一种基于水下磁异常信号的目标边界检测装置及方法

摘要

本发明涉及一种基于水下磁异常信号的目标边界检测装置及方法，属于水下设备技术领域。包括置于旋转台上部的海洋干扰参数测量模块与内部工作空间中的测量模块以及安装在测量模块缺口上的三轴磁场分量测量系统，下部为与其连接的旋转轴与校准控制驱动模块，校准控制驱动模块固定于滑块上，导轨内部设有电机驱动模块，内部放置驱动电机和总控制传输线，作为基准轴的圆柱形导管进入装置，控制驱动电机与校准控制模块，带动滑块进行往复运动，完成磁场数据采集。本发明系统通过结合海洋干扰参数测量模块，分析水下磁场环境的干扰，构建水下目标的磁场分布图，避免了水下的声影区、色散、光源不足等恶劣环境对于检测的限制。

说明书

技术领域

本发明属于水下设备技术领域，涉及一种基于水下磁异常信号的目标边界检测装置及方法。

背景技术

目前以声响讯号探测水面下的人造物体成为运用最广泛的手段。声呐技术利用声波对水中目标进行探测，是最早被采用且发展十分成熟的水中探测技术。然而在复杂水文条件下，声波传播受到影响使其传播轨迹急剧弯曲形成声影区，导致声呐设备难以探测到水中目标。针对水下铁磁性目标，水中磁场探测是人类认识和开发海洋的重要手段，具有跨界介质传播稳定、不受水文气象条件限制，避免了水下的声影区、色散、光源不足等恶劣环境对于检测的限制；对目标进行无源探测，隐蔽性好；可连续搜索、搜索效率高；使用简单可靠、反应迅速等优势。从根据海底岩石磁性特性进行地质研究、矿藏勘探到通过磁异常的有无及规律进行水中航行器、沉船、管线等的排查和搜索等，彰显了水中磁探测技术在各领域的重要作用。在海洋信息探测方面，磁场探测无论在海洋资源勘测领域，还是在水中目标探测识别领域均起着举足轻重得作用。

目前，针对水下目标的检测识别技术往往是基于声回波信号与光图像等处理技术。如中国发明专利CN107886050A、CN111161170A、CN110826575A。对于利用磁异常分布数据进行水下磁性目标边界检测识别的发明较少，已有的发明中，多是针对大规模的地质体采用磁梯度张量等磁场特征数据进行研究，如中国发明专利CN108508490B，由于水中环境边界条件的改变与限制，基于磁法勘探的水中目标边界检测识别系统存在空白。且由于目前存在的磁梯度张量系统搭建复杂，致使探测系统结构以及工作原理较为困难，要实现准确的目标测量，对探测系统的测量精度以及校准精度有着很高的要求，在实际应用中不便于安装应用。在传感器测量精度不变且较难提高的情况下，针对该难点搭建便于安装与校准的检测系统并改进检测方法，对铁磁目标检测识别领域的发展起着重要的作用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于水下磁异常信号的目标边界检测装置及方法，具有探测原理简单、体积小、结构简单、布防灵活且探测可靠性高等诸多优点。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于水下磁异常信号的目标边界检测装置，包括置于旋转台(3)上部的海洋干扰参数测量模块(2)与内部工作空间中的测量模块(1)以及安装在测量模块缺口上的三轴磁场分量测量系统，下部为与其连接的旋转轴(5)与校准控制驱动模块(4)，校准控制驱动模块固定于滑块(6)上，导轨(7)内部设有电机驱动模块(8)，内部放置驱动电机和总控制传输线，作为基准轴(9)的圆柱形导管进入装置，控制驱动电机与校准控制模块，带动滑块进行往复运动，完成磁场数据采集。

可选的，所述的位于圆柱形旋转台上的测量模块与旋转轴相连接。

可选的，所述测量系统由旋转轴与滑块连接，并通过旋转轴内部空间放置信号数据传输线。

可选的，所述校准驱动控制模块与滑块刚性连接，不可发生旋转形变与位移。

可选的，所述驱动电机是通过在控制端口加以命令实现控制，控制端口通过置于基准轴内部的信号传输线接受和发送信号。

可选的，所述三轴磁场测量设备与传输设备均由防水材料保护。

基于所述装置的基于水下磁异常信号的目标边界检测方法，包括如下步骤：

首先，固定滑块导轨结构，实现对水下铁磁目标的二维磁异常信号探测，判断探测区域是否存在待测目标，采集所需的探测数据，包括使用三分量磁通门传感器采集的两路同步磁场数据与所处地域海浪参数；

然后，通过短时傅里叶变换，在频域内计算两路同步探测磁场数据间的相干性，消除地磁噪声变化引起的干扰，并通过逆变换恢复为时域磁场信号，同时基于Longuet-Higgins理论构建海浪磁场模型，消除海洋磁场变化对于微弱磁异常信号的影响，并结合磁干扰系数补偿探测平台产生的高频干扰，得到削弱噪声干扰后的二维磁异常信号，用于判断是否存在待探测的铁磁目标；

其次，当检测到待测目标存在时，启动探测装置的导轨滑块模块，基于基准轴校准三轴磁通门传感器的轴方向，初始化滑块所需的运行速度；

最后，在搭载平台进行纵向直线运动的基础上，利用驱动电机控制滑块进行横向往复运动，使磁场测量模块完成水平空间上的区域扫描，实现磁传感器的横向与纵向的同步运动，完成目标存在区域的磁场分布图的采集，用于对待测目标边界特征的检测。

