CN115236746A - 一种潜航器搭载式水下多参量磁测系统及磁测定位方法 - Google Patents

一种潜航器搭载式水下多参量磁测系统及磁测定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于磁测定位领域，为一种潜航器搭载式水下多参量磁测系统及磁测定位方法，包含两个总场磁力仪、一个三分量磁力仪、惯性测量单元以及相应的数据采集和收录装置。两个总场磁力仪提供单轴方向的磁异常数据以及磁梯度数据，三分量磁力可以获得磁异常数据的三个分量，它不仅可以作为参考，还能对总场数据进行更加丰富地解释，为快速精准定位水下目标提提供了条件。惯性测量单元用来获取系统拖曳时的三轴姿态数据和加速度数据，对由系统拖曳时产生的姿态变化引起的三分量磁力仪数据误差进行实时补偿。本发明提供的系统由潜航器搭载拖曳至水下探测和定位水下目标体，同时可作为水下集群式协同磁探测的子系统，实现对水下目标体的快速精准定位。

Description

一种潜航器搭载式水下多参量磁测系统及磁测定位方法
技术领域
本发明涉及水下磁目标探测领域，尤其是指一种潜航器搭载式水下多参量磁测系统及磁测定位方法。
背景技术
水下磁目标探测为海洋工程排除安全隐患，并为军事目标的探测提供了有效的手段。研制潜航器搭载的水下磁测系统对水下目标体快速定位，是海战中取得优势地位的关键，必将大大提高侦察和探测的效率和武器系统的打击能力。根据现有的磁力仪搭建水下磁测系统是进行目标探测的前提条件。
现有的拖体多由一个或两个总场磁力仪构成，测量所得磁异常信息比较有限，对水下目标体的定位精度和效率也有限，而多个总场磁力仪组成阵列形式对成本又有很高的要求。因此适当数量的磁传感器和合适的布置方式成为水下磁测系统设计时首要考虑的问题。为了能够实时快速定位水下目标体，在设计水下磁测系统时应该考虑磁传感器之间的数据同步采集问题。同时，由于我国海洋资源广阔，水下磁性目标体，如潜艇、未爆炸弹药物、水雷等的活动范围较大，单个水下磁测系统很难满足实时高效的探测要求。
发明内容
针对上述现有水下磁测系统的不足，尤其是现有水下磁测系统所测磁异常信息较为有限，且无法满足大规模实时探测的需要，提供一种适用于集群式协同磁探测的水下多参量磁测系统及磁测定位方法。
本发明是这样实现的，
一种潜航器搭载式水下多参量磁测系统，该系统包括潜航器，所述潜航器包括位于机身前端的电子仓以及位于机身尾部的背板，电子仓前端为拖曳头，所述背板为菱形，包括垂直的第一对称轴和第二对称轴，所述第一对称轴与机身的轴线位于同一直线上，所述第二对称轴的轴两端各设置一个总场磁力仪的探头，所述背板的尾部与所述第一对称轴同轴设置三分量磁力仪的探头，所述机身前端的电子仓内设置惯性测量单元以及两个总场磁力仪的探头电极、三分量磁力仪的数据采集装置，将第一对称轴作为X轴，第二对称轴作为Y轴，垂直背板为Z轴建立直角坐标系。
进一步地，两个所述总场磁力仪之间的轴向基线为2米，两个总场磁力仪获得两个不同位置处产生的磁异常数据，用于计算出在Y轴方向上的总场磁梯度数据。
进一步地，所述三分量磁力仪的探头距离两个总场磁力仪的探头的轴线垂直距离为1米。
进一步地，机身前端的电子仓的顶部套有浮体，背板的下部垂直于背板，沿着第一对称轴设置第一定深翼；以及垂直于背板，在背板的下部，对应第二对称轴的轴端设置第二定深翼。
进一步地，在进行水下探测时，由潜航器通过拖曳电缆连接拖曳头进行深水探测；使用两套磁测系统沿Z轴布置进行测量，同一磁测系统的Y轴方向2台总场磁力仪与另一个系统的Y轴方向2台总场磁力仪分别组成了两个水平梯度测量；在Z轴方向的两组总场磁力仪组成竖直梯度测量；两个三分量磁力仪的测量分量在Z轴和Y轴分别构成垂直梯度和竖直梯度。
