CN114371432A - 用于识别铁磁物体的磁传感器阵列及识别铁磁物体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于识别铁磁物体的磁传感器阵列及识别铁磁物体的方法，本发明的磁传感器阵列包括M个磁力计，其中M≥3，当M＝3时，所述磁力计在三维空间中呈三角分布，当M＞3时，所述磁力计在三维空间中呈立体分布。该磁传感器阵列能够有效测量铁磁性物体在传感器阵列中磁力计所在点的磁场，为反演推导铁磁性物体的具体位置提供有效数据。识别铁磁物体的方法获得了表征铁磁性物体的特征的非线性方程组，并且采用本发明的磁传感器阵列中每一个磁力计的输出值求解非线性方程组，获得铁磁性物体的位置及磁矩。该方法能够消除地磁场的影响，测量结果准确可靠，能够准确获得铁磁性物体的位置及磁矩，具有广泛的应用领域。

Description

用于识别铁磁物体的磁传感器阵列及识别铁磁物体的方法

技术领域

本发明涉及铁磁物体的识别技术领域，具体涉及用于识别铁磁物体的磁传感器阵列及识别铁磁物体的方法。

背景技术

铁磁性物体大量存在，它们的识别至关重要。给定位置的铁磁物体产生的磁场是可以测量并计算的。然而，根据铁磁物体的磁特征确定铁磁物体的位置和磁性参数的反演问题虽然更有优势，但也通常具有挑战性。物体的精确识别，包括其位置和总磁矩的精确识别，可应用于多个领域，例如车辆跟踪、医学调查技术及未爆炸弹药的定位。

现有技术中存在许多用于识别铁磁物体的方法。这些方法的定位精度对地磁场的波动很敏感。此外，磁传感器的布置也是影响铁磁物体识别精度的重要因素。因此，需要提供使用最少数量的传感器准确识别铁磁物体的方法；同时传感器的布置也必须做出改进。

发明内容

鉴于现有技术中铁磁物体的识别存在的不足，本发明提供一种用于识别铁磁物体的磁传感器阵列及识别铁磁物体的方法。本发明的磁传感器阵列包括M个磁力计，其中M≥3，当M＝3时，所述磁力计在三维空间中呈三角分布，当M＞3时，所述磁力计在三维空间中呈立体分布。本发明的方法获得了表征铁磁性物体的特征的非线性方程组，采用上述磁传感器阵列测定铁磁性物体在磁传感器阵列位置处的磁场，记录每一个磁力计的输出值，将每一个磁力计的输出值代入上述非线性方程组，获得铁磁性物体的特征参数，例如铁磁性物体的坐标及磁矩，由此对铁磁物体进行定位、识别。采用上述磁传感器阵列进行铁磁性物体识别，可以消除地磁场环境的影响，并且能够准确识别铁磁性物体的位置及磁矩。

根据本发明的一个实施例，提供一种用于识别铁磁物体的磁传感器阵列，包括M个磁力计，其中M≥3，当M＝3时，所述磁力计在三维空间中呈三角分布，当M＞3时，所述磁力计在三维空间中呈立体分布。

可选地，所的磁传感器阵列包括4个磁力计，其中任意三个磁力计均分布在不同的平面内。

根据本发明的另一实施例，提供一种识别铁磁物体的方法，其特征在于，包括以下步骤：

推导获得表征铁磁物体的非线性方程组(1)：

采用磁传感器阵列测量铁磁性物体所在位置的磁场，并记录所述磁传感器阵列的输出值；

将所述磁传感器阵列的输出值代入所述非线性方程组(1)，求解所述非线性方程组(1)得到所述铁磁物体的坐标和磁矩；

其中，B_mx、B_my、B_mz为磁场B_m磁场在直角坐标系中的三个分量，B_ox、B_oy和B_oz为地磁场B₀在指教坐标系中的三个分量，B_fox、B_foy和B_foz为铁磁物体的磁场B_f0在直角坐标系中的三个分量，x_fo、y_fo和z_fo是铁磁物体的坐标；x_m、y_m和z_m是所述磁传感器阵列中磁力计的坐标，

