CN115032704A

CN115032704A - 一种磁异常探测方法、系统、介质、设备及终端

Info

Publication number: CN115032704A
Application number: CN202210570324.3A
Authority: CN
Inventors: 油海东; 李琳
Original assignee: Qingdao Agricultural University
Current assignee: Qingdao Agricultural University
Priority date: 2022-05-24
Filing date: 2022-05-24
Publication date: 2022-09-09

Abstract

本发明属于磁场探测技术领域，公开了一种磁异常探测方法、系统、介质、设备及终端，使用总场磁力仪构造总场磁力仪阵列，对磁性物体进行探测，得到磁场总场数据；计算磁场梯度，通过磁场数据及磁场梯度数据，近似反演得到磁性物体的空间位置；再使用迭代算法对定位精度进行改进，实现磁异常探测。本发明提供的磁异常探测方法中，通过使用总场磁力仪阵列，测量磁性目标的总场大小，计算总场梯度，得到磁性目标空间位置矢量的近似值，再使用迭代算法对其精度进行改进，提高其定位精度。同时，本发明采用总场磁力仪阵列，克服了矢量磁力仪阵列需要精确对准的缺点，采用的迭代算法速度快，计算量小，可以快速的对空间位置矢量的精度进行改进。

Description

一种磁异常探测方法、系统、介质、设备及终端

技术领域

本发明属于磁场探测技术领域，尤其涉及一种磁异常探测方法、系统、介质、设备及终端。

背景技术

磁异常探测技术在资源勘探、国防装备等领域具有重要的应用。地球是一个巨大的磁铁，地球磁场使含有铁磁材料的物体被磁化，产生自身磁场，进而会引起地球磁场畸变，这就是磁异常现象。磁异常探测技术是一种探测分析异常磁场，进而从磁异常场信息中获取目标信息，并进行定位的技术。磁异常探测技术由于具有可以测量物质深部、不易受非磁性环境干扰等优点，已经广泛应用于未爆炸物检测、水下磁性目标跟踪、入侵检测、生物医学、地球物理勘探、室内定位等多个领域。

常见的磁异常探测技术，一般是把引起磁异常的磁性物体看做是一个磁偶极子，使用磁力仪测量磁偶极子在空间某点的磁场大小，通过特定的反演算法，即对磁性物体进行定位。在基于磁异常的反演定位方面，Nara团队利用磁场矢量及磁梯度张量提出了一种基于欧拉反褶积的磁性目标单点定位方法，初步设计了一种磁梯度张量测量架构，并于2014年对其自身所提的定位方法出现奇异解情况时进行了补充修正，优化了磁梯度张量测量结构。Beiki等人于2011年采用基于磁梯度张量的特征向量法对磁性目标进行水平定位和深度计算，在深度计算方面取得了较高的精度。并于2012年提出利用归一化源强度的欧拉反褶积来估算目标的位置信息，使定位磁性目标的精度进一步得到提升。2012年，Clark的研究团队研究结合归一化源强度实现了对磁性目标的定位，仿真验证该方法具有较好的理论精度。2016年，Wang等人提出了一种使用迭代算法对STAR反演方法的椭圆误差进行改进的方案，提高了磁性目标的探测精度，但是该方法需要使用矢量测力仪构造立方体测力仪探测阵列。结构不易实现。2018年，樊黎明提出一种快速线性算法实现磁异常物体的反演定位。该方法使用总场磁力仪，测量磁性物体。2018年，JIN等人提出一种使用总场梯度对磁偶极子进行定位的方法，但是该方法定位精度低，为了提高精度，又引入了张量模梯度的探测方法，和总场梯度进行联合探测。但是这造成探测方法复杂，需要同时测量和计算总场梯度和张量模梯度。2020年，尹刚提出一种基于磁异常梯度张量矩阵旋转不变量的磁异常物体探测方法。该方法使用磁力仪构造一个六面体探测矩阵，从而实现磁异常物体的快速探测。