一种潜航器搭载式水下多参量磁测系统的磁目标探测方法，包括：
由潜航器通过拖曳电缆连接两套磁测系统拖曳头进行深水探测，两套磁测系统沿Z轴布置；
同一系统的Y轴方向2台总场磁力仪与另一个系统的Y轴方向2台总场磁力仪分别组成了两个水平梯度测量；
在Z轴方向的两组总场磁力仪组成竖直梯度测量；
两个三分量磁力仪的测量分量在Z轴和Y轴分别构成垂直梯度和竖直梯度。
进一步地，4台总场磁力仪的数据分别被记录为BT3、BT7、BT10、BT12，2台三分量磁力仪的磁测数据分别为(Bx5,By5,Bz5)和(Bx11,By11,Bz11)，所获得的磁测参量如下：
水平梯度为：
Figure BDA0003677373860000031
其中，L1为同一套磁测系统的两个所述总场磁力仪之间的轴向基线；
垂直梯度表示为如下：
Figure BDA0003677373860000032
其中，L1为同一套磁测系统的三分量磁力仪的探头距离两个总场磁力仪的探头的轴线垂直距离；
两个竖直梯度分别表示为：：
Figure BDA0003677373860000033
Figure BDA0003677373860000034
其中，H1为同侧的两个总场磁力仪之间的竖直距离，H2为另一侧的两个总场磁力仪之间的竖直距离；
计算至少2套全轴磁梯度磁测数据G1和G2，分别表示为如下：
Figure BDA0003677373860000041
Figure BDA0003677373860000042
所获得的全轴磁梯度磁测数据G1和G2，以及每个单独的磁传感器的数据和水平梯度Gy、垂直梯度Gx以及竖直梯度Gz对水下磁目标进行快速准确定位。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
1)本发明所述系统相较于传统拖体，可以同时测量磁总场数据、总场梯度数据和三分量数据，测量信息全面，结合相应的磁目标定位方法可以高效准确定位水下磁性目标，提高了工作效率。2)本发明所述系统相较于传统拖体，可以作为子系统通过集群式协同磁探测实现大面积水域的磁目标探测，作业范围大大提高。3)本发明系统以及方法可以同时实现多参量的测量，适用于多种定位算法。
附图说明
图1为本发明实施例提供的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的采用两套系统进行测量时的布置结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种潜航器搭载式水下多参量磁测系统，该系统包括潜航器，潜航器包括位于机身前端的电子仓9以及位于机身尾部的背板4，电子仓前端为拖曳头1，拖曳头用于使用的过程中拖行用，背板为菱形，包括垂直的第一对称轴和第二对称轴，第一对称轴与机身的轴线位于同一直线上，第二对称轴的轴两端各设置一个总场磁力仪的探头，分别为第一总场磁力仪3和第二总场磁力仪7，背板的尾部与第一对称轴同轴设置三分量磁力仪5的探头，机身前端的电子仓内设置惯性测量单元以及两个总场磁力仪的探头电极、三分量磁力仪的数据采集装置，将第一对称轴作为X轴，第二对称轴作为Y轴，垂直背板为Z轴建立直角坐标系。
两个总场磁力仪之间的轴向基线为2米，两个总场磁力仪获得两个不同位置处产生的磁异常数据，用于计算出在Y轴方向上的总场磁梯度数据。
机身前端的电子仓的顶部套有浮体2，通过控制浮体可以控制系统在水中的潜伏深度。
除了浮体2外，该潜航器搭载式水下多参量磁测系统整体材料采用玻璃钢开模成形制造，避免铁磁性材料因为运动产生的涡流磁场对磁异常数据产生干扰；拖曳头1用来连接拖曳电缆，由潜航器拖曳至深水进行近距离此目标探测，解决了传统水面拖曳式磁测系统探测深水目标能力不足的局限性；
