一種基于標(biāo)量傳感器陣列的追蹤定位水下遠(yuǎn)距離磁性目標(biāo)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于標(biāo)量傳感器陣列的追蹤定位水下遠(yuǎn)距離磁性目標(biāo)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 地磁場是地球的一個(gè)天然的物理場，它有各種不同的起源，由不同變化規(guī)律的磁 場成分疊加而成。按照場源位置劃分，地磁場可以分為內(nèi)源場和外源場。如果考慮地磁場 隨時(shí)間的變化特征，將隨時(shí)間變化較快的地磁場成為地球的變化磁場，隨時(shí)間變化較慢或 者基本不變的地磁場成為地球的穩(wěn)定磁場。同時(shí)地磁場是反映宇宙演變、地球演變、地質(zhì)結(jié) 構(gòu)演變以及地震活動(dòng)等過程的重要物理量之一。地磁場研究成果在航海、航空、航天、能源 礦產(chǎn)、安全、考古等領(lǐng)域中有著廣泛而重要的應(yīng)用。
[0003] 在各種應(yīng)用領(lǐng)域中，確定目標(biāo)物的位置是一項(xiàng)首要任務(wù)，是進(jìn)行后續(xù)工作的前提。 如軍事上需要進(jìn)行的沉沒船只的貨物搶救、排雷、海灘救援作業(yè)、港口船舶監(jiān)測、反潛應(yīng)用 等，都需要對水下目標(biāo)物進(jìn)行準(zhǔn)確而快速的定位。我國黃海平均海深50米，東海多為200 米的大陸架，在這種環(huán)境下，海況和目標(biāo)噪聲是決定聲吶探測距離的最大因素。而基于磁場 探測則不用考慮這些因素。由于磁性目標(biāo)的存在，其產(chǎn)生的感應(yīng)磁場會導(dǎo)致空間地磁場分 布的變化，從而在該空間中產(chǎn)生磁異常。因此磁測技術(shù)是非常有效的方，人們可以通過對磁 異常的反演，獲得該目標(biāo)物體的一些信息（如，幾何參數(shù)，位置參數(shù)等）。
[0004] 地磁場是矢量場，實(shí)施矢量測量可以更全面地描述和掌握地磁要素與地磁信息。 現(xiàn)階段一般選用能夠測量3個(gè)以上地磁要素的矢量傳感器。在使用矢量傳感器時(shí)，其安裝 使用都很復(fù)雜，安裝時(shí)姿態(tài)方位一定要嚴(yán)格校正，載體運(yùn)動(dòng)過程中仍要實(shí)時(shí)補(bǔ)償姿態(tài)和方 位變化的影響，校正姿態(tài)方位還要使用其他高精度定位系統(tǒng)。同時(shí)由于地磁場隨時(shí)間變化 的影響，基于矢量傳感器的方法的測量距離不能太長。
[0005] 相比于矢量傳感而言，探測地磁總場的標(biāo)量傳感器光栗磁力儀具有高可靠高精度 的特點(diǎn)，同時(shí)最高分辨率可達(dá)fT量級。因此，在fT量級下的傳感器陣列的極限探測距離超 過10km。由于測量地磁總場，總場光栗磁力儀安裝使用不需要姿態(tài)方位校準(zhǔn)，非常方便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種可以消除地磁場空間分布的影響及隨時(shí)間變化的影 響的基于標(biāo)量傳感器陣列的追蹤定位水下遠(yuǎn)距離磁性目標(biāo)的方法。
[0007] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0008] (1)在水面或水下利用五臺磁傳感器排列成"十"字形陣列，相鄰傳感器之間的距 離為L，陣列平面方向一般與水平面的方向平行，其中第一個(gè)傳感器T 1的位置設(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn) (0,0,0)，第二個(gè)傳感器T2放置于X軸上（L，0, 0)位置，第三個(gè)傳感器T 3放置于X軸上（-L， 〇，D)位置，第四個(gè)傳感器1\放置于y平面上（0，L，0)位置，第五個(gè)傳感器1~ 5放置于y平面 上（0, _L，0)位置；傳感器光軸取向與地磁場矢量T。方向基本保持平行，同時(shí)"十"字形傳 感器陣列的一條邊對準(zhǔn)地磁北極方向；
[0009] (2)對每個(gè)傳感器如下處理：T1-T1 i辛1 ;得出磁性目標(biāo)的相對于第一個(gè)傳感器的 位置坐標(biāo)（x，y，z)及目標(biāo)磁矩^
[0010]
[0011]
[0012] 其中，（X，y，z)表示磁性目標(biāo)相對于第一傳感器的位置坐標(biāo)，A表示磁性目標(biāo)到傳 感器i的距離，A Tu表示傳感器i和傳感器j的地磁靜態(tài)場之差；當(dāng)傳感器陣列固定后， A Tl j可以通過測量得到，在計(jì)算時(shí)可以視為已知量；
[0013] 解出磁性目標(biāo)相對于第一傳感器的位置坐標(biāo)（X，y，z)及磁性目標(biāo)磁矩|戶。
