一种基于标量传感器阵列的追踪定位水下远距离磁性目标的方法

摘要

本发明涉及一种基于标量传感器阵列的追踪定位水下远距离磁性目标的方法。本发明在水面或水下利用五台磁传感器排列成“十”字形阵列，传感器光轴取向与地磁场矢量T0方向基本保持平行，同时“十”字形传感器阵列的一条边对准地磁北极方向；对每个传感器如下处理：T1-Ti？i≠1；得出磁性目标的相对于第一个传感器的位置坐标(x,y,z)及目标磁矩本发明通过传感器阵列之间的位置关系，获得对应的地磁总场的准梯度，从而实现对磁性目标的三维追踪定位，可以排除地磁场时变的影响及空间环境磁场分布对磁定位的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于标量传感器阵列的追踪定位水下远距离磁性目标的方法。

背景技术

地磁场是地球的一个天然的物理场，它有各种不同的起源，由不同变化规律的磁场成分 叠加而成。按照场源位置划分，地磁场可以分为内源场和外源场。如果考虑地磁场随时间的 变化特征，将随时间变化较快的地磁场成为地球的变化磁场，随时间变化较慢或者基本不变 的地磁场成为地球的稳定磁场。同时地磁场是反映宇宙演变、地球演变、地质结构演变以及 地震活动等过程的重要物理量之一。地磁场研究成果在航海、航空、航天、能源矿产、安全、 考古等领域中有着广泛而重要的应用。

在各种应用领域中，确定目标物的位置是一项首要任务，是进行后续工作的前提。如军 事上需要进行的沉没船只的货物抢救、排雷、海滩救援作业、港口船舶监测、反潜应用等， 都需要对水下目标物进行准确而快速的定位。我国黄海平均海深50米，东海多为200米的大 陆架，在这种环境下，海况和目标噪声是决定声呐探测距离的最大因素。而基于磁场探测则 不用考虑这些因素。由于磁性目标的存在，其产生的感应磁场会导致空间地磁场分布的变化， 从而在该空间中产生磁异常。因此磁测技术是非常有效的方，人们可以通过对磁异常的反演， 获得该目标物体的一些信息(如，几何参数，位置参数等)。

地磁场是矢量场，实施矢量测量可以更全面地描述和掌握地磁要素与地磁信息。现阶段 一般选用能够测量3个以上地磁要素的矢量传感器。在使用矢量传感器时，其安装使用都很 复杂，安装时姿态方位一定要严格校正，载体运动过程中仍要实时补偿姿态和方位变化的影 响，校正姿态方位还要使用其他高精度定位系统。同时由于地磁场随时间变化的影响，基于 矢量传感器的方法的测量距离不能太长。

相比于矢量传感而言，探测地磁总场的标量传感器光泵磁力仪具有高可靠高精度的特点， 同时最高分辨率可达fT量级。因此，在fT量级下的传感器阵列的极限探测距离超过10km。 由于测量地磁总场，总场光泵磁力仪安装使用不需要姿态方位校准，非常方便。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以消除地磁场空间分布的影响及随时间变化的影响的基于 标量传感器阵列的追踪定位水下远距离磁性目标的方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)在水面或水下利用五台磁传感器排列成“十”字形阵列，相邻传感器之间的距离为 L，阵列平面方向一般与水平面的方向平行，其中第一个传感器T₁的位置设为坐标原点(0， 0，0)，第二个传感器T₂放置于x轴上(L，0,0)位置，第三个传感器T₃放置于x轴上(-L， 0，D)位置，第四个传感器T₄放置于y平面上(0，L，0)位置，第五个传感器T₅放置于y 平面上(0，-L，0)位置；传感器光轴取向与地磁场矢量T₀方向基本保持平行，同时“十” 字形传感器阵列的一条边对准地磁北极方向；

