CN114413884B - 基于磁梯度仪阵列的定位方法、装置及存储介质 - Google Patents

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CN114413884B CN202210314903.1A CN202210314903A CN114413884B CN 114413884 B CN114413884 B CN 114413884B CN 202210314903 A CN202210314903 A CN 202210314903A CN 114413884 B CN114413884 B CN 114413884B
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Abstract

本公开提供一种基于磁梯度仪阵列的定位方法、装置及存储介质。方法包括：获取磁梯度仪阵列在各个探测点探测到的磁场分量，并获取各个探测点的地磁场模值；根据所获取的磁场分量和地磁场模值，计算得到各个探测点的磁异常场模值的平方；计算磁梯度仪阵列在各个探测点的磁梯度张量矩阵；根据各个探测点的位置以及各个探测点磁梯度张量矩阵，计算各个探测点的第一耦合值和第二耦合值；将各个探测点的第一耦合值、第二耦合值和磁异常场模值的平方代入预设函数，得到目标函数；并计算当目标函数的取最小值时的参考位置集合；根据参考位置集合，确定目标位置。应用本公开实施例，实现了对磁性目标的定位，提高了定位的准确性。

Description

基于磁梯度仪阵列的定位方法、装置及存储介质
技术领域
本公开一般地涉及磁梯度仪，具体涉及一种基于磁梯度仪阵列的定位方法、装置及存储介质。
背景技术
磁梯度仪阵列通常由多个磁传感器组成，可以被用于测量弱磁信号。基于磁梯度仪阵列的定位方法可以认为是一项基于磁场的目标定位技术，具有全天候、速度快、精度高等优点，相比于其他定位跟踪技术，磁定位技术不受遮挡物影响且成本更低，能够有效实现目标的定位，因此，在地质勘探、生物医疗、导航定位、未爆物探测等众多领域都有一定的应用前景。但目前的基于磁梯度仪阵列的方法通常存在定位不准的问题。例如，目前的基于磁梯度张量目标定位（TMG）方法存在两个方面的问题：（1）方法的定位结果和弱磁目标的姿态有关系，在某些姿态下，TMG算法会使定位结果出现大量奇异值同时带来严重误差；（2）TMG方法需要知道磁异常的三分量数据，用该方法时需要将地磁场三分量有效的从磁传感器测得的磁场中抵消，而磁传感器测到的是地磁场和磁异常场的叠加，在探测时不容易将地磁场和磁异常场分离出来。本专利从TMG方法出发，提出改进的定位方法，该方法对磁目标的姿态不敏感，同时不需要单独求出磁异常三分量数据。因此，需要一种新的基于磁梯度仪阵列的定位方法，以实现准确定位。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本公开提供了一种基于磁梯度仪阵列的定位方法、装置及存储介质。
本公开的第一方面提供一种基于磁梯度仪阵列的定位方法，包括：
获取磁梯度仪阵列在各个探测点探测到的磁场分量，并获取所述各个探测点的地磁场模值；根据所获取的磁场分量和地磁场模值，计算得到所述各个探测点的磁异常场模值的平方；计算所述磁梯度仪阵列在所述各个探测点的磁梯度张量矩阵；根据所述各个探测点的位置以及所述各个探测点磁梯度张量矩阵，计算所述各个探测点的第一耦合值和所述各个探测点的第二耦合值；将所述各个探测点的第一耦合值、所述各个探测点的第二耦合值和所述各个探测点的磁异常场模值的平方代入预设函数，得到目标函数；并计算当所述目标函数取最小值时的参考位置集合；根据所述参考位置集合，确定目标位置。
可选的，所述获取所述各个探测点的地磁场模值，包括：
获取标量磁力仪在各个探测点测量得到的地磁场模值，或者；查询数据库中预先存储的国际地磁参考场数据，得到各个探测点的地磁场模值。
可选的，所述根据所获取的磁场分量和地磁场模值，计算得到所述各个探测点的磁异常场模值的平方，包括：
针对每一探测点，计算该探测点的磁场分量的模值与在该探测点的地磁场模值的差值，将该差值的平方值作为该探测点磁异常场模值的平方。
可选的，所述计算所述磁梯度仪阵列在所述各个探测点的磁梯度张量矩阵，包括：
针对每一探测点，获取磁梯度仪阵列中各个磁传感器在该探测点的磁场分量，并获取所述磁梯度仪阵列的基线距离，根据所述各个磁传感器在该探测点的磁场分量和所述基线距离，计算得到磁梯度仪阵列在该探测点的磁梯度张量矩阵。
可选的，所述磁梯度仪阵列为十字形结构或三角形结构或正方形结构的阵列形状。
可选的，所述目标函数为各个探测点的探测信息与各个探测点的磁异常场模值的平方的差值的累加值，所述各个探测点的探测信息为各个探测点的参考位置集合与第一耦合值的乘积再加各个探测点的第二耦合值的和值。
可选的，所述探测点的数量不少于9个。
本公开的第二方面提供一种基于磁梯度仪阵列的定位装置，装置包括：
获取单元，用于获取磁梯度仪阵列在各个探测点探测到的磁场分量，并获取各个探测点的地磁场模值；第一计算单元，用于根据所获取的磁场分量和地磁场模值，计算得到各个探测点的磁异常场模值的平方；第二计算单元，用于计算所述磁梯度仪阵列在所述各个探测点的磁梯度张量矩阵；第三计算单元，用于根据所述各个探测点的位置以及所述各个探测点磁梯度张量矩阵，计算所述各个探测点的第一耦合值和所述各个探测点的第二耦合值；确定单元，用于将所述各个探测点的第一耦合值、所述各个探测点的第二耦合值和所述各个探测点的磁异常场模值的平方代入预设函数，得到目标函数；并计算当所述目标函数取最小值时的参考位置集合；根据所述参考位置集合，确定目标位置。
本公开的第三方面提供一种电子设备，包括：存储器，用于存储指令；以及处理器，用于调用存储器存储的指令执行上述任一项所述的基于磁梯度仪阵列的定位方法。
