CN115793066B - 小型磁目标磁张量矢量obf检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及小型磁目标磁张量矢量OBF检测方法，通过分析小型磁目标的磁张量表达式，研究了磁张量信号的OBF分解原理，并构建了磁张量矢量OBF检测模型，进而实现了对小型磁目标的磁张量检测。本发明深入研究了磁张量矢量OBF的分解原理，在此基础上构建了磁张量矢量OBF检测模型，提出了磁张量矢量OBF检测方法。

Description

小型磁目标磁张量矢量OBF检测方法

技术领域

本发明属于磁张量检测技术领域，尤其是小型磁目标磁张量矢量OBF检测方法。

背景技术

小型磁目标如水雷、地雷、沉船等隐蔽铁磁性物体，因探测环境的复杂性和技术的局限性，探测难度较大。而铁磁性目标在地磁场的磁化作用会产生感应磁场，引起原本恒定的磁场发生异常，形成磁异常信号。磁异常信号能够在水、空气和大部分泥沙中稳定传播，这对于通过磁异常检测技术实现小型磁目标探测极为有利。磁异常探测受天气影响较小，基本没有环境条件的限制，作为一种无源非接触式目标探测方法，和传统的红外探测、激光探测和声音探测手段相比，具有抗干扰能力强、信息量丰富、隐蔽性能好等优势。磁张量检测方法是现阶段最新的磁异常检测技术之一，能够克服地磁场的干扰，是磁性目标探测更加有效的手段，日渐成为磁探测技术的研究热点，被认为是未来磁探测技术的重要发展方向。

Lev Frumkis团队首次提出了OBF检测理论，并不断拓展和完善其检测性能。该团队先研究了基于磁总场异常的OBF检测方法，利用五个正交基函数表示标量磁总场异常信号，构建了确定基函数下的能量函数，分析了垂直和水平分布磁传感器的差异，提高了磁异常信号的信噪比；随后，研究了基于磁总场梯度的OBF检测方法，将基函数由五个简化至四个，利用简化模型验证了检测方法的有效性和稳定性；紧接着，为了提高OBF检测方法的检测性能，对滑动窗、偏移常量和特征时间等核心参数进行了优化，去除了恒定偏差和线性时间趋势，进一步提高了检测方法的信噪比。Pepe通过多级模型对磁异常进行泛化，利用广义似然比测试实现了OBF检测方法在多磁性目标检测中的应用。万成彪将卡亨南-洛维展开式引入到OBF检测中来，提出利用卡亨南-洛维展开修正标准正交基函数，构建了KLE-OBF检波器，实现了有色噪声条件下的有效磁检测，磁性目标检测概率提升到了80％左右。分析和实验证明，在高斯白噪声条件下，OBF检测器具有最理想的检测性能。

现有研究主要集中在标量磁异常OBF检测，虽然该类测方法性能稳定，检测效果较好，但是损失了目标磁场的方向信息，只能反映出磁目标的部分磁场特征，并且对信噪比要求较高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出小型磁目标磁张量矢量OBF检测方法，提高了磁异常OBF检测方法的适用性。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

小型磁目标磁张量矢量OBF检测方法，包括以下步骤：

步骤1、使用OBF表示磁张量信号；

步骤2、构建磁张量矢量OBF检测模型；

步骤3、根据磁张量矢量OBF检测模型，对磁张量进行矢量OBF检测。

而且，所述步骤1中对磁张量矢量OBF进行分解的具体实现方法为：固定不动磁目标，装有磁测量系统的运动载体以速度v沿着平行于x轴的方向匀速直线运动，磁目标与运动载体的最短距离为R₀，磁目标指向载体的位移矢量为R，磁目标的磁矩为M，地磁场为B_d，M和B_d与z轴正方向的夹角分别为α_M和α_d；M和B_d在xoy面上的投影与x轴正方向的夹角分别为β_M和β_d；x,y,z轴的单位矢量分别为