(2)对每个传感器如下处理：T₁-T_ii≠1；得出磁性目标的相对于第一个传感器的位置 坐标(x,y,z)及目标磁矩

$\left(\begin{array}{c}{T}_1-T_2={\mathrm{\Delta T}}_{12}+\frac{\mu \left|\overrightarrow{P}\right|}{4\pi }\left(f_1\right(x,y,z)-f_2(x,y,z\left)\right)\\ T_1-T_3={\mathrm{\Delta T}}_{13}+\frac{\mu \left|\overrightarrow{P}\right|}{4\pi }\left(f_1\right(x,y,z)-f_3(x,y,z\left)\right)\\ T_1-T_4={\mathrm{\Delta T}}_{14}+\frac{\mu \left|\overrightarrow{P}\right|}{4\pi }\left(f_1\right(x,y,z)-f_4(x,y,z\left)\right)\\ T_1-T_5={\mathrm{\Delta T}}_{15}+\frac{\mu \left|\overrightarrow{P}\right|}{4\pi }\left(f_1\right(x,y,z)-f_5(x,y,z\left)\right)\end{array}\right)$

其中，(x,y,z)表示磁性目标相对于第一传感器的位置坐标，r_i表示磁性目标到传感器i 的距离，ΔT_ij表示传感器i和传感器j的地磁静态场之差；当传感器阵列固定后，ΔT_ij可以 通过测量得到，在计算时可以视为已知量；

解出磁性目标相对于第一传感器的位置坐标(x,y,z)及磁性目标磁矩

本发明的有益效果在于：

上述定位方法是通过检测地磁总场单一标量实现磁性目标的追踪定位。而且由于测量总 场，磁力仪安装使用不需要姿态方位校准，非常方便。通过传感器阵列之间的位置关系，获 得对应的地磁总场的准梯度，从而实现对磁性目标的三维追踪定位，可以排除地磁场时变的 影响及空间环境磁场分布对磁定位的影响。计算出的磁矩值可以初步判断目标的尺度。

附图说明

图1磁场信息定位分析示意图。

图2三维磁性目标定位的传感器阵列示意图。

图3磁性目标的运动轨迹。

图4目标的追踪定位结果(X,Y,Z方向上的相对误差)。

具体实施方式

本发明提供的是一种基于标量传感器阵列的追踪定位水下远距离磁性目标的方法。通过 传感器阵列之间的对应关系，获得对应的地磁场的准梯度信息，从而依据准梯度信息，获得 水下磁性目标的三维位置信息。本发明所提出的利用地磁传感器阵列获得的准梯度方案可以 排除地磁场随时间变化对磁测定位的影响，同时标量传感器的布放与方位无关，因此该探测 方法实施简单，定位精度高，定位距离远。

由于地磁场随时间变化的影响，基于地磁总场梯度的水下磁性目标的探测方法的探测距 离比较短。在本方法中，基于五个标量传感器的阵列可以有效地消除地磁场随时间变化对测 量的影响，提高测量距离，其特征是：通过传感器阵列之间的位置关系，获得对应的地磁总 场梯度，从而实现对磁性目标的三维追踪定位。

利用标量传感器的阵列和对应的算法实现对水下磁性目标实施高精度远距离追踪定位。 其特征是：五个标量传感器排列成”十”字形阵列，参照附图1。

本发明的目的在于对水下的远距离磁性目标进行高精度的追踪定位。利用五个标量传感 器构成的传感器阵列获得的地磁总场数据，通过传感器之间的相对关系获得地磁准梯度，依 据磁性目标磁偶极子的远场理论经过严格的物理概念推演和算法设计，得出磁性目标相对于 传感器的位置坐标，实现对目标的精确定位

2.1、定位阵列构成及算法设计

当磁性目标到传感器的距离远大于其本身大小时，该磁性目标可以等效为一个磁偶极子。 磁偶极子产生的磁场可以表示为：

$\overrightarrow{B}\left(\overrightarrow{r}\right)=\frac{\mu }{4\pi }(\frac{3(\overrightarrow{P}·\overrightarrow{r})\overrightarrow{r}}{r^5}-\frac{\overrightarrow{P}}{r^3})---\left(1\right)$

其中，表示磁偶极子到传感器的距离，$\overrightarrow{P}$表示磁偶极子的磁矩，μ表示磁导率。

磁偶极子产生磁场的标量表达式为:

$\left|\overrightarrow{B}\left(\overrightarrow{r}\right)\right|=\frac{\mu }{4\pi }\frac{\left|\overrightarrow{P}\right|}{\left|\right|r^3\left|\right|}\sqrt{3{\cos }^2\beta +1}---\left(2\right)$

其中，是的标量值，β表示和之间的夹角。在测量过程中，测到的磁场包含： 地磁场和磁偶极子产生的磁场，磁场表达式如下：

$\overrightarrow{T}\left(\overrightarrow{r}\right)={\overrightarrow{T}}_0+\overrightarrow{B}\left(\overrightarrow{r}\right)---\left(3\right)$

