基于重力梯度张量数据的目标体实时定位方法及系统

摘要

本发明提供了一种基于重力梯度张量数据的目标体实时定位方法及系统。该方法包括：根据四套重力梯度仪的空间位置关系得到四组x,y和z方向的重力梯度值，并利用该四组重力梯度值计算x,y和z方向上的重力梯度；评价噪声水平及数据质量，测试阻尼系数，选取最佳值；利用由位场泊松关系推导的重力场空间位置线性计算公式完成目标体空间位置的实时计算，对计算结果进行散点统计分析和曲线拟合，圈定目标体空间的中心位置。本发明提供的基于重力梯度张量数据的目标体实时定位方法及系统能够实现重力目标体实时、快速定位，无需额外的先验信息约束，计算过程简便，计算结果稳定、可靠。

说明书

技术领域

本发明涉及重力探测技术领域，特别是涉及一种基于重力梯度张量数据的目标体实时定位方法及系统。

背景技术

实现目标体空间位置的精准、快速定位，一直是位场勘探研究中的一大热点和难点。重力异常是由于物质密度分布不均匀而引起，反映了不同物质的空间赋存状态。重力梯度张量数据具有高精度、多参数等优点，对目标体具有更高的分辨能力。随着重力梯度张量测量技术的不断成熟，涌现出诸多重力梯度张量反演方法，包括空间物性分布和物性参数反演等。但现有算法计算过程较为复杂，反演结果不稳定，计算速度慢，且需要配合各类先验信息，无法实现实时、快速定位。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于重力梯度张量数据的目标体实时定位方法及系统，能够实现重力目标体实时、快速定位，无需额外的先验信息约束，计算过程简便，计算结果稳定、可靠。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于重力梯度张量数据的目标体实时定位方法，所述方法包括：根据四套重力梯度仪的空间位置关系得到四组x,y和z方向的重力梯度值，并利用该四组重力梯度值计算x,y和z方向上的重力梯度；评价噪声水平及数据质量，测试阻尼系数，选取最佳值；利用由位场泊松关系推导的重力场空间位置线性计算公式完成目标体空间位置的实时计算，对计算结果进行散点统计分析和曲线拟合，圈定目标体空间的中心位置。

在一些实施方式中，还包括：在评价噪声水平及数据质量，测试阻尼系数，选取最佳值之前，根据目标体的空间位置预测，设定空间位置的上下限。

在一些实施方式中，利用由位场泊松关系推导的重力场空间位置线性计算公式完成目标体空间位置的实时计算，对计算结果进行散点统计分析和曲线拟合，圈定目标体空间位置，包括：利用曲线正态分布拟合求取目标体中心位置。

在一些实施方式中，进行曲线正态分布拟合的正态分布公式为：

其中，σ为标准差，μ为平均数。

在一些实施方式中，曲线正态分布拟合的准则函数为：

其中，A为幅值，σ为标准差，μ为平均数。

在一些实施方式中，曲线正态分布拟合为最小二乘拟合。

在一些实施方式中，四套重力梯度仪以直角四面体的测量架构方式架设。

在一些实施方式中，根据泊松关系的重力场空间位置线性计算公式如下：

L＝-3(W

其中，ε

在一些实施方式中，利用由泊松关系推导的重力场空间位置线性计算公式完成目标体空间位置的实时计算，包括：采用最小方差解进行空间位置的反演计算。

此外，本发明还提供了一种基于重力梯度张量数据的目标体实时定位系统，所述系统包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现根据前文所述的基于重力梯度张量数据的目标体实时定位方法。

采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：

该方法在重力梯度张量测量技术的基础上，基于传统的磁偶极子单点定位法，通过泊松关系将计算方法改进到重力目标体的空间位置定位中。本方法可以实现重力目标体实时、快速定位，无需额外的先验信息约束，计算过程简便，计算结果稳定、可靠。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是四台重力全张量梯度仪直角四面体测量架构方式示意图；