定义自由空间磁导率，M为铁磁物体的磁矩大小，

为铁磁物体的磁矩方向，

表示标准球坐标，其中θ＝0与正z方向重合。

可选地，获得表征铁磁物体的非线性方程组(1)包括以下步骤：

地磁空间的任意位置的磁场B_m＝B₀+B_fo (2)；

假设所有类型的磁力计的地磁场B₀都是相同的，而铁磁物体的磁场B_fo在感测阵列系统中是不同的，B_fo可以表示为标量势函数的负梯度：

使用球谐函数将标量势函数V进行扩展：

根据等式(4)物体产生的磁场扩展为：

设定其中的N＝1，

表示为：

根据上述等式(6)，将等式(4)和等式(5)分别简化为等式(7)和等式(8)：

及

表示为如下等式(9)：

将上述等式(9)代入等式(8)，得到如下等式(10)：

直角坐标系中，B_fox、B_foy和B_fo的值由等式(11)获得：

根据上述等式(11)获得等式(12)：

等式(2)所示的磁场在直角坐标系中的三个分量如下等式(13)所示：

将等式(12)代入等式(13)得到表征铁磁物体的非线性方程组(1)；

其中，B₀为地磁场，B_f0为铁磁物体的磁场，a是铁磁物体的参考半径，

是相关的勒让德函数n阶m阶，N为截断度，

和

为高斯系数，B_r、B_θ和

是参考局部切平面的球面场矢量分量。

可选地，所述磁传感器阵列包括M个磁力计，其中M≥3，当M＝3时，所述磁力计在三维空间中呈三角分布，当M＞3时，所述磁力计在三维空间中呈立体分布。

可选地，所述磁传感器阵列包括4个磁力计，其中任意三个磁力计均分布在不同的平面内。

可选地，记录所述磁传感器阵列中每一个磁力计的输出值。

如上所述，本发明用于识别铁磁物体的磁传感器阵列及识别铁磁物体的方法，具有以下有益效果：

本发明的磁传感器阵列包括M个磁力计，其中M≥3，当M＝3时，所述磁力计在三维空间中呈三角分布，当M＞3时，所述磁力计在三维空间中呈立体分布。该磁传感器阵列能够有效测量铁磁性物体在磁传感器阵列处的磁场，磁传感器阵列中每一个磁力计均测量在该磁力计处的磁场值，由此获得成空间立体分布的至少三个点，例如4个点处的磁场值，该磁场值为反演推导铁磁性物体的具体位置提供有效数据。

识别铁磁物体的方法获得了表征铁磁性物体的特征的非线性方程组，并且采用本发明的磁传感器阵列测量磁传感器阵列处的磁场，根据每一个磁力计的输出值求解非线性方程组，获得铁磁性物体的位置及磁矩，由此对铁磁物体进行定位、识别。该方法能够消除地磁场的影响，测量结果准确可靠，能够准确获得铁磁性物体的位置及磁矩，具有广泛的应用领域。

附图说明

图1显示为本发明实施例一中用于识别铁磁物体的磁传感器阵列的示意图。

图2显示为本发明实施例二提供的方法的仿真模拟中测量的铁磁物体的估计位置的相对误差的定义示意图。

图3显示为本发明实施例二提供的方法的仿真模拟获得的铁磁物体的估计位置与磁传感器阵列之间的距离的相对误差的依赖性示意图。

图4显示为铁磁物体的实际磁矩与仿真模拟获得的铁磁体和磁传感器阵列之间的距离的偏差。

图5显示为本发明实施例二提供的方法的实际试验获得的铁磁物体的估计位置与磁传感器阵列之间的距离的相对误差的依赖性示意图。

图6显示为铁磁物体的实际磁矩与实际试验获得的铁磁体和磁传感器阵列之间的距离的偏差。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

由于现有技术中用于识别铁磁物体的方法的定位精度对地磁场的波动非常敏感，并且传感器的布置也是影响铁磁物体识别精度的重要因素，因此，本发明提供了一种改善了磁力计布置的磁传感器阵列，并且基于该磁传感器阵列来识别铁磁物体。现结合如下实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例一

