个磁矩分量产生的磁场矢量
Figure DDA0002676575860000013
和
Figure DDA0002676575860000014
通过两个观测点P1和P2处测得到的磁场强度B1(Bx1,By1,Bz1)和B2(Bx2,By2,Bz2)计算出磁偶极子的旋转初始角度α0，然后通过变量关系求解旋转磁偶极子的坐标(x0,y0,z0)，从而实现磁源定位。与现有的单点旋磁定位算法必须在磁偶极子磁矩已知的情况下进行相比。本发明实施例提供的基于旋转磁偶极子的两点轴频磁场定位方法，只需要测量两个观测点的磁场强度即可反演推算出旋转磁偶极子的坐标，且定位精度高。

Description

一种基于旋转磁偶极子的两点轴频磁场定位方法和装置
技术领域
本发明实施例涉及水下舰船探测领域，尤其涉及一种基于旋转磁偶极子的两点轴频磁场定位方法和装置。
背景技术
舰船轴频信号是舰船的重要特征信号，利用轴频磁场进行目标探测和定位研究一直是国内外的研究热点。舰船轴频磁场频率极低，具有传播距离远，稳定性高，受海况等各种噪声干扰低，是目标探测和定位的重要信号。
现有技术中，一些学者提出了以下几种方法，以利用轴频磁场进行目标探测和定位。其中，《地磁环境中的交变磁偶极子源定位方法研究》针对地磁环境中的交变磁偶极子辐射源的磁场信号进行了特性分析，并提出了高斯牛顿法和粒子群法相结合的最优求解算法。G.Yin等人提出了单偶极子封闭式定位公式，并通过数值仿真，验证了算法的可行性。Huanghuang Jin等人提出了一种采用改进的正交基函数的磁异常探测方法，并引入双磁梯度仪框架以满足磁异常定位的需求。G.Yin等人基于偶极子源的各向同性的特点，将标准化源强度引入到标量三角剖分和测距方法中以代替原始张量收缩，提出了一种新的无球面误差的实时偶极子定位方法，并验证了该方法的可行性。
然而，上述这些方法中大部分是针对静态磁场的磁定位方法研究，受外界磁场噪声干扰比较大，而针对旋转磁场的定位研究比较少，且多利用非线性方法求解，会受到初始值的影响。
发明内容
本发明实施例提供一种基于旋转磁偶极子的两点轴频磁场定位方法和装置，提出了基于两点的旋转磁场定位算法，只需要测量两个观测点的磁场强度即可反演推算出旋转磁偶极子的坐标。
第一方面，本发明实施例提供一种基于旋转磁偶极子的两点轴频磁场定位方法，包括：
S1，将舰船旋转螺旋桨等效为旋转磁偶极子，建立所述旋转磁偶极子的测量坐标系；
S2，基于旋转磁偶极子的测量坐标系，分析获得所述旋转磁偶极子的旋转初始角度与旋转磁偶极子在预设观测点P处产生的磁场强度之间的关系式；
S3，根据在第一观测点P1和第二观测点P2测得的磁场强度，结合旋转磁偶极子的旋转初始角度与旋转磁偶极子在预设观测点处产生的磁场强度之间的关系式，通过两点旋磁定位算法求解出旋转磁偶极子的坐标位置。
进一步，步骤S1中所述将舰船旋转螺旋桨等效为旋转磁偶极子，建立所述旋转磁偶极子的测量坐标系，具体包括
假设旋转磁偶极子的旋转角速度为ω；旋转磁偶极子磁矩与x轴的初始夹角为α0；假设旋转磁偶极子的坐标为D(x0,y0,z0)，预设观测点的坐标为P(x,y,z)，以旋转磁偶极子旋转轴为z轴，建立旋转磁偶极子的测量坐标系。
进一步，步骤S2具体包括：
S21，将旋转磁偶极子磁矩分解为三个正交磁矩
Figure BDA0002676575840000021
和
Figure BDA0002676575840000022
求解所述三个正交磁矩产生的磁场强度
Figure BDA0002676575840000023
和
Figure BDA0002676575840000024
求解三个正交磁矩
Figure BDA0002676575840000025
和
Figure BDA0002676575840000026
产生的磁场强度
Figure BDA0002676575840000027
和
Figure BDA0002676575840000028
各自在x、y、z三轴的分量，进而获得与旋转磁偶极子在预设观测点处产生的磁场强度
Figure BDA0002676575840000029
在x、y、z三轴的分量关系等式；
S22，根据旋转磁偶极子在预设观测点处产生的磁场强度
Figure BDA00026765758400000210
在x、y、z三轴的分量，求解获得旋转磁偶极子的旋转初始角度α0与所述磁场强度
Figure BDA0002676575840000031
之间的关系式。
进一步，步骤S21具体包括：
设旋转磁偶极子的磁矩
Figure BDA0002676575840000032
在x、y和z轴上的磁矩分量分别为
Figure BDA0002676575840000033
和
Figure BDA0002676575840000034
则有：
Figure BDA0002676575840000035
式中，磁矩
Figure BDA0002676575840000036
在xy平面内的投影为
Figure BDA0002676575840000037
在z轴上的投影为
Figure BDA0002676575840000038
ωt表示任意时刻旋转磁偶极子转过的角度；α0表示旋转磁偶极子磁矩
Figure BDA0002676575840000039
与x轴的初始夹角；
由毕奥-萨伐尔定律可知旋转磁偶极子D(x0,y0,z0)在预设观测点P(x,y,z)处产生的磁感应强度
Figure BDA00026765758400000310
为：
Figure BDA00026765758400000311
式中，
Figure BDA00026765758400000312
