CN117148451A - 一种远距离磁目标的定位及其设计方法 - Google Patents

一种远距离磁目标的定位及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种远距离磁目标的定位及其设计方法，属于基于磁场的目标定位技术领域。包括：S100、利用短基线磁探测系统来反演磁干扰源的位置坐标和磁矩，然后利用反演结果实时剥离磁干扰源在长基线磁探测系统处产生的干扰磁场，最后利用长基线磁探测系统实现远距离的磁目标定位，得到磁目标的磁矩向量m2；S200、根据实际工况和探测需求，结合所述磁矩向量m2，提出磁探测系统各个参数的设计方法。本发明利用短基线磁探测系统实时剥离平台磁干扰，利用长基线磁探测系统实现远距离磁目标定位。

Description

一种远距离磁目标的定位及其设计方法
技术领域
本发明涉及一种远距离磁目标的定位及其设计方法，属于基于磁场的目标定位技术领域。
背景技术
磁目标定位技术是一项基于磁场的目标定位技术，是一种非接触式的被动探测方法，理论上可以感知地球上任何铁磁性物质的存在。与其他探测方法相比，磁异常探测基本不受天气等自然因素的影响，而且水(海洋、河流、湖泊等)，空气，人体，以及大部分的土壤岩石等对磁场没有屏蔽作用，同时还具有识别能力强、运行时间短、定位精度高和成本低等优点，因此磁目标定位技术在水下探测、生物医疗、考古发掘以及矿物勘探等领域有着广泛的应用价值。
实现远距离的磁目标定位可以有效地提升探测效率，进而使磁目标定位技术更好地应用于各个领域。用于探测远距离磁目标的磁目标定位技术主要有标量磁目标定位技术和张量磁目标定位技术，但这两种方法均存在不同程度的缺点：
1、因无法准确获得地磁倾角和偏角，标量磁目标定位技术的定位精度有限
在已知地磁倾角和地磁偏角的情况下，利用地磁场标量梯度基本为零的特点，通过标量磁传感器阵列构建非线性方程组，标量磁目标定位精度可得到磁目标位置坐标。地磁倾角和地磁偏角需要通过地磁场模型计算得到或者通过地磁台站测量得到。但是，时变地磁场的波动在静磁日为几十nT，在暴磁日达到几百nT，无法准确地得到地磁倾角和地磁偏角。并且，目前全球地磁站台数量仅有170多个，将限制技术的使用地域。因此，用于探测远距离磁目标时，标量磁目标定位技术的使用场合受限，定位精度也不足。
2、张量磁目标定位技术尚未实现远距离的磁目标定位。
磁梯度张量是磁场矢量在空间三个方向上的梯度，基于磁梯度张量的磁目标定位技术称为张量磁目标技术。由于地磁场的梯度基本为零，因此张量磁定位技术可不受地磁场和地磁场波动的影响。此外，磁梯度张量具有更丰富的磁场信息和更高的空间分辨率，相比标量磁目标定位技术，张量磁目标定位技术的定位精度更高、探测速度更快。但因为磁梯度张量比磁场标量衰减更快，张量磁目标定位技术的定位距离普遍较小。测量磁梯度张量的仪器称为张量梯度仪，梯度仪中相邻传感器之间的距离定义为基线距离。当相对定位误差(100％×定位误差/定位距离)恰好等于5％时，将此时的定位距离称为磁目标定位技术的最大定位距离。张量磁目标定位技术的最大定位距离随基线距离的变化规律如图1所示。可以看出，基线距离越大，定位距离越远，即要实现远距离的磁目标定位，必须增大基线距离。但是，对于大体积的磁探测系统，现有技术难以准确、实时地剥离搭载平台在磁探测系统处产生的硬磁、软磁干扰。因此，现有张量磁目标定位技术尚未实现远距离的磁目标定位。
发明内容
本发明提出了一种远距离磁目标的定位及其设计方法，利用短基线磁探测系统实时剥离平台磁干扰，利用长基线磁探测系统实现远距离磁目标定位，解决了现有技术中张量磁定位技术需要借助长基线距离的磁探测系统才能实现远距离磁目标定位，但对于大体积的磁探测系统，现有技术难以准确、实时地剥离搭载平台在磁探测系统处产生的硬磁、软磁干扰的问题。
一种远距离磁目标的定位及其设计方法，所述复合式磁目标定位系统的设计方法包括以下步骤：
