CN112649766A - 基于全张量磁测系统实现合作磁目标识别的方法及系统 - Google Patents

基于全张量磁测系统实现合作磁目标识别的方法及系统 Download PDF

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CN112649766A CN202011361719.XA CN202011361719A CN112649766A CN 112649766 A CN112649766 A CN 112649766A CN 202011361719 A CN202011361719 A CN 202011361719A CN 112649766 A CN112649766 A CN 112649766A
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Abstract

本发明提供了一种基于全张量磁测系统实现合作磁目标识别的方法及系统，该方法包括：基于磁目标特性，确定全张量磁测系统基线长度；完成测试系统的搭建；根据磁梯度张量及合作磁目标位置坐标，采用LM优化方法建立目标磁矩的估计方程；将合作磁目标沿多个方向进行不同角度的转动，计算获取合作磁目标在不同姿态下的磁矩估计，获取合作磁目标在不同姿态下的背景磁场；建立目标识别参数模型，根据合作磁目标在不同姿态下的背景磁场以及磁矩估计，基于最小二乘法求解目标识别参数模型中的参数以完成目标识别。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中缺乏对合作磁目标的特性研究导致的高精度磁测系统因搭载平台自身磁干扰导致探测性能低的技术问题。

Description

基于全张量磁测系统实现合作磁目标识别的方法及系统
技术领域
本发明涉及磁目标特性建模与参数识别技术领域，尤其涉及一种基于全张量磁测系统实现合作磁目标识别的方法及系统。
背景技术
目前，磁目标泛指构成成分中含铁、钴、镍等元素的合金或材料，如轮船、飞机、舰船及航天器等平台内部均含有不同类别的铁磁性部件等，均可视为磁目标。磁目标在缓变地磁场下的磁性主要来源于两个方面，其一为磁目标内剩磁材料永磁特性，其二为磁目标在地磁场磁化作用的感应磁性，二者分别对应磁目标内部的硬磁和软磁材料。利用磁目标周围测量磁异常可以实现对磁目标的探测和参数识别，对应降低平台磁性、识别磁性来源及了解平台磁场分布规律具有重要的研究价值和意义。全张量磁测系统，与传统矢量或标量探测系统相比，具有探测场量丰富、自动抑制地磁环境干扰的特点，特别适用于近距磁目标探测与识别。目前全张量磁测系统主要用于UXO(未爆弹)等非合作目标定位与分类应用中，而针对合作磁目标的特性目前没有相关方面的研究，因此无法对舰船、飞机及航天器等磁载平台的关键部件进行磁性分析及平台整体磁性评估，影响磁载平台的探测性能。
发明内容
本发明提供了一种基于全张量磁测系统实现合作磁目标识别的方法及系统，能够解决现有技术中缺乏对平台合作磁目标的特性研究导致的高精度磁测系统因搭载平台自身磁干扰导致探测性能低的技术问题。
根据本发明的一方面，提供了一种基于全张量磁测系统实现合作磁目标识别的方法，基于全张量磁测系统实现合作磁目标识别的方法包括：基于磁目标特性，确定全张量磁测系统基线长度；将合作磁目标和矢量磁传感器放置在转台组件上，根据合作磁目标磁信号期望值，确定目标坐标系下全张量磁测系统与转台组件之间的相对位置以完成测试系统的搭建；在测试系统的基础上，基于全张量磁测系统获取合作磁目标的磁梯度张量，根据合作磁目标的磁梯度张量及已知的合作磁目标位置坐标，采用LM优化方法建立目标磁矩的估计方程；将合作磁目标沿多个方向进行不同角度的转动，根据目标磁矩的估计方程计算获取合作磁目标在不同姿态下的磁矩估计，通过矢量磁传感器获取合作磁目标在不同姿态下的背景磁场；建立目标识别参数模型，根据合作磁目标在不同姿态下的背景磁场以及磁矩估计，基于最小二乘法求解目标识别参数模型中的参数以完成目标识别。