表示旋转磁偶极子指向预设观测点位置矢量，r表示旋转磁偶极子到预设观测点的距离，r2＝(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2；μ0为相对磁导率，μ0＝4π×10-7；
设由x轴方向的磁矩
Figure BDA00026765758400000313
产生的磁场强度为
Figure BDA00026765758400000314
由y轴方向的磁矩
Figure BDA00026765758400000315
产生的磁场强度为
Figure BDA00026765758400000316
由z轴方向的磁矩
Figure BDA00026765758400000317
产生的磁场强度为
Figure BDA00026765758400000318
则由公式(1)、(2)可得磁矩
Figure BDA00026765758400000319
在P点产生的磁场三分量为：
Figure BDA00026765758400000320
设磁矩三分量
Figure BDA00026765758400000321
和
Figure BDA00026765758400000322
在三轴的磁场分量分别为
Figure BDA00026765758400000323
和
Figure BDA00026765758400000324
则磁场强度可以表示为：
Figure BDA00026765758400000325
令：
Figure BDA0002676575840000041
其中，a11,a12,a13,a21,a22,a23,a31,a32,a33分别表示等式右侧矩阵各分量；
将公式(3)进行化简得到：
Figure BDA0002676575840000042
由式(5)可知：a12＝a21 (7)
根据公式(4)(7)可得，旋转磁偶极子在预设观测点P处产生的磁场强度
Figure BDA0002676575840000043
在x、y、z三轴的分量Bx,By,Bz为：
Figure BDA0002676575840000044
进一步，步骤S22中，根据旋转磁偶极子在预设观测点处产生的磁场强度
Figure BDA0002676575840000045
在x、y、z三轴的分量，求解获得旋转磁偶极子的旋转初始角度α0与所述磁场强度
Figure BDA0002676575840000046
之间的关系式，具体包括：
根据公式(8)可得：
Figure BDA0002676575840000047
Figure BDA0002676575840000048
对公式(9)(10)进行积分可得：
Figure BDA0002676575840000051
其中，T为采样周期；a12＝a21；则根据公式(6)(11)可以得到：
Figure BDA0002676575840000052
根据公式(12)运算可得：
Figure BDA0002676575840000053
根据公式(13)求得旋转磁偶极子的旋转初始角度α0与所述磁场强度
Figure BDA0002676575840000054
之间的关系式为：
Figure BDA0002676575840000055
进一步，步骤S3具体包括：
由公式(11)(14)可得：
Figure BDA0002676575840000061
由公式(3)(4)可知：
Figure BDA0002676575840000062
采用两点磁场定位，取第一观测点P1和第二观测点P2的坐标分别为P1(x1,y1,z1)＝(0,0,0)；P2(x2,y2,z2)，第一观测点P1和第二观测点P2所测得的磁场强度分别为B1：(Bx1,By1,Bz1)和B2:(Bx2,By2,Bz2)，结合公式(15)可得：
Figure BDA0002676575840000071
其中，Bx1、By1、Bz1分别为旋转磁偶极子D(x0,y0,z0)在第一观测点P1(x1,y1,z1)处产生的磁场强度B1在x、y、z三轴的分量；Bx2、By2、Bz2分别为旋转磁偶极子在第二观测点P2(x2,y2,z2)处产生的磁场强度B2在x、y、z三轴的分量；a11(1),a12(1),a21(1),a22(1),a31(1),a32(1)为P1点求解得到公式(5)所设的部分变量系数；a11(2),a12(2),a21(2),a22(2),a31(2),a32(2)是由P2点求解得到公式(5)中所设的部分变量系数；
由公式(16)(17)可知：
Figure BDA0002676575840000072
进而求解出旋转磁偶极子D(x0,y0,z0)在测量坐标系的坐标位置：
Figure BDA0002676575840000081
进一步，在步骤S3之后，所述方法还包括：对旋转磁偶极子进行定位仿真，验证所述两点旋磁定位算法的定位精度。
第二方面，本发明实施例提供一种基于旋转磁偶极子的两点轴频磁场定位装置，包括：
旋磁建模模块，用于将舰船旋转螺旋桨等效为旋转磁偶极子，建立所述旋转磁偶极子的测量坐标系；
旋磁初始角求解模块，用于基于旋转磁偶极子的测量坐标系，分析获得所述旋转磁偶极子的旋转初始角度与旋转磁偶极子在预设观测点P处产生的磁场强度之间的关系式；
旋磁坐标求解模块，用于根据在第一观测点P1和第二观测点P2测得的磁场强度，结合旋转磁偶极子的旋转初始角度与旋转磁偶极子在预设观测点处产生的磁场强度之间的关系式，通过两点旋磁定位算法求解出旋转磁偶极子的坐标位置。
第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明第一方面实施例所述基于旋转磁偶极子的两点轴频磁场定位方法的步骤。
