一种基于磁梯度张量的水下磁性物质的定位方法

摘要

本发明涉及一种基于磁梯度张量的水下磁性物质的定位方法，包括以下步骤：布置定位装置，所述定位装置包括外壳、与外壳配合使用的保护罩和设置在外壳内部的托盘底座，所述托盘底座上设置有第一旋转机构，第一旋转机构的上部通过设置连接杆与第二旋转机构连接，所述托盘底座、第一旋转机构和第二旋转机构上均设置有陀螺仪，所述第一旋转机构和第二旋转机构上分别设置有第一支架和第二支架，所述第一支架和第二支架的两端均设置有三轴磁传感器，所述托盘底座的内部分别设置有旋转控制模块、数据处理模块和数据显示模块，所述外壳的底部设置有防滑垫，所述外壳与保护罩的接缝处设置有防水垫圈。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于磁梯度张量的水下磁性物质的定位方法，应用在水下磁性物质定位设备技术领域。

背景技术

目前水下探测方式主要有声纳探测、红外探测、激光探测、磁场探测等多种探测方式，其中声纳探测技术最为成熟，但随着隐身，降噪技术的不断发展，声纳探测的可靠性正在不断降低；而基于磁异常的探测方法是各种非声探测技术中发展较早的一种探测方法，且水下目标多为铁磁性目标，在地磁场中会被磁化从而具有一定的磁特征，因而使用磁探测方式进行水下目标探测是一种行之有效的方法；但是在实际的探测过程中，由于地磁场的干扰无法消除，导致很多的磁传感器检测到的磁异常场都是地磁场和异常场的总和，这就导致了传感器的测量误差超出范围。

磁性目标在地球磁场环境下将产生感应磁场，导致其周围空间磁场出现异常；磁异常探测的核心思想是通过测量磁异常信号来实现磁性目标的检测和定位，其中基于磁梯度张量矩阵的定位方法有着诸多的优势；其无需对地磁场进行处理就能够获得磁性目标的各种信息，对磁异常信号应用磁梯度张量法进行反演能够获得更多的信息，对磁性目标的定位会更加精确，并且能够获得磁矩和几何形态等信息；而且根据多点处测得的磁梯度张量值可以划定出场源边界，在含有多个磁性目标时，磁梯度张量相对而言含有的磁信息更为丰富，更加容易区分出不同的目标，磁梯度张量的模量与磁张量模量梯度随着磁性目标的距离的变化而发生较大变化，可以根据这些参数划定磁探测的测量范围，而具体的测量磁梯度张量矩阵由于磁传感器的结构不同，故所测得的张量信息也不同。

张量的定义：在三维笛卡尔(Descartes)坐标系中，一个含有三个与坐标相关的独立变量集合被称为张量。在三维空间中，用n表示维度，恒为3，用r表示阶数，则所有恒定物理量的分量的数目可以表示为：M＝n

r＝0时为零阶张量，M＝1，表示为标量；

r＝1时为一阶张量，M＝2，表示为矢量；

r＝2时为二阶张量，M＝3，表示为矩阵；

在地磁场的研究中，通常测得的数据是地磁场的三个方向的分量或者其中一个方向的分量，可以用

上式中，G称为磁张量矩阵。在磁异常的探测过程中，通常测量的是地磁场和磁异常场的叠加，即

磁异常场可由图1来表示；

因此可以用差分的方式抵消在测量过程中地磁场的影响，直接得到目标的磁梯度张量信息，从而最大程度上降低了地磁场等环境不变场的影响；

由于磁性目标产生的磁场是无源无旋场，故其任意点处的散度和旋度为0，因此

由上述两式联立可解得：

故张量矩阵可重新表示为

由上式可以看出，张量矩阵中的元素本来有9个，经过磁性目标产生的磁场是无缘无旋场推导计算，其中四个元素可以被其他的5个元素表示。因此，只要能求出张量矩阵中的独立的5个元素就可以完整的表示出张量矩阵，也为后面的测量磁张量的阵列的变化和选择提供了便利。