进一步地，测试系统的搭建具体包括：选择地磁梯度均匀的地面区域，将转台组件放置在地面区域；将合作磁目标安装于转台组件的中心位置，确保转台组件的中心与合作磁目标的体心相重合，确定目标参考坐标系；根据目标参考坐标系，将矢量磁传感器固定于转台组件上，确保矢量磁传感器的参考坐标系与目标参考坐标系一致；根据目标磁信号期望值，确定目标参考坐标系下全张量磁测系统相对转台组件中心的位置。
进一步地，转台组件包括三轴无磁转台本体和转台装载平台，转台装载平台固定设置在三轴无磁转台本体上，转台装载平台用于安装合作磁目标和矢量磁传感器。
进一步地，全张量磁测系统基线长度L可根据
Figure BDA0002804172990000021
来获取，其中，σε为噪声的标准差，σeq为等效噪声的标准差。
进一步地，目标磁矩的估计方程为
Figure BDA0002804172990000031
其中，μ0为真空磁导率，i,j＝x,y,z，m为磁矩矢量，r为距离矢量，r为距离矢量的幅度，当i＝j时，δij＝1，当i≠j时，δij＝0；x,y,z为全张量磁测系统中心已知位置坐标，Mx为合作磁目标沿x方向的磁矩分量，My为合作磁目标沿y方向的磁矩分量，Mz为合作磁目标沿z方向的磁矩分量，Gxx为x方向的磁场分量在x方向的磁场梯度，Gyy为y方向的磁场分量在y方向的磁场梯度，Gzz为z方向的磁场分量在z方向的磁场梯度，Gxy为x方向的磁场分量在y方向的磁场梯度，Gyx为y方向的磁场分量在x方向的磁场梯度，Gxz为x方向的磁场分量在z方向的磁场梯度，Gzx为z方向的磁场分量在x方向的磁场梯度，Gyz为y方向的磁场分量在z方向的磁场梯度，Gzy为z方向的磁场分量在y方向的磁场梯度，Bx为x分量磁场，By为y分量磁场，Bz为z分量磁场。
进一步地，磁目标识别参数模型为
Figure BDA0002804172990000032
其中，aij,i＝1,2,3；j＝1,2,3为合作磁目标各项异性感磁系数，pi,i＝1,2,3为合作磁目标的永磁系数，Mxk,Myk,Mzk为合作磁目标在第k个目标姿态下分别沿x,y,z方向的目标磁矩分量，Bxk,Byk,Bzk为目标参考坐标系在第k个目标姿态下分别沿x,y,z方向的背景磁场分量。
进一步地，将合作磁目标沿多个方向进行不同角度的转动，根据目标磁矩的估计方程计算获取合作磁目标在不同姿态下的磁矩估计具体包括：将合作磁目标沿东向逐次完成俯仰-30°、俯仰0°、俯仰30°、滚转-30°、滚转0°和滚转30°操作，沿西向逐次完成俯仰-30°、俯仰0°、俯仰30°、滚转-30°、滚转0°和滚转30°操作，沿南向逐次完成俯仰-30°、俯仰0°、俯仰30°、滚转-30°、滚转0°和滚转30°操作，沿北向逐次完成俯仰-30°、俯仰0°、俯仰30°、滚转-30°、滚转0°和滚转30°操作；根据目标磁矩的估计方程计算获取合作磁目标在上述24个不同姿态下的磁矩估计。
进一步地，目标识别参数模型中的参数包括合作磁目标各项异性感磁系数和合作磁目标的永磁系数。
根据本发明的又一方面，提供了一种用于识别合作磁目标的测试系统，测试系统使用如上所述的合作磁目标识别的方法进行目标识别。
进一步地，测试系统包括转台组件、矢量磁传感器和全张量磁测系统，转台组件包括三轴无磁转台本体和转台装载平台，转台装载平台固定设置在三轴无磁转台本体上，转台装载平台具有目标装载区和矢量磁传感器装载区，目标装载区用于安装合作磁目标，矢量磁传感器装载区用于安装矢量磁传感器，矢量磁传感器用于获取合作磁目标在任何姿态下的背景磁场，全张量磁测系统用于实现合作磁目标的磁梯度探测。