本公开的第四方面提供一种计算机可读存储介质，其中存储有指令，指令被处理器执行时，执行上述任一项所述的基于磁梯度仪阵列的定位方法。
本公开提供的技术方案，通过计算各个探测点的第一耦合值、各个探测点的第二耦合值、各个探测点的磁梯度张量矩阵，并将各个探测点的第一耦合值、各个探测点的第二耦合值和各个探测点的磁异常场模值的平方代入预设函数，得到目标函数；并计算当目标函数取最小值时的参考位置集合；根据参考位置集合，确定目标位置。从而实现通过预先构建的预设函数，并根据目标函数取最小值时的参考位置集合确定目标位置，使得整个定位过程对磁性目标的姿态不敏感，并且无需单独求出磁异常三分量数据，减少了误差影响，提高了定位的准确性。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施方式，其中：
图1示出了根据本公开一实施例基于磁梯度仪阵列的定位方法的流程示意图；
图2示出了本公开实施例提供的磁梯度仪阵列的一种结构示意图；
图3示出了本公开实施例提供的一种仿真结果示意图；
图4示出了本公开实施例提供的另一种仿真结果示意图；
图5示出了本公开实施例提供的又一种仿真结果示意图；
图6示出了本公开实施例提供的探测平面示意图；
图7示出了本公开实施例提供的定位装置结构示意图；
图8是本公开实施例提供的一种电子设备示意图。
在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。
具体实施方式
下面将参考若干示例性实施方式来描述本公开的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本公开，而并非以任何方式限制本公开的范围。
需要注意，虽然本文中使用“第一”、“第二”等表述来描述本公开的实施方式的不同模块、步骤和数据等，但是“第一”、“第二”等表述仅是为了在不同的模块、步骤和数据等之间进行区分，而并不表示特定的顺序或者重要程度。实际上，“第一”、“第二”等表述完全可以互换使用。
本公开提出的技术方案主要应用于磁梯度仪技术领域。
通过对现有磁梯度仪相关技术的研究，发明人发现，目前的基于磁梯度仪阵列的定位方法，大部分定位不准，主要是因为存在两个方面的问题：（1）定位结果的准确性和磁性目标的姿态有关，例如，基于磁梯度张量目标定位（TMG）方法，在某些姿态下，定位结果可能会出现大量奇异值，导致带来严重定位误差；（2）有的方法（例如TMG方法）需要确定磁异常的三分量数据，并且需要将地磁场三分量有效的从磁传感器测得的磁场中抵消，而由于磁传感器测到的磁场是地磁场和磁异常场的叠加，在探测时，并不容易将地磁场和磁异常场分离出来，导致定位结果存在误差，影响准确性。
针对已有方案的局限性，本公开提供一种基于磁梯度仪阵列的定位方法，区别于传统的定位方法，本公开获取磁梯度仪阵列在各个探测点探测到的磁场分量，并获取各个探测点的地磁场模值；根据所获取的磁场分量和地磁场模值，计算得到磁梯度仪阵列在各个探测点的磁异常场模值的平方；计算磁梯度仪阵列在各个探测点的磁梯度张量矩阵；根据各个探测点的位置以及各个探测点磁梯度张量矩阵，计算各个探测点的第一耦合值和各个探测点的第二耦合值；将所述各个探测点的第一耦合值和所述各个探测点的第二耦合值代入预设函数，得到目标函数；并计算当所述目标函数取最小值时的参考位置集合，根据参考位置集合确定目标位置。通过预先构建的预设函数，并通过目标函数取最小值时的参考位置集合确定目标位置，使得整个定位过程对磁性目标的姿态不敏感，并且无需单独求出磁异常三分量数据，减少了误差影响，提高了定位的准确性。
为了便于理解本公开实施例提供的技术方案，在对介绍本公开实施例的详细方案之前，对本公开实施例提供的应用场景进行示例性介绍。
在一种具体的应用场景中，终端设备执行本公开实施例提供的基于磁梯度仪阵列的定位方法。可以理解的是，磁梯度仪阵列是可以在各个探测点探测产生磁场分量的仪器，具体的对磁场分量的采集以及后续基于磁场分量的计算可以由终端设备执行。例如，终端设备可以获取磁梯度仪阵列在各个探测点探测到的磁场分量，并获取各个探测点的地磁场模值；根据所获取的磁场分量和地磁场模值，计算得到磁梯度仪阵列在各个探测点的磁异常场模值的平方；计算磁梯度仪阵列在各个探测点的磁梯度张量矩阵；根据各个探测点的位置以及各个探测点磁梯度张量矩阵，计算各个探测点的第一耦合值和各个探测点的第二耦合值；将所述各个探测点的第一耦合值、各个探测点的第二耦合值和各个探测点的磁异常场模值的平方代入预设函数，得到目标函数；并计算当目标函数的取最小值时的参考位置集合，根据参考位置集合确定目标位置，从而实现了对磁目标的定位。
另外，在又一种具体的应用场景中，本公开也可以由服务器和终端设备配合完成，例如，可以是终端设备获取用户输入的磁场分量后，终端设备将所获取的磁场分量转发给服务器，以使服务器通过执行本公开实施例提供方法得到目标位置，从而实现了对磁性目标的准确定位。
上述，终端设备可以包括手机、平板电脑、笔记本电脑、掌上电脑、移动互联网设备(mobile internet device，MID)或其他具有数据处理功能的终端设备。
上述服务器可以是机架式服务器、刀片式服务器、塔式服务器或机柜式服务器等计算设备。该服务器可以是独立的服务器，也可以是多个服务器所组成的服务器集群。
本实施例中，终端设备可以通过网络与服务器连接。所述网络可以是企业内部网(Intranet)、互联网(Internet)、全球移动通讯系统(Global System of Mobilecommunication，GSM)、宽带码分多址(Wideband Code Division Multiple Access，WCDMA)、4G网络、5G网络、蓝牙(Bluetooth)、Wi-Fi、通话网络等无线或有线网络。
需要说明的是，本公开实施例提供的基于磁梯度仪阵列的定位方法不仅能够应用于上述应用场景中，还可以应用于其他需要对磁性目标进行定位的应用场景中，本公开实施例对此不做具体限定。
