CN116719090A - 空间磁异物体变化的磁图动态构建系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁图动态构建领域，公开了一种空间磁异物体变化的磁图动态构建系统及方法。空间磁异物体变化的磁图动态构建系统，包括信号前端处理模块和数据后端处理模块；信号前端处理模块用于对空间中不同的磁异物体进行探测，包括信号控制模块、信号预处理模块、信号发射模块、信号采集模块、模数转换、数据存储模块、电源模块；数据后端处理模块用于生成磁异物体在空间中的磁场图像，并将磁图可视化通过屏幕进行显示，包括数据处理模块和显示模块。本发明成本低，精度高，灵敏性强，可靠性好，能够观测磁异物体对磁场的散射分布；能够在计算机系统中观测磁异物体对磁场的扰动；当物体数量和位置发生变化时，能实现磁图的自适应调整。

Description

空间磁异物体变化的磁图动态构建系统及方法

技术领域

本发明涉及磁图动态构建领域，特别是涉及一种空间磁异物体变化的磁图动态构建系统及方法。

背景技术

人们进入到信息化时代，无线电通信技术发展的普及，基于位置服务的应用需求不断增长，在复杂的环境中，如学校、商场、机场、地下停车场等场所，时常需要精准的位置信息。当前定位技术有GPS技术、WIFI、蓝牙、超声波、红外线、地磁定位等技术，GPS信号会受到室内墙壁的影响，阻挡卫星信号的传播，不能为室内提供准确的位置服务；WIFI和蓝牙技术定位精度较高，但是以来建筑物内已有的基础设施，受到环境内可视性、定位距离的影响较大；超声波、红外线信号的定位信号需要架设额外的信号发射装置，定位效果受环境可视性的影响较大；地磁定位成本低精度高，但是无法识别磁异物体的具体物理特性。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于，提供一种空间磁异物体变化的磁图动态构建系统及方法，能够敏感的对磁异物体进行识别，通过降噪算法对磁异物体的生成图像进行自适应调整；通过构建磁异物体在磁场空间中的磁图，能够动态的观测到磁异物体对磁场的扰动。

为了达到上述发明目的，进而采取的技术方案如下：

空间磁异物体变化的磁图动态构建系统，包括信号前端处理模块和数据后端处理模块；

所述信号前端处理模块用于对空间中不同的磁异物体进行探测，包括依次连接的信号控制模块、信号预处理模块、信号发射模块、信号采集模块、模数转换、数据存储模块，还包括电源模块，电源模块用于给各个模块供电；

所述数据后端处理模块用于生成磁异物体在空间中的磁场图像，并将磁图可视化通过屏幕进行显示，包括依次连接的数据处理模块以及显示模块，所述数据处理模块用于将所述数据存储模块存储的磁异物体的信号数据进行优化。

空间磁异物体变化的磁图动态构建方法，包括以下步骤：

S1：采用如上所述的磁图动态构建系统，信号控制模块通过扫描频率选择一个适合的频率，控制信号发射模块产生一个正弦信号，来对空间中不同的磁异物体进行探测，通过信号预处理模块对信号进行功率放大，以产生足够大能量的信号，能够探测到足够远的距离，并使磁异物体对磁场信号产生响应；当检测到磁异物体时，信号采集模块就能够对信号进行采集；若未检测到信号，则重新进行扫描探测；模数转换将检测到的信号进行模数转换，转换成数字信号，方便后续存储和处理；通过数据存储模块能够及时存储数据，并定期进行冗余数据的清理，并配备接口，将数据进行导出；通过数据处理模块能够对磁异物体的信号数据进行优化，通过显示模块能够将磁异物体的信号进行可视化处理，显示磁场图像，便于分析；

S2：采集到的磁异物体的信号大小与磁异物体的电导率、磁导率、以及与被测物体的距离有关，同时，由于室内空间较大，采集到的信号会受到噪声的干扰，对信号噪声进行快速滤波即为磁图动态构建的关键；

式中,α为尺度因子，τ为位移因子，x(t)为预处理信号，为小波基函数，W_x(α,τ)为连续小波变换，通过该式说明在特定的尺度因子和位移因子下与小波基函数具有较大的相关性；

S3：通过小波分析对信号进行初步处理，根据信号特征判断磁异物体的特性，采用数据分析的形式对磁异物体的电导率和磁导率等物理特征进行描述，并将信号存入数据库，根据系统的特性，现改进一种磁图滤波算法如下；