第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如本发明第一方面实施例所述基于旋转磁偶极子的两点轴频磁场定位方法的步骤。
本发明实施例提供的基于旋转磁偶极子的两点轴频磁场定位方法和装置，将旋转螺旋桨等效成相同旋转速度的旋转磁偶极子，并对旋转磁偶极子进行了磁场建模，将旋转磁偶极子磁矩分解为在x、y、z轴方向上的磁矩分量
Figure BDA0002676575840000091
和
Figure BDA0002676575840000092
分别计算了由两个磁矩分量产生的磁场矢量
Figure BDA0002676575840000093
和
Figure BDA0002676575840000094
通过两个观测点P1和P2处测得到的磁场强度B1(Bx1,By1,Bz1)和B2(Bx2,By2,Bz2)计算出磁偶极子的旋转初始角度α0，然后通过变量关系求解旋转磁偶极子的坐标(x0,y0,z0)，从而实现磁源定位。本发明提出了基于两点的旋转磁场定位算法，只需要测量两个观测点的磁场强度即可反演推算出旋转磁偶极子的坐标。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本发明实施例的基于旋转磁偶极子的两点轴频磁场定位方法流程示意图；
图2为本发明实施例提供的旋转磁偶极子坐标系的示意图；
图3为本发明实施例提供的旋转磁偶极子的测量坐标系；
图4为本发明实施例提供的第一观测点的磁场强度分布示意图；
图5为本发明实施例提供的第二观测点的磁场强度分布示意图；
图6为本发明实施例提供的旋转磁偶极子定位坐标点的计算值和理论值的对比示意图；
图7为本发明实施例提供的旋转磁偶极子晃动时测量示意图；
图8为本发明实施例提供的旋转磁偶极子不同晃动半径下的三轴坐标绝对误差；
图9为本发明实施例提供的旋转磁偶极子不同晃动半径下的三轴坐标相对误差；
图10为本发明实施例提供的测量噪声为0.1nT时旋转磁偶极子三轴坐标绝对误差；
图11为本发明实施例提供的测量噪声为0.1nT时旋转磁偶极子三轴坐标相对误差；
图12为本发明实施例提供的基于旋转磁偶极子的两点轴频磁场定位装置的结构框图；
图13为本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
螺旋桨轴和桨叶是磁性材料，具有剩磁，旋转时会产生磁场，本申请将旋转的螺旋桨等效成旋转磁偶极子，并根据旋转磁偶极子的磁场特性进行了定位研究。在之前的研究工作中，研究人员提出过单点旋磁定位算法，但是，单点旋磁定位算法必须在磁偶极子磁矩已知的情况下进行，而实际应用中，大部分磁性目标的磁矩大小是未知的。因此，本申请提出了两点旋磁定位算法，只需要测量两个观测点的磁场强度即可反演推算出旋转磁偶极子的坐标。以下将结合附图通过多个实施例进行展开说明和介绍。
图1为本发明实施例提供一种基于旋转磁偶极子的两点轴频磁场定位方法，参照图1，该方法包括：
S1，将舰船旋转螺旋桨等效为旋转磁偶极子，建立所述旋转磁偶极子的测量坐标系。
具体地，当测量距离大于测量目标的3倍时，可以将磁性目标等效为磁偶极子。本申请将旋转的螺旋桨等效为旋转磁偶极子，进行旋磁建模。本申请将“旋转磁偶极子”也简称为“旋磁”。旋转磁偶极子的旋转角速度与螺旋桨角速度一致。图2为本发明实施例提供的旋转磁偶极子坐标系的示意图；图2中，定义螺旋桨轴为z轴，旋转磁偶极子位于坐标原点且绕z轴以角速度ω转动。图3为本发明实施例提供的旋转磁偶极子的测量坐标系。图2和图3中，ω为旋转磁偶极子的旋转角速度，旋转磁偶极子磁矩
Figure BDA0002676575840000111
与x轴的初始夹角为α0。假设旋转磁偶极子的坐标为D(x0,y0,z0)，预设观测点的坐标为P(x,y,z)，以旋转磁偶极子磁矩旋转轴为z轴，建立旋转磁偶极子的测量坐标系。
S2，基于旋转磁偶极子的测量坐标系，分析获得所述旋转磁偶极子的旋转初始角度与旋转磁偶极子在预设观测点P处产生的磁场强度之间的关系式；
S3，根据在第一观测点P1和第二观测点P2测得的磁场强度，结合旋转磁偶极子的旋转初始角度与旋转磁偶极子在预设观测点处产生的磁场强度之间的关系式，通过两点旋磁定位算法求解出旋转磁偶极子的坐标位置。
本发明实施例提供的基于旋转磁偶极子的两点轴频磁场定位方法，将旋转螺旋桨等效成相同旋转速度的旋转磁偶极子，并对旋转磁偶极子进行了磁场建模，将旋转磁偶极子磁矩分解为在x、y、z轴方向上的磁矩分量x、y、z轴上的磁矩分量分别为
Figure BDA0002676575840000121
和
Figure BDA0002676575840000122
分别计算了由三个磁矩分量产生的磁场矢量
Figure BDA0002676575840000123
和
Figure BDA0002676575840000124
通过两个观测点P1和P2处测得到的磁场强度B1(Bx1,By1,Bz1)和B2(Bx2,By2,Bz2)计算出磁偶极子的旋转初始角度α0，然后通过变量关系求解旋转磁偶极子的坐标(x0,y0,z0)，从而实现磁源定位。本发明提出了基于两点的旋转磁场定位算法，只需要测量两个观测点的磁场强度即可反演推算出旋转磁偶极子的坐标。
以下结合多个实施例对本申请提供的两点旋磁定位算法进行具体说明。
在一个实施例中，步骤S2中，基于旋转磁偶极子的测量坐标系，分析获得所述旋转磁偶极子的旋转初始角度与旋转磁偶极子在预设观测点P处产生的磁场强度之间的关系式，具体包括：
S21，将旋转磁偶极子磁矩分解为三个正交磁矩
Figure BDA0002676575840000125
和
Figure BDA0002676575840000126