下面通过一些实施例对本公开实施例的技术方案进行详细说明。下面这几个实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
图1为本公开一实施例提供的基于磁梯度仪阵列的定位方法流程示意图，如图1所示，包括：
S101、获取磁梯度仪阵列在各个探测点探测到的磁场分量，并获取各个探测点的地磁场模值；
在磁异常环境中，可以预先划定探测方阵，确定探测点，进而通过磁梯度阵列在各个探测点对磁性目标进行探测，磁梯度仪阵列产生在各个探测点探测到的磁场分量，并可以由工作人员记录在各个探测点探测到的磁场分量，并输入到终端设备，从而终端设备可以获取磁梯度仪阵列在各个探测点探测到的磁场分量。或者，可以输入到其他电子设备，由其他电子设备发送到终端设备，从而终端设备可以获取磁梯度仪阵列在各个探测点探测到的磁场分量。
磁场分量可以包括磁场强度B在x轴、y轴、z轴3个方向的分量，可以分别表示为Bx，By，Bz。当探测距离大于2.5倍的磁性目标长度时，磁性目标可以视为一个磁偶极子，通过磁梯度仪阵列中的每个磁传感器可以在各个探测点探测出磁性目标的磁场分量。
地磁场模值是用于反映地球磁场强度的物理量，可以通过其他高精度磁传感器在各个探测点探测产生，并可以由工作人员记录在各个探测点探测到的地磁场模值，并输入到终端设备，从而终端设备可以获取在各个探测点探测到的地磁场模值。或者，工作人员也可以输入到其他电子设备，由其他电子设备发送到终端设备，从而终端设备可以获取各个探测点探测到的地磁场模值。
S102、根据所获取的磁场分量和地磁场模值，计算得到各个探测点的磁异常场模值的平方；
对于每个探测点，可以用在该探测点探测到的磁场分量和地磁场模值，计算得到该探测点的磁异常场模值，进而计算磁异常场模值的平方，得到该探测点的磁异常场模值平方。通过这种方法，计算到的磁异常场模值的平方消除了地磁场的影响，有利于提高定位准确性。
S103、计算磁梯度仪阵列在各个探测点的磁梯度张量矩阵；
磁梯度仪阵列可以包括多个磁传感器，例如，如果磁梯度仪阵列是三角形结构，则可以包括3个磁传感器；如果是十字形结构，则可以包括4个磁传感器。
磁梯度张量矩阵是磁场强度的三个分量Bx,By,Bz在空间x、y、z三个方向上的变化率。例如，可以表示为如下的形式：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中，G为磁梯度张量矩阵，Bij（i，j=x,y,z）表示张量在i轴上j方向的分量。
对于磁梯度仪阵列中的每个磁传感器而言，在每一探测点，每个磁传感器都可以探测产生磁场分量，可以将所有磁传感器探测在该探测点产生的磁场分量的平均值作为磁梯度仪在该探测点产生的磁场分量，进而基于磁梯度仪阵列在该探测点产生的磁场分量，计算磁场分量在空间x、y、z三个方向上偏导，得到磁梯度仪阵列在该探测点的磁梯度张量矩阵，依次类推，可以计算磁梯度仪阵列在各个探测点的磁梯度张量矩阵。
S104、根据各个探测点的位置以及各个探测点磁梯度张量矩阵，计算各个探测点的第一耦合值和各个探测点的第二耦合值；
第一耦合值、第二耦合值可以看作是中间量，具体的计算公式可以为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
（2）
Figure DEST_PATH_IMAGE003
（3）
其中，第一耦合值包括bi(i=1,2,3,4,5)；第二耦合值为c，（x,y,z）表示任一探测点的位置。Gi(i=1,2,3,4,5,6,7,8,9)表示探测点处于位置（x,y,z）时的磁梯度张量矩阵中的元素，具体的，Gi与磁梯度张量矩阵G的对应关系可以表示成如下形式：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
（4）
根据上述公式（2）、公式（3），可以计算得到第一耦合值和第二耦合值。
S105、将各个探测点的第一耦合值、各个探测点的第二耦合值和各个探测点的磁异常场模值的平方代入预设函数，得到目标函数；并计算当目标函数取最小值时的参考位置集合；根据参考位置集合，确定目标位置。
预设函数可以根据需求事先构建，预设函数可以包括分别表征第一耦合值、第二耦合值、磁异常场模值的平方的各个变量，从而将各个探测点的第一耦合值、各个探测点的第二耦合值和各个探测点的磁异常场模值的平方代入预设函数中相应的变量，即可得到目标函数。
预设函数可以反映探测信息所表征的磁性目标的磁场与磁性目标真实位置对应的理想磁场的差距，通过使代入具体数值后的目标函数最小，可以使探测信息所表征的磁性目标的磁场与理想磁场的差距最小，从而确定探测信息的最佳磁场结果，通过最佳磁场结果与参考位置集合之间的对应关系，计算出参考位置集合。
对于任一探测点，在该探测点探测信息所表征的最佳磁场结果与参考位置集合之间的对应关系可以为如下形式：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
（5）
其中，最佳磁场结果可以看作是B，参考位置集合可以包括ai（i=1,2,3,4,5,6,7,8,9），bi（i=1,2,3,4,5,6,7,8,9）表示该探测点的第一耦合值；c表示该探测点的第二耦合值；
另外，具体的参考位置集合ai（i=1,2,3,4,5,6,7,8,9）可以表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
（6）
其中，（x0,y0,z0）表示磁性目标的目标位置。
因此，在计算得到参考位置集合后，可以将其中的
Figure DEST_PATH_IMAGE007
的值分别作为磁性目标的x轴、y轴、z轴方向的值，从而确定磁性目标的目标位置。