磁异常探测技术，总体上可以分为使用矢量磁力仪和总场磁力仪两种方式，为了消除地磁场的影响，需要构造磁力仪阵列，测量磁场数据的梯度数据。使用矢量磁力仪构造磁力仪阵列时，需要把矢量磁力计的三个轴和坐标系的轴严格对准，否则有可能造成测量数据的严重偏差，从而造成定位很大的定位误差。而使用总场磁力仪构造磁力仪阵列，可以避免上述问题。因此使用总场磁力仪对磁异常进行探测也是一种重要的技术手段。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有的磁异常探测技术中，为了消除地磁场的影响，矢量磁力仪构造的测量阵列，需要严格对准坐标轴，不易实现。

(2)现有的磁异常探测技术中，使用总场测力仪进行探测，需要求解非线性方程组，求解速度慢，探测精度低。即使采用线性算法时，在一次探测过程中，需要沿直线移动总场测力仪，造成测量速度慢，而且如果总场测力仪移动轨迹不是严格直线，会造成测量误差的增大。

(3)现有的磁异常探测技术中，使用总场磁力仪阵列测量的数据直接对磁性物体位置反演，精度不高，为了改进其精度，还需要使用矢量测力仪测量其张量模梯度数据，造成测量系统复杂，数据处理复杂。而使用迭代算法无需增加任何测量设备，即可改进其定位精度。

解决以上问题及缺陷的难度为：在使用矢量磁力仪构造立方体探测阵列时，需要把每个矢量磁力仪的三个测量方向和直角坐标系的三个轴向严格对齐，这种对齐在工程上不易实现。在使用总场磁力仪进行磁性物体探测时，需要求解非线性方程组，不易求解，采用优化算法求解，运算速度慢，需要耗费大量的计算资源。采用线性算法求解时，需要多次严格按照直线移动总场磁力仪，造成测量速度缓慢，测量系统复杂

解决以上问题及缺陷的意义为：使用本发明探测磁性目标时，基于总场磁力仪构建探测阵列，总场测力仪只是测量磁场大小，不需要象矢量磁力仪探测阵列那样严格对准。使用总场磁力仪探测阵列，只需要进行一次探测，再使用迭代算法即可快速得到改进的探测结果，不需要求解非线性方程组，也不需要再额外测量其他数据，在一次测量过程中也不需要移动探测阵列，磁力仪结构简单，测量过程简单，迭代算法快速有效。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种磁异常探测方法、系统、介质、设备及终端。所述技术方案如下：

本发明是这样实现的，一种磁异常探测方法，所述磁异常探测方法包括：使用七个总场磁力仪构造磁力仪阵列，其中一个磁力仪位于直角坐标系原点，其余六个磁力仪分别位于以原点为对称点的三个坐标轴上。在进行磁异常探测时，使用位于坐标轴上的六个磁力仪探测的磁场总场数据，近似计算出磁异常物体在坐标系原点的总场梯度，联合坐标系原点总场磁力仪测量的磁异常总场数据，即可近似计算出磁异常物体的空间位置矢量的单位向量及其模的大小。在使用迭代算法对空间位置矢量的单位向量改进时，使用近似计算的单位矢量作为初始值，使用当地的地磁场的单位矢量作为磁异常物体磁矩的单位矢量，使用空间位置矢量单位矢量的迭代公式，对空间位置矢量的单位矢量进行迭代，对其定位精度进行改进，实现磁异常探测。

使用总场磁力仪构造总场磁力仪阵列，对磁性物体进行探测，得到磁场总场数据；计算总场梯度，通过磁场总场数据及总场梯度数据，近似反演得到磁性物体的空间位置；再使用迭代算法对定位精度进行改进，实现磁异常探测。

在一个实施例中，所述磁异常探测方法，可应用于未爆炸物检测、水下磁性目标追踪、生物医学、地球物理勘探、室内定位等领域。还包括：

当磁力仪距离磁性物体足够远时，将磁性物体当做磁偶极子，所述磁偶极子在空间任意一点处产生的磁场大小为：

其中，μ₀＝4π×10^-7H/m是真空磁导率，r＝rr₀是磁性物体的空间位置矢量，r是模，r₀是单位矢量，M＝Mm₀是磁偶极子的磁矩，M是大小，m₀是单位矢量，“.”表示矢量点乘运算。

