CN116839571B - 一种基于静磁场信标的急救援透地探测定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于静磁场信标的急救援透地探测定位方法，包括步骤：预先放置小型便携式强磁铁，并在灾害前用磁力仪完成一次磁测，得到磁测数据d1；被困人员手持磁信标进行翻转，产生表征被困人员位置的主动磁场异常探测定位信号；以磁测装备作为磁信标翻转探测定位信号的测量装备；救援人员采用磁测装备接收主动磁场异常探测定位信号，形成磁测数据d2；根据磁测数据，计算出被困人员的三维空间坐标；对被困人员多次翻转磁信标产生的测量数据d2i，则利用d2i 、d2i+1作为输入测量数据，对被困的一个或多个人员进行三维空间位置的解算；本发明能够应用于矿难、滑坡、地震和火灾等特殊救援场景，实现被困人员的精确定位。
Description
技术领域
本发明涉及应急救援领域，尤其涉及一种基于静磁场信标的急救援透地探测定位方法。
背景技术
地震、矿难和火灾等突发灾害发生后，垮塌的矿洞、建筑物墙体盖层，严重阻碍对被困人员的定位、通讯和搜救。救援定位的主要困难是，幸存者可能被困于地下大范围区域内，深度范围从几米至几百米深度的复杂矿洞或大型建筑物结构内，已有探测定位技术不能完全适用。
例如，煤矿瓦斯爆炸后的垮塌物将采煤工作面区域巷道堵塞、滑坡导致隧道封堵等情况下，各种常规通讯中断，幸存者距离地面有数百米厚的岩土盖层，以及地震发生后情况下，建筑物垮塌，被埋幸存人员被困地下狭小空间中，手机信号被遮蔽，建筑物无线定位系统失效。救援人员架设的应急自组网基站，也无法实现对此类场景中被困人员通讯和探测。常规的可见光、红外、高光谱、宽频通讯等探测和通讯技术，因信号无法穿透岩土、墙体，故不能探测被困人员的位置。灾害发生区域通常不具备可用通讯网络设施，无法使用ZigBee、蓝牙、WiFi等无线网络定位手段。
此外，被困人员逃生可能携带的电源和装备也有限。在地面救援探测技术上，探地雷达电磁波无法穿透过厚的岩土盖层，在特殊环境下探测深度也会大大缩减；并且需要近距离接触探测，存在应用场景限制。
目前火场救援场景中，内攻人员的主要定位技术之一的UWB宽频定位，需要携带的UWB射频信标，测算信标与建筑物外基站的通讯距离实现定位。信标发射的GHz附近频段的电磁波，对岩土、建筑物墙体穿透能力也非常有限，UWB信号通常无法穿透两层以上实体墙体，故该技术也不适用矿区、地震等特殊应急救援场景。
发明内容
为解决现有矿区、地震等灾害发生后，救援人员定位不准确的技术问题，本发明提出了一种基于静磁场信标的急救援透地探测定位方法，该方法适用于在矿难、滑坡、地震和火灾等复杂救援场景，采用强磁铁作为信标，利用地面或航空高精度磁力仪探测翻转信标求救磁场信号，实现对被困幸存人员的定位探测。方法包括以下步骤：
S1、在易发生灾害场景的多处地点，预先放置小型便携式强磁铁，作为应急备用磁信标，并在灾害前用磁力仪完成一次磁测，得到磁测数据d1；
S2、工作人员携带磁信标进入易发生灾害场景工作，灾害发生后，工作人员变为被困人员；被困人员手持磁信标进行翻转，产生表征被困人员位置的主动磁场异常探测定位信号；
S3、以磁测装备作为磁信标翻转探测定位信号的测量装备；
S4、救援人员采用磁测装备接收主动磁场异常探测定位信号，形成磁测数据d2；
S5、根据磁测数据d1、d2和救援区域的三维场景，计算出被困人员的三维空间坐标；
S6、对被困人员多次翻转磁信标产生的测量数据d2i，则利用d2i 、d2i+1作为输入测量数据，对被困的一个或多个人员进行三维空间位置的解算；其中i表示翻转次数。
本发明的有益效果是：能够应用于矿难、滑坡、地震和火灾等特殊救援场景，实现被困人员的精确定位。
附图说明
图1是本发明方法的流程示意图；
图2磁信标在备用条件下水平放置、和竖直放置时的状态和磁力线分布情况示意图；
图3磁信标备用条件下水平放置，在矿难、地震、滑坡应急情况下垂直翻转放置状态，以及对地下被困幸存人员的探测定位示意图；
图4磁信标在地上建筑物空间中，备用条件下垂直放置，火灾发生后水平翻转的状态，以及对幸存人员翻转信标的探测定位示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，图1是本发明终端设备结构的示意图；本发明提供的一种基于静磁场信标的急救援透地探测定位方法，具体包括以下步骤：