S100、利用短基线磁探测系统来反演磁干扰源的位置坐标和磁矩，然后利用反演结果实时剥离磁干扰源在长基线磁探测系统处产生的干扰磁场，最后利用长基线磁探测系统实现远距离的磁目标定位，得到磁目标的磁矩向量m2；
S200、根据实际工况和探测需求，结合所述磁矩向量m2，提出磁探测系统各个参数的设计方法。
进一步的，在S100中，具体包括以下步骤：
S110、利用短基线磁探测系统反演磁干扰源的位置坐标和磁矩：
利用短基线磁探测系统测量磁梯度张量G1，利用张量磁定位方法的定位公式和测量到的G1计算磁干扰源的位置向量r1＝[x1,y1,z1]T，r1是位置向量r1的模值，计算出磁干扰源的位置向量后，根据式(1)计算磁矩向量m1，
m1＝(AT·A)-1AT·G1 (1)
式中：
S120、计算磁干扰源在长基线磁探测系统处产生的磁场，当探测距离大于磁目标自身尺寸的3倍时，磁目标被视作磁偶极子，将S110计算得到的位置向量r1和磁矩向量m1代入磁偶极子模型式(2)，计算出搭载平台磁干扰源在长基线磁探测系统处产生的反演磁场BI，
式中真空磁导率μ0＝4π×10-7T·m/A，p1为长基线磁探测系统处磁传感器的位置坐标；
S130、剥离磁干扰源产生的磁场，计算磁目标的位置向量和磁矩向量，长基线磁探测系统测量到的是磁干扰源和磁目标产生的叠加磁场BS，叠加磁场BS减去反演磁场BI，完成对磁干扰源的补偿，进而得到磁目标产生的目标磁场BT，利用目标磁场BT得到长基线距离所测量的磁目标产生的磁梯度张量G2，利用磁梯度张量G2和张量磁定位技术的定位公式计算磁目标的位置向量r2，将G2和r2代替公式(1)中的G1和r1，即计算出磁目标的磁矩向量m2。
进一步的，在S200中，具体包括短基线距离D1、长基线距离D2、磁探测系统与磁干扰源的距离r1这三个系统参数。
进一步的，在S200中，具体包括以下步骤：
S210、设计长基线距离D2，根据探测需求，确定磁目标的磁矩向量m2和定位距离r2，先不考虑磁干扰源的影响，根据S100中的计算步骤计算不同基线距离D2下磁目标的相对定位误差ρ，当ρ最小时，D2的取值为最优值；
S220、利用短基线磁探测系统和公式(1)计算磁干扰源的磁矩矢量m1；
S230、设计短基线距离D1、磁探测系统与磁干扰源的距离r1，计算不同D1、r1下的相对定位误差，当ρ最小时，D1和r1的取值为最优值。
本发明的有益效果：
(1)本发明针对目前技术没有实现远距离的磁目标并且难以准确实时地剥离搭载平台在磁探测系统处产生的硬磁、软磁干扰的问题，提出了一种先通过短基线磁探测系统剥离磁干扰源，再通过长基线磁探测系统实现远距离磁目标定位的长短基线复合式磁探测系统，并给出了磁探测系统各个参数的设计方法。
(2)本发明利用设计的长短基线复合式磁探测系统定位磁目标时，在定位距离535m内相对定位误差百分比ρ不超过5％，很好的完成了远距离条件下的磁目标定位。
(3)本发明利用设计的长短基线复合式磁探测系统定位磁目标时，当定位距离为500m时，剥离机载磁干扰前定位误差百分比ρ为353.8％，剥离机载磁干扰后定位误差百分比ρ为0.70％，实现了机载干扰磁场的准确补偿。
附图说明
图1为基线距离对最大定位距离的影响；
图2为长短基线复合式磁探测系统；
图3为最优长基线计算结果；
图4为定位误差百分比ρ随干扰源距离r1、短基线距离D1的变化规律；
图5为不同定位距离下的定位误差百分比ρ；
图6为干扰源补偿前后的定位误差百分比ρ。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
参照图1-图6所示，本发明提出了一种远距离磁目标的定位及其设计方法，所述复合式磁目标定位系统的设计方法包括以下步骤：
S100、远距离磁目标定位方法：利用短基线磁探测系统来反演磁干扰源的位置坐标和磁矩，然后利用反演结果实时剥离磁干扰源在长基线磁探测系统处产生的干扰磁场，最后利用长基线磁探测系统实现远距离的磁目标定位，得到磁目标的磁矩向量m2；