应用本发明的技术方案，提供了一种基于全张量磁测系统实现合作磁目标识别的方法，该方法通过搭建测试系统，在测试系统的基础上，通过合作磁目标依次完成多个方向不同角度的转动，根据目标磁矩的估计方程计算获取合作磁目标在不同姿态下的磁矩估计，根据合作磁目标在不同姿态下的背景磁场以及磁矩估计，基于最小二乘法求解目标识别参数模型中的参数以完成目标识别。该方法与现有技术相比，提供了一种合作磁目标的识别方法，该方法能够实现任意地磁背景下磁目标的识别，可针对舰船、飞机及航天器等磁载平台的关键部件进行磁性分析及平台整体磁性评估，构建低磁性系统与平台技术，提高磁载平台探测性能。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅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示出了根据本发明的具体实施例提供的基于全张量磁测系统实现合作磁目标识别的方法的流程框图；
图2示出了根据本发明的具体实施例提供的用于识别合作磁目标的测试系统的结构示意图；
图3(a)至图3(f)示出了根据本发明的具体实施例提供的全张量磁测系统架构布局的示意图；
图4示出了根据本发明的具体实施例提供的正八面体结构的示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、转台组件；11、三轴无磁转台本体；12、转台装载平台；12a、目标装载区；12b、矢量磁传感器装载区；20、矢量磁传感器。
具体实施方式
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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种基于全张量磁测系统实现合作磁目标识别的方法，该基于全张量磁测系统实现合作磁目标识别的方法包括：基于磁目标特性，确定全张量磁测系统基线长度；将合作磁目标和矢量磁传感器放置在转台组件上，根据合作磁目标磁信号期望值，确定目标坐标系下全张量磁测系统与转台组件之间的相对位置以完成测试系统的搭建；在测试系统的基础上，基于全张量磁测系统获取合作磁目标的磁梯度张量，根据合作磁目标的磁梯度张量及已知的合作磁目标位置坐标，采用LM优化方法建立目标磁矩的估计方程；将合作磁目标沿多个方向进行不同角度的转动，根据目标磁矩的估计方程计算获取合作磁目标在不同姿态下的磁矩估计，通过矢量磁传感器获取合作磁目标在不同姿态下的背景磁场；建立目标识别参数模型，根据合作磁目标在不同姿态下的背景磁场以及磁矩估计，基于最小二乘法求解目标识别参数模型中的参数以完成目标识别。
应用此种配置方式，提供了一种基于全张量磁测系统实现合作磁目标识别的方法，该方法通过搭建测试系统，在测试系统的基础上，通过合作磁目标依次完成多个方向不同角度的转动，根据目标磁矩的估计方程计算获取合作磁目标在不同姿态下的磁矩估计，根据合作磁目标在不同姿态下的背景磁场以及磁矩估计，基于最小二乘法求解目标识别参数模型中的参数以完成目标识别。该方法与现有技术相比，提供了一种合作磁目标的识别方法，该方法能够实现任意地磁背景下磁目标的识别，可针对舰船、飞机及航天器等磁载平台的关键部件进行磁性分析及平台整体磁性评估，构建低磁性系统与平台技术，提高磁载平台探测性能。
具体地，在本发明中，为了实现合作磁目标的识别，首先需要基于磁目标特性，确定全张量磁测系统基线长度以完成全张量磁测系统的设计。具体地，定义全张量磁测系统的两磁力计距离为基线，用L表示。若假定磁力计的噪声独立同分布，且噪声的标准差为σε，则等效噪声的标准差为
Figure BDA0002804172990000081