求解所述三个正交磁矩产生的磁场强度
Figure BDA0002676575840000127
和
Figure BDA0002676575840000128
求解三个正交磁矩
Figure BDA0002676575840000129
和
Figure BDA00026765758400001210
产生的磁场强度
Figure BDA00026765758400001211
和
Figure BDA00026765758400001212
各自在x、y、z三轴的分量，进而获得与旋转磁偶极子在预设观测点处产生的磁场强度
Figure BDA00026765758400001213
在x、y、z三轴的分量的关系等式；
S22，根据旋转磁偶极子在预设观测点处产生的磁场强度
Figure BDA00026765758400001214
在x、y、z三轴的分量，求解获得旋转磁偶极子的旋转初始角度α0与所述磁场强度
Figure BDA00026765758400001215
之间的关系式。
在一个实施例中，步骤S21具体包括：
参照图3，设旋转磁偶极子的磁矩
Figure BDA00026765758400001216
在x、y和z轴上的磁矩分量分别为
Figure BDA00026765758400001217
Figure BDA00026765758400001218
和
Figure BDA00026765758400001219
则有：
Figure BDA00026765758400001220
式中，磁矩
Figure BDA00026765758400001221
在xy平面内的投影为
Figure BDA00026765758400001222
在z轴上的投影为
Figure BDA00026765758400001223
ωt表示任意时刻旋转磁偶极子转过的角度；α0表示旋转磁偶极子磁矩
Figure BDA00026765758400001224
与x轴的初始夹角；
由毕奥-萨伐尔定律可知旋转磁偶极子D(x0,y0,z0)在预设观测点P(x,y,z)处产生的磁感应强度
Figure BDA0002676575840000131
为：
Figure BDA0002676575840000132
式中，
Figure BDA0002676575840000133
表示旋转磁偶极子指向预设观测点位置矢量，r表示旋转磁偶极子到预设观测点的距离，r2＝(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2；μ0为相对磁导率，μ0＝4π×10-7；
设由x轴方向的磁矩
Figure BDA0002676575840000134
产生的磁场强度为
Figure BDA0002676575840000135
由y轴方向的磁矩
Figure BDA0002676575840000136
产生的磁场强度为
Figure BDA0002676575840000137
由z轴方向的磁矩
Figure BDA0002676575840000138
产生的磁场强度为
Figure BDA0002676575840000139
则由公式(1)、(2)可得磁矩
Figure BDA00026765758400001310
在P点产生的磁场三分量为：
Figure BDA00026765758400001311
设磁矩三分量
Figure BDA00026765758400001312
和
Figure BDA00026765758400001313
在三轴的磁场分量分别为
Figure BDA00026765758400001314
和
Figure BDA00026765758400001315
则磁场强度可以表示为：
Figure BDA00026765758400001316
令：
Figure BDA00026765758400001317
其中，用a11,a12,a13,a21,a22,a23,a31,a32,a33分别表示等式右侧矩阵各分量；
将公式(3)进行化简得到：
Figure BDA00026765758400001318
由式(5)可知：a12＝a21 (7)
根据公式(4)(7)可得，旋转磁偶极子在预设观测点P处产生的磁场强度
Figure BDA0002676575840000141
在x、y、z三轴的分量Bx,By,Bz为：
Figure BDA0002676575840000142
在一个实施例中，步骤S22中，根据旋转磁偶极子在预设观测点处产生的磁场强度
Figure BDA0002676575840000143
在x、y、z三轴的分量，求解获得旋转磁偶极子的旋转初始角度α0与所述磁场强度
Figure BDA0002676575840000144
之间的关系式，具体包括：
在实际的旋磁测量定位中，旋转磁偶极子的初始角度α0对测量的磁场分布有重要影响。在定位实现时，需要求解出旋转磁偶极子的旋转初始角度α0，从而使两点旋磁定位算法对任意时刻的采样点有效。
本实施例中，对旋转磁偶极子磁矩
Figure BDA0002676575840000147
与x轴的初始夹角α0进行求解。根据公式(8)可得：
Figure BDA0002676575840000145
Figure BDA0002676575840000146
对公式(9)(10)进行积分可得：
Figure BDA0002676575840000151
其中，T为采样周期；a12＝a21；则根据公式(6)(11)可以得到：
Figure BDA0002676575840000152
根据公式(12)运算可得：
Figure BDA0002676575840000153
