CN117739955A - 一种基于磁传感器阵列的交变电磁辐射源轨迹跟踪系统 - Google Patents

Abstract

本申请实施例涉及运动轨迹测量技术领域，特别涉及一种基于磁传感器阵列的交变电磁辐射源轨迹跟踪系统，包括：磁传感器阵列、接口模块、数据采集箱和上位机，磁传感器阵列由若干个单分量的磁传感器组成；各磁传感器均安装在靶船的船舷上并且垂直于水面，用于感应待测区域的磁场信号，并转换为模拟信号输出；数据采集箱通过接口模块采集各磁传感器输出的模拟信号，将采集到的各模拟信号转换为数字信号并发送至上位机；上位机根据各数字信号及其对应的磁传感器的位置信息，确定高速UUV的运动轨迹，整个系统布置简单，无需对UUV进行改造，即可高效、准确地给出高速UUV的运动轨迹，可适用于不同的靶船和试验海域。

Description

一种基于磁传感器阵列的交变电磁辐射源轨迹跟踪系统

技术领域

本申请的实施例涉及运动轨迹测量技术领域，特别涉及一种基于磁传感器阵列的交变电磁辐射源轨迹跟踪系统。

背景技术

高速UUV（Unmanned Underwater Vehicle，无人水下航行器）是各国海军的重要水中兵器之一，它正朝着大航程、远射程和高命中精度的方向发展。靶场实验是对高速UUV的性能评估和成功研制的关键一环。如何在实验中准确测量高速UUV与靶船的交会态势，以及高速UUV与靶船的最小距离（脱靶量）是验证其导引能力、航迹控制能力的重要手段，也是评估高速UUV的战斗部性能的重要测量手段。

业内较成熟的靶场实验场主要通过水声手段实现高速UUV的定位，比如超短基线测量系统、短基线测量系统和长基线测量系统等。这些测量系统通过在靶船上安装声学换能器基阵，或者在海底布设水声换能器基阵，接收安装在高速UUV上3D段信标的信号或高速UUV的辐射噪声来确定高速UUV相对于靶船的位置。

然而，在高速UUV和靶船交会的末弹道，由于高速UUV和靶船相对位置较近，靶船附近的声场环境复杂，这将会对水声定位系统造成严重的干扰，使得测量精度急剧下降。长基线测量系统需要预先在试验海域的海底铺设水声换能器，这使得声学测量系统建造与维护成本巨大，且只能在限定的海域进行试验，应用海域受到诸多限制。短基线测量系统则需要在高速UUV上加装3D段信标，并在靶船上安装相应的换能器，这对能使用的靶船做出了限制，并且对高速UUV进行改装有可能会对高速UUV的动力学性能、电子系统等带来不确定的影响。

发明内容

本申请实施例的主要目的在于提出一种基于磁传感器阵列的交变电磁辐射源轨迹跟踪系统，无需对高速UUV进行改造，即可通过接收交变电磁辐射源的信号高效、准确地给出高速UUV运动轨迹，整个系统布放简单，可适用于不同的靶船和试验海域。

为实现上述目的，本申请的实施例提供了一种基于磁传感器阵列的交变电磁辐射源轨迹跟踪系统，所述系统包括：磁传感器阵列、接口模块、数据采集箱和上位机，所述磁传感器阵列由若干个单分量的磁传感器组成，各所述磁传感器均安装在靶船的船舷上并且均垂直于水面，各所述磁传感器均与所述磁传感器接口模块连接，所述磁传感器接口模块与所述数据采集箱连接，所述数据采集箱与所述上位机连接；各所述磁传感器均用于感应待测区域的磁场信号，并转换为模拟信号输出；所述数据采集箱用于通过所述接口模块采集各所述磁传感器输出的模拟信号，将采集到的各所述模拟信号转换为数字信号，并将各所述数字信号发送至所述上位机；所述上位机用于根据各所述数字信号及其对应的磁传感器的信息，确定高速UUV的运动轨迹；其中，所述上位机中预存有各所述磁传感器的位置信息。

本申请的实施例提出的一种基于磁传感器阵列的交变电磁辐射源轨迹跟踪系统，考虑到高速UUV的尾部安装有电磁发射天线，电磁发射天线不断发射一定频率的交变电磁信号，而交变电磁信号在水中传播损失较大，具有很好的区域性，因此将高速UUV的运动轨迹跟踪问题转化成交变电磁辐射源的轨迹跟踪问题，在靶船上布放一组磁传感器阵列，通过磁传感器阵列接收高速UUV电磁天线发射的信号，通过数据采集箱对磁传感器阵列进行同步采样，用上位机信号处理算法对多路电磁信号进行处理，确定高速UUV与靶船的交会态势，即确定高速UUV的运动轨迹。磁传感器阵列可以有效接收交变电磁辐射源的信号，再经数据采集箱的采集和上位机的处理，无需对高速UUV进行改造，即可高效、准确地给出高速UUV运动轨迹，整个系统布置简单，可适用于不同的靶船和试验海域。