式中，S_z(i,j)为网格的大小，N_z(i,j)为z(i,j)周围网格的数量，λ为乘积因子，k为定值，f(x,y)为磁场图像的灰度值，z(i,j)为一定结构大小和形状的结构元素，x,y分别为未处理前像素点的坐标值，i,j为自适应结构元素的坐标值，s为周围网格与中心像素点差值超过50的网格数量；

S4：当空间中探测到磁异物体时，磁场图的检测线圈会接受到连续信号，磁异物体附近的网格会根据该信号梯度模值的大小来确定；

S5：当确定网格的大小和数量后，判断网格(x,y)的值，若f(x,y)为0，遍历(x,y)周围的网格点，若该点与周围2/3网格数量的差值大于50则判断该点为空洞粒子，进行膨胀操作，大小为该点周围的最大值；

若f(x,y)不为0，遍历(x,y)周围的网格点，若该点周围网格均为0，则判断该点为扰动粒子，进行平滑处理，大小为该点周围的最小值；

S6：对数据处理完毕后，将数据存储到数据库内，对磁图进行可视化，通过显示模块能够动态的观察到磁异物体对空间磁场的扰动。

本发明的有益效果是：本发明通过磁异检测原理，对磁异物体的磁导率和电导率信息进行检测探测，对采集后的电信号进行分析处理，以数据信息形式描述磁异物体电导率和磁导率信号，以及磁异物体对磁场的散射特性；能够根据降噪算法对检测空间中的噪声信号进行平滑处理，通过磁图滤波算法对数据进行处理，从而实现磁图动态构建；磁图构建后能够动态的显示磁异物体对磁场的扰动。通过该系统对磁异物体进行探测，具有成本低，精度高，灵敏性强的优点，拥有良好的可靠性。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明空间磁异物体变化的磁图动态构建系统的框图；

图2为本发明探测磁异物体示意图；

图3为本发明磁异物体探测步骤流程图；

图4为本发明空间磁异物体变化的磁图动态构建方法的流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

如图1所示，空间磁异物体变化的磁图动态构建系统的框图。

空间磁异物体变化的磁图动态构建系统，该系统为一种磁异物体的手持探测系统，包括信号前端处理模块和数据后端处理模块；

所述信号前端处理模块用于对空间中不同的磁异物体进行探测，包括依次连接的信号控制模块、信号预处理模块、信号发射模块、信号采集模块、模数转换、数据存储模块，还包括电源模块，电源模块用于给各个模块供电；

所述数据后端处理模块用于生成磁异物体在空间中的磁场图像，并将磁图可视化通过屏幕进行显示，包括依次连接的数据处理模块以及显示模块，所述数据处理模块用于将所述数据存储模块存储的磁异物体的信号数据进行优化。

空间磁异物体变化的磁图动态构建方法，包括以下步骤：

S1：采用如上所述的磁图动态构建系统，信号控制模块通过扫描频率选择一个适合的频率，控制信号发射模块产生一个正弦信号，来对空间中不同的磁异物体进行探测，通过信号预处理模块对信号进行功率放大，以产生足够大能量的信号，能够探测到足够远的距离，并使磁异物体对磁场信号产生响应；当检测到磁异物体时，信号采集模块就能够对信号进行采集；若未检测到信号，则重新进行扫描探测；模数转换将检测到的信号进行模数转换，转换成数字信号，方便后续存储和处理；通过数据存储模块能够及时存储数据，并定期进行冗余数据的清理，并配备接口，将数据进行导出；通过数据处理模块能够对磁异物体的信号数据进行优化，通过显示模块能够将磁异物体的信号进行可视化处理，显示磁场图像，便于分析；

S2：采集到的磁异物体的信号大小与磁异物体的电导率、磁导率、以及与被测物体的距离有关，同时，由于室内空间较大，采集到的信号会受到噪声的干扰，对信号噪声进行快速滤波即为磁图动态构建的关键；

式中,α为尺度因子，τ为位移因子，x(t)为预处理信号，为小波基函数，W_x(α,τ)为连续小波变换，通过该式说明在特定的尺度因子和位移因子下与小波基函数具有较大的相关性；

S3：通过小波分析对信号进行初步处理，根据信号特征判断磁异物体的特性，采用数据分析的形式对磁异物体的电导率和磁导率等物理特征进行描述，并将信号存入数据库，根据系统的特性，现改进一种磁图滤波算法如下；

式中，S_z(i,j)为网格的大小，N_z(i,j)为z(i,j)周围网格的数量，λ为乘积因子，k为定值，f(x,y)为磁场图像的灰度值，z(i,j)为一定结构大小和形状的结构元素，x,y分别为未处理前像素点的坐标值，i,j为自适应结构元素的坐标值，s为周围网格与中心像素点差值超过50的网格数量；