本实施例提供一种用于识别铁磁物体的磁传感器阵列，铁磁性物体普遍存在于地磁环境中，为了能够准确反演铁磁物体在三维空间中的位置，本实施例的磁传感器阵列包括成立体分布的M个磁力计，其中M＝4，M个磁力计在三维空间内呈立体分布。如图1所示，在可选实施例中，磁传感器阵列100包括四个磁力计，并且其中任意三个磁力计均分布在不同的平面内。例如，其中第一磁力计101、第二磁力计102、第三磁力计103分布在第一平面110内，而第四磁力计104分布在与第一平面110平行的第二平面120内，如图1所示，上述四个磁力计分布在三维空间的不同点处，由此可以测量传感器阵列的每一个磁力计所在点处的磁场值，获得呈空间立体分布的不同点的磁场值，根据该磁场值可以反演产生磁场的铁磁物体在三维空间内的位置。

在可选实施例中，上述第一磁力计101、第二磁力计102、第三磁力计103及第四磁力计104为磁通门磁力计。每一个磁力计均可测量磁场的三个分量，即相互垂直的x方向、y方向及z方向的三个分量。上述磁传感器阵列测量的磁场值为反演铁磁物体的位置提供有效且准确的数据。

实施例二

本实施例提供一种识别铁磁物体的方法，首先推导获得表征铁磁物体的非线性方程组(1)：

具体推导过程如下：

已知的是，铁磁物体所在位置处测得的磁场B_m包括环境地磁场B₀和铁磁物体磁场B_fo，即：B_m＝B₀+B_fo (2)。

假设所有类型的磁力计测得的地磁场B₀都是相同的，而铁磁物体的磁场B_fo在感测阵列系统中是不同的，那么铁磁物体的磁场可以表示为标量势函数V的负梯度，即：

其中，标量势函数V可以采用球谐函数进行扩展，扩展后表示为：

其中，a是铁磁物体的参考半径，

表示标准球坐标(θ＝0与正z方向重合)，

是相关的勒让德函数n阶m阶，N为截断度，

和

为高斯系数。

由此，铁磁物体产生的磁场可以展开如下面公式(5)所示：

其中，B_r、B_θ和

是参考局部切平面的球面场矢量分量。

当目标与传感器之间的距离大于目标最大尺寸的三倍时，铁磁物体通常被视为偶极子，这种情况下，高阶项可以忽略不计，因此，磁场衰减很快。在以下等式中，将铁磁物体的测量磁场简化为1级，即截断度N＝1。当N＝1时，相关的勒让德函数

表示如下：

此时，标量势函数V可以简化为：

参考局部切平面的球面场矢量分量B_r、B_θ和

可以简化为：

其中，高斯函数

及

表示为：

其中，μ₀＝4π·10^-7H/m提供自由空间磁导率，M为磁偶极矩的大小，

表示求坐标中的偶极子的方向。

将上述等式(9)代入等式(8)，得到参考局部切平面的球面场矢量分量B_r、B_θ和

如下所示：

可以根据上述公式(10)获得铁磁物体的磁场B_fo在直角坐标系中的三分量B_fox、B_foy及B_foz：

由该公式(11)便可获得B_fox、B_foy及B_foz的表达式：

在直角坐标系中，铁磁物体所在位置处测得的磁场B_m以及环境地磁场B₀和铁磁物体磁场B_fo均包含三个分量，因此，公式(2)可以表示为：

将上述公式(12)所示的B_fox、B_foy及B_foz代入公式(13)得到表征铁磁物体的非线性方程组(1)：

在上述非线性方程组中，铁磁物体所在位置处测得的磁场B_m的三个分量B_mx、B_my及B_mz可以采用一磁传感器阵列测量，磁传感器中磁力计的位置坐标x_m、y_m和z_m也是可以测量的。由此可见，除去可测量的参数，上述非线性方程组(1)中还存在9个未知数，即地磁场B₀在直角坐标系中的三个分量B_ox、B_oy和B_oz，铁磁物体的坐标x_fo、y_fo和z_fo以及铁磁物体的磁矩大小M，及磁矩方向

矢量磁力计可以用于测量其所在位置处包含三个磁场分量的一组磁场测量值。因此，在求解非线性方程组(1)时，由于其包含9个变量，因此至少需要三个独立的矢量磁力计。在实际求解中，需要多次测量并且需要采用最小二乘法来减少测量误差。基于此，本发明采用包括四个独立矢量磁力计的磁传感器阵列。在可选实施例中，采用本发明实施例一提供的磁传感器阵列。