[0014] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0015] 上述定位方法是通過檢測地磁總場單一標(biāo)量實(shí)現(xiàn)磁性目標(biāo)的追蹤定位。而且由于 測量總場，磁力儀安裝使用不需要姿態(tài)方位校準(zhǔn)，非常方便。通過傳感器陣列之間的位置關(guān) 系，獲得對應(yīng)的地磁總場的準(zhǔn)梯度，從而實(shí)現(xiàn)對磁性目標(biāo)的三維追蹤定位，可以排除地磁場 時(shí)變的影響及空間環(huán)境磁場分布對磁定位的影響。計(jì)算出的磁矩@值可以初步判斷目標(biāo)的 尺度。
【附圖說明】
[0016] 圖1磁場信息定位分析示意圖。
[0017] 圖2三維磁性目標(biāo)定位的傳感器陣列示意圖。
[0018] 圖3磁性目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡。
[0019] 圖4目標(biāo)的追蹤定位結(jié)果（X，Y，Z方向上的相對誤差）。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 本發(fā)明提供的是一種基于標(biāo)量傳感器陣列的追蹤定位水下遠(yuǎn)距離磁性目標(biāo)的方 法。通過傳感器陣列之間的對應(yīng)關(guān)系，獲得對應(yīng)的地磁場的準(zhǔn)梯度信息，從而依據(jù)準(zhǔn)梯度 信息，獲得水下磁性目標(biāo)的三維位置信息。本發(fā)明所提出的利用地磁傳感器陣列獲得的準(zhǔn) 梯度方案可以排除地磁場隨時(shí)間變化對磁測定位的影響，同時(shí)標(biāo)量傳感器的布放與方位無 關(guān)，因此該探測方法實(shí)施簡單，定位精度高，定位距離遠(yuǎn)。
[0021 ] 由于地磁場隨時(shí)間變化的影響，基于地磁總場梯度的水下磁性目標(biāo)的探測方法的 探測距離比較短。在本方法中，基于五個(gè)標(biāo)量傳感器的陣列可以有效地消除地磁場隨時(shí)間 變化對測量的影響，提高測量距離，其特征是：通過傳感器陣列之間的位置關(guān)系，獲得對應(yīng) 的地磁總場梯度，從而實(shí)現(xiàn)對磁性目標(biāo)的三維追蹤定位。
[0022] 利用標(biāo)量傳感器的陣列和對應(yīng)的算法實(shí)現(xiàn)對水下磁性目標(biāo)實(shí)施高精度遠(yuǎn)距離追 蹤定位。其特征是：五個(gè)標(biāo)量傳感器排列成"十"字形陣列，參照附圖1。
[0023] 本發(fā)明的目的在于對水下的遠(yuǎn)距離磁性目標(biāo)進(jìn)行高精度的追蹤定位。利用五個(gè)標(biāo) 量傳感器構(gòu)成的傳感器陣列獲得的地磁總場數(shù)據(jù)，通過傳感器之間的相對關(guān)系獲得地磁準(zhǔn) 梯度，依據(jù)磁性目標(biāo)磁偶極子的遠(yuǎn)場理論經(jīng)過嚴(yán)格的物理概念推演和算法設(shè)計(jì)，得出磁性 目標(biāo)相對于傳感器的位置坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的精確定位
[0024] 2. 1、定位陣列構(gòu)成及算法設(shè)計(jì)
[0025] 當(dāng)磁性目標(biāo)到傳感器的距離遠(yuǎn)大于其本身大小時(shí)，該磁性目標(biāo)可以等效為一個(gè)磁 偶極子。磁偶極子產(chǎn)生的磁場可以表示為：
[0026] (1)
[0027] 其中，r = ||F||表示磁偶極子到傳感器的距離，戶表示磁偶極子的磁矩，μ表示磁導(dǎo) 率。
[0028] 磁偶極子產(chǎn)生磁場的標(biāo)量表達(dá)式為：
[0029] (1)
[0030] 其中，10是聲的標(biāo)量值，β表示F之間的夾角。在測量過程中，測到的磁場包 含：地磁場和磁偶極子產(chǎn)生的磁場，磁場表達(dá)式如下：
[0031]
⑶
[0032] 其中，t表示傳感器處的地磁場。
[0033] 從公式3,我們可以得到： _4]
⑷
[0035] 其中，α表示思和哀之間的夾角。由于α和β存在對應(yīng)關(guān)系，其關(guān)系如下：
[0036] --，-- （5 )[0037] 通過公式⑷和（5)，我們可以得到：
[0038]
[0039]
[0040] 其中，W表示為地磁偏角，Θ表示為地磁傾角。（X，y，Ζ)表示磁偶極子相對于傳感 器的位置坐標(biāo)。
[0041 ] 最終，我們得到地磁的標(biāo)量表達(dá)形式：
[0042]
(7)
[0043] 通過以上對一個(gè)標(biāo)量傳感器的分析，我們提出了一種基于五個(gè)標(biāo)量傳感器陣列的 對遠(yuǎn)距離目標(biāo)的追蹤定位的方法。L表示相鄰傳感器的距離。我們可以得到關(guān)于5個(gè)傳感 器的地磁場信息：
[0044]
[0045] 其中，巧表示磁偶極子到傳感器i的距離，（X，y，z)表示磁偶極