其中，表示传感器处的地磁场。

从公式3，我们可以得到:

$T^2=T_0^2+B^2+2\left|{\overrightarrow{T}}_0\right|\left|\overrightarrow{B}\right|cos\alpha ---\left(4\right)$

其中，α表示和之间的夹角。由于α和β存在对应关系，其关系如下：

$tan\alpha =\frac{3sin\beta cos\beta }{3{\cos }^2\beta -1}---\left(5\right)$

通过公式(4)和(5)，我们可以得到：

$T=T_0+\frac{\mu }{4\pi }\frac{\left|\overrightarrow{P}\right|}{\left|\right|r^3\left|\right|}3{\cos }^2\beta -1---\left(6\right)$

β可以表示为：

其中，表示为地磁偏角，θ表示为地磁倾角。(x,y,z)表示磁偶极子相对于传感器的 位置坐标。

最终，我们得到地磁的标量表达形式：

通过以上对一个标量传感器的分析，我们提出了一种基于五个标量传感器阵列的对远距 离目标的追踪定位的方法。L表示相邻传感器的距离。我们可以得到关于5个传感器的地磁 场信息：

其中，r_i表示磁偶极子到传感器i的距离，(x,y,z)表示磁偶极子相对于第1传感器的位 置。

为了消除地磁场随时间变化的影响，我们对每个传感器如下处理：T₁-T_i(i≠1)，最终得 到：

$\left(\begin{array}{c}{T}_1-T_2={\mathrm{\Delta T}}_{12}+\frac{\mu \left|\overrightarrow{P}\right|}{4\pi }\left(f_1\right(x,y,z)-f_2(x,y,z\left)\right)\\ T_1-T_3={\mathrm{\Delta T}}_{13}+\frac{\mu \left|\overrightarrow{P}\right|}{4\pi }\left(f_1\right(x,y,z)-f_3(x,y,z\left)\right)\\ T_1-T_4={\mathrm{\Delta T}}_{14}+\frac{\mu \left|\overrightarrow{P}\right|}{4\pi }\left(f_1\right(x,y,z)-f_4(x,y,z\left)\right)\\ T_1-T_5={\mathrm{\Delta T}}_{15}+\frac{\mu \left|\overrightarrow{P}\right|}{4\pi }\left(f_1\right(x,y,z)-f_5(x,y,z\left)\right)\end{array}\right)---\left(9\right)$

其中，ΔT_ij表示传感器i和传感器j的地磁静态场之差。当传感器阵列固定后，ΔT_ij可以 通过测量得到，在计算时可以视为已知量。因此，通过上述处理，地磁场随时间变化的影响 被消除了。

由(9)式可解出磁性目标相对于传感器1的位置坐标(x,y,z)及磁性目标磁矩

2.2、阵列构成简易安装测量方便

上述定位方法是通过检测地磁总场单一标量实现目标定位。而且由于测量总场，磁力仪 安装使用不需要姿态方位校准，非常方便。

2.3、不受地磁时变的影响

通过传感器阵列之间的位置关系，获得对应的地磁总场的准梯度，从而实现对磁性目标 的三维追踪定位，可以排除地磁场时变的影响及空间环境磁场分布对磁定位的影响。

传感器阵列中五个传感器的地磁数据进行T₁-T_i(i≠1)处理，排除了空间磁场分布的影响 和磁场随时间变化的影响。其中，T₁表示传感器1的地磁数据，T_i表示传感器i的地磁数据。

该方法采用改进的粒子群算法实现了快速计算，能够对移动磁性目标实现实时追踪定位。

该方法中的“十”字形传感器阵列的安装和探测时无需对传感器阵列进行姿态方位校准。

本发明所涉及的是一种基于标量磁传感器阵列，利用地磁场总场数据对水下磁性目标进 行三维追踪定位的方法。具体地说是利用五个标量磁力仪构成的传感器阵列获得的地磁总场 数据，通过传感器之间的相对关系获得地磁总场梯度，依据磁性目标磁偶极子的远场理论经 过严格的物理概念推演和算法设计，得出磁性目标的位置坐标，实现精确定位的方法，由于 采用地磁准梯度，可以消除地磁场空间分布的影响及随时间变化的影响。在水下能源矿藏勘 测、水下各种管线维护监测、地质灾害监测、水下考古、沉船勘测、扫雷反潜等领域有重要 应用。