其中，σε为噪声的标准差，σeq为等效噪声的标准差。根据公式一可知，等效噪声与阵列基线长度成反比，基线越长探测灵敏度越高；但基线长度增加，使得利用磁力计差分近似磁梯度误差会加大。全张量磁测系统基线长度L可根据
Figure BDA0002804172990000082
来获取，基于合作磁性磁梯度信号的期望值，确定基线长度要保证测量信噪比(即信号期望值/等效噪声的标准差不小于3)和磁力计差分近似磁梯度误差(不大于5％)综合效果最佳。
进一步地，在确定了全张量磁测系统的基线之后，需要将合作磁目标和矢量磁传感器放置在转台组件上，根据合作磁目标磁信号期望值，确定目标坐标系下全张量磁测系统与转台组件之间的相对位置以完成测试系统的搭建。
具体地，在本发明中，测试系统的搭建具体包括：选择地磁梯度均匀的地面区域，将转台组件放置在地面区域；将合作磁目标安装于转台组件的中心位置，确保转台组件的中心与合作磁目标的体心相重合，确定目标参考坐标系；根据目标参考坐标系，将矢量磁传感器固定于转台组件上，确保矢量磁传感器的参考坐标系与目标参考坐标系一致；根据目标磁信号期望值，确定目标参考坐标系下全张量磁测系统相对转台组件中心的位置。
作为本发明的一个具体实施例，为了方便合作磁目标和矢量磁传感器在转台组件上的安装，可将转台组件10配置为包括三轴无磁转台本体11和转台装载平台12，转台装载平台12固定设置在三轴无磁转台本体11上，转台装载平台12用于安装合作磁目标和矢量磁传感器。具体地，在搭建测试系统时，首先选择地磁梯度均匀的地面区域进行试验平台布置，要求地磁空间梯度优于1nT/m；然后将合作磁目标安装于转台装载平面12的旋转共心位置，确保转台装载平面12的旋转中心与合作磁目标的体心相重合，保证旋转过程中合作磁目标的体心不变，确定目标参考坐标系。接着，根据目标参考坐标系，将矢量磁传感器固定于转台装载平台12上且与三轴无磁转台本体11的转轴固定连接，保证矢量磁传感器的坐标系与目标参考坐标系一致，便于获取合作磁目标实时背景磁场。最后，根据目标磁信号期望值，确定目标参考坐标系下全张量磁测系统相对转台组件中心的位置(坐标系原点为转台转轴中心)。
进一步地，在本发明中，在完成了测试系统的搭建之后，即可在测试系统的基础上，基于全张量磁测系统获取合作磁目标的磁梯度张量，根据合作磁目标的磁梯度张量及已知的合作磁目标位置坐标，采用LM优化方法建立目标磁矩的估计方程。
具体地，在本发明中，磁梯度张量是合作磁目标磁场分量在空间的导数，一般选用基线两端的两个磁场传感器的位置处的磁场差值与两个磁场传感器之间的距离的比值近似磁场的梯度，具体如公式二。
Figure BDA0002804172990000101
其中，G为磁场梯度张量，Δx为全张量磁测系统的等效x方向的基线长度，Δy为全张量磁测系统的等效y方向的基线长度，Δz为全张量磁测系统的等效z方向的基线长度，ΔBx为基线两端的两个不同位置处传感器x分量磁场的差值，ΔBy为基线两端的两个不同位置处传感器y分量磁场的差值，ΔBz为基线两端的两个不同位置处传感器z分量磁场的差值，Gxx为x方向的磁场分量在x方向的磁场梯度，Gyy为y方向的磁场分量在y方向的磁场梯度，Gzz为z方向的磁场分量在z方向的磁场梯度，Gxy为x方向的磁场分量在y方向的磁场梯度，Gyx为y方向的磁场分量在x方向的磁场梯度，Gxz为x方向的磁场分量在z方向的磁场梯度，Gzx为z方向的磁场分量在x方向的磁场梯度，Gyz为y方向的磁场分量在z方向的磁场梯度，Gzy为z方向的磁场分量在y方向的磁场梯度。