根据公式(13)求得旋转磁偶极子的旋转初始角度α0与所述磁场强度
Figure BDA0002676575840000154
之间的关系式为：
Figure BDA0002676575840000155
在一个实施例中，步骤S3，根据在第一观测点P1和第二观测点P2测得的磁场强度，结合旋转磁偶极子的旋转初始角度与旋转磁偶极子在预设观测点处产生的磁场强度之间的关系式，通过两点旋磁定位算法求解出旋转磁偶极子的坐标位置，具体包括：
由公式(11)(14)可得：
Figure BDA0002676575840000161
由公式(3)(4)可知：
Figure BDA0002676575840000162
采用两点磁场定位，取第一观测点P1和第二观测点P2的坐标分别为P1(x1,y1,z1)＝(0,0,0)；P2(x2,y2,z2)，第一观测点P1和第二观测点P2所测得的磁场强度分别为B1：(Bx1,By1,Bz1)和B2:(Bx2,By2,Bz2)，结合公式(15)可得：
Figure BDA0002676575840000171
其中，Bx1、By1、Bz1分别为旋转磁偶极子D(x0,y0,z0)在第一观测点P1(x1,y1,z1)处产生的磁场强度B1在x、y、z三轴的分量；Bx2、By2、Bz2分别为旋转磁偶极子在第二观测点P2(x2,y2,z2)处产生的磁场强度B2在x、y、z三轴的分量；a11(1),a12(1),a21(1),a22(1),a31(1),a32(1)为P1点求解得到公式(5)所设的部分变量系数；a11(2),a12(2),a21(2),a22(2),a31(2),a32(2)是由P2点求解得到公式(5)中所设的部分变量系数；
由公式(16)(17)可知：
Figure BDA0002676575840000172
进而求解出旋转磁偶极子D(x0,y0,z0)在测量坐标系的坐标位置：
Figure BDA0002676575840000181
与单点旋磁定位算法必须在磁偶极子磁矩已知的情况下进行相比。本发明实施例提供的基于旋转磁偶极子的两点轴频磁场定位方法，只需要测量两个观测点的磁场强度即可反演推算出旋转磁偶极子的坐标，实现磁偶极子源定位。
在一个实施例中，在步骤S3之后，本申请提供的基于旋转磁偶极子的两点轴频磁场定位方法还包括：
对旋转磁偶极子进行定位仿真，验证所述两点旋磁定位算法的定位精度。
具体地，为验证本申请提出的两点旋磁定位算法，本实施例设计仿真实验，仿真分析基于两点旋磁定位算法的定位精度。
为验证本申请提出的两点旋磁定位算法，本申请对旋转磁偶极子进行定位仿真，设旋转磁偶极子坐标为D(10,4,15)，旋转磁偶极子磁矩大小为mxy＝1000A m2，ml＝100A m2，旋转频率f＝5Hz，ω＝2πf，采样时间间隔ΔT＝1/(100 f)，设磁场的第一观测点P1坐标和第二观测点P2的坐标分别为P1(0,0,0)；P2(5,8,7)。则第一观测点和第二观测点的磁场强度分布如图4和图5所示。
由图4和图5可知旋转磁偶极子产生的磁场强度在x、y、z三轴的分量是具有一定频率的正余弦信号。
测量点P1和P2的位置不变，改变旋转磁偶极子的位置，设旋转磁偶极子的坐标y0＝4m，z0＝15m，x0的坐标由2m至51m依次间隔1m取点，共取50个点。根据本发明实施例提供的两点旋磁定位算法获取旋转磁偶极子定位坐标点的计算值，与旋转磁偶极子定位坐标点的理论值比较，获得两点旋磁定位算法的的定位误差。仿真结果如图6所示，图6为本发明实施例提供的旋转磁偶极子定位坐标点的计算值和理论值的示意图。
由图6可知，旋转磁偶极子定位坐标点的计算值和理论值结果十分接近，因此，本发明实施例提供的两点旋磁定位算法的定位精度高。
与单点旋磁定位算法必须在磁偶极子磁矩已知的情况下进行相比。本发明实施例提供的基于旋转磁偶极子的两点轴频磁场定位方法，只需要测量两个观测点的磁场强度即可反演推算出旋转磁偶极子的坐标，且定位精度高。
在一个实施例中，本申请提供的基于旋转磁偶极子的两点轴频磁场定位方法还包括：仿真分析旋转磁偶极子晃动对本发明两点旋磁定位算法的定位精度的影响。
具体地，磁性目标磁性分布不一定均匀，这就造成了旋转磁偶极子不是绕圆心运动，而是绕圆环范围运动。图7为本发明实施例提供的旋转磁偶极子晃动时测量示意图，如图7所示：
旋转磁偶极子所在坐标为D(x0,y0,z0)，磁矩
Figure BDA0002676575840000191
绕以D点为原点，以r'为半径的圆环上运动，在z坐标方向上在[z0-z',z0+z']范围内运动，z'为在z轴上的运动半径。则磁矩位置坐标变为：
Figure BDA0002676575840000192
设旋转磁偶极子的坐标D(x0,y0,z0)＝(15,40,20)，第一观测点P1坐标和第二观测点P2的坐标分别为P1(0,0,0)；P2(3,5,1)。z'＝0.1m，即z0在[z0-0.1,z+0.1]范围内取值，在xy平面内晃动半径从r'＝0.05m开始，每间隔0.05m定位1次，共计算50次。定位误差仿真结果如图8和图9所示。
图8为本发明实施例提供的旋转磁偶极子不同晃动半径下的三轴坐标绝对误差，图8中以旋转磁偶极子的晃动半径r'为横坐标，绝对误差为纵坐标。图9为本发明实施例提供的旋转磁偶极子不同晃动半径下的三轴坐标相对误差。图9中，旋转磁偶极子的晃动半径r'为横坐标，相对误差为纵坐标。由图8和图9可得，随着晃动半径r'的增加，旋转磁偶极子三轴坐标的相对误差和绝对误差变大。当晃动半径r'＜2m时，三轴坐标绝对误差小于0.3m，相对误差小于1％。
在一个实施例中，本申请提供的基于旋转磁偶极子的两点轴频磁场定位方法还包括：仿真分析旋转磁偶极子的测量噪声对两点旋磁定位算法的定位精度的影响。