本发明的目的在于对水下的远距离磁性目标进行高精度的追踪和定位。利用五个标量磁 力仪构成的传感器阵列获得的地磁总场数据，通过传感器之间的相对关系获得地磁准梯度， 依据磁性目标磁偶极子的远场理论经过严格的物理概念推演和算法设计，得出目标的位置坐 标，实现对目标的精确定位。

本发明具体内容包括：

1、阵列构成

①阵列几何形状

如附图1，在水面或水下利用五台磁传感器排列成“十”字形阵列，相邻传感器之间的 距离为L，参照附图1，阵列平面方向一般与水平面的方向平行，其中一个传感器T₁的位置 设为坐标原点(0，0，0)，第二个传感器T₂放置于x轴上(L，0,0)位置，第三个传感器T₃放置于x轴上(-L，0，D)位置，第四个传感器T₄放置于y平面上(0，L，0)位置，第 五个传感器T₅放置于y平面上(0，-L，0)位置。

②传感器布设方向

采用光泵磁传感器时，传感器光轴取向与地磁场矢量T₀方向基本保持平行,同时“十” 字形传感器阵列的一条边对准地磁北极方向。

③确定正方形的边长L的原则：

首先在各种客观条件允许的情况下，相邻传感器之间的距离L越大，阵列的定位精度越 高。

边长L不能超过传感器的有效测量范围，这是由构成阵列传感器的分辨率决定的。

边长L不要妨碍阵列的机动航行，这是由装载或拖曳阵列载体的载荷能力及航行速度决 定的。

2、算法设计

传感器阵列中五个传感器的地磁场信息如(1)式，为了消除地磁场随时间变化的影响， 我们对每个传感器如下处理：T₁-T_i(i≠1)，得到(2)式，由(2)式可得出磁性目标的相对 于传感器1的位置坐标(x,y,z)及目标磁矩

$\left(\begin{array}{c}{T}_1-T_2={\mathrm{\Delta T}}_{12}+\frac{\mu \left|\overrightarrow{P}\right|}{4\pi }\left(f_1\right(x,y,z)-f_2(x,y,z\left)\right)\\ T_1-T_3={\mathrm{\Delta T}}_{13}+\frac{\mu \left|\overrightarrow{P}\right|}{4\pi }\left(f_1\right(x,y,z)-f_3(x,y,z\left)\right)\\ T_1-T_4={\mathrm{\Delta T}}_{14}+\frac{\mu \left|\overrightarrow{P}\right|}{4\pi }\left(f_1\right(x,y,z)-f_4(x,y,z\left)\right)\\ T_1-T_5={\mathrm{\Delta T}}_{15}+\frac{\mu \left|\overrightarrow{P}\right|}{4\pi }\left(f_1\right(x,y,z)-f_5(x,y,z\left)\right)\end{array}\right)---\left(2\right)$

其中，(x,y,z)表示磁性目标相对于传感器1的位置坐标，r_i表示磁性目标到传感器i 的距离，ΔT_ij表示传感器i和传感器j的地磁静态场之差。当传感器阵列固定后，ΔT_ij可以 通过测量得到，在计算时可以视为已知量。

由(2)式可解出磁性目标相对于传感器1的位置坐标(x,y,z)及磁性目标磁矩

以图2结构搭建标量磁传感器阵列，阵列中的传感器间距L＝3m，磁传感器采用灵敏度 为0.6pT的CS-L光泵磁力仪。传感器阵列沿着平行与地磁北极的方向进行放置。磁性目标在 水平面内移动，在x方向上的移动速度为5m/s，在Y方向上的移动速度为10m/s。采样间隔 为2s。磁性目标沿着规划的航迹从A点运动到B点，如图3所示。图3是采用本方法的追踪 定位的结果。图3给出了各个点的相对误差的情况。X和Y方向上的相对误差小于2％，Z方 向上的相对误差为5％左右。除去个别明显误差点外，磁性目标到传感器1的距离 的平均相对误差为1.3％。可见该方案能够对磁性目标进行高精度的追踪和定 位。同时计算出的磁性目标磁矩为P＝5×10⁶A·m²。