图2是球体模型示意图；

图3是模型1的测试结果图；

图4是地下防空建筑示意图；

图5是模拟地下防空洞的测试结果图；

图6是测试结果散点统计分析和分布拟合的效果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明基于作者多年的重力场数据处理与解释方面的研究基础和海洋重力调查经验，结合现有的重力梯度张量测量技术和重磁场反演方法，发明设计了一种能实现快速、实时定位目标体空间位置的计算方法，该方法计算速度快，无需过多的先验信息。本发明可以用于多种快速移动平台(机载、船载、车载及潜器)搭载下的重力探测任务，例如军事掩蔽体精准定位、水下目标体探测、特殊地质体圈定等。

该方法在重力梯度张量测量技术的基础上，基于传统的磁偶极子单点定位法，通过泊松关系将计算方法改进到重力目标体的空间位置定位中。本方法可以实现重力目标体实时、快速定位，无需额外的先验信息约束，计算过程简便，计算结果稳定、可靠。

首先，简要介绍磁偶极子单点定位法及其与重力位的关系。假设磁性目标体距测点较远(距离大于目标体自身空间长度的2.5倍以上)，则将磁性目标体视为磁偶极子。在该条件下，距磁目标体L处的磁场强度K为：

K＝[3(m·L

式中，m为磁目标体磁矩，L＝|L|为磁目标体到测点的距离，L

设距离场源L+L

在笛卡尔坐标系下为：

上式为磁梯度张量表达式，即磁场强度三分量(K

将上式积分可得

因为L＝L·L

式中

在已知磁场中一点的三个方向上的磁场矢量强度及其磁梯度张量的情况下，可以通过上式计算出磁目标体位置。

假设该目标体的重磁场边界一致，且磁化强度和密度分布均匀，则可以根据泊松关系由重力位V直接计算得出磁力位U

其中，M为磁化强度，V为重力位，

因此，我们可以得到重力场空间位置线性计算方式：

L＝-3W

其中：

由于重力场满足：▽·V＝0，▽×V＝0。

可以得到：V

即，

W式也可以表述为K式在x，y和z三个方向上的导数，本发明设计的由四套重力全张量梯度仪组成的直角四面体测量系统可以实现x，y和z三个方向上梯度值w的实时计算，即

本发明采用最小方差解进行空间位置的反演计算，

L＝-3(W

由于位场反演计算通常属于不适定问题，计算结果对数据的噪声水平较为敏感，在实际计算过程中可采用吉洪诺夫正则化提高反演的稳定性。

L＝-3(W

其中，ε

此外，为进一步稳定反演结果，可以设定反演结果的上下限阈值来滤除一部分因背景场和噪声等虚假信号引起的无效解。可以假设L∈(L

其中，L

为进一步优化空间位置的反演结果，尤其是在目标体异常不明显且背景噪声水平较高时，本发明分别对x，y和z三个方向上的计算结果进行散点统计，定量分析目标体空间位置分布状态。在此基础上，利用曲线正态分布拟合求取目标体中心位置。正态分布公式f(x)可以表示为：

其中，σ为标准差，μ为平均数。首先，我们假设在某个方向上计算得到的空间位置的散点统计符合正态分布曲线，其准则函数Q可以表示为：

式中，A为幅值。本发明采用最小二乘解求取拟合曲线，最终获取拟合曲线的最值和置信区间。

本发明是利用重力梯度张量数据计算目标体的空间位置，主要包括以下步骤：

a)重力梯度仪的合理布设，为实现定位的实时性和动态跟踪，本发明在实施过程中需要架设四套重力全张量梯度仪，以直角四面体的测量架构方式(见图1)。根据其各自的空间位置关系可以得到四组x,y和z方向的梯度值，并利用该四组值计算三个方向上的梯度。