图2为正六面体的空间模型：

正六面体空间模型由8个三轴磁传感器构建而成，分别位于正六面体的8个顶点处；以正六面体的中心为原点建立空间直角坐标系，8个三轴磁传感器的三轴与坐标系的三轴一致，正六面体的边长设为磁梯度张量测量系统的基线d；下面利用8个三轴磁传感器的数据，根据差分方程提出了定位算法中

根据1-8三轴磁传感器的测量数据可表述为

根据差分方程，坐标原点处的

其中G

现有技术方案中提出的磁传感器阵列有十字形结构、三角形结构和正六面体空间模型，其他还包括正方形结构、正四面体结构，而这些平面模型能够测量到的张量信息完全少于空间模型所测的的张量信息(如正六面体)，这也就导致了平面结构阵列在反应磁梯度信息在x，y，z轴上的空间变化率方面不如空间结构，而空间结构所需要的传感器更多，在传感器的三轴对准误差和单个传感器的误差方面显得尤为不足。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于磁梯度张量的水下磁性物质的定位方法，能够根据提出的模型采用改进的单点定位算法，对磁性目标实现定位。

本发明的技术方案如下：

一种基于磁梯度张量的水下磁性物质的定位方法，包括以下步骤：

布置定位装置，所述定位装置包括外壳、与外壳配合使用的保护罩和设置在外壳内部的托盘底座，所述托盘底座上设置有第一旋转机构，第一旋转机构的上部通过设置连接杆与第二旋转机构连接，所述托盘底座、第一旋转机构和第二旋转机构上均设置有陀螺仪，所述第一旋转机构和第二旋转机构上分别设置有第一支架和第二支架，所述第一支架和第二支架的两端均设置有三轴磁传感器，所述托盘底座的内部分别设置有旋转控制模块、数据处理模块和数据显示模块，所述外壳的底部设置有防滑垫，所述外壳与保护罩的接缝处设置有防水垫圈；

通过定位装置进行磁信号检测，在检测到磁异常信号后进行磁异常定位，在初始状态下通过第一支架和第二支架上的四个三轴磁传感器得到初始三轴数据，进一步通过旋转控制模块控制第一旋转机构和第二旋转机构同步顺时针旋转90度，第一旋转机构和第二旋转机构上的陀螺仪保证第一支架和第二支架旋转角度一致，在第二状态下通过四个三轴磁传感器得到第二三轴数据；

通过初始三轴数据和第二三轴数据确定发出磁异常信号的水下磁性物质位置。

所述通过初始三轴数据和第二三轴数据确定发出磁异常信号的水下磁性物质位置的方法为：

所述第一支架两端设置的两个三轴磁传感器共面且两者之间的距离为d，所述第二支架两端的两个三轴磁传感器共面且两者之间的距离为d，第一支架和第二支架之间的高度差为2d，设各三轴磁传感器在初始状态和第二状态下的8个位置的测量数据表示为

以第一支架的中点和第二支架的中点之间的连线的中点为坐标原点建立空间直角坐标系，根据差分方程、初始三轴数据和第二三轴数据确定坐标原点处变量

根据差分方程，坐标原点处的

式中，G

根据第二支架上两三轴磁传感器在初始状态下和第二状态下的测量数据确定所述G

根据

本发明具有如下有益效果：

1、本发明采用4个三轴磁传感器相比于现有的8个三轴磁传感器组成的正六面体而言，本装置在三轴磁传感器的数量上少了一半，减少了三轴磁传感器之间的三轴未对齐的误差。

2、利用本发明提供的旋转控制模块对第一旋转机构和第二旋转机构进行旋转，相当于减少了4个三轴磁传感器之间的因工艺问题引起三轴磁传感器之间的误差。

3、本发明提供的旋转式的传感器空间阵列模型采用的上下平面均为十字形结构，比之现有的正六面体结构而言，产生的误差会更小。

4、本发明采用三阶张量的计算方法相比已经有的二阶张量方法计算张量矩阵的方式而言更加精确，更接近在磁感应强度在三轴上的空间变化率。

5、由于外界环境未知，三轴磁传感器之间的噪声可以近似于基线的长度与噪声强度的差，因此，在此基础上可以通过不断改变基线的长度(三轴磁传感器间的距离)来研究噪声对张量基阵的影响。