如图3(a)至图3(f)所示，全张量磁测系统有多种布局方式，包括三角形布局、正方形布局、“十字”形布局、正四面体布局、正八面体布局和立方体布局。作为本发明的一个具体实施例，如图4所示，以正八面体为例，六个磁力计分别放置在正八面体的六个顶角，该结构的张量表达如公式三。其中，Bx1为第一个传感器x分量磁场，Bx2为第二个传感器x分量磁场，Bx3为第三个传感器x分量磁场，Bx4为第四个传感器x分量磁场，Bx5为第五个传感器x分量磁场，Bx6为第六个传感器x分量磁场；By1为第一个传感器y分量磁场，By2为第二个传感器y分量磁场，By3为第三个传感器y分量磁场，By4为第四个传感器y分量磁场，By5为第五个传感器y分量磁场，By6为第六个传感器y分量磁场；Bz1为第一个传感器z分量磁场，Bz2为第二个传感器z分量磁场，Bz3为第三个传感器z分量磁场，Bz4为第四个传感器z分量磁场，Bz5为第五个传感器z分量磁场，Bz6为第六个传感器z分量磁场。
Figure BDA0002804172990000111
磁偶极子的空间矢量磁场的表达式如公式四所示。其中，μ0为真空磁导率，m为磁矩矢量，r为距离矢量，r为距离矢量的幅度。测量磁场矩阵表达如公式五所示，其中，Mx，My，Mz为目标磁矩分量，x,y,z为全张量磁测系统中心已知位置坐标。
Figure BDA0002804172990000112
Figure BDA0002804172990000113
根据公式二和公式五，可以计算全张量磁测系统的梯度张量结果如公式六，其中，i,j＝x,y,z。根据合作磁目标的磁梯度张量及已知的合作磁目标位置坐标，采用列文伯格-马夸尔特LM优化方法建立目标磁矩的估计方程，目标磁矩的估计方程为
Figure BDA0002804172990000121
其中，μ0为真空磁导率，i,j＝x,y,z，m为磁矩矢量，r为距离矢量，r为距离矢量的幅度，当i＝j时，δij＝1，当i≠j时，δij＝0；x,y,z为全张量磁测系统中心已知位置坐标，Mx为合作磁目标沿x方向的磁矩分量，My为合作磁目标沿y方向的磁矩分量，Mz为合作磁目标沿z方向的磁矩分量，Gxx为x方向的磁场分量在x方向的磁场梯度，Gyy为y方向的磁场分量在y方向的磁场梯度，Gzz为z方向的磁场分量在z方向的磁场梯度，Gxy为x方向的磁场分量在y方向的磁场梯度，Gyx为y方向的磁场分量在x方向的磁场梯度，Gxz为x方向的磁场分量在z方向的磁场梯度，Gzx为z方向的磁场分量在x方向的磁场梯度，Gyz为y方向的磁场分量在z方向的磁场梯度，Gzy为z方向的磁场分量在y方向的磁场梯度，Bx为x分量磁场，By为y分量磁场，Bz为z分量磁场。
进一步地，在完成了目标磁矩的估计方程的建立之后，将合作磁目标沿多个方向进行不同角度的转动，根据目标磁矩的估计方程计算获取合作磁目标在不同姿态下的磁矩估计，通过矢量磁传感器获取合作磁目标在不同姿态下的背景磁场；建立目标识别参数模型，根据合作磁目标在不同姿态下的背景磁场以及磁矩估计，基于最小二乘法求解目标识别参数模型中的参数以完成目标识别。
在本发明中，将合作磁目标沿多个方向进行不同角度的转动，根据目标磁矩的估计方程计算获取合作磁目标在不同姿态下的磁矩估计具体包括：将合作磁目标沿东向逐次完成俯仰-30°、俯仰0°、俯仰30°、滚转-30°、滚转0°和滚转30°操作，沿西向逐次完成俯仰-30°、俯仰0°、俯仰30°、滚转-30°、滚转0°和滚转30°操作，沿南向逐次完成俯仰-30°、俯仰0°、俯仰30°、滚转-30°、滚转0°和滚转30°操作，沿北向逐次完成俯仰-30°、俯仰0°、俯仰30°、滚转-30°、滚转0°和滚转30°操作；根据目标磁矩的估计方程计算获取合作磁目标在上述24个不同姿态下的磁矩估计。
建立磁目标识别参数模型如公式七所示。其中，aij,i＝1,2,3；j＝1,2,3为合作磁目标各项异性感磁系数，pi,i＝1,2,3为合作磁目标的永磁系数，Mxk,Myk,Mzk为合作磁目标在第k个目标姿态下分别沿x,y,z方向的目标磁矩分量，Bxk,Byk,Bzk为目标参考坐标系在第k个目标姿态下分别沿x,y,z方向的背景磁场分量。公式七等效可写成公式八。