可选的，所述海浪参数包括海浪浪高、速度和传播方向。

本发明的有益效果在于：

1、本发明系统通过结合海洋干扰参数(包括：海浪浪高、速度、传播方向)测量模块，分析水下磁场环境的干扰，构建水下目标的磁场分布图，创新提出基于磁法探测的水下铁磁目标边界检测识别系统，相比于声呐图与光图像的方式，避免了水下的声影区、色散、光源不足等恶劣环境对于检测的限制；

2、本发明采用传感器探测的导轨结构，相对于阵列的探测系统，可以很大程度上降低阵列间校准精度不够所造成的影响，从而更加有效的提高对水下铁磁性物体的探测的准确率。

3、本发明利用了旋转台和旋转轴构建校准结构完成对两路同步测量的三轴磁场分量测量仪x、y、z轴方向的校准，同时控制两路传感器间的探测距离，可以进一步提高整体探测系统的灵活性与识别率。

4、本发明可以进行二维与三维磁场数据的探测获取，且所提出的信号探测方法通过构建海浪磁噪声模型、频域相干性地磁降噪模型与相应补偿，可以在实现有效获取二维与三维信号的同时，提高探测磁场信号信噪比，进而提高目标检测概率。

5、本发明可以通过控制运行速度与采样率调整采集信号的分辨率，探测参数设置灵活。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为基于水下磁异常信号的铁磁性目标边界检测装置三维模型图；

图2为整体结构径向示意图；

图3为整体结构俯向示意图；

图4为本发明所提出的磁场数据获取方法流程图；

图5为海洋磁场模型在三级海况情况下的磁噪声分布图；

图6为铁磁目标的二维与三维理论磁场分布图。

附图标记：三轴磁分量传感器测量模块1、海洋噪声参数测量模块2、旋转台3、校准驱动模块4、旋转轴5、滑块6，导轨7、电机驱动模块8、基准轴9。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图6，为一种基于水下磁异常信号的目标边界检测装置，包括三轴磁分量传感器测量模块1、海洋噪声参数测量模块2、旋转台3、校准驱动模块4、旋转轴5、滑块6，导轨7、电机驱动模块8、基准轴9。

装置包括一个以基准轴9指定方向为标准方向的导轨滑块结构，以及安装在滑块5结构上的由三轴磁场分量测量仪、信号传输装置和校准调节模块4构成的可进行二维平面全方位旋转校准调节的信号测量模块。旋转台3的内部设有空间，用于固定三轴磁场分量测量仪，导轨7内部安装用于驱动滑块移动的电机8与控制端口。

采用上述方案，在滑块6、导轨7结构固定不动时，通过搭载平台的移动可实现对水下铁磁目标的二维信号探测，实现对水下铁磁目标；同时当利用滑块6在导轨上的往复移动时，实现三轴磁场分量测量仪的横向多点探测，结合搭载平台的纵向移动，获取水下目标空间内的三维磁场分布图，用于目标边界检测。

本实施例中的三轴磁场分量测量仪可通过校准驱动模块4与旋转轴5方便的实现x、y、z三轴方向的校准。同时，可以通过内部的凹槽空间实现检测数据与控制信号的传输。采用轻型硬质材料制备，以防止在移动过程中产生形变的同时，减轻滑块6的搭载负担，便于驱动电机移动控制。

本实例中的电机驱动模块8可以接受小型微型控制器发送的脉冲控制信号，完成对滑块运动速度与采集频率间得匹配。

本实例中的基准轴9用于在搭载平台上安装装置时校准滑块运动的横向方向。同时，也用于保护置于基准轴内部的用于信号接受和发送信号的传输线。

本发明还提供一种基于磁异常信号的水下铁磁性目标边界检测数据的探测方法。

基于有限元分布思想，铁磁性目标的基本磁场模型可等效为多个磁偶极子的分布叠加，其中单个等效磁偶极子产生的磁场可如下表示：

其中M为等效磁偶极子的磁矩，μ

首先，固定滑块导轨结构，实现对水下铁磁目标二维的磁异常信号探测，判断探测区域是否存在待测目标，采集所需的探测数据，包括使用三分量磁通门传感器采集的两路同步磁场数据与所处地域海浪参数(包括：海浪浪高、速度、传播方向)；

然后，通过短时傅里叶变换，在频域内计算两路同步探测磁场数据间的相干性，消除地磁噪声变化引起的干扰，并通过逆变换恢复时域磁场信号。装置中的两路三轴磁分量传感器测量模块同步测量铁磁靶的背景环境的磁场，其中一路用作参考背景噪声，另一路用作磁异常信号，如下所示：

其中，地磁背景噪声为e(n)，s(n)是磁异常信号，h(n)为两个信号之间的由于相干性产生的传递函数。通过短时傅立叶变换获得两路检测信号之间的互功率谱密度与自功率谱密度，确定传递函数h(n)。由此，可以在频域中消除共模地磁噪声并通过短时傅立叶逆变换获得去除噪声后的磁异常信号。

同时基于Longuet-Higgins模型构建三维海浪磁场模型，消除海洋磁场变化对于微弱磁异常信号的影响。结合磁干扰系数补偿探测平台产生的高频干扰，通过上述方法即可得到削弱干扰噪声后的二维磁异常信号，用于判断是否存在待探测的铁磁目标；

其次，当检测到待测目标存在时，启动探测装置的导轨滑块模块，基于基准轴校准三轴磁通门传感器的轴方向，初始化滑块所需的运行速度；

最后，在搭载平台进行纵向直线运动的基础上，利用驱动电机控制滑块进行横向往复运动，使磁场测量模块完成水平空间上的区域扫描，实现磁传感器的横向与纵向的同步运动，完成目标存在区域的磁场分布图的采集，用于检测待测目标的边界特征。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。