S1、在易发生灾害场景的多处地点，预先放置小型便携式强磁铁，作为应急备用磁信标，并在灾害前用磁力仪完成一次磁测，得到磁测数据d1；
需要说明的是，步骤S1中，磁信标的磁矩等参数规格统一，在放置前完成测定，信标磁矩m i作为已知参数。放置数量和放置方式根据灾害应急场景设定，如：在煤矿等地下作业场景下，备用磁信标水平放置；在建筑物防火场景下，磁信标垂直放置。
请参考图2，如图2所示，磁铁周围磁场呈现有方向规律分布，因此根据探测磁数据的强度和方向，可以推断出磁铁信标的位置。此外，静磁场穿透能力相对其他电磁波更强，可穿透数千米厚度的岩土和厚墙体，探测定位具备可行性。
S2、工作人员携带磁信标进入易发生灾害场景工作，灾害发生后，工作人员变为被困人员；被困人员手持磁信标进行翻转，产生表征被困人员位置的主动磁场异常探测定位信号；
需要说明的是，被困人员翻转信标方式：90°反转。如：备用水平放置磁信标（地下场景），应急时竖直翻转，N极竖直向上，S极垂直向下。备用垂直放置磁信标（地上建筑物场景），应急时水平翻转，N极指向建筑物外立面，S极向内。
请参考图3，在矿难和地震灾害引起的幸存人员被埋地下的场景下，其中水平放置的磁铁为未被使用的磁信标，垂直放置的磁铁为幸存人员手动翻转的磁信标。磁信标被反转后，磁铁N极产生的垂直向上的磁场，磁力仪在其上方测量时会产生强磁异常信号。
在火灾人员被困建筑物场景下，参考图4，建筑物内人员手动翻转磁信标N极朝向建筑物外立面，磁力仪在其建筑物外水平位置测量时，水平磁铁N极发散的强水平磁场（参考图2），会在数据中显示为强磁异常信号。
S3、以磁测装备作为磁信标翻转探测定位信号的测量装备；
需要说明的是，磁测装备采用三分量或总场类型地面或航空磁力仪。地面磁力仪采用三分量磁通门磁力仪，设备体积小，对于小范围、易进入区域，探测可由单人背负快速移动测量。对于大范围灾害探测区域、地形陡峭无法进入区域和大型建筑，可采用小型无人机航磁设备实现快速探测。目前这两类设备技术产品成熟，可选择较多，申请技术实施可行。
S4、救援人员采用磁测装备接收主动磁场异常探测定位信号，形成磁测数据d2；
两次数据采集需采用相同设备和测点，以保障数据一致性，如采用都采用地面磁力仪或都采用无人机航空磁测设备。数据采集后通过存储卡或者无线传输的方式，输入数据接收与处理终端（参考图3）。
S5、根据磁测数据d1、d2和救援区域的三维场景，计算出被困人员的三维空间坐标；
在数据接收与处理终端，完成对探测数据的处理计算，确定幸存人员的三维空间位置。
作为一种实施例，例举但不限于以下的计算方法：
首先，计算被困幸存人员翻转的磁异常信标观测数据差值d：
d=d1-d2
其中，为三分量向量磁场；
数据的正演公式如下：
式中，表示第i个磁信标在观测位置 (p x,p y,p z)处的三分量磁通量正演过程，其中观测位置为已知参数；
表示第i个磁信标在未翻转时所在坐标，为已知量；/>表示反转后信标场源的坐标，包括被困幸存人员的信标和未被翻转信标，是反演目标函数参数；
为灾害发生后数据的测量位置，为已知参数；m i为已知未翻转信标磁矩参数;
为翻转后信标磁矩参数，需在反演目标函数求解过程中估计。
根据正演计算过程，构建反演目标函数如下：
采用共轭梯度迭代求解方法对目标函数进行优化求解。
其中，表示求取目标函数/>最小时未知变量/>的数值；和/>分别表示n个信标在翻转前和翻转后在观测位置x,y,z处的数据正演函数；求解目标函数对场源信标三维空间坐标/>的函数梯度如下式：
基于三方向坐标函数的梯度和磁矩函数的梯度，采用共轭梯度方法迭代求解发生翻转的磁信标偶极子场源的三维空间坐标，实现被困幸存人员的定位。
作为另一种实施例，采用欧拉反演方程，根据观测数据直接对幸存人员的三维坐标和个数进行求解，如下：
；
其中为磁信标翻转前后的磁力仪采集磁异常总场数据，/>为简略写法，实质为B 1或B 2中的一种；；，/>为根据三分量磁异常数据换算得到的两个磁异常总场数据集；上式为线性方程，直接求解，得到被困人员三维空间坐标。
S6、对被困人员多次翻转磁信标产生的测量数据d2i，则利用d2i 、d2i+1作为输入测量数据，对被困的一个或多个人员进行三维空间位置的解算；其中i表示翻转次数。