Figure BDA0002804172990000131
Figure BDA0002804172990000132
根据24次不同姿态合作磁目标磁矩估计计算的结果，建立测量数据与关系如公式九所示。
Figure BDA0002804172990000141
为了方便计算感磁系数a1i,i＝1,2,3和永磁系数p1，将公式九中自第二行起减去第一行，可建立计算感磁系数a1i,i＝1,2,3的超定方程组如公式十所示。
Figure BDA0002804172990000142
令
Figure BDA0002804172990000143
基于公式十可利用最小二乘法计算感磁系数a1i,i＝1,2,3，如公式十一所示。将感磁系数a1i,i＝1,2,3代入到公式九中可得到永磁系数p1。
Figure BDA0002804172990000144
同计算感磁系数a1i,i＝1,2,3和永磁系数p1类似，利用公式十二和公式十三可以同样获得感磁系数a2i,i＝1,2,3，a3i,i＝1,2,3和永磁系数p2，p3。
Figure BDA0002804172990000145
Figure BDA0002804172990000151
在获取了合作磁目标的各项异性感磁系数和永磁系数之后，即可完成合作磁目标的识别。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于识别合作磁目标的测试系统，如图2所示，该测试系统使用如上所述的合作磁目标识别的方法进行目标识别。该测试系统包括转台组件10、矢量磁传感器20和全张量磁测系统，转台组件10包括三轴无磁转台本体11和转台装载平台12，转台装载平台12固定设置在三轴无磁转台本体11上，转台装载平台12具有目标装载区12a和矢量磁传感器装载区12b，目标装载区12a用于安装合作磁目标，矢量磁传感器装载区12b用于安装矢量磁传感器20，矢量磁传感器20用于获取合作磁目标在任何姿态下的背景磁场，全张量磁测系统用于实现合作磁目标的磁梯度探测。
由于该测试系统使用本发明所提供的合作磁目标识别的方法进行目标识别，因此，其能够实现任意地磁背景下磁目标的识别，可针对舰船、飞机及航天器等磁载平台的关键部件进行磁性分析及平台整体磁性评估，构建低磁性系统与平台技术，提高磁载平台探测性能。
为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1至图4对本发明所提供的基于全张量磁测系统实现合作磁目标识别的方法进行详细说明。
如图1至图4所示，根据本发明的具体实施例提供了一种基于全张量磁测系统实现合作磁目标识别的方法，该方法具体包括如下步骤。
步骤一，基于磁目标特性，确定全张量磁测系统基线长度以完成全张量磁测系统的设计。确定基线长度要保证测量信噪比(即信号期望值/等效噪声的标准差不小于3)和磁力计差分近似磁梯度误差(不大于5％)综合效果最佳。
搭建测试系统，首先选择地磁梯度均匀的地面区域进行试验平台布置，要求地磁空间梯度优于1nT/m；然后将合作磁目标安装于转台装载平面12的旋转共心位置，确保转台装载平面12的旋转中心与合作磁目标的体心相重合，保证旋转过程中合作磁目标的体心不变，确定目标参考坐标系。接着，根据目标参考坐标系，将矢量磁传感器固定于转台装载平台12上且与三轴无磁转台本体11的转轴固定连接，保证矢量磁传感器的坐标系与目标参考坐标系一致，便于获取合作磁目标实时背景磁场。最后，根据目标磁信号期望值，确定目标参考坐标系下全张量磁测系统相对转台组件中心的位置。
步骤二，在测试系统的基础上，基于全张量磁测系统获取合作磁目标的磁梯度张量，根据合作磁目标的磁梯度张量及已知的合作磁目标位置坐标，采用LM优化方法建立目标磁矩的估计方程。