具体地，由于旋转偶极子的磁场是一种具有一定频率的正弦信号。测量噪声一般为随机噪声，属于静态信号。在实验过程中，通过滤波可以很容易地去除静态信号。因此，测量噪声相对较小，主要包括仪器噪声。本仿真实验取测量噪声约为0.1nT，各个观测点坐标不变，改变磁偶极子坐标，设旋转磁偶极子的坐标y0＝4m，z0＝15m，x0的坐标由2m至51m依次间隔1m取点，共取50个点。分别计算旋转偶极子三轴坐标的绝对误差和相对误差。
图10为本发明实施例提供的测量噪声为0.1nT时旋转磁偶极子三轴坐标绝对误差。图10中，以旋转磁偶极子在x轴的坐标值为横坐标，以绝对误差为纵坐标。图11为本发明实施例提供的测量噪声为0.1nT时旋转磁偶极子三轴坐标相对误差。图11中，以旋转磁偶极子在x轴的坐标值为横坐标，以相对误差为纵坐标。
分析图10和图11可知，当旋转磁偶极子在x轴的坐标小于28m时，旋转磁偶极子定位坐标的绝对误差小于0.1m，相对误差小于2％；当旋转磁偶极子在x轴的坐标超过30m时，转磁偶极子定位坐标的绝对误差和相对误差显著增大，相对误差最大达到30％，此时本发明实施例提供的两点旋磁定位算法失效。这是由于随着旋转磁偶极子在x轴坐标的增加，各个观测点与旋转磁偶极子的距离逐渐增大，各个观测点测得的磁场逐渐减小，从而受到测量噪声的影响变大。由此可知，测量噪声限值了测量距离，在本发明提供的方法的实际应用中，可以通过控制测量噪声，以实现更大的定位范围。
在一个实施例中，图12为本发明实施例提供的基于旋转磁偶极子的两点轴频磁场定位装置的结构框图，参照图12，该装置包括旋磁建模模块101、旋磁初始角求解模块102和旋磁坐标求解模块103，其中：
旋磁建模模块101用于将舰船旋转螺旋桨等效为旋转磁偶极子，建立所述旋转磁偶极子的测量坐标系。旋磁初始角求解模块102用于基于旋转磁偶极子的测量坐标系，分析获得所述旋转磁偶极子的旋转初始角度与旋转磁偶极子在预设观测点P处产生的磁场强度之间的关系式。旋磁坐标求解模块103用于根据在第一观测点P1和第二观测点P2测得的磁场强度，结合旋转磁偶极子的旋转初始角度与旋转磁偶极子在预设观测点处产生的磁场强度之间的关系式，通过两点旋磁定位算法求解出旋转磁偶极子的坐标位置。
具体的如何利用旋磁建模模块101、旋磁初始角求解模块102和旋磁坐标求解模块103求解旋转磁偶极子的坐标位置，可参见上述基于旋转磁偶极子的两点轴频磁场定位方法实施例的步骤，本发明实施例在此不再赘述。
本发明实施例提供的基于旋转磁偶极子的两点轴频磁场定位装置，将旋转螺旋桨等效成相同旋转速度的旋转磁偶极子，并对旋转磁偶极子进行了磁场建模，将旋转磁偶极子磁矩分解为在x、y、z轴方向上的磁矩分量
Figure BDA0002676575840000211
和
Figure BDA0002676575840000212
分别计算了由三个磁矩分量产生的磁场矢量
Figure BDA0002676575840000213
和
Figure BDA0002676575840000214
通过两个观测点P1和P2处测得到的磁场强度B1(Bx1,By1,Bz1)和B2(Bx2,By2,Bz2)计算出磁偶极子的旋转初始角度α0，然后通过变量关系求解旋转磁偶极子的坐标(x0,y0,z0)，从而实现磁源定位。本发明提出了基于两点的旋转磁场定位算法，只需要测量两个观测点的磁场强度即可反演推算出旋转磁偶极子的坐标。
在一个实施例中，基于相同的构思，本发明实施例提供了本发明实施例提供了一种电子设备，如图13所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)201、通信接口(Communications Interface)202、存储器(memory)203和通信总线204，其中，处理器201，通信接口202，存储器203通过通信总线204完成相互间的通信。处理器201可以调用存储器203中的逻辑指令，以执行上述各实施例提供的基于旋转磁偶极子的两点轴频磁场定位方法，例如包括：S1，将舰船旋转螺旋桨等效为旋转磁偶极子，建立所述旋转磁偶极子的测量坐标系。S2，基于旋转磁偶极子的测量坐标系，分析获得所述旋转磁偶极子的旋转初始角度与旋转磁偶极子在预设观测点P处产生的磁场强度之间的关系式。S3，根据在第一观测点P1和第二观测点P2测得的磁场强度，结合旋转磁偶极子的旋转初始角度与旋转磁偶极子在预设观测点处产生的磁场强度之间的关系式，通过两点旋磁定位算法求解出旋转磁偶极子的坐标位置。
在一个实施例中，基于相同的构思，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的基于旋转磁偶极子的两点轴频磁场定位方法，例如包括：S1，将舰船旋转螺旋桨等效为旋转磁偶极子，建立所述旋转磁偶极子的测量坐标系。S2，基于旋转磁偶极子的测量坐标系，分析获得所述旋转磁偶极子的旋转初始角度与旋转磁偶极子在预设观测点P处产生的磁场强度之间的关系式。S3，根据在第一观测点P1和第二观测点P2测得的磁场强度，结合旋转磁偶极子的旋转初始角度与旋转磁偶极子在预设观测点处产生的磁场强度之间的关系式，通过两点旋磁定位算法求解出旋转磁偶极子的坐标位置。
本发明的各实施方式可以任意进行组合，以实现不同的技术效果。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于旋转磁偶极子的两点轴频磁场定位方法，其特征在于，包括：
S1，将舰船旋转螺旋桨等效为旋转磁偶极子，建立所述旋转磁偶极子的测量坐标系；
S2，基于旋转磁偶极子的测量坐标系，分析获得所述旋转磁偶极子的旋转初始角度与旋转磁偶极子在预设观测点P处产生的磁场强度之间的关系式；步骤S2具体包括：