b)目标体的空间位置预测，设定r的上下限。

c)评价噪声水平及数据质量，测试阻尼系数，选取最佳值。

利用上述计算公式完成目标体空间位置的实时计算，对计算结果进行散点统计分析和曲线拟合，圈定目标体空间位置。

我们通过测试以下2种不同模型详细说明本发明的技术效果：

(1)实例1

本发明设计了一球体模型(见图2)，利用上述计算方法进行空间位置求解。其中，球体的中心位置为(0,0，-10)，半径为1m，密度差为1g/cm

(2)实例2

实例2构建了一地下防控建筑模型(见图4)，其中土壤的密度设为1.6g/cm

图6通过添加随机噪声来检验该方法在噪声环境下的适用性。其中，(a)、(b)和(c)分别为无噪声环境下测试结果在X，Y和深度方向地散点柱状统计图和相应的正态拟合曲线；(d)、(e)和(f)分别为5％噪声环境下测试结果在X，Y和深度方向地散点柱状统计图和相应的正态拟合曲线；(g)、(h)和(i)分别为30％噪声环境下测试结果在X，Y和深度方向地散点柱状统计图和相应的正态拟合曲线。从图6中可以看出，在5％噪声环境下，反演结果的散点分布图整体能识别出异常区域，但四周的假异常点相比无噪声环境下增多。通过柱状统计图仍可以非常清楚的得到目标体的位置区域，利用正态拟合后得到的目标体中心位置为(17.7，-22.0,288.2)，比较接近其设置的中心位置。此外，为探索本方法在强噪声环境下的使用效果，本发明分析了在30％环境噪声下的计算结果。从图6(g)、(h)和(i)中可以看出，其整体位置仍可以在柱状图中显现出来，峰值仍较为明显，正态拟合后得到的目标体中心位置为(26.1，-42.8,243.2)。从计算结果可以看出，本发明在较强的背景噪声环境下仍具有较强的适用性，水平方向上的抗噪性优于深度方向。

本发明还提供了一种基于重力梯度张量数据的目标体实时定位系统。例如，所述基于重力梯度张量数据的目标体实时定位系统可以用于充当重力探测系统中的实时定位主机。如本文所述，基于重力梯度张量数据的目标体实时定位系统可以用于在重力探测系统中实现对目标体的实时定位功能。基于重力梯度张量数据的目标体实时定位系统可以在单个节点中实现，或者基于重力梯度张量数据的目标体实时定位系统的功能可以在网络中的多个节点中实现。本领域的技术人员应意识到，术语基于重力梯度张量数据的目标体实时定位系统包括广泛意义上的设备，本发明给出的基于重力梯度张量数据的目标体实时定位系统仅是其中一个示例。包括基于重力梯度张量数据的目标体实时定位系统是为了表述清楚，并不旨在将本发明的应用限制为特定的基于重力梯度张量数据的目标体实时定位系统实施例或某一类基于重力梯度张量数据的目标体实时定位系统实施例。本发明所述的至少部分特征/方法可以在网络装置或组件，例如，基于重力梯度张量数据的目标体实时定位系统中实现。例如，本发明中的特征/方法可以采用硬件、固件和/或在硬件上安装运行的软件实现。基于重力梯度张量数据的目标体实时定位系统可以是任何通过网络处理，存储和/或转发数据帧的设备，例如，服务器，客户端，数据源等。基于重力梯度张量数据的目标体实时定位系统可以包括收发器(Tx/Rx)，其可以是发射器，接收器，或其组合。Tx/Rx可以耦合到多个端口(例如上行接口和/或下行接口)，用于从其他节点发送和/或接收帧。处理器可耦合至Tx/Rx，以处理帧和/或确定向哪些节点发送帧。处理器可以包括一个或多个多核处理器和/或存储器设备，其可以用作数据存储器，缓冲区等。处理器可以被实现为通用处理器，或者可以是一个或多个专用集成电路(application specific integrated circuit，简称ASIC)和/或数字信号处理器(digital signal processor，简称DSP)的一部分。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。