应用本公开实施例，可以将各个探测点的第一耦合值、各个探测点的第二耦合值和各个探测点的磁异常场模值的平方代入预设函数，得到目标函数；并计算当目标函数的取最小值时的参考位置集合；从而根据参考位置集合，确定目标位置。实现了对磁性目标的定位，并且定位过程对磁性目标的姿态不敏感，也无需单独求出磁异常三分量数据，减少了磁异常三分量数据带来的误差影响，提高了定位的准确性。
为了便于准确获取地磁场模值，一种实现方式中，获取各个探测点的地磁场模值，可以包括：
获取标量磁力仪在各个探测点测量得到的地磁场模值，或者；
查询数据库中预先存储的国际地磁参考场数据，得到各个探测点的地磁场模值。
地磁场模值可以通过标量磁力仪测量得到，对于每个探测点，标量磁力仪都可以产生在该探测点探测到的地磁场模值，并可以由工作人员记录在各个探测点探测到的地磁场模值，并输入到终端设备，从而终端设备可以获取标量磁力仪在各个探测点探测到的地磁场模值。或者，可以输入到其他电子设备，由其他电子设备发送到终端设备，从而终端设备可以获取标量磁力仪在各个探测点探测到的地磁场模值。优选的，为了进一步提高地磁场模值的准确性，标量磁力仪可以是高精度的。
或者，数据库或其他存储终端上存储有国际地磁参考场数据，终端设备可以通过访问自身的数据库或者是访问存储终端，得到国际地磁参考场数据，并通过查找国际地磁参考场数据中与各个探测点位置对应的地磁场模值，从而得到各个探测点的地磁场模值。
应用本公开实施例，可以比较准确的得到地磁场模值，并且获取速度较快，数据处理效率高。
为了减少地磁场的影响，以及降低磁异常分量数据带来的影响，以提高定位准确性，一种实现方式中，根据所获取的磁场分量和地磁场模值，计算得到各个探测点磁异常场模值的平方，可以包括：
针对每一探测点，计算该探测点的磁场分量的模值与在该探测点的地磁场模值的差值，将该差值的平方值作为该探测点磁异常场模值的平方。
具体的，对于任一探测点的磁异常场模值的平方，计算方式可以表示如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
（7）
其中，|B|2表示任一探测点的磁异常场模值的平方，|BT|表示在该探测点的磁场分量的模值，|BE|表示在该探测点探测到的地磁场模值。
可以看出，应用本公开实施例，可以磁场分量的模值与地磁场模值的差值的平方计算得到磁异常场模值的平方，计算过程中无需计算磁异常分量数据，并且也减去了磁梯度仪阵列探测的磁场模值中的地磁场模值，从而消除了地磁场的影响，提高了磁异常场模值计算的准确性，从而提高了后续定位过程的准确性。
为了减少定位过程的误差，一种实现方式中，计算磁梯度仪阵列在各个探测点的磁梯度张量矩阵，包括：
针对每一探测点，获取磁梯度仪阵列中各个磁传感器在该探测点的磁场分量，并获取所述磁梯度仪阵列的基线距离，根据所述各个磁传感器在该探测点的磁场分量和所述基线距离，计算得到磁梯度仪阵列在该探测点的磁梯度张量矩阵。
考虑十字形结构安装方便，且相较于其他结构，引起的结构误差相对较小，优选的，磁梯度仪阵列结构可以为十字形结构，如图2所示，磁梯度仪阵列由1个十字无磁平台和4个三轴磁传感器组成，基线距离（即处于水平线或竖直线的两个磁传感器之间的直线距离）为L。
具体的，对于任一探测点，可以通过以下方式计算得到磁梯度仪阵列在该探测点的磁梯度张量矩阵：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
（8）
其中，G表示任一探测点的磁梯度张量矩阵；Bmn(m=1,2,3,4;n=x,y,z)表示在第n个磁传感器在该探测点探测到的m方向上磁场分量；L表示基线距离。
可以看出，应用本公开实施例，可以通过十字形结构的磁梯度仪阵列探测到的磁场分量计算得到磁梯度张量矩阵，减少了结构误差，从而提高了定位的准确性。
本公开对具体的磁梯度仪的结构不做限定，例如，磁梯度仪阵列可以为十字形结构或三角形结构或正方形结构的阵列形状。或者，在其他实现方式中，也可以直角四面体、正四面体结构等等其他形状。
为了构建合理的目标函数，一种实现方式中，目标函数可以为各个探测点的探测信息与各个探测点的磁异常场模值的平方的差值的累加值，各个探测点的探测信息为各个探测点的参考位置集合与第一耦合值的乘积再加各个探测点的第二耦合值的和值。
探测信息可以用于反映探测点探测到的磁场信息，表征探测到的磁场的模值的平方。
具体的，又一种实现方式中，可以将各个探测点的磁异常场模值的平方与预设权重因子相乘后，得到各个探测点的理想磁异常场模值；再用各个探测点的探测信息与各个探测点的理想磁异常场模值的差值的累加值作为目标函数。预设权重因子可以根据需求设定，例如，可以为9或其他数值，故，具体的目标函数
Figure DEST_PATH_IMAGE010
的形式可以如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
（9）
其中，所述bik和ck分别表示第k个探测点的第一耦合值和第二耦合值，|BT|k表示在第k个探测点的磁场分量的模值，|BE|k表示在第k个探测点探测到的地磁场模值，当目标函数取最小值（min）时的ai即为参考位置集合。
可以看出，目标函数是关于
Figure DEST_PATH_IMAGE012
的超定线性方程组，当目标函数取得最小值时，
Figure 602902DEST_PATH_IMAGE012
为最优解，进而通过计算可以得出磁性目标的坐标点位置。
为了证明本公开的目标函数的合理性，可以通过下面的推导过程进行说明：
由前述公式（5），即探测点探测信息所表征的最佳磁场结果与参考位置集合之间的对应关系，以及公式（2）、公式（3）、公式（6）推导，可形成如下的平方式：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
（10）
并两边同时去除平方，并互换等式左右两边，可以得到
Figure DEST_PATH_IMAGE014
（11）