在一些可选的实施例中，所述磁传感器的数量为2N个，N为大于0的整数，所述2N个磁传感器平均分成两组，两组磁传感器对称地安装在所述靶船的两侧船舷上，安装的同一侧船舷上的相邻的两个磁传感器之间的距离均相同，各对称设置的两个磁传感器之间的距离均相同。

在一些可选的实施例中，所述N=6，即所述磁传感器的数量为12个。

在一些可选的实施例中，在将所述磁传感器安装在所述靶船的船舷上时，设置有减震装置，所述磁传感器通过螺栓和卡箍固定在所述减震装置上，所述减震装置的两端通过螺栓和压条固定，所述压条底部还固定有强磁铁，所述减震装置通过所述强磁铁吸附在所述靶船的船舷上。考虑到海上航行难免存在风浪、颠簸情况，因此在将磁传感器安装在靶船的船舷上时，需要设置减震装置进行减震，并保证所有磁传感器垂直于水面，从而减少靶船航行时船体振动对传感器测量数据的影响，从而进一步提升确定的高速UUV的运动轨迹的准确性。

在一些可选的实施例中，所述减震装置具体为橡胶减震垫，所述橡胶减震垫的尺寸为120mm×120mm×15mm，所述橡胶减震垫的固有频率小于10Hz。

在一些可选的实施例中，所述数据采集箱由电池组、数据采集卡和北斗模块组成；所述电池组用于为所述数据采集卡和所述北斗模块供电；所述数据采集卡与所述接口模块连接，用于采集各所述磁传感器输出的模拟信号，将采集到的各所述模拟信号转换为数字信号，并将各所述数字信号发送至所述上位机；所述北斗模块用于实时获取时间信息和所述靶船的位置信息，并将所述时间信息和所述靶船的位置信息发送至所述上位机，以提供与其他测量系统对标时所需的时间信息。

在一些可选的实施例中，所述上位机根据各所述数字信号及其对应的磁传感器的信息，确定高速UUV的运动轨迹，包括：遍历当前时刻收到的各所述数字信号，根据当前数字信号及其对应的磁传感器的位置信息，基于磁偶极子传播模型，建立所述当前数字信号对应的方程；联立当前时刻收到的各所述数字信号对应的方程，得到所述当前时刻对应的方程组；利用优化算法对所述当前时刻对应的方程组进行求解，确定当前时刻下的高速UUV的位置坐标；根据各时刻下的所述高速UUV的位置坐标，确定所述高速UUV的运动轨迹。

在一些可选的实施例中，所述根据当前数字信号及其对应的磁传感器的位置信息，基于磁偶极子传播模型，建立所述当前数字信号对应的方程，包括：根据所述高速UUV的电磁发射天线发射的信号的频率，对所述当前数字信号进行同频正交解调，估计出所述当前数字信号的初始相位；基于所述初始相位，对所述当前数字信号进行同频同相相干解调，建立所述当前数字信号对应的磁场包络方程。

附图说明

图1是本申请的一个实施例中提供的一种基于磁传感器阵列的交变电磁辐射源轨迹跟踪系统的结构示意图；

图2是本申请的一个实施例中提供的一种基于磁传感器阵列的交变电磁辐射源轨迹跟踪系统的工作原理示意图；

图3是本申请一个实施例中提供的一种磁传感器在靶船的两侧船舷上的布局示意图；

图4是本申请一个实施例中提供的一种减震装置的外形结构示意图；

图5是本申请一个实施例中提供的一种磁传感器与减震装置的装配示意图；

图6是本申请一个实施例中提供的一种数据采集箱的结构示意图；

图7是本申请一个实施例中提供的一种高速UUV的磁场示意图；

图8是本申请一个实施例中提供的一种交变磁场信号相干解调模型工作原理示意图；

图9是本申请一个实施例中提供的一种高速UUV的真实航行轨迹示意图；

图10是本申请一个实施例中提供的各磁传感器接收到的磁场信号的示意图；

图11是本申请一个实施例中提供的各磁传感器收到的磁场信号的包络的示意图；

图12是本申请一个实施例中提供的估计出的高速UUV的航行轨迹与高速UUV的真实航行轨迹的对比图。

具体实施方式

为使本申请的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本申请各实施例中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本申请的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