6、本发明中上平面和下平面的距离不会像现有的正六面体结构一样固定，可以通过不同的距离来研究其对探测精度的影响，灵活性更高。

附图说明

图1为现有技术的磁异常现象示意图；

图2为现有技术的正六面体结构示意图；

图3为本发明的三轴磁传感器阵列模型示意图；

图4为本发明的整体结构示意图；

图中附图标记表示为：

11、保护罩；12、外壳；13、第一旋转机构；14、陀螺仪；15、托盘底座；16、三轴磁传感器；17、第二支架；18、连接杆；19、第一支架；20、第二旋转机构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。

参见图3至图4所述的一种基于磁梯度张量的水下磁性物质的定位方法，包括以下步骤：

布置定位装置，所述定位装置包括外壳12、与外壳12配合使用的保护罩11和设置在外壳12内部的托盘底座15，所述托盘底座15上设置有第一旋转机构13，第一旋转机构13的上部通过设置连接杆18与第二旋转机构20连接，所述托盘底座15、第一旋转机构13和第二旋转机构20上均设置有陀螺仪14，所述第一旋转机构13和第二旋转机构20上分别设置有第一支架19和第二支架17，所述第一支架19和第二支架17的两端均设置有三轴磁传感器16，所述托盘底座15的内部分别设置有旋转控制模块、数据处理模块和数据显示模块，所述外壳12的底部设置有防滑垫，所述外壳12与保护罩11的接缝处设置有防水垫圈；

通过定位装置进行磁信号检测，在检测到磁异常信号后进行磁异常定位，初始状态时第一支架19和第二支架17上的四个三轴磁传感器16分别位于1，2，5，6，此时得到三轴数据

进一步利用定位算法进行定位：

所述第一支架19两端设置的两个三轴磁传感器16共面且两者之间的距离为d，所述第二支架17两端的两个三轴磁传感器16共面且两者之间的距离为d，第一支架19和第二支架17之间的高度差为2d，设1-8号三轴磁传感器16在初始状态和第二状态下的测量数据表示为

根据差分方程，坐标原点处的

式中，G

G

状态一磁梯度张量为：

状态二磁梯度张量为：

同理可以得到G

状态一磁梯度张量为：

状态二磁梯度张量为：

故可得：

由已知的单点定位算法可知：

G

对等式两边对z求偏导可得三阶张量矩阵得：

故可得：

故而

可由上式计算出距离矢量r，从而计算出测量点与磁性物质之间的相对位置。

同理此定位算法也可以利用X和Y方向的导数求得目标的位置矢量：

但是上述的两种求目标的位置矢量和测量张量矩阵的基阵的摆放位置有关，根据不同的基阵摆放位置不同，选择不同的定位算法。

本发明提出的旋转式的传感器空间阵列模型，比之现有的正六面体空间模型而言，不仅减少了一半的三轴磁传感器数量达到正六面体空间结构所测量的全部磁梯度张量信息，而且更是减少了在三轴磁传感器误差和三轴非对准误差，完全弥补了已知阵列的缺陷；并基于提出的模型采用改进的单点定位算法，该算法是采用三阶张量信息矩阵，更能体现在磁张量信息在x，y，z三轴上的空间变化率，在最大程度上提高了定位的精确度并减少了成本；在不要求测量精度的前提下，可以基于以上提出的旋转空间模型，采用二阶梯度张量的方法进行定位，由于空间结构所测量的磁梯度张量信息远比平面结构测量的张量信息全面，故采用一般的二阶梯度张量单点定位算法的精度也是优于平面结构的；故可基于提出的旋转空间模型，给出不同的定位算法，结合其他的算法进行补偿，也是可以达到一定的效果。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。