步骤三，将合作磁目标沿东向逐次完成俯仰-30°、俯仰0°、俯仰30°、滚转-30°、滚转0°和滚转30°操作，沿西向逐次完成俯仰-30°、俯仰0°、俯仰30°、滚转-30°、滚转0°和滚转30°操作，沿南向逐次完成俯仰-30°、俯仰0°、俯仰30°、滚转-30°、滚转0°和滚转30°操作，沿北向逐次完成俯仰-30°、俯仰0°、俯仰30°、滚转-30°、滚转0°和滚转30°操作；根据目标磁矩的估计方程计算获取合作磁目标在上述24个不同姿态下的磁矩估计，通过矢量磁传感器获取合作磁目标在不同姿态下的背景磁场；建立目标识别参数模型，根据合作磁目标在不同姿态下的背景磁场以及磁矩估计，基于最小二乘法求解目标识别参数模型中的各项异性感磁系数和永磁系数以完成目标识别。
综上所述，本发明提供了一种基于全张量磁测系统实现合作磁目标识别的方法，该方法能够实现任意地磁背景下磁目标的识别，可针对舰船、飞机及航天器等磁载平台的关键部件进行磁性分析及平台整体磁性评估，构建低磁性系统与平台技术，提高磁载平台探测性能。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于全张量磁测系统实现合作磁目标识别的方法，其特征在于，所述基于全张量磁测系统实现合作磁目标识别的方法包括：
基于磁目标特性，确定全张量磁测系统基线长度；将合作磁目标和矢量磁传感器放置在转台组件上，根据合作磁目标磁信号期望值，确定目标坐标系下所述全张量磁测系统与所述转台组件之间的相对位置以完成测试系统的搭建；
在所述测试系统的基础上，基于所述全张量磁测系统获取所述合作磁目标的磁梯度张量，根据所述合作磁目标的磁梯度张量及已知的合作磁目标位置坐标，采用LM优化方法建立目标磁矩的估计方程；
将所述合作磁目标沿多个方向进行不同角度的转动，根据所述目标磁矩的估计方程计算获取所述合作磁目标在不同姿态下的磁矩估计，通过所述矢量磁传感器获取所述合作磁目标在不同姿态下的背景磁场；建立目标识别参数模型，根据所述合作磁目标在不同姿态下的背景磁场以及磁矩估计，基于最小二乘法求解所述目标识别参数模型中的参数以完成目标识别。
2.根据权利要求1所述的基于全张量磁测系统实现合作磁目标识别的方法，其特征在于，所述测试系统的搭建具体包括：
选择地磁梯度均匀的地面区域，将转台组件放置在所述地面区域；
将所述合作磁目标安装于所述转台组件的中心位置，确保所述转台组件的中心与所述合作磁目标的体心相重合，确定目标参考坐标系；
根据所述目标参考坐标系，将所述矢量磁传感器固定于所述转台组件上，确保所述矢量磁传感器的参考坐标系与所述目标参考坐标系一致；
根据目标磁信号期望值，确定所述目标参考坐标系下所述全张量磁测系统相对所述转台组件中心的位置。
3.根据权利要求2所述的基于全张量磁测系统实现合作磁目标识别的方法，其特征在于，所述转台组件包括三轴无磁转台本体和转台装载平台，所述转台装载平台固定设置在所述三轴无磁转台本体上，所述转台装载平台用于安装所述合作磁目标和所述矢量磁传感器。
4.根据权利要求1所述的基于全张量磁测系统实现合作磁目标识别的方法，其特征在于，所述全张量磁测系统基线长度L可根据
Figure FDA0002804172980000021
来获取，其中，σε为噪声的标准差，σeq为等效噪声的标准差。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的基于全张量磁测系统实现合作磁目标识别的方法，其特征在于，所述目标磁矩的估计方程为
Figure FDA0002804172980000022
Figure FDA0002804172980000023
Figure FDA0002804172980000024