即可以表示成：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
（12）
并对公式（12）中的G换算到等式右边，得到如下表达式：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
（13）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
已知是磁偶极子（磁性目标可以视为磁偶极子）到磁传感器探测点的矢量距离，磁偶极子坐标位置即为
Figure DEST_PATH_IMAGE018
，磁传感器阵列在
Figure DEST_PATH_IMAGE019
点处探测，上式即是定位公式，本公开提供的目标函数即是使该定位公式的误差取最小时，所确定的坐标位置
Figure 34889DEST_PATH_IMAGE018
，故，通过应用本公开提供的目标函数，提高了定位的准确性。
一种实现方式中，为了提高定位的准确性，探测点的数量可以不少于9个。例如，可以为9个，27个，36个等等。当然，也可以根据需求设置其他数量，本公开对探测点的数量不做限定。
应用本公开实施例，通过9个探测点以上测到的磁场分量，综合计算，从而提高了探测数据的可靠性，进而提到了定位的准确性。
为了证明本公开提供的方法提高了磁梯度仪阵列定位的准确性，本公开提供以下验证方法进行效果验证，假设磁梯度仪阵列是图2所示的十字形结构，可以计算四个传感器组成的十字形结构的几何中心点的磁异常场
Figure DEST_PATH_IMAGE020
异，并计算该磁异常场模值的平方，具体的，可以通过以下公式计算十字形结构的几何中心点距离磁性目标R处的磁异常场：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
（14）
其中，
Figure 549047DEST_PATH_IMAGE020
异表示磁梯度仪阵列的几何中心点的磁异常场，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
表示磁性目标的磁矩，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
表示真空磁导率，r=
Figure DEST_PATH_IMAGE024
表示磁性目标到探测点的距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
=R/r表示沿R的单位矢量。磁性目标的磁矩、真空磁导率均为已知值，因此，磁异常场与探测点和磁性目标之间的距离相关。
通过上述磁异常场的计算公式（14），可以得到空间中任意探测点(x,y,z)的磁异常场，进而，可以对任意探测点的磁异常场求偏导，得到探测点(x,y,z)的磁梯度张量。可以设置36个探测点，通过代入36个位置坐标，可以得到36个探测点的磁异常场，进而得到36个探测点的张量矩阵。
在得到各个探测点的张量矩阵后，可以根据前述公式（2）、公式（3）计算出第一耦合值包括bi(i=1,2,3,4,5)；第二耦合值为c。再根据公式（9），利用最小二乘法，计算出参考位置集合ai（i=1,2,3,4,5,6,7,8,9），根据公式（6）可知，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
的值即为磁性目标的位置坐标。
假设磁性目标的磁矩为2A·m2，具体实验结果可以参考表1-表5，具体说明如下：
示例一，磁矩三分量都不为0，设定mx=-1.0554，my=-1.1408，mz=1.2589；可以得到下表1的结果。
表1
Figure DEST_PATH_IMAGE027
示例二，磁矩三分量只有x分量不为0，设定mx=2，my=0，mz=0；可以得到下表2的结果。
表2
Figure DEST_PATH_IMAGE028
示例三，磁矩三分量只有y分量不为0，设定mx=0，my=2，mz=0；可以得到下表3的结果。
表3
Figure DEST_PATH_IMAGE029
示例四，磁矩三分量只有z分量不为0，设定mx=0，my=0，mz=2；可以得到下表4的结果。
表4
Figure DEST_PATH_IMAGE030
示例五，磁矩矢量与位置矢量垂直，设定mx=-1；my=2.346；mz=1.2；可以得到下表5的结果。
表5
Figure DEST_PATH_IMAGE031
表1-5中，预设位置所在的行即表示磁性目标的真实位置，传统方法反演所在的行即为通过传统定位方法计算出的磁性目标的位置；新方法反演即为通过本公开提供的地位方法计算出的磁性目标的位置。考虑磁性目标的磁矩方向对定位的影响，故本公开的验证过程主要是：通过改变磁矩三分量来模拟不同的磁矩方向，通过不同磁矩三分量下，本公开方法与传统方法（如TMG算法）的定位结果的对比，可以看出，传统方法与本公开的方法在磁矩矢量与位置矢量之间的夹角为非垂直时，二者的定位均接近于真实的磁性目标的位置，即预设位置所在行对应的目标位置；当磁矩矢量与位置矢量垂直，即二者之间的夹角为90°时，这种情况下，由于张量矩阵的逆矩阵会接近奇异值，传统定位方法的定位结果出现较大误差，而用本公开的方法仍可以接近于真实的磁性目标的位置。故，磁性目标在某些特殊的磁矩方向下，传统方法的误差较大，定位准确性不高，而应用本公开提供的定位方法，不受磁性目标磁矩方向的影响，在任意磁矩方向下，定位准确性均较高，能满足各种定位需求。
除了上述几个磁矩方向，为进一步说明本公开提供的定位方法不受磁性目标的姿态的影响，如图6所示，磁性目标位于（0，0，0）点处，探测点位于探测平面中，假设探测点坐标为（1.2，0.8，1），
Figure DEST_PATH_IMAGE032
为位置矢量
Figure DEST_PATH_IMAGE033
在
Figure DEST_PATH_IMAGE034