最后，需要说明的是，S5步骤与S6步骤的区别在于，灾害发生后，有可能部分放着的信标在灾害中，由于非人为原因发生翻转，如：墙体倒塌引起信标翻转，此时探测可能存在虚警的情况。而S5步骤中，幸存人员手动反复翻转信标，产生的信号，可以有效滤除该部分虚警定位信息，是对幸存人员定位信息的进一步确认和更精准定位。
本发明的有益效果是：能够应用于矿难、滑坡、地震和火灾等特殊救援场景，实现被困人员的精确定位。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于静磁场信标的急救援透地探测定位方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、在易发生灾害场景的多处地点，预先放置小型便携式强磁铁，作为应急备用磁信标，并在灾害前用磁力仪完成一次磁测，得到磁测数据d1；
S2、工作人员携带磁信标进入易发生灾害场景工作，灾害发生后，工作人员变为被困人员；被困人员手持磁信标进行翻转，产生表征被困人员位置的主动磁场异常探测定位信号；
S3、以磁测装备作为磁信标翻转探测定位信号的测量装备；
S4、救援人员采用磁测装备接收主动磁场异常探测定位信号，形成磁测数据d2；
S5、根据磁测数据d1、d2和救援区域的三维场景，计算出被困人员的三维空间坐标；
S6、对被困人员多次翻转磁信标产生的测量数据d2i，则利用d2i 、d2i+1作为输入测量数据，对被困的一个或多个人员进行三维空间位置的解算；其中i表示翻转次数。
2.如权利要求1所述的一种基于静磁场信标的急救援透地探测定位方法，其特征在于：步骤S1中，放置小型便携式强磁铁时，在地下作业场景中，采用水平放置；在建筑物防火场景中，采用垂直放置。
3.如权利要求1所述的一种基于静磁场信标的急救援透地探测定位方法，其特征在于：步骤S2中，被困人员手持磁信标进行翻转时，具体将其进行90°翻转。
4.如权利要求1所述的一种基于静磁场信标的急救援透地探测定位方法，其特征在于：步骤S3中，所述磁测装备为：地面或航空磁力仪。
5.如权利要求1所述的一种基于静磁场信标的急救援透地探测定位方法，其特征在于：步骤S5具体如下：
S51、计算被困人员翻转的磁异常信标数据：
d=d1-d2
其中，为三分量向量磁场；
S52、对磁异常信标数据进行数据正演，得到正演数值和反演目标函数参数；
S53、泛化反演目标函数，并采用共轭梯度迭代求解方法对反演目标函数进行优化求解，实现被困人员的定位。
6.如权利要求5所述的一种基于静磁场信标的急救援透地探测定位方法，其特征在于：步骤S52中，数据正演的计算公式如下：
式中，表示第i个磁信标在观测位置 (p x,p y,p z)处的三分量磁通量正演过程，其中观测位置为已知参数；
表示第i个磁信标在未翻转时所在坐标，为已知量；/>表示反转后信标场源的坐标，包括被困幸存人员的信标和未被翻转信标，是反演目标函数参数；
为灾害发生后数据的测量位置，为已知参数；m i为已知未翻转信标磁矩参数;
为翻转后信标磁矩参数，需在反演目标函数求解过程中估计。
7.如权利要求6所述的一种基于静磁场信标的急救援透地探测定位方法，其特征在于：步骤S53具体为：
泛化的反演目标函数如下式：
对泛化的反演目标函数采用共轭梯度迭代求解；
其中，表示求取目标函数/>最小时未知变量/>的数值；和/>分别表示n个信标在翻转前和翻转后在观测位置x,y,z处的数据正演函数；求解反演目标函数场源信标三维空间坐标/>和翻转磁矩/>的函数梯度如下式：
根据求解的三方向坐标和磁矩函数的梯度，采用共轭梯度方法迭代求解发生翻转的磁信标偶极子场源的三维空间坐标，实现被困幸存人员的定位。
8.如权利要求2-4任一项所述的一种基于静磁场信标的急救援透地探测定位方法，其特征在于：步骤S5中，计算被困人员的三维空间坐标，采用欧拉反演方程，根据观测数据，直接对被困人员的三维坐标和个数进行求解，如下式：
；
其中为磁信标翻转前后的磁力仪采集磁异常总场数据，/>为简略写法，实质为B 1或B 2中的一种；
；
，
为根据三分量磁异常数据换算得到的两个磁异常总场数据集；上式为线性方程，直接求解，得到被困人员三维空间坐标；(p x,p y,p z)为观测位置三维坐标；(s x,s y,s z)为磁信标位置三维坐标。
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