在一个实施例中，所述磁异常探测方法还包括：

计算磁场的大小为：

其中，q定义为：

计算总场的空间梯度为：

梯度的模为：

得到空间梯度的单位矢量V为：

计算位置矢量的单位向量为：

对位置矢量的模进行求解得到：

r≈3B_a/|G|；

得到磁性目标的位置矢量为：

r＝rr₀。

在一个实施例中，所述磁异常探测方法还包括：

使用总场磁力仪构造磁力仪阵列，测量磁性物体的总场及梯度；所述总场磁力仪共有7个，编号分别为S₁～S₇；以S₇作为原点，建立空间坐标系，每个磁力仪到坐标原点的距离均为d；磁性目标的空间位置矢量为r，坐标为(x，y，z)。

每个总场磁力仪测量的磁性目标的总场大小为B_ai，i＝1～7，则磁性目标在坐标原点处的总场梯度表示为：

G≈[(|B|₁-|B|₂)/2d,(|B|₃-|B|₄)/2d,(|B|₅-|B|₆)/2d]；

磁性目标位置矢量的模表示为：

磁性目标的单位位置矢量表示为：

使用迭代算法对r₀进行迭代。

在一个实施例中，所述迭代算法包括：

①初始化

测量磁性物体的总场数据，依次计算梯度、r的初值以及r₀的初值；

②当循环条件不满足时，则使用r₀和m₀计算p、q、C1、C2、C3和V，并更新r₀；

③循环停止条件有两种，第一种是两次迭代的r₀值的差值小于一个特定的值；第二种是指定迭代次数；

④输出磁性物体的位置矢量r＝rr₀。

在实现迭代算法时，需要知道磁性物体磁矩的单位矢量m0，当磁性物体主要是由软磁材料组成时，其磁场主要是地磁场引起的感生磁场，其磁矩方向和地磁场的方向是相同的，而地磁场的方向可以从国际参考地磁场(International Geomagnetic referenceField，IGRF)获取。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述的磁异常探测方法的磁异常探测系统，所述磁异常探测系统包括：

磁力仪阵列构建模块，用于使用总场磁力仪构造总场磁力仪阵列；

磁性物体探测模块，用于对磁性物体进行探测，得到磁场数据；

空间位置反演模块，用于计算磁场总场梯度，通过磁场总场数据及总场梯度数据，近似反演出磁性物体的空间位置；

磁异常探测模块，用于使用迭代算法对定位精度进行改进，进而实现磁异常探测。

本发明的另一目的在于提供一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行权利要求任意一项所述包括下列步骤：

使用总场磁力仪构造总场磁力仪阵列，对磁性物体进行探测，得到磁场总场数据；计算磁场梯度，通过磁场数据及磁场梯度数据，近似反演得到磁性物体的空间位置，再使用迭代算法对定位精度进行改进，实现磁异常探测。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施所述的磁异常探测系统。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

本发明使用总场磁力仪阵列，测量磁性目标的总场大小，计算总场梯度，得到磁性目标空间位置矢量的近似值，再使用迭代算法对其精度进行改进。

本发明使用总场磁力仪构建磁力仪测量阵列，测量磁性目标的总场数据，计算其梯度，然后计算磁性目标空置位置矢量的初值；再使用迭代算法，对空置位置矢量的单位矢量进行迭代优化，提高其定位精度。

第二，把技术方案看作一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

本发明提供的磁异常探测方法，采用总场磁力仪阵列，客服了矢量磁力仪阵列需要精确对准的缺点，采用的迭代算法速度快，计算量小，可以快速的对空间位置矢量的精度进行改进。

第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在该技术方案转化后的预期收益和商业价值为：总场磁力仪相对矢量磁力仪价格便宜，实现迭代算法仅仅需要一块数字信号处理板即可，其价格在百元以内，因此本技术方案转化后，实现的磁异常探测系统成本极低，探测过程简易，具有很高的性价比。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1是本发明实施例提供的磁异常探测方法流程图；

图2是本发明实施例提供的磁异常探测系统结构框图；

图3是本发明实施例提供的总场磁力仪阵列示意图；

图4是本发明实施例提供的x轴反演结果示意图；

图5是本发明实施例提供的y轴反演结果示意图；

图6是本发明实施例提供的z轴反演结果示意图；

图中：1、磁力仪阵列构建模块；2、磁性物体探测模块；3、空间位置反演模块；4、磁异常探测模块；S₁～S₇为总场磁力仪，S₇位于坐标系原点，S₁的坐标为(d,0,0)，S₂的坐标为(-d,0,0)，S₃的坐标为(0,d,0)，S₄的坐标为(0,-d,0)，S₅的坐标为(0,0,d)，S₆的坐标为(0,0,-d)，其中d取值为0.1～2米。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