而且，所述步骤1中使用矢量OBF表示磁张量信号的具体实现方法为：

其中，G_xx、G_xy、G_xz、G_yy为G_zz磁异常张量，(x₀,y₀,z₀)表示磁探测系统的初始位置，R₀ ²＝y₀ ²+z₀ ²，M为磁目标的磁矩，μ₀为真空磁导率，d为磁张量测量系统的基线长度，c_ijn'(i,j＝x,y,z；n＝1,2,3)是矢量OBF下磁异常张量信号的系数，ψ'_n(γ)为正交化为矢量OBF的三个相同函数，三个相同的函数表示磁张量各分量。

而且，所述步骤2的具体实现方法为：检测得到磁张量数据，对矢量OBF表示磁张量信号中磁张量信号系数进行计算：

其中，n为当前进行矢量OBF处理对应的采样点，k为滑动窗的值，Δγ＝γ_i+1-γ_i为与采样频率有关的积分间隔，利用磁张量信号系数建立磁异常信号的能量函数，得到磁张量矢量OBF检测模型：

E_G＝c”_xxi ²+c”_xyi ²+c”_xzi ²+c”_yyi ²+c”_zzi ²(i＝1,2,3)

其中，E_G是磁异常张量信号在确定矢量OBF状态下的能量。

而且，所述步骤3的具体实现方法为：磁张量测量系统采集到五个磁张量信号后，首先设置一个固定的滑动窗，利用OBF分别对各个离散的磁张量数据进行遍历求和，得到十五个磁张量信号系数，随后利用所求系数建立磁异常信号的能量函数E_N，最后将能量函数作为磁异常信号的检验统计量，当能量值大于预设的检测门限值时，判定检测信号中有磁异常信号，存在磁性目标，完成检测。

本发明的优点和积极效果是：

本发明构建了磁张量矢量OBF检测模型，实现了对小型磁目标的磁张量矢量OBF检测。本发明通过对磁张量进行分析，研究磁张量信号的OBF分解原理，在此基础上构建了磁张量矢量OBF检测模型，提出了磁张量矢量OBF检测方法，该方法能够实现在较低信噪比条件下的小型磁目标检测，并保存磁目标的方向信息，丰富磁异常检测理论。

附图说明

图1为本发明磁张量矢量OBF分解过程；

图2为本发明磁张量矢量OBF检测过程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详述。

小型磁目标磁张量矢量OBF检测方法，包括以下步骤：

步骤1、对磁张量矢量OBF进行分解，并使用矢量OBF表示磁张量信号。

如图1所示，隐藏的小型磁目标固定不动，装有磁测量系统的运动载体以速度v沿着平行于x轴的方向匀速直线运动，磁目标与运动载体的最短距离为R₀，图1中，磁目标指向载体的位移矢量为R，磁目标的磁矩为M，地磁场为B_d，M和B_d与z轴正方向的夹角分别为α_M和α_d；M和B_d在xoy面上的投影与x轴正方向的夹角分别为β_M和β_d；x,y,z轴的单位矢量分别为

根据图1的分解过程，将磁目标磁矩和地磁场表示为坐标系的三轴分量：

磁测量系统与磁目标之间的实时位移矢量：

其中，(x₀,y₀,z₀)为磁探测系统的初始位置，R₀ ²＝y₀ ²+z₀ ²；

根据磁偶极子公式，得到磁场三轴矢量和磁张量：

其中，

进而得到磁场分量：

磁场分量中与变量t相关的为使用γ对变量t进行表示，/>则磁场分量简化为：

使用基函数和矢量系数对简化后的磁场分量进行表示：

得到磁异常矢量系数和基函数：

将磁异常矢量系数和基函数带入磁张量，得到磁异常张量的表达式：

磁异常张量的表达式中的各个系数可以通过磁异常矢量系数和基函数计算得到，根据磁异常张量的表达式，磁张量各分量可以利用三个相同的函数表示，使用斯密特正交化将三个函数正交化为矢量OBF：

进而通过矢量OBF表示磁异常张量信号：

其中，G_xx、G_xy、G_xz、G_yy为G_zz磁异常张量，μ₀为真空磁导率，d为磁张量测量系统的基线长度，c_ijn'(i,j＝x,y,z；n＝1,2,3)是矢量OBF下磁异常张量信号的系数，ψ'_n(γ)为正交化为矢量OBF的三个相同函数，三个相同的函数表示磁张量各分量。可见，利用矢量OBF可以表示出完整的磁张量信号，在此基础上可以进一步完成磁异常的磁张量特征信号的计算，实现对目标的检测。