本申请的一个实施例提出了一种基于磁传感器阵列的交变电磁辐射源轨迹跟踪系统，下面对本实施例提出的一种基于磁传感器阵列的交变电磁辐射源轨迹跟踪系统的实现细节进行具体的说明，以下内容仅为方便理解提供的实现细节，并非实施本方案的必须。

本实施例提出的一种基于磁传感器阵列的交变电磁辐射源轨迹跟踪系统的具体结构可以如图1所示，包括：磁传感器阵列10、接口模块20、数据采集箱30和上位机40。

磁传感器阵列10由若干个单分量的磁传感器组成，图1中展示出的磁传感器阵列10由12个单分量的磁传感器组成，分别标记为：1号磁传感器101、2号磁传感器102、3号磁传感器103、4号磁传感器104、5号磁传感器105、6号磁传感器106、7号磁传感器107、8号磁传感器108、9号磁传感器109、10号磁传感器110、11号磁传感器111、以及12号磁传感器112。各磁传感器均安装在靶船的船舷上并且均垂直于水面，各磁传感器均与接口模块20连接，接口模块20与数据采集箱30连接，数据采集箱30与上位机40连接。

各磁传感器均用于感应待测区域的磁场信号，并转换为模拟信号输出。各磁传感器分别通过各自对应的线缆与接口模块20连接，各磁传感器输出的模拟信号也均通过各自对应的线缆输入至接口模块20。值得注意的是，待测区域的磁场信号是高速UUV尾部安装的电磁发射天线（又称3D段信标）发射的。

数据采集箱30用于通过接口模块20采集各磁传感器输出的模拟信号，将采集到的各模拟信号转换为数字信号，并将各数字信号发送至上位机40。

上位机40布设在靶船的舱内，其存储介质中预存有磁传感器阵列10中设置的各磁传感器的位置信息，上位机40用于根据各数字信号及其对应的磁传感器的位置信息，确定高速UUV的运动轨迹。

在一个例子中，磁传感器的数量为2N个，N为大于0的整数，2N个磁传感器平均分成两组，两组磁传感器对称地安装在靶船的两侧船舷上，安装的同一侧船舷上的相邻的两个磁传感器之间的距离均相同，各对称设置的两个磁传感器之间的距离均相同。

在一个例子中，基于磁传感器阵列的交变电磁辐射源轨迹跟踪系统的工作原理可以如图2所示，靶船运行在海面上，高速UUV在水下行驶，高速UUV的尾部安装的电磁发射天线不断发射一定频率的交变电磁信号，基于磁传感器阵列的交变电磁辐射源轨迹跟踪系统的磁传感器阵列捕获磁场信号。

在一个例子中，N=6，即磁传感器阵列中的磁传感器的数量为12个，磁传感器阵列中的12个磁传感器在靶船的两侧船舷上的布局如图3所示。一侧船舷上的相邻的两个磁传感器之间的距离均为8m，各对称设置的两个磁传感器之间的距离均为6m。

在一个例子中，在将磁传感器安装在靶船的船舷上时，设置有减震装置，减震装置的外形结构如图4所示。磁传感器通过螺栓和卡箍固定在减震装置上，减震装置的两端通过螺栓和压条固定，磁传感器与减震装置的装配情况如图5所示。减震装置的两端的压条底部还固定有强磁铁，磁传感器与减震装置通过强磁铁吸附在靶船的船舷上，以保证各磁传感器均垂直于水面。考虑到海上航行难免存在风浪、颠簸情况，因此在将磁传感器安装在靶船的船舷上时，需要设置减震装置进行减震，并保证所有磁传感器垂直于水面，从而减少靶船航行时船体振动对传感器测量数据的影响，从而进一步提升确定的高速UUV的运动轨迹的准确性。

在一个例子中，减震装置需要满足低频使用和无金属材质的要求，因此减震装置可以选用自身固有频率低，减震效果好的橡胶减震垫。选用的橡胶减震垫的尺寸为120mm×120mm×15mm，橡胶减震垫的固有频率小于10Hz。考虑到高速UUV的尾部安装的电磁发射天线发射的信号的频率大概在500Hz左右，橡胶减震垫的固有频率小于10Hz，远远小于电磁发射天线发射的信号的频率，能够实现有效的减震。