沿系统在图1中Y轴方向布置第一总场磁力仪探头3和第二总场磁力仪探头7，外部附有可拆卸的无磁外壳，保证密封性。
沿着图1中X轴轴线，惯性测量单元布置于电子仓9内，惯性测量单元用来获取该系统的三轴姿态和加速度数据，用来补偿三分量磁力仪因为姿态变化产生的误差；
位于系统X轴上，三分量磁力仪的探头5外部同样附有可拆卸的无磁外壳保证密封，它用来测量水下磁目标体产生的三轴矢量磁异常数据，经过误差补偿后利用该数据可以获得丰富的磁异常信息，可以结合总场、总场梯度数据实现对水下目标体的快速精准定位。
两个总场磁力仪的探头电极、三分量磁力仪的数据采集装置、以及惯性测量单元都被放置在电子仓9内，电子仓分体采用螺栓连接，可以开合并且采用密封胶条的方式保证密封；
电子仓顶部套有的浮体采用无磁且密度较小的材料，如玻璃微珠材料等，在该磁测系统被潜航器拖曳时提供一定的平衡浮力；系统背板4能够保证运动时该系统能够处于近似水平状态；系统下部具有垂直背板的第二定深翼8和两边的第一定深翼6，可以减小系统姿态变化；
该系统可以作为子系统通过集群式协同磁探测实现大面积水域的磁目标探测。
在进行水下探测时，由潜航器通过拖曳电缆连接拖曳头进行深水探测；使用两套系统沿Z轴布置进行测量，同一系统的Y轴方向2台总场磁力仪与另一个系统的Y轴方向2台总场磁力仪分别组成了两个水平梯度测量；在Z轴方向的两组总场磁力仪组成竖直梯度测量；两个三分量磁力仪的测量分量在Z轴和Y轴分别构成垂直梯度和竖直梯度。
如图2所示，两台系统沿Z轴上下布置，此时Y轴方向4台第一总场磁力仪3和第二总场磁力仪7，另一系统上的第三总场磁力仪10和第四总场磁力仪12分别组成了两个水平梯度测量；在Z轴方向，第一总场磁力仪3和第第三总场磁力仪10，第二总场磁力仪7和第四总场磁力仪12组成竖直梯度测量；同时，一系统上的三分量磁力仪5和和另一个系统上的三分量磁力仪11的测量分量在Z轴和Y轴分别构成垂直和竖直梯度。可以看到两台系统如此布置时，可以组成全轴磁梯度测量，而且还有参量冗余。总所周知磁目标探测时磁测参量越多定位效果越好，因此本系统具有较好的磁目标探测能力。
在实际测量时，4台总场磁力仪的数据分别被记录为BT3、BT7、BT10、BT12，2台三分量磁力仪的磁测数据分别为(Bx5,By5,Bz5)和(Bx11,By11,Bz11)，则两台系统如此布置时，所获得的磁测参量如下：
水平梯度表示为如下：
Figure BDA0003677373860000071
其中，L1为同一套磁测系统的两个所述总场磁力仪之间的轴向基线；
垂直梯度表示为如下：
Figure BDA0003677373860000072
其中，L1为同一套磁测系统的三分量磁力仪的探头距离两个总场磁力仪的探头的轴线垂直距离；
由于两个系统的姿态不能保持完一致，故竖直梯度因H1及H2数值不同会有不同的结果Gx1和Gx2，分别表示为如下：：
Figure BDA0003677373860000073
Figure BDA0003677373860000074
因此两个系统以上述布置方式协同探测时，可以同时获得至少2套全轴磁梯度磁测数据G1和G2，分别表示为如下：
Figure BDA0003677373860000075
Figure BDA0003677373860000081