步骤2、构建磁张量矢量OBF检测模型。

在确定矢量OBF下，检测得到磁张量数据，对矢量OBF表示磁张量信号中磁张量信号系数进行计算：

其中，n为当前进行矢量OBF处理对应的采样点，k为滑动窗的值，Δγ＝γ_i+1-γ_i为与采样频率有关的积分间隔，利用磁张量信号系数建立磁异常信号的能量函数，得到磁张量矢量OBF检测模型：

E_G＝c”_xxi ²+c”_xyi ²+c”_xzi ²+c”_yyi ²+c”_zzi ²(i＝1,2,3)

其中，E_G是磁异常张量信号在确定矢量OBF状态下的能量。

步骤3、如图2所示，根据磁张量矢量OBF检测模型，对磁张量进行矢量OBF检测。

磁张量测量系统采集到五个磁张量信号后，首先设置一个固定的滑动窗，利用OBF分别对各个离散的磁张量数据进行遍历求和，得到十五个磁张量信号系数，随后利用所求系数建立磁异常信号的能量函数E_N，最后将能量函数作为磁异常信号的检验统计量，当能量值大于预设的检测门限值时，判定检测信号中有磁异常信号，存在磁性目标，完成检测。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (1)

1.小型磁目标磁张量矢量OBF检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、使用OBF表示磁张量信号；

固定不动磁目标，装有磁测量系统的运动载体以速度v沿着平行于x轴的方向匀速直线运动，磁目标与运动载体的最短距离为R₀，磁目标指向载体的位移矢量为R，磁目标的磁矩为M，地磁场为B_d，磁矩M和地磁场B_d与z轴正方向的夹角分别为α_M和α_d；磁矩M和地磁场B_d在xoy面上的投影与x轴正方向的夹角分别为β_M和β_d；x,y,z轴的单位矢量分别为

将磁目标磁矩和地磁场表示为坐标系的三轴分量：

磁测量系统与磁目标之间的实时位移矢量：

其中，(x₀,y₀,z₀)为磁探测系统的初始位置，R₀ ²＝y₀ ²+z₀ ²；

根据磁偶极子公式，得到磁场三轴矢量和磁张量：

其中，

进而得到磁场分量：

磁场分量中与变量t相关的为使用γ对变量t进行表示，/>则磁场分量简化为：

使用基函数和矢量系数对简化后的磁场分量进行表示：

得到磁异常矢量系数和基函数：

将磁异常矢量系数和基函数带入磁张量，得到磁异常张量的表达式：

其中，G_xx、G_xy、G_xz、G_yy和G_zz为磁异常张量，(x₀,y₀,z₀)表示磁探测系统的初始位置，R₀ ²＝y₀ ²+z₀ ²，M为磁目标的磁矩，μ₀为真空磁导率，d为磁张量测量系统的基线长度，c_ijn'(i,j＝x,y,z；n＝1,2,3)是矢量OBF下磁异常张量信号的系数，ψ'_n(γ)为正交化为矢量OBF；

步骤2、构建磁张量矢量OBF检测模型；

检测得到磁张量数据，对矢量OBF表示磁张量信号中磁张量信号系数进行计算：

其中，n为当前进行矢量OBF处理对应的采样点，k为滑动窗的值，Δγ＝γ_i+1-γ_i为与采样频率有关的积分间隔，利用磁张量信号系数建立磁异常信号的能量函数，得到磁张量矢量OBF检测模型：

E_G＝c”_xxi ²+c”_xyi ²+c”_xzi ²+c”_yyi ²+c”_zzi ²(i＝1,2,3)

其中，E_G是磁异常张量信号在确定矢量OBF状态下的能量；

步骤3、根据磁张量矢量OBF检测模型，对小型磁目标进行磁张量矢量OBF检测；

磁张量测量系统采集到五个磁张量信号后，设置一个固定的滑动窗，利用OBF分别对各个离散的磁张量数据进行遍历求和，得到十五个磁张量信号系数，随后利用信号系数建立磁异常信号的能量函数E_N，最后将能量函数作为磁异常信号的检验统计量，当能量值大于预设的检测门限值时，判定检测信号中有磁异常信号，存在磁性目标，完成检测。