平面的投影，磁矩
Figure DEST_PATH_IMAGE035
与位置矢量
Figure DEST_PATH_IMAGE036
之间的夹角为
Figure DEST_PATH_IMAGE037
。当夹角在0°~ 90°之间变化时，分别用传统方法（如TMG算法）和本公开提供的方法定位磁性目标的位置，两种定位方法计算出的目标位置与实际的目标位置（0，0，0）之间的误差如图3-5所示，图3-5分别为磁矩三分量只有x分量不为0、磁矩三分量只有y分量不为0和磁矩三分量只有z分量不为0，这三种情况下的二种方法的定位误差对比图，可以看出，当磁矩
Figure DEST_PATH_IMAGE038
与位置矢量
Figure DEST_PATH_IMAGE039
之间的夹角
Figure DEST_PATH_IMAGE040
为90°时，传统方法均出现了较大误差，而本公开提供的方案，在任意角度下，定位误差均为0，故为应用本公开提供的方法得到的目标位置与实际的磁性目标位置更接近，相较于现有技术的定位方法，本公开提供的定位方法的准确性有了明显的提升。
上文结合图1，详细描述了本公开的方法实施例，下文结合图7，详细描述本公开的装置实施例。
图7为本公开一实施例提供的基于磁梯度仪阵列的定位装置结构示意图。该定位装置可以是计算设备，也可以是计算设备的部件（例如，集成电路，芯片等等），该计算设备可以为服务器，也可以为终端设备。
如图7所示，该定位装置20包括：
获取单元21，用于获取磁梯度仪阵列在各个探测点探测到的磁场分量，并获取各个探测点的地磁场模值；
第一计算单元22，用于根据所获取的磁场分量和地磁场模值，计算得到各个探测点的磁异常场模值的平方；
第二计算单元23，用于计算磁梯度仪阵列在各个探测点的磁梯度张量矩阵；
第三计算单元24，用于根据各个探测点的位置以及各个探测点磁梯度张量矩阵，计算各个探测点的第一耦合值和各个探测点的第二耦合值；
确定单元25，用于将所述各个探测点的第一耦合值、所述各个探测点的第二耦合值和所述各个探测点的磁异常场模值的平方代入预设函数，得到目标函数；并计算当所述目标函数取最小值时的参考位置；根据所述参考位置，确定目标位置。
在一些实施例中，获取单元，具体用于：
获取标量磁力仪在各个探测点测量得到的地磁场模值，或者；
查询数据库中预先存储的国际地磁参考场数据，得到各个探测点的地磁场模值。
在一些实施例中，第一计算单元，具体用于；
针对每一探测点，计算该探测点的磁场分量的模值与在该探测点的地磁场模值的差值，将该差值的平方值作为该探测点磁异常场模值的平方。
在一些实施例中，第二计算单元，具体用于：
针对每一探测点，获取磁梯度仪阵列中各个磁传感器在该探测点的磁场分量，并获取所述磁梯度仪阵列的基线距离，根据所述各个磁传感器在该探测点的磁场分量和所述基线距离，计算得到磁梯度仪阵列在该探测点的磁梯度张量矩阵。
在一些实施例中，所述磁梯度仪阵列为十字形结构或三角形结构或正方形结构的阵列形状。
在一些实施例中，所述目标函数为各个探测点的探测信息与各个探测点的磁异常场模值的平方的差值的累加值，所述各个探测点的探测信息为各个探测点的参考位置集合与第一耦合值的乘积再加各个探测点的第二耦合值的和值。
在一些实施例中，所述探测点的数量不少于9个。
上文中结合附图从功能模块的角度描述了本公开实施例的装置。应理解，该功能模块可以通过硬件形式实现，也可以通过软件形式的指令实现，还可以通过硬件和软件模块组合实现。具体地，本公开实施例中的方法实施例的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路和/或软件形式的指令完成，结合本公开实施例公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。可选地，软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器、可编程只读存储器、电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域的成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法实施例中的步骤。
图8是本公开实施例提供的基于磁梯度仪阵列的定位装置的示意性框图，该基于磁梯度仪阵列的定位装置用于执行上述方法实施例。
如图8所示，基于磁梯度仪阵列的定位装置可以被提供为一种电子设备。该电子设备300可包括：
存储器301、处理器302、输入/输出（Input/Output，I/O）接口303。其中，存储器301，用于存储指令。处理器302，用于调用存储器301存储的指令执行本公开实施例的基于磁梯度仪阵列的定位方法。其中，处理器302分别与存储器301、I/O接口303连接，例如可通过总线系统和/或其他形式的连接机构(未示出)进行连接。存储器301可用于存储程序和数据，包括本公开实施例中涉及的基于磁梯度仪阵列的定位方法的程序，处理器302通过运行存储在存储器301的程序从而执行电子设备300的各种功能应用以及数据处理。
在本公开的一些实施例中，该处理器302可以包括但不限于：
通用处理器、数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）、专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）、现场可编程门阵列（FieldProgrammable Gate Array，FPGA）或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等等。
在本公开的一些实施例中，该存储器301包括但不限于：