利用所获得的全轴磁梯度磁测数据G1和G2，以及每个单独的磁传感器的数据和水平梯度Gy、垂直梯度Gx、竖直梯度Gz这些丰富的磁参量可以对水下磁目标进行快速准确定位。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种潜航器搭载式水下多参量磁测系统，其特征在于，该系统包括潜航器，所述潜航器包括位于机身前端的电子仓以及位于机身尾部的背板，电子仓前端为拖曳头，所述背板为菱形，包括垂直的第一对称轴和第二对称轴，所述第一对称轴与机身的轴线位于同一直线上，所述第二对称轴的轴两端各设置一个总场磁力仪的探头，所述背板的尾部与所述第一对称轴同轴设置三分量磁力仪的探头，所述机身前端的电子仓内设置惯性测量单元以及两个总场磁力仪的探头电极、三分量磁力仪的数据采集装置，将第一对称轴作为X轴，第二对称轴作为Y轴，垂直背板为Z轴建立直角坐标系。
2.按照权利要求1所述的潜航器搭载式水下多参量磁测系统，其特征在于，两个所述总场磁力仪之间的轴向基线为2米，两个总场磁力仪获得两个不同位置处产生的磁异常数据，用于计算出在Y轴方向上的总场磁梯度数据。
3.按照权利要求1所述的潜航器搭载式水下多参量磁测系统，其特征在于，所述三分量磁力仪的探头距离两个总场磁力仪的探头的轴线垂直距离为1米。
4.按照权利要求1所述的潜航器搭载式水下多参量磁测系统，其特征在于，机身前端的电子仓的顶部套有浮体，背板的下部垂直于背板，沿着第一对称轴设置第一定深翼；以及垂直于背板，在背板的下部，对应第二对称轴的轴端设置第二定深翼。
5.按照权利要求1所述的潜航器搭载式水下多参量磁测系统，其特征在于，在进行水下探测时，由潜航器通过拖曳电缆连接拖曳头进行深水探测；当两套系统沿Z轴布置进行测量，同一系统的Y轴方向2台总场磁力仪与另一个系统的Y轴方向2台总场磁力仪分别组成了两个水平梯度测量；在Z轴方向的两组总场磁力仪组成竖直梯度测量；两个三分量磁力仪的测量分量在Z轴和Y轴分别构成垂直梯度和竖直梯度。
6.一种采用权利要求1-5任意一项所述的潜航器搭载式水下多参量磁测系统的磁目标探测方法，其特征在于，包括：
由潜航器通过拖曳电缆连接两套磁测系统拖曳头进行深水探测，使用两套系统沿Z轴布置；
同一系统的Y轴方向2台总场磁力仪与另一个系统的Y轴方向2台总场磁力仪分别组成了两个水平梯度测量；
在Z轴方向的两组总场磁力仪组成竖直梯度测量；
两个三分量磁力仪的测量分量在Z轴和Y轴分别构成垂直梯度和竖直梯度。
7.按照权利要求6所述的磁目标探测方法，其特征在于，
4台总场磁力仪的数据分别被记录为BT3、BT7、BT10、BT12，2台三分量磁力仪的磁测数据分别为(Bx5,By5,Bz5)和(Bx11,By11,Bz11)，所获得的磁测参量如下：
水平梯度为：
Figure FDA0003677373850000021
其中，L1为同一套系统的两个所述总场磁力仪之间的轴向基线；
垂直梯度表示为如下：
Figure FDA0003677373850000022
其中，L1为同一套系统的三分量磁力仪的探头距离两个总场磁力仪的探头的轴线垂直距离；
两个竖直梯度分别表示为：：
Figure FDA0003677373850000023
Figure FDA0003677373850000031
其中，H1为同侧的两个总场磁力仪之间的竖直距离，H2为另一侧的两个总场磁力仪之间的竖直距离；
计算至少2套全轴磁梯度磁测数据G1和G2，分别表示为如下：
Figure FDA0003677373850000032
Figure FDA0003677373850000033
所获得的全轴磁梯度磁测数据G1和G2，以及每个单独的磁传感器的数据和水平梯度Gy、垂直梯度Gx以及竖直梯度Gz对水下磁目标进行快速准确定位。
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