S21，将旋转磁偶极子磁矩分解为三个正交磁矩
Figure FDA0003776696120000011
和
Figure FDA0003776696120000012
求解所述三个正交磁矩产生的磁场强度
Figure FDA0003776696120000013
和
Figure FDA0003776696120000014
求解三个正交磁矩
Figure FDA0003776696120000015
和
Figure FDA0003776696120000016
产生的磁场强度
Figure FDA0003776696120000017
和
Figure FDA0003776696120000018
各自在x、y、z三轴的分量，进而获得旋转磁偶极子在预设观测点处产生的磁场强度
Figure FDA0003776696120000019
在x、y、z三轴的分量与磁场强度
Figure FDA00037766961200000110
和
Figure FDA00037766961200000111
各自在x、y、z三轴的分量的关系式；
S22，根据旋转磁偶极子在预设观测点处产生的磁场强度
Figure FDA00037766961200000112
在x、y、z三轴的分量，求解获得旋转磁偶极子的旋转初始角度α0与所述磁场强度
Figure FDA00037766961200000113
之间的关系式；
S3，根据在第一观测点P1和第二观测点P2测得的磁场强度，结合旋转磁偶极子的旋转初始角度与旋转磁偶极子在预设观测点处产生的磁场强度之间的关系式，通过两点旋磁定位算法求解出旋转磁偶极子的坐标位置。
2.根据权利要求1所述的基于旋转磁偶极子的两点轴频磁场定位方法，其特征在于，步骤S1中所述将舰船旋转螺旋桨等效为旋转磁偶极子，建立所述旋转磁偶极子的测量坐标系，具体包括
假设旋转磁偶极子的旋转角速度为ω；旋转磁偶极子磁矩与x轴的初始夹角为α0；假设旋转磁偶极子的坐标为D(x0,y0,z0)，预设观测点的坐标为P(x,y,z)，旋转磁偶极子磁矩
Figure FDA00037766961200000114
在xy坐标平面内的分量为
Figure FDA00037766961200000115
在z轴上的磁矩分量为
Figure FDA00037766961200000116
建立旋转磁偶极子的测量坐标系。
3.根据权利要求1所述的基于旋转磁偶极子的两点轴频磁场定位方法，其特征在于，步骤S21具体包括：
设旋转磁偶极子的磁矩
Figure FDA0003776696120000021
在x、y和z轴上的磁矩分量分别为
Figure FDA0003776696120000022
和
Figure FDA0003776696120000023
则有：
Figure FDA0003776696120000024
式中，磁矩
Figure FDA0003776696120000025
在xy平面内的投影为
Figure FDA0003776696120000026
在z轴上的投影为
Figure FDA0003776696120000027
ωgt表示任意时刻旋转磁偶极子转过的角度；α0表示旋转磁偶极子磁矩
Figure FDA0003776696120000028
与x轴的初始夹角；
由毕奥-萨伐尔定律得出，旋转磁偶极子D(x0,y0,z0)在预设观测点P(x,y,z)处产生的磁感应强度
Figure FDA0003776696120000029
为：
Figure FDA00037766961200000210
式中，
Figure FDA00037766961200000211
表示旋转磁偶极子指向预设观测点位置矢量，r表示旋转磁偶极子到预设观测点的距离，r2＝(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2；μ0为相对磁导率，μ0＝4π×10-7；
设由x轴方向的磁矩
Figure FDA00037766961200000212
产生的磁场强度为
Figure FDA00037766961200000213
由y轴方向的磁矩
Figure FDA00037766961200000214
产生的磁场强度为
Figure FDA00037766961200000215
由z轴方向的磁矩
Figure FDA00037766961200000216
产生的磁场强度为
Figure FDA00037766961200000217
则由公式(1)、(2)得到磁矩
Figure FDA00037766961200000218
在P点产生的磁场三分量为：
Figure FDA00037766961200000219
设磁矩三分量
Figure FDA00037766961200000220
和
Figure FDA00037766961200000221
在三轴的磁场分量分别为
Figure FDA00037766961200000222
和
Figure FDA00037766961200000223
则磁场强度表示为：
Figure FDA00037766961200000224
令：
Figure FDA00037766961200000225
其中，a11,a12,a13,a21,a22,a23,a31,a32,a33分别表示等式右侧矩阵各分量；
将公式(3)进行化简得到：
Figure FDA0003776696120000031
由公式(5)得到：a12＝a21 (7)
根据公式(4)(7)得到，旋转磁偶极子在预设观测点P处产生的磁场强度