采用数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)、可编程逻辑阵列(Programmable Logic Array，PLA)中的至少一种硬件形式来实现，所述处理器302可以是中央处理单元（CentralProcessing Unit，CPU）或者具有数据处理能力和/或指令执行能力的其他形式的处理单元中的一种或几种的组合。
本公开实施例中的存储器301可以包括一个或多个计算机程序产品，所述计算机程序产品可以包括各种形式的计算机可读存储介质，例如易失性存储器和/或非易失性存储器。其中，非易失性存储器可以是只读存储器（Read-Only Memory，ROM）、可编程只读存储器（Programmable ROM，PROM）、可擦除可编程只读存储器（Erasable PROM，EPROM）、电可擦除可编程只读存储器（Electrically EPROM，EEPROM）或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器（Random Access Memory，RAM），其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器（Static RAM，SRAM）、动态随机存取存储器（Dynamic RAM，DRAM）、同步动态随机存取存储器（Synchronous DRAM，SDRAM）、双倍数据速率同步动态随机存取存储器（Double Data Rate SDRAM，DDR SDRAM）、增强型同步动态随机存取存储器（Enhanced SDRAM，ESDRAM）、同步连接动态随机存取存储器（synch linkDRAM，SLDRAM）和直接内存总线随机存取存储器（Direct Rambus RAM，DR RAM）。
本公开实施例中，I/O接口303可用于接收输入的指令（例如数字或字符信息，以及产生与电子设备300的用户设置以及功能控制有关的键信号输入等），也可向外部输出各种信息（例如，图像或声音等）。本公开实施例中I/O接口303可包括物理键盘、功能按键（比如音量控制按键、开关按键等）、鼠标、操作杆、轨迹球、麦克风、扬声器、和触控面板等中的一个或多个。
应当理解，该电子设备中的各个组件通过总线系统相连，其中，总线系统除包括数据总线之外，还包括电源总线、控制总线和状态信号总线。
根据本公开的一个方面，提供了一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被计算机执行时使得该计算机能够执行上述方法实施例的方法。或者说，本公开实施例还提供一种包含指令的计算机程序产品，该指令被计算机执行时使得计算机执行上述基于磁梯度仪阵列的定位方法实施例的方法。
根据本公开的另一个方面，提供了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算设备的处理器从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算设备执行上述基于磁梯度仪阵列的定位方法实施例的方法。
换言之，当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。该计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行该计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本公开实施例该的流程或功能。该计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。该计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，该计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线（例如同轴电缆、光纤、数字用户线（digital subscriber line，DSL））或无线（例如红外、无线、微波等）方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。该计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。该可用介质可以是磁性介质（例如，软盘、硬盘、磁带）、光介质（例如数字视频光盘（digital video disc，DVD））、或者半导体介质（例如固态硬盘（solid state disk，SSD））等。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本公开的范围。
在本公开所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，该模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，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。例如，在本公开各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。
可以理解的是，本公开实施例中尽管在附图中以特定的顺序描述操作，但是不应将其理解为要求按照所示的特定顺序或是串行顺序来执行这些操作，或是要求执行全部所示的操作以得到期望的结果。在特定环境中，多任务和并行处理可能是有利的。
本公开实施例涉及的方法和装置能够利用标准编程技术来完成，利用基于规则的逻辑或者其他逻辑来实现各种方法步骤。还应当注意的是，此处以及权利要求书中使用的词语“装置”和“模块”意在包括使用一行或者多行软件代码的实现和/或硬件实现和/或用于接收输入的设备。