S200、长短基线复合式磁探测系统的设计方法：根据实际工况和探测需求，提磁探测系统各个参数的设计方法，具体包括短基线距离D1、长基线距离D2、磁探测系统与磁干扰源的距离r1这三个系统参数。
进一步的，在S100中，具体包括以下步骤：
S110、利用短基线磁探测系统反演磁干扰源的位置坐标和磁矩：
利用短基线磁探测系统测量磁梯度张量G1，利用张量磁定位方法的定位公式和测量到的G1计算磁干扰源的位置向量r1＝[x1,y1,z1]T，r1是位置向量r1的模值，计算出磁干扰源的位置向量后，根据式(1)计算磁矩向量m1，
m1＝(AT·A)-1AT·G1 (1)
式中：
S120、计算磁干扰源在长基线磁探测系统处产生的磁场，当探测距离大于磁目标自身尺寸的3倍时，磁目标被视作磁偶极子，将S110计算得到的位置向量r1和磁矩向量m1代入磁偶极子模型式(2)，计算出搭载平台磁干扰源在长基线磁探测系统处产生的反演磁场BI，
式中真空磁导率μ0＝4π×10-7T·m/A，p1为长基线磁探测系统处磁传感器的位置坐标；
S130、剥离磁干扰源产生的磁场，计算磁目标的位置向量和磁矩向量，长基线磁探测系统测量到的是磁干扰源和磁目标产生的叠加磁场BS，叠加磁场BS减去反演磁场BI，完成对磁干扰源的补偿，进而得到磁目标产生的目标磁场BT，利用目标磁场BT得到长基线距离所测量的磁目标产生的磁梯度张量G2，利用磁梯度张量G2和张量磁定位技术的定位公式计算磁目标的位置向量r2，将G2和r2代替公式(1)中的G1和r1，即计算出磁目标的磁矩向量m2。
进一步的，在S200中，具体包括短基线距离D1、长基线距离D2、磁探测系统与磁干扰源的距离r1这三个系统参数。
进一步的，在S200中，具体包括以下步骤：
S210、设计长基线距离D2，根据探测需求，确定磁目标的磁矩向量m2和定位距离r2，先不考虑磁干扰源的影响，根据S100中的计算步骤计算不同基线距离D2下磁目标的相对定位误差ρ，当ρ最小时，D2的取值为最优值；
S220、利用短基线磁探测系统和公式(1)计算磁干扰源的磁矩矢量m1；
S230、设计短基线距离D1、磁探测系统与磁干扰源的距离r1，计算不同D1、r1下的相对定位误差，当ρ最小时，D1和r1的取值为最优值。
具体的，张量磁定位技术需要借助长基线距离的磁探测系统才能实现远距离磁目标定位，但对于大体积的磁探测系统，现有技术难以准确、实时地剥离搭载平台在磁探测系统处产生的硬磁、软磁干扰。本发明的目的是提出长短基线复合式磁探测系统，利用短基线磁探测系统实时剥离平台磁干扰，利用长基线磁探测系统实现远距离磁目标定位，提出一种远距离磁目标的定位及其设计方法。
另外，尚未有学者提出针对远距离磁目标定位系统的设计方法。本发明的目的是提出一种远距离磁目标的定位及其设计方法，根据工况和探测需求，设计磁探测系统的各个参数，进而实现远距离的磁目标定位。
以下为本发明的一种具体实施方法：
有学者基于磁梯度张量的不变量，提出了不受地磁场影响的标量三角测量与测距(STAR)法。张量磁定位方法以STAR法为例进行说明。STAR法计算磁目标的r＝[x0,y0,z0]T位置向量的定位公式为：
其中表示z轴正方向的磁梯度收缩CT，/>表示z轴负方向的CT，D为基线距离，z＝[0,0,1]T，▽CT为磁梯度收缩CT的梯度。CT的计算公式为式(4)，CT的计算公式为式(5)。
其中表示x轴正方向的磁梯度收缩CT，/>表示x轴负方向的CT，/>表示y轴正方向的磁梯度收缩CT，/>表示y轴负方向的CT，x＝[1,0,0]T，y＝[0,1,0]T。
假设探测需求是定位磁矩大小为2×106A·m2的磁目标时，最大定位距离不小于500m，磁干扰源磁矩大小为50A·m2，仿真条件如表1所示，
磁目标磁矩m1 位置坐标r2 磁传感器分辨率S 磁干扰源磁矩m2 环境噪声
(0,2×106,0)A·m2 (0,0,500)m 10fT (0,50,0)A·m2 100T