Figure FDA0003776696120000032
在x、y、z三轴的分量Bx,By,Bz为：
Figure FDA0003776696120000033
4.根据权利要求3所述的基于旋转磁偶极子的两点轴频磁场定位方法，其特征在于，步骤S22中，根据旋转磁偶极子在预设观测点处产生的磁场强度
Figure FDA0003776696120000034
在x、y、z三轴的分量，求解获得旋转磁偶极子的旋转初始角度α0与所述磁场强度
Figure FDA0003776696120000035
之间的关系式，具体包括：
根据公式(8)得出：
Figure FDA0003776696120000036
Figure FDA0003776696120000037
对公式(9)(10)进行积分得到：
Figure FDA0003776696120000041
其中，T为采样周期；a12＝a21；则根据公式(6)(11)得到：
Figure FDA0003776696120000042
根据公式(12)运算得到：
Figure FDA0003776696120000043
根据公式(13)求得旋转磁偶极子的旋转初始角度α0与所述磁场强度
Figure FDA0003776696120000044
之间的关系式为：
Figure FDA0003776696120000045
5.根据权利要求4所述的基于旋转磁偶极子的两点轴频磁场定位方法，其特征在于，步骤S3具体包括：
由公式(11)(14)得到：
Figure FDA0003776696120000051
由公式(3)(4)得到：
Figure FDA0003776696120000052
采用两点磁场定位，取第一观测点P1和第二观测点P2的坐标分别为P1(x1,y1,z1)＝(0,0,0)；P2(x2,y2,z2)，第一观测点P1和第二观测点P2所测得的磁场强度分别为B1：(Bx1,By1,Bz1)和B2:(Bx2,By2,Bz2)，结合公式(15)得到：
Figure FDA0003776696120000061
其中，Bx1、By1、Bz1分别为旋转磁偶极子D(x0,y0,z0)在第一观测点P1(x1,y1,z1)处产生的磁场强度B1在x、y、z三轴的分量；Bx2、By2、Bz2分别为旋转磁偶极子在第二观测点P2(x2,y2,z2)处产生的磁场强度B2在x、y、z三轴的分量；a11(1),a12(1),a21(1),a22(1),a31(1),a32(1)为P1点求解得到公式(5)所设的部分变量系数；a11(2),a12(2),a21(2),a22(2),a31(2),a32(2)是由P2点求解得到公式(5)中所设的部分变量系数；
由公式(16)(17)得到：
Figure FDA0003776696120000062
进而求解出旋转磁偶极子D(x0,y0,z0)在测量坐标系的坐标位置：
Figure FDA0003776696120000071
6.根据权利要求1所述的基于旋转磁偶极子的两点轴频磁场定位方法，其特征在于，在步骤S3之后，所述方法还包括：
对旋转磁偶极子进行定位仿真，验证所述两点旋磁定位算法的定位精度。
7.一种基于旋转磁偶极子的两点轴频磁场定位装置，其特征在于，包括：
旋磁建模模块，用于将舰船旋转螺旋桨等效为旋转磁偶极子，建立所述旋转磁偶极子的测量坐标系；
旋磁初始角求解模块，用于基于旋转磁偶极子的测量坐标系，分析获得所述旋转磁偶极子的旋转初始角度与旋转磁偶极子在预设观测点P处产生的磁场强度之间的关系式；包括：将旋转磁偶极子磁矩分解为三个正交磁矩
Figure FDA0003776696120000072
和
Figure FDA0003776696120000073
求解所述三个正交磁矩产生的磁场强度
Figure FDA0003776696120000074
和
Figure FDA0003776696120000075
求解三个正交磁矩
Figure FDA0003776696120000076
和
Figure FDA0003776696120000077
产生的磁场强度
Figure FDA0003776696120000078
和
Figure FDA0003776696120000079
各自在x、y、z三轴的分量，进而获得旋转磁偶极子在预设观测点处产生的磁场强度
Figure FDA00037766961200000710
在x、y、z三轴的分量与磁场强度
Figure FDA00037766961200000711
和
Figure FDA00037766961200000712
各自在x、y、z三轴的分量的关系式；根据旋转磁偶极子在预设观测点处产生的磁场强度
Figure FDA00037766961200000713
在x、y、z三轴的分量，求解获得旋转磁偶极子的旋转初始角度α0与所述磁场强度
Figure FDA00037766961200000714
之间的关系式；
旋磁坐标求解模块，用于根据在第一观测点P1和第二观测点P2测得的磁场强度，结合旋转磁偶极子的旋转初始角度与旋转磁偶极子在预设观测点处产生的磁场强度之间的关系式，通过两点旋磁定位算法求解出旋转磁偶极子的坐标位置。
8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至6任一项所述基于旋转磁偶极子的两点轴频磁场定位方法的步骤。
9.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述基于旋转磁偶极子的两点轴频磁场定位方法的步骤。
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