在一个例子中，数据采集箱的结构如图6所示，数据采集箱由电池组301、数据采集卡302和北斗模块303组成，电池组301分别与数据采集卡302和北斗模块303连接，数据采集卡302还分别与接口模块20和上位机40连接，北斗模块303还与上位机40连接。电池组301用于为数据采集卡302和北斗模块303供电。数据采集卡302与接口模块20连接，用于采集各磁传感器输出的模拟信号，将采集到的各模拟信号转换为数字信号，并将各数字信号发送至上位机40。北斗模块303用于实时获取时间信息和靶船的位置信息，并将时间信息和靶船的位置信息发送至上位机40，以提供与其他测量系统对标时所需的时间信息。

在一个例子中，上位机根据各数字信号及其对应的磁传感器的信息，确定高速UUV的运动轨迹时，先遍历当前时刻收到的各数字信号，根据当前数字信号及其对应的磁传感器的位置信息，基于磁偶极子传播模型，建立当前数字信号对应的方程。随后联立当前时刻收到的各数字信号对应的方程，得到当前时刻对应的方程组。再利用优化算法对当前时刻对应的方程组进行求解，确定当前时刻下的高速UUV的位置坐标。最后根据各时刻下的高速UUV的位置坐标，确定高速UUV的运动轨迹。

高速UUV的电磁发射天线尺寸较小，因此可以等效为磁偶极子，高速UUV的电磁发射天线近场区的分布与静磁偶极子分布近似，在直角坐标系中，Z轴垂直朝下，设磁偶极子（即高速UUV）的位置为，位于空间点/>的辐射磁矩可以表示为：

式中，表示辐射磁矩在X轴方向上的分量，/>表示辐射磁矩在Y轴方向上的分量，/>表示辐射磁矩在Z轴方向上的分量，/>表示磁偶极子的发射频率，/>表示时间，/>表示相位，/>表示X轴方向的单位向量，/>表示Y轴方向的单位向量，/>表示Z轴方向的单位向量，/>表示位于空间点/>的辐射磁矩。高速UUV的磁场示意图可以如图7所示。

在空间中的某一点/>，（/>，/>为磁传感器的数量），产生的Z轴方向的磁场强度可以表示为：

该式可以简写为：。

由此可见，电磁发射天线的磁矩和位置参数信息分别包含在矩阵和/>矩阵中，上位机在根据当前数字信号及其对应的磁传感器的位置信息，基于磁偶极子传播模型，建立当前数字信号对应的方程时，需要先根据高速UUV的电磁发射天线发射的信号频率/>，对当前数字信号进行同频正交解调，估计出当前信号的初始相位/>，再基于初始相位/>，对当前数字信号进行同频同相相干解调，建立当前数字信号对应的磁场包络方程/>。交变磁场信号相干解调模型工作原理可以如图8所示。

上位机建立各数字信号对应的磁场包络方程后，根据各数字信号对应的磁传感器的位置坐标，（/>），联立形成方程组。该方程组是典型的非线性方程组，上位机建立方程组后，可以通过Levenberg-Marquardt优化算法求解该方程组的非线性无约束最优化问题，所述非线性无约束最优化问题可以表示为：

式中，表示所述非线性无约束最优化问题的优化目标。

以由12个单分量的磁传感器组成的磁传感器阵列为例，各磁传感器均位于以点为原点的/>平面内，各磁传感器的坐标依次为/>、/>、/>、/>、、/>、/>、/>、/>、/>、/>、。假设高速UUV在坐标系中以15m/s的速度在z=-10m的平面驶过靶船，其水平面的航行轨迹如图9所示，12个磁传感器感应到的磁场信号如图10所示，通过对信号相位的估计和同相同频解调可得其包络（磁场通过曲线）如图11所示。采用Levenberg-Marquardt优化算法进行最优化求解，在求解过程中辐射源位置初值的选取采用上一时刻的结果，这主要是考虑辐射源在一个采样间隔中不可能运动太远距离,估计的位置坐标与预设的近乎一样，且轨迹与预设的相同，位置误差非常小。估计出的高速UUV的航行轨迹与高速UUV的真实航行轨迹的对比情况如图12所示，可见本申请提出的一种基于磁传感器阵列的交变电磁辐射源轨迹跟踪系统估计出的高速UUV的航行轨迹，与高速UUV的真实航行轨迹高度接近。