表1仿真条件
首先对长短基线复合式磁探测系统进行设计：
(1)计算长距离基线D2
首先，根据磁目标的磁矩大小和定位距离，通过仿真分析得出定位误差百分比ρ和长基线D2之间的关系，如图3所示。仿真计算结果显示，定位误差百分比ρ最小时，最优长基线距离D2为35m。
(2)计算磁探测系统和干扰源距离r1和短基线距离D1
通过仿真分析得出定位误差百分比ρ随干扰源距离r1、短基线距离D1两者的变化规律，如图4所示。仿真结果显示，最优距离r1为17.6m，最优短基线距离为3.6m。
接下来是利用已经设计好的长短基线复合式磁探测系统对磁目标进行定位，验证定位效果。不同定位距离下的定位误差百分比ρ如图5所示。在定位距离535m内相对定位误差百分比ρ不超过5％，表明磁探测系统的最大定位距离为535m左右，满足探测需求。
利用设计的长短基线复合式磁探测系统定位磁目标时，当定位距离为500m时，剥离平台磁干扰前定位误差百分比ρ为353.8％，剥离机载磁干扰后定位误差百分比ρ为0.70％，表明本专利设计的磁探测系统准确地补偿了平台磁干扰。

Claims (4)

1.一种远距离磁目标的定位及其设计方法，其特征在于，所述复合式磁目标定位系统的设计方法包括以下步骤：
S100、利用短基线磁探测系统来反演磁干扰源的位置坐标和磁矩，然后利用反演结果实时剥离磁干扰源在长基线磁探测系统处产生的干扰磁场，最后利用长基线磁探测系统实现远距离的磁目标定位，得到磁目标的磁矩向量m2；
S200、根据实际工况和探测需求，结合所述磁矩向量m2，提出磁探测系统各个参数的设计方法。
2.根据权利要求1的一种远距离磁目标的定位及其设计方法，其特征在于，在S100中，具体包括以下步骤：
S110、利用短基线磁探测系统反演磁干扰源的位置坐标和磁矩：
利用短基线磁探测系统测量磁梯度张量G1，利用张量磁定位方法的定位公式和测量到的G1计算磁干扰源的位置向量r1＝[x1,y1,z1]T，r1是位置向量r1的模值，计算出磁干扰源的位置向量后，根据式(1)计算磁矩向量m1，
m1＝(AT·A)-1AT·G1 (1)
式中：
S120、计算磁干扰源在长基线磁探测系统处产生的磁场，当探测距离大于磁目标自身尺寸的3倍时，磁目标被视作磁偶极子，将S110计算得到的位置向量r1和磁矩向量m1代入磁偶极子模型式(2)，计算出搭载平台磁干扰源在长基线磁探测系统处产生的反演磁场BI，
式中真空磁导率μ0＝4π×10-7T·m/A，p1为长基线磁探测系统处磁传感器的位置坐标；
S130、剥离磁干扰源产生的磁场，计算磁目标的位置向量和磁矩向量，长基线磁探测系统测量到的是磁干扰源和磁目标产生的叠加磁场BS，叠加磁场BS减去反演磁场BI，完成对磁干扰源的补偿，进而得到磁目标产生的目标磁场BT，利用目标磁场BT得到长基线距离所测量的磁目标产生的磁梯度张量G2，利用磁梯度张量G2和张量磁定位技术的定位公式计算磁目标的位置向量r2，将G2和r2代替公式(1)中的G1和r1，即计算出磁目标的磁矩向量m2。
3.根据权利要求1的一种远距离磁目标的定位及其设计方法，其特征在于，在S200中，具体包括短基线距离D1、长基线距离D2、磁探测系统与磁干扰源的距离r1这三个系统参数。
4.根据权利要求2的一种远距离磁目标的定位及其设计方法，其特征在于，在S200中，具体包括以下步骤：
S210、设计长基线距离D2，根据探测需求，确定磁目标的磁矩向量m2和定位距离r2，先不考虑磁干扰源的影响，根据S100中的计算步骤计算不同基线距离D2下磁目标的相对定位误差ρ，当ρ最小时，D2的取值为最优值；
S220、利用短基线磁探测系统和公式(1)计算磁干扰源的磁矩矢量m1；
S230、设计短基线距离D1、磁探测系统与磁干扰源的距离r1，计算不同D1、r1下的相对定位误差，当ρ最小时，D1和r1的取值为最优值。
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