一、解释说明实施例：

如图1所示，本发明实施例提供的磁异常探测方法包括以下步骤：

S101，使用总场磁力仪构造总场磁力仪阵列，对磁性物体进行探测，得到磁场总场数据；

S102，计算磁场总场梯度，通过磁场总场数据及总场梯度数据，近似反演出磁性物体的空间位置；

S103，使用迭代算法对定位精度进行改进，实现磁异常探测。

如图2所示，本发明实施例提供的磁异常探测系统包括：

磁力仪阵列构建模块1，用于使用总场磁力仪构造总场磁力仪阵列；

磁性物体探测模块2，用于对磁性物体进行探测，得到磁场数据；

空间位置反演模块3，用于计算磁场总场梯度，通过磁场总场数据及总场梯度数据，近似反演出磁性物体的空间位置；

磁异常探测模块4，用于使用迭代算法对定位精度进行改进，进而实现磁异常探测。

二、应用实施例：

当磁力仪距离磁性物体足够远时，可以把磁性物体当做一个磁偶极子。磁偶极子在空间任意一点处产生的磁场大小为：

这里μ₀＝4π×10^-7H/m是真空磁导率，r＝rr₀是磁性物体的空间位置矢量，r是其模，r₀是其单位矢量，M＝Mm₀是磁偶极子的磁矩，M是其大小，m₀是其单位矢量，“.”表示矢量点乘运算。

从(1)式，可以计算磁场的大小(即总场)为：

其中q定义为：

由式(2)可以计算出总场的空间梯度为：

梯度的模为：

进而可以得到空间梯度的单位矢量V为：

由式(6)，可以计算出位置矢量的单位向量为：

而位置矢量的模可以由式(2)和式(5)近似求解得到：

r≈3B_a/|G|

(8)

从而得到磁性目标的位置矢量为：

r＝rr₀

(9)

为了测量磁性物体的总场及其梯度，使用总场磁力仪构造如图3所示的磁力仪阵列。在图3中，共有7个总场磁力仪，其编号分别为S₁～S₇。并以S₇作为原点，建立空间坐标系，每个磁力仪到坐标原点的距离均为d。磁性目标的空间位置矢量为r，其坐标为(x，y，z)。

每个总场磁力仪测量的磁性目标的总场大小为B_ai(i＝1～7)，那么磁性目标在坐标原点处的总场梯度可以近似表示为：

G≈[(|B|₁-|B|₂)/2d,(|B|₃-|B|₄)/2d,(|B|₅-|B|₆)/2d]

(10)

由式(8)可知，磁性目标位置矢量的模可以近似表示为：

磁性目标的单位位置矢量可以近似表示为：

从以上反演定位算法可以知道，计算出的磁性目标的位置是一个近似结果。为了提高定位精度，使用迭代算法对r₀进行迭代，经过迭代之后，能显著提高定位精度。

迭代算法的伪代码如下：

初始化

测量磁性物体的总场数据，使用式(10)计算其梯度，使用式(11)

计算r的初值，使用式(12)计算r₀的初值。

While循环条件不满足do

使用r₀和m₀计算p、q、C1、C2、C3和V。

使用式(7)，更新r₀

endwhile

//循环停止条件有两种，第一种是两次迭代的r₀值的差值小于一个特定的值；第二种是指定迭代次数。

输出

磁性物体的位置矢量r＝rr₀.

在实现迭代算法时，需要知道磁性物体磁矩的单位矢量m₀，当磁性物体主要是由软磁材料组成时，其磁场主要是地磁场引起的感生磁场，其磁矩方向和地磁场的方向是相同的，而地磁场的方向可以从国际参考地磁场(international geomagnetic referencefield，IGRF)获取。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述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。所述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，所述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(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)。所述计算机可读取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。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。

三、实施例相关效果的证据：

假设磁性目标的磁矩大小为800Am²，当地地磁倾角为63度，地磁偏角为-10度。磁性目标运动方程为：

使用本发明的方法，对该磁性目标反演定位的结果如图4～6所示，其中图4是x轴的反演结果，图5是y轴的反演结果，图6是z轴的反演结果。

以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。