S4：当空间中探测到磁异物体时，磁场图的检测线圈会接受到连续信号，磁异物体附近的网格会根据该信号梯度模值的大小来确定；

S5：当确定网格的大小和数量后，判断网格(x,y)的值，若f(x,y)为0，遍历(x,y)周围的网格点，若该点与周围2/3网格数量的差值大于50则判断该点为空洞粒子，进行膨胀操作，大小为该点周围的最大值；

若f(x,y)不为0，遍历(x,y)周围的网格点，若该点周围网格均为0，则判断该点为扰动粒子，进行平滑处理，大小为该点周围的最小值；

S6：对数据处理完毕后，将数据存储到数据库内，对磁图进行可视化，通过显示模块能够动态的观察到磁异物体对空间磁场的扰动。

如图2所示，为探测磁异物体示意图。

该手持设备系统能够产生一个幅值稳定，并不断进行频率扫描的正弦激励信号，通过信号预处理对信号进行放大，对空间中的磁异物体进行探测。空间中不放入磁异物体时，感应信号为默认地磁感应强度的大小。在空间中放入一个磁异物体，磁感应强度大小产生变化，磁异物体会对周围空间磁场进行聚集或扩散，而且存在正弦激励信号，磁异物体会对信号产生响应，这种响应会对采集模块产生响应，通过对响应信号进行处理分析，在显示模块上显示可视化磁图。

如图3所示，为磁异物体探测步骤流程图。

步骤1：通过信号控制模块产生一个幅值稳定，频率扫描的正弦激励信号，并且可以通过手动输入对频率进行固定；

步骤2：通过信号预处理模块将信号控制模块产生的信号进行功率放大，以产生足够大的能量探测空间中的磁异物体，让磁异物体对信号产生响应；

步骤3：将信号通过信号发射模块进行发射；

步骤4：通过信号采集模块采集磁异物体的响应后的响应信号，若未检测到响应信号，则返回步骤1；

步骤5：通过模数转换将检测到的响应信号进行A/D模数转换，转换成数字信号，方便后续进行数据处理；

步骤6：通过数据存储模块将信号进行存储，并配备接口，进行数据的导出，并定期清理冗余数据；

步骤7：通过数据处理模块将磁异物体图像信号进行可视化处理，并通过显示模块显示磁图，返回步骤1。

如图4所示，为本发明空间磁异物体变化的磁图动态构建方法的流程图，结合实例对本发明作进一步说明。

在室内空间四个角落分别放置磁敏传感器，磁敏传感器内置有线圈，通过施加激励电场，激发感应磁场对空间磁异物体进行探测，对检测到的信号进行滤波，根据网格剖分算法，自动对磁图处理，实现磁图的动态构建，对于构建后的磁图能够很清晰的观测到磁异物体对磁场的扰动。

空间中物体对磁场产生影响，各个方向的磁场强度并不相同，该系统通过信号控制模块对四个磁敏传感器产生各不相同的输入电流，选择合适的电流对磁场信号进行采集，最后作归一化处理，来保证磁场信号的精确性。空间中不存在磁异物体时，磁敏传感器对空间数据进行采集，进行空间磁图的初始化。

在空间中放入一个磁异物体，例如金属块，橡胶棒，当磁异物体放入其中，周围空间的磁场会发生变化，金属块内部磁畴受到磁场的影响，磁畴朝向向同一个方向旋转，当磁畴方向趋于一致时，金属块对外显示磁性，进而增强附近空间的磁场强度，橡胶棒则相反。此时，由于电路的等效阻抗发生变化，磁敏传感器检测到的信号也会发生变化，并附带空间中的白噪声以及人为因素产生噪声，需要对信号进行滤波处理。

式中,α为尺度因子，τ为位移因子，x(t)为预处理信号，为小波基函数，W_x(α,τ)为连续小波变换，通过该式说明在特定的尺度因子和位移因子下与小波基函数具有较大的相关性；

滤波后可根据检测信号的特征判断物体的磁导率、电导率、介电常数信息，判断该物体为金属块或者橡胶棒，将四个传感器信号进行归一化融合。并将信号存储，对存储后的信号再进行处理，计算各点附近的磁场梯度值。

式中，S_z(i,j)为网格的大小，N_z(i,j)为z(i,j)周围网格的数量，λ为乘积因子，k为定值，f(x,y)为磁场图像的灰度值，z(i,j)为一定结构大小和形状的结构元素，x,y分别为未处理前像素点的坐标值，i,j为自适应结构元素的坐标值，s为周围网格与中心像素点差值超过50的网格数量；