此处描述的任何步骤、操作或程序可以使用单独的或与其他设备组合的一个或多个硬件或软件模块来执行或实现。在一个实施方式中，软件模块使用包括包含计算机程序代码的计算机可读介质的计算机程序产品实现，其能够由计算机处理器执行用于执行任何或全部的所描述的步骤、操作或程序。
出于示例和描述的目的，已经给出了本公开实施的前述说明。前述说明并非是穷举性的也并非要将本公开限制到所公开的确切形式，根据上述教导还可能存在各种变形和修改，或者是可能从本公开的实践中得到各种变形和修改。选择和描述这些实施例是为了说明本公开的原理及其实际应用，以使得本领域的技术人员能够以适合于构思的特定用途来以各种实施方式和各种修改而利用本公开。

Claims (9)

1.一种基于磁梯度仪阵列的定位方法，其特征在于，所述方法包括：
获取磁梯度仪阵列在各个探测点探测到的磁场分量，并获取所述各个探测点的地磁场模值；
根据所获取的磁场分量和地磁场模值，计算得到所述各个探测点的磁异常场模值的平方；
计算所述磁梯度仪阵列在所述各个探测点的磁梯度张量矩阵；
根据
Figure 798474DEST_PATH_IMAGE001
，计算各个探测点的第一耦合值，所述第一耦合值包括bi(i=1,2,3,4,5,6,7,8,9)；
根据
Figure 450035DEST_PATH_IMAGE002
计算各个探测点的第二耦合值，所述第二耦合值为c，Gi(i=1,2,3,4,5,6,7,8,9)表示探测点处于位置（x,y,z）时的磁梯度张量矩阵中的元素；
将所述各个探测点的第一耦合值、所述各个探测点的第二耦合值和所述各个探测点的磁异常场模值的平方代入预设函数，得到目标函数，所述目标函数为各个探测点的探测信息与各个探测点的磁异常场模值的平方的差值的累加值，所述各个探测点的探测信息为各个探测点的参考位置集合与第一耦合值的乘积再加各个探测点的第二耦合值的和值；并计算当所述目标函数取最小值时的参考位置集合，所述参考位置集合包括ai（i=1,2,3,4,5,6,7,8,9），
根据
Figure 964193DEST_PATH_IMAGE003
确定所述参考位置集合，其中，
Figure 77511DEST_PATH_IMAGE004
表示磁性目标的目标位置；根据所述参考位置集合，确定目标位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取所述各个探测点的地磁场模值，包括：
获取标量磁力仪在各个探测点测量得到的地磁场模值，或者；
查询数据库中预先存储的国际地磁参考场数据，得到各个探测点的地磁场模值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述根据所获取的磁场分量和地磁场模值，计算得到所述各个探测点的磁异常场模值的平方，包括：
针对每一探测点，计算该探测点的磁场分量的模值与在该探测点的地磁场模值的差值，将该差值的平方值作为该探测点磁异常场模值的平方。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算所述磁梯度仪阵列在所述各个探测点的磁梯度张量矩阵，包括：
针对每一探测点，获取磁梯度仪阵列中各个磁传感器在该探测点的磁场分量，并获取所述磁梯度仪阵列的基线距离，根据所述各个磁传感器在该探测点的磁场分量和所述基线距离，计算得到磁梯度仪阵列在该探测点的磁梯度张量矩阵。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磁梯度仪阵列为十字形结构或三角形结构或正方形结构的阵列形状。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述探测点的数量不少于9个。
7.一种基于磁梯度仪阵列的定位装置，其特征在于，所述装置包括：
获取单元，用于获取磁梯度仪阵列在各个探测点探测到的磁场分量，并获取所述各个探测点的地磁场模值；
第一计算单元，用于根据所获取的磁场分量和地磁场模值，计算得到所述各个探测点的磁异常场模值的平方；
第二计算单元，用于计算所述磁梯度仪阵列在所述各个探测点的磁梯度张量矩阵；
第三计算单元，用于根据
Figure 626304DEST_PATH_IMAGE005
，计算各个探测点的第一耦合值，所述第一耦合值包括bi(i=1,2,3,4,5,6,7,8,9)；根据
Figure 183187DEST_PATH_IMAGE007
计算各个探测点的第二耦合值，所述第二耦合值为c，Gi(i=1,2,3,4,5,6,7,8,9)表示探测点处于位置（x,y,z）时的磁梯度张量矩阵中的元素；
确定单元，用于将所述各个探测点的第一耦合值、所述各个探测点的第二耦合值和所述各个探测点的磁异常场模值的平方代入预设函数，得到目标函数，所述目标函数为各个探测点的探测信息与各个探测点的磁异常场模值的平方的差值的累加值，所述各个探测点的探测信息为各个探测点的参考位置集合与第一耦合值的乘积再加各个探测点的第二耦合值的和值；并计算当所述目标函数取最小值时的参考位置集合所述参考位置集合包括ai（i=1,2,3,4,5,6,7,8,9），根据
Figure 184641DEST_PATH_IMAGE003
确定所述参考位置集合，其中,
Figure 117962DEST_PATH_IMAGE004
表示磁性目标的目标位置；根据所述参考位置集合，确定目标位置。
8.一种基于磁梯度仪阵列的定位装置，其特征在于，包括：
存储器，用于存储指令；以及
处理器，用于调用所述存储器存储的指令执行如权利要求1至6中任一项所述的基于磁梯度仪阵列的定位方法。
9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有指令，所述指令被处理器执行时，执行如权利要求1至6中任一项所述的基于磁梯度仪阵列的定位方法。
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