本实施例，考虑到高速UUV的尾部安装有电磁发射天线，电磁发射天线不断发射一定频率的交变电磁信号，而交变电磁信号在水中传播损失较大，具有很好的区域性，因此将高速UUV的运动轨迹跟踪问题转化成交变电磁辐射源的轨迹跟踪问题，在靶船上布防一组磁传感器阵列，通过磁传感器阵列接收高速UUV电磁天线发射的信号，通过数据采集箱对磁传感器阵列进行同步采样，用上位机信号处理算法对多路电磁信号进行处理，确定高速UUV与靶船的交会态势，即确定高速UUV的运动轨迹。磁传感器阵列可以有效接收交变电磁辐射源的信号，再经数据采集箱的采集和上位机的处理，无需对高速UUV进行改造，即可高效、准确地给出高速UUV运动轨迹，整个系统布置简单，可适用于不同的靶船和试验海域。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施例是实现本申请的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本申请的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于磁传感器阵列的交变电磁辐射源轨迹跟踪系统，其特征在于，包括：磁传感器阵列、接口模块、数据采集箱和上位机，所述磁传感器阵列由若干个单分量的磁传感器组成，各所述磁传感器均安装在靶船的船舷上并且均垂直于水面，各所述磁传感器均与所述接口模块连接，所述接口模块与所述数据采集箱连接，所述数据采集箱与所述上位机连接；

各所述磁传感器均用于感应待测区域的磁场信号，并转换为模拟信号输出；

所述数据采集箱用于通过所述接口模块采集各所述磁传感器输出的模拟信号，将采集到的各所述模拟信号转换为数字信号，并将各所述数字信号发送至所述上位机；

所述上位机用于根据各所述数字信号及其对应的磁传感器的位置信息，确定高速UUV的运动轨迹；其中，所述上位机中预存有各所述磁传感器的位置信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁传感器阵列的交变电磁辐射源轨迹跟踪系统，其特征在于，所述磁传感器的数量为2N个，N为大于0的整数，所述2N个磁传感器平均分成两组，两组磁传感器对称地安装在所述靶船的两侧船舷上，安装的同一侧船舷上的相邻的两个磁传感器之间的距离均相同，各对称设置的两个磁传感器之间的距离均相同。

3.根据权利要求2所述的一种基于磁传感器阵列的交变电磁辐射源轨迹跟踪系统，其特征在于，所述N=6，即所述磁传感器的数量为12个。

4.根据权利要求1所述的一种基于磁传感器阵列的交变电磁辐射源轨迹跟踪系统，其特征在于，在将所述磁传感器安装在所述靶船的船舷上时，设置有减震装置，所述磁传感器通过螺栓和卡箍固定在所述减震装置上，所述减震装置的两端通过螺栓和压条固定，所述压条底部还固定有强磁铁，所述减震装置通过所述强磁铁吸附在所述靶船的船舷上。

5.根据权利要求4所述的一种基于磁传感器阵列的交变电磁辐射源轨迹跟踪系统，其特征在于，所述减震装置具体为橡胶减震垫，所述橡胶减震垫的尺寸为120mm×120mm×15mm，所述橡胶减震垫的固有频率小于10Hz。

6.根据权利要求1所述的一种基于磁传感器阵列的交变电磁辐射源轨迹跟踪系统，其特征在于，所述数据采集箱由电池组、数据采集卡和北斗模块组成；

所述电池组用于为所述数据采集卡和所述北斗模块供电；

所述数据采集卡与所述接口模块连接，用于采集各所述磁传感器输出的模拟信号，将采集到的各所述模拟信号转换为数字信号，并将各所述数字信号发送至所述上位机；

所述北斗模块用于实时获取时间信息和所述靶船的位置信息，并将所述时间信息和所述靶船的位置信息发送至所述上位机，以提供与其他测量系统对标时所需的时间信息。

7.根据权利要求1所述的一种基于磁传感器阵列的交变电磁辐射源轨迹跟踪系统，其特征在于，所述上位机根据各所述数字信号及其对应的磁传感器的信息，确定高速UUV的运动轨迹，包括：

遍历当前时刻收到的各所述数字信号，根据当前数字信号及其对应的磁传感器的位置信息，基于磁偶极子传播模型，建立所述当前数字信号对应的方程；

联立当前时刻收到的各所述数字信号对应的方程，得到所述当前时刻对应的方程组；

利用优化算法对所述当前时刻对应的方程组进行求解，确定当前时刻下的高速UUV的位置坐标；

根据各时刻下的所述高速UUV的位置坐标，确定所述高速UUV的运动轨迹。

8.根据权利要求7所述的一种基于磁传感器阵列的交变电磁辐射源轨迹跟踪系统，其特征在于，所述根据当前数字信号及其对应的磁传感器的位置信息，基于磁偶极子传播模型，建立所述当前数字信号对应的方程，包括：

根据所述高速UUV的电磁发射天线发射的信号的频率，对所述当前数字信号进行同频正交解调，估计出所述当前数字信号的初始相位；

基于所述初始相位，对所述当前数字信号进行同频同相相干解调，建立所述当前数字信号对应的磁场包络方程。