根据磁图滤波算法，对网格进行剖分，对磁图中的扰动粒子或空洞粒子进行处理，进而生成磁场图像。对于金属块和橡胶棒附近的梯度要比周围空间的梯度值要大，网格更小，数量更多，磁图成像精度更高。当检测信号中，某一点的值与周围值差异较大，说明该点信号存在误差，通过磁图滤波算法，对误差点进行处理，对噪声点平滑处理。

在检测信号的同时，如果磁异物体的数量发生变动，或者磁异物体的位置发生改变，如将空间中金属块数量增加一个，并移动橡胶棒，检测信号同时会发生变化，再根据上述步骤对信号进行处理，生成新的磁图，从而达到空间中磁异物体的动态构建的目的。

本发明能够观测磁异物体对磁场的散射分布；能够在计算机系统中观测磁异物体对磁场的扰动；当物体数量和位置发生变化时，能实现磁图的自适应调整。该系统具有成本低，精度高，灵敏性强的优点，拥有良好的可靠性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进、部件拆分或组合等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.空间磁异物体变化的磁图动态构建系统，其特征在于：包括信号前端处理模块和数据后端处理模块；

所述信号前端处理模块用于对空间中不同的磁异物体进行探测，包括依次连接的信号控制模块、信号预处理模块、信号发射模块、信号采集模块、模数转换、数据存储模块，还包括电源模块，电源模块用于给各个模块供电；

所述数据后端处理模块用于生成磁异物体在空间中的磁场图像，并将磁图可视化通过屏幕进行显示，包括依次连接的数据处理模块以及显示模块，所述数据处理模块用于将所述数据存储模块存储的磁异物体的信号数据进行优化。

2.空间磁异物体变化的磁图动态构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：采用权利要求1中所述的磁图动态构建系统，信号控制模块通过扫描频率选择一个适合的频率，控制信号发射模块产生一个正弦信号，来对空间中不同的磁异物体进行探测，通过信号预处理模块对信号进行功率放大，以产生足够大能量的信号，能够探测到足够远的距离，并使磁异物体对磁场信号产生响应；当检测到磁异物体时，信号采集模块就能够对信号进行采集；若未检测到信号，则重新进行扫描探测；模数转换将检测到的信号进行模数转换，转换成数字信号，方便后续存储和处理；通过数据存储模块能够及时存储数据，并定期进行冗余数据的清理，并配备接口，将数据进行导出；通过数据处理模块能够对磁异物体的信号数据进行优化，通过显示模块能够将磁异物体的信号进行可视化处理，显示磁场图像，便于分析；

S2：采集到的磁异物体的信号大小与磁异物体的电导率、磁导率、以及与被测物体的距离有关，同时，由于室内空间较大，采集到的信号会受到噪声的干扰，对信号噪声进行快速滤波即为磁图动态构建的关键；

式中,α为尺度因子，τ为位移因子，x(t)为预处理信号，为小波基函数，W_x(α,τ)为连续小波变换；

S3：通过小波分析对信号进行初步处理，根据信号特征判断磁异物体的特性，采用数据分析的形式对磁异物体的电导率和磁导率进行描述，并将信号存入数据库，根据系统的特性，磁图滤波算法如下；

式中，S_z(i,j)为网格的大小，N_z(i,j)为z(i,j)周围网格的数量，λ为乘积因子，k为定值，f(x,y)为磁场图像的灰度值，z(i,j)为一定结构大小和形状的结构元素，x,y分别为未处理前像素点的坐标值，i,j为自适应结构元素的坐标值，s为周围网格与中心像素点差值超过50的网格数量；

S4：当空间中探测到磁异物体时，磁场图的检测线圈会接受到连续信号，磁异物体附近的网格会根据该信号梯度模值的大小来确定；

S5：当确定网格的大小和数量后，判断网格(x,y)的值，若f(x,y)为0，遍历(x,y)周围的网格点，若该点与周围2/3网格数量的差值大于则判断该点为空洞粒子，进行膨胀操作，大小为该点周围的最大值；

若f(x,y)不为0，遍历(x,y)周围的网格点，若该点周围网格均为0，则判断该点为扰动粒子，进行平滑处理，大小为该点周围的最小值；

S6：对数据处理完毕后，将数据存储到数据库内，对磁图进行可视化，通过显示模块能够动态的观察到磁异物体对空间磁场的扰动。