如图1所示，在可选实施例中，磁传感器阵列100包括四个磁力计。其中第一磁力计101、第二磁力计102、第三磁力计103分布在第一平面110内，而第四磁力计104分布在与第一平面110平行的第二平面120内，如图1所示，上述四个磁力计分布在三棱柱的两个端面内。

在可选实施例中，上述第一磁力计101、第二磁力计102、第三磁力计103及第四磁力计104为磁通门磁力计。每一个磁力计均可测量磁场的三个分量，即相互垂直的x方向、y方向及z方向的三个分量。

采用上述磁传感器阵列100测量铁磁物体所在位置处的磁场，记录第一至第四磁力计的输出值，由此获得均包含三个分量的四组磁场测量值，将四组磁场测量值及磁传感器阵列中对应磁力计的坐标代入非线性方程组(1)，求解获得铁磁物体的坐标x_fo、y_fo和z_fo以及铁磁物体的磁矩大小M，及磁矩方向

为了验证本实施例所述方法的有效性及可行性，本实施例对上述方法进行了仿真模拟。仿真模拟中磁传感器阵列中磁力计排列同样如图1所示。磁力计传感器中磁力计的坐标如下表1所示。

表1磁力计传感器中磁力计的位置坐标

定义的铁磁物体的磁矩定义为2000A·m²，其方向

是随机的，定义的铁磁物体的磁矩及预设坐标如下表2所示。另外，在该模拟中，环境地磁场的三个分量(B_0x，B_0y，B_0z)分别为(20000nT，30000nT，40000nT)。

表2定义的铁磁物体的预设位置及磁矩

然后从采用图1所示的磁传感器阵列测试预设铁磁物体所在位置处的磁场值，获得磁传感器阵列中四个磁力计的模拟测量值。为了记录磁力计的最佳值，获得的模拟测量值记录至六位有效数字。

然后，将记录的模拟测量值代入非线性方程组(1)，采用非线性优化方法求解非线性方程组(1)，获得铁磁物体的估计坐标及磁矩。计算结构如下表3所示。

表3铁磁物体的估计位置及磁矩

为了定量评估本实施例的上述方法，将估计位置的相对误差定义为ΔR/R，如图2所示。图2中，O为铁磁物体的预设位置，O’为铁磁物体的估计位置，R为铁磁物体的预设位置与磁力计传感器之间的距离，R’为铁磁物体的估计位置与磁传感器阵列之间的距离。图3示出了铁磁物体的估计位置与磁传感器阵列之间的距离的相对误差的依赖性。由图3可以看出，铁磁物体的估计位置的均方根误差为2.7385％。图4示出了铁磁物体的实际磁矩与铁磁体和磁传感器阵列之间的距离的偏差。可以看出，估计磁矩的均方根误差为14.01％。由图3和图4可以看出，铁磁物体的估计位置与磁矩和预设位置与磁矩大致相同。由此证实本实施例的方法是可行有效的。

为了进一步验证本实施例的方法，将本实施例的方法应用于真实环境中的实际磁偶极子目标。实际试验中，采用磁矩为2A·m²的标准磁源，磁传感器及固有噪声小于0.02nT/Hz@1磁通门磁力计Mag 690。

上述实际试验在地磁平静的环境中进行，磁传感器阵列中四个磁通门磁力计的设置同样如图1所示。磁力计的坐标列于下表4。铁磁物体的实际位置及磁矩如表5所示。由于该试验是实验室规模的演示而非全尺寸的试验，因此磁传感器的相对位置是模拟中使用的位置的十分之一。此外，磁矩和到铁磁物体的距离大约是模拟中使用的磁矩和距离的1/1000。

表4实际试验中传感器阵列中磁力计的位置

表5铁磁物体的实际位置和磁矩

自传感器阵列的四个独立的矢量磁力计，即磁通门磁力计中读取磁场三分量的测量值，利用四个磁通门磁力计的测量值求解非线性方程组(1)，由此计算出铁磁物体的特性，及位置坐标和磁矩。计算得到铁磁物体的估计位置坐标以及磁矩如下表6所示。

表6铁磁物体的实际位置和磁矩

铁磁物体的估计位置和磁矩的相对误差分别如图5和图6所示。估计位置的RMS相对误差为0.4106％，估计磁矩的RMS相对误差为9.43％。由此可见，本方法应用于实际环境中，也能够准确地测量铁磁物体的位置及磁矩。