Figure FDA0002804172980000025
其中，μ0为真空磁导率，i,j＝x,y,z，
Figure FDA0002804172980000026
Figure FDA0002804172980000027
Figure FDA0002804172980000028
m为磁矩矢量，r为距离矢量，r为距离矢量的幅度，当i＝j时，δij＝1，当i≠j时，δij＝0；x,y,z为所述全张量磁测系统中心已知位置坐标，Mx为所述合作磁目标沿x方向的磁矩分量，My为所述合作磁目标沿y方向的磁矩分量，Mz为所述合作磁目标沿z方向的磁矩分量，Gxx为x方向的磁场分量在x方向的磁场梯度，Gyy为y方向的磁场分量在y方向的磁场梯度，Gzz为z方向的磁场分量在z方向的磁场梯度，Gxy为x方向的磁场分量在y方向的磁场梯度，Gyx为y方向的磁场分量在x方向的磁场梯度，Gxz为x方向的磁场分量在z方向的磁场梯度，Gzx为z方向的磁场分量在x方向的磁场梯度，Gyz为y方向的磁场分量在z方向的磁场梯度，Gzy为z方向的磁场分量在y方向的磁场梯度，Bx为x分量磁场，By为y分量磁场，Bz为z分量磁场。
6.根据权利要求5所述的基于全张量磁测系统实现合作磁目标识别的方法，其特征在于，所述磁目标识别参数模型为
Figure FDA0002804172980000031
其中，aij,i＝1,2,3；j＝1,2,3为合作磁目标各项异性感磁系数，pi,i＝1,2,3为合作磁目标的永磁系数，Mxk,Myk,Mzk为合作磁目标在第k个目标姿态下分别沿x,y,z方向的目标磁矩分量，Bxk,Byk,Bzk为目标参考坐标系在第k个目标姿态下分别沿x,y,z方向的背景磁场分量。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的基于全张量磁测系统实现合作磁目标识别的方法，其特征在于，将所述合作磁目标沿多个方向进行不同角度的转动，根据所述目标磁矩的估计方程计算获取所述合作磁目标在不同姿态下的磁矩估计具体包括：
将所述合作磁目标沿东向逐次完成俯仰-30°、俯仰0°、俯仰30°、滚转-30°、滚转0°和滚转30°操作，沿西向逐次完成俯仰-30°、俯仰0°、俯仰30°、滚转-30°、滚转0°和滚转30°操作，沿南向逐次完成俯仰-30°、俯仰0°、俯仰30°、滚转-30°、滚转0°和滚转30°操作，沿北向逐次完成俯仰-30°、俯仰0°、俯仰30°、滚转-30°、滚转0°和滚转30°操作；
根据所述目标磁矩的估计方程计算获取所述合作磁目标在上述24个不同姿态下的磁矩估计。
8.根据权利要求7所述的基于全张量磁测系统实现合作磁目标识别的方法，其特征在于，所述目标识别参数模型中的参数包括合作磁目标各项异性感磁系数和合作磁目标的永磁系数。
9.一种用于识别合作磁目标的测试系统，其特征在于，所述测试系统使用如权利要求1至8中任一项所述的合作磁目标识别的方法进行目标识别。
10.根据权利要求9所述的用于识别合作磁目标的测试系统，其特征在于，所述测试系统包括转台组件(10)、矢量磁传感器(20)和全张量磁测系统，所述转台组件(10)包括三轴无磁转台本体(11)和转台装载平台(12)，所述转台装载平台(12)固定设置在所述三轴无磁转台本体(11)上，所述转台装载平台(12)具有目标装载区(12a)和矢量磁传感器装载区(12b)，所述目标装载区(12a)用于安装合作磁目标，所述矢量磁传感器装载区(12b)用于安装所述矢量磁传感器(20)，所述矢量磁传感器(20)用于获取合作磁目标在任何姿态下的背景磁场，所述全张量磁测系统用于实现所述合作磁目标的磁梯度探测。
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