由上述试验结构可以看出，采用本发明的方法得到的铁磁物体的位置和磁矩的的相对误差均比较小，在可允许的范围内。另外，本发明的方法能够有效消除地磁环境的影响，因此，本发明的方法可以准确有效地识别三维空间中的铁磁物体，并且测量铁磁物体的位置及磁矩，具有广泛的潜在应用。

例如，本发明的上述方法可以应用于车辆的追踪，此时，同样采用图1所示的磁传感器阵列100，由该磁传感器阵列实时测量远方车辆产生的磁场，然后根据本发明的上述方法根据测量值求解非线性方程组(1)，得到车辆的实时位置及磁矩大小，由此实现对车辆的追踪。

本发明的方法还可以应用于地下铁磁物体的识别，同样采用图1所示的磁传感器阵列测量地下铁磁物体产生的磁场，将测量值带入非线性方程组(1)并求解，获得地下铁磁物体的位置及磁矩大小。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种用于识别铁磁物体的磁传感器阵列，其特征在于，包括M个磁力计，其中M≥3，当M＝3时，所述磁力计在三维空间中呈三角分布，当M＞3时，所述磁力计在三维空间中呈立体分布。

2.根据权利要求1所述的磁传感器阵列，其特征在于，包括4个磁力计，其中任意三个磁力计均分布在不同的平面内。

3.一种识别铁磁物体的方法，其特征在于，包括以下步骤：

推导获得表征铁磁物体的非线性方程组(1)：

采用磁传感器阵列测量铁磁性物体所在位置的磁场，并记录所述磁传感器阵列的输出值；

将所述磁传感器阵列的输出值代入所述非线性方程组(1)，求解所述非线性方程组(1)得到所述铁磁物体的坐标和磁矩；

其中，B_mx、B_my、B_mz为磁场B_m磁场在直角坐标系中的三个分量，B_ox、B_oy和B_oz为地磁场B₀在直角坐标系中的三个分量，B_fo、B_foy和B_foz为铁磁物体的磁场B_f0在直角坐标系中的三个分量，x_fo、y_fo和z_fo是铁磁物体的坐标；x_m、y_m和z_m是所述磁传感器阵列中磁力计的坐标，

定义自由空间磁导率，M为铁磁物体的磁矩大小，

为铁磁物体磁矩的方向，

表示标准球坐标，其中θ＝0与正z方向重合。

4.根据权利要求3所述的识别铁磁物体的方法，其特征在于，获得表征铁磁物体的非线性方程组(1)包括以下步骤：

地磁空间的任意位置的磁场B_m＝B₀+B_fo (2)；

假设所有类型的磁力计的地磁场B₀都是相同的，而铁磁物体的磁场B_fo在感测阵列系统中是不同的，B_fo可以表示为标量势函数的负梯度：

使用球谐函数将标量势函数V进行扩展：

根据等式(4)物体产生的磁场扩展为：

设定其中的N＝1，

表示为：

根据上述等式(6)，将等式(4)和等式(5)分别简化为等式(7)和等式(8)：

及

表示为如下等式(9)：

将上述等式(9)代入等式(8)，得到如下等式(10)：

直角坐标系中，B_fox、B_fo和B_foz的值由等式(11)获得：

根据上述等式(11)获得等式(12)：

等式(2)所示的磁场在直角坐标系中的三个分量如下等式(13)所示：

将等式(12)代入等式(13)得到表征铁磁物体的非线性方程组(1)；

其中，B₀为地磁场，B_f0为铁磁物体的磁场，a是铁磁物体的参考半径，

是相关的勒让德函数n阶m阶，N为截断度，

和

为高斯系数，B_r、B_θ和

是参考局部切平面的球面场矢量分量。

5.根据权利要求3所述的识别铁磁物体的方法，其特征在于，所述磁传感器阵列包括M个磁力计，其中M≥3，当M＝3时，所述磁力计在三维空间中呈三角分布，当M＞3时，所述磁力计在三维空间中呈立体分布。

6.根据权利要求3或5所述的磁传感器阵列，其特征在于，所述磁传感器阵列包括4个磁力计，其中任意三个磁力计均分布在不同的平面内。

7.根据权利要求6所述的磁传感器阵列，其特征在于，记录所述磁传感器阵列中每一个磁力计的输出值。

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