CN111190229B - 一种磁目标探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种磁目标探测方法,所述探测方法包括以下步骤:步骤一、先利用STAR法计算位置向量和磁矩向量初值;步骤二、接着计算新的位置向量和磁矩向量;步骤三、重复步骤二直至前后两次位置向量的差值满足收敛条件或者迭代次数达到限制。本发明对方向误差和距离误差产生的机理都进行了揭示,并提出了一种利用迭代法同时对方向误差和距离误差进行补偿的NSM;NSM分别将STAR法、LSM、WSM的平均定位误差减小了95.1%、46.0%、43.3%,进一步提高了三种磁探测方法的磁探测精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁目标探测方法,属于磁探测技术领域。
背景技术
磁探测可实时探测非配合的磁目标,是众多领域的研究热点。在军事工程领域,可用于探测水下潜艇、未爆炸物(UXO)、磁性障碍物等。在医疗研究领域,可用于无线胶囊跟踪、靶向癌细胞的检测、舌头跟踪等。在地球物理领域,可用于矿产勘探、洞穴测绘、地磁场演变等。
磁探测方法是磁探测的核心研究内容,磁探测方法的改进是提高磁探测精度重要手段。地磁场是地球的固有性质,不受地磁场影响的磁探测方法才能得到广泛的使用。Wiegert基于磁梯度张量的不变量,提出了标量三角测量与测距(STAR)法。STAR法不仅可以实时地探测磁目标,而且探测精度不受地磁场影响,受到了广泛的关注。由于非球面系数的存在,STAR法在计算磁目标的距离和方向时都会产生误差,称为“非球面误差”。为了进一步提高STAR法的探测精度,现有研究对非球面误差进行了补偿。
在现有的改进的STAR法中,存在如下问题:
1、只补偿STAR法的方向误差,并且无法在实际磁探测中使用。
2015年,有学者利用迭代法对方向误差进行了补偿,本文将这种磁探测方法称为SSM。在探测距离为8~11.31m的范围内,SSM的探测误差不超过1%。但SSM只对方向误差进行了补偿,并没有对距离误差进行补偿。并且SSM只能在信噪比大于200的工况下使用,这种工况几乎不可能在实际磁探测中出现。因此,SSM无法在实际磁探测中使用。
2、对方向误差和距离误差都进行了补偿,但提升的探测精度非常有限。
2015年,有学者提出了不含非球面系数的磁梯度张量的不变量,对STAR法的方向误差和距离误差都进行了补偿,本文将这种磁探测方法称为LSM。当磁目标在平行于x-y平面的圆形轨迹上运动时,相比STAR法,LSM的探测误差只减小了10.9%。因此,LSM只补偿了小部分的非球面误差,所提升的探测精度非常有限。
3、只补偿STAR法的方向误差,限制了探测精度的进一步提升。
2016年,有学者利用修正的磁梯度张量的不变量和迭代法补偿了STAR法的方向误差,本文将这种磁探测方法称为WSM。当磁目标在平行于x-y平面的圆形轨迹上运动时,相比STAR法,WSM的探测误差减小了68.5%。方向误差是非球面误差的主要组成部分,但如果不对STAR法的距离误差也进行补偿,就无法进一步提升磁探测精度。
发明内容
本发明的目的是提出一种磁目标探测方法,以解决SSM只补偿STAR法的方向误差,并且无法在实际磁探测中使用;LSM对方向误差和距离误差都进行了补偿,但提升的探测精度非常有限;WSM只补偿STAR法的方向误差,限制了探测精度的进一步提升的问题。
一种磁目标探测方法,所述探测方法包括以下步骤:
步骤一、先利用STAR法计算位置向量和磁矩向量初值;
步骤二、接着利用式(12)和式(13)计算新的位置向量和磁矩向量,其中,所述式(12)为:
其中表示z轴正方向的非球面系数,表示z轴负方向的非球面系数,表示z轴正方向的CT,CT为磁梯度张量的不变量,表示z轴负方向的CT,Dz为基线距离,为传感器指向磁目标的位置向量,为(0,0,1),▽C为补偿后的磁梯度张量的不变量,
所述式(13)为:
步骤三、重复步骤二直至前后两次位置向量的差值满足收敛条件或者迭代次数达到限制。
式中:
假设距离r的计算没有误差,定义方向误差ω:
将式(6)代入式(7)可得:
从式(8)可以看出方向误差ω与距离r成线性关系,与夹角γ成非线性关系,为了对非球面误差进行补偿,定义补偿后的磁梯度张量的不变量▽C,
结合式(5)和式(9)可得到:
由式(10)可知,▽C指向磁目标,结合正六面体结构的张量梯度仪,可得到距离r的方程。
计算出磁目标的位置向量后,根据式(1)和最小二乘法计算磁矩向量:
式中:
本发明的主要优点是:
(1)STAR法的非球面误差包含方向误差和距离误差两个部分,本文对方向误差和距离误差产生的机理都进行了揭示,并提出了一种利用迭代法同时对方向误差和距离误差进行补偿的NSM。
(2)NSM分别将STAR法、LSM、WSM的平均定位误差减小了95.1%、46.0%、43.3%,进一步提高了这三种磁探测方法的磁探测精度。
附图说明
图1为当距离r=0.5m时,不同夹角γ下的方向误差;
图2为磁目标运动轨迹示意图;
图3为磁探测方法在圆形轨迹上的定位误差。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
一种磁目标探测方法,所述探测方法包括以下步骤:
步骤一、先利用STAR法计算位置向量和磁矩向量初值;
步骤二、接着利用式(12)和式(13)计算新的位置向量和磁矩向量,其中,所述式(12)为:
其中表示z轴正方向的非球面系数,表示z轴负方向的非球面系数,表示z轴正方向的CT,CT为磁梯度张量的不变量,表示z轴负方向的CT,Dz为基线距离,为传感器指向磁目标的位置向量,为(0,0,1),▽C为补偿后的磁梯度张量的不变量,
所述式(13)为:
步骤三、重复步骤二直至前后两次位置向量的差值满足收敛条件或者迭代次数达到限制。
式中
假设距离r的计算没有误差,定义方向误差ω:
将式(6)代入式(7)可得:
从式(8)可以看出方向误差ω与距离r成线性关系,与夹角γ成非线性关系。当距离不变时,方向误差只与夹角γ。当距离r=0.5m时,不同夹角γ下的方向误差ω,如图1所示。从图中可以看出当γ=60°或者γ=120°时,方向误差最大;当γ=0°或者γ=90°或者γ=180°时,没有方向误差。
为了对非球面误差进行补偿,定义补偿后的磁梯度张量的不变量▽C。
结合式(5)和式(9)可得到:
由式(10)可知,▽C指向磁目标。结合正六面体结构的张量梯度仪,可得到距离r的方程。
计算出磁目标的位置向量后,根据式(1)和最小二乘法计算磁矩向量。
m=(AT·A)-1AT·G (13)
式中:
下面提供一具体实施例:
令磁目标在平行于x-y平面的圆形轨迹T1上运动,如图2所示。在轨迹T1中,高度h=0.25m,半径R=0.433m。地磁场幅值为55000nT,地磁偏角为-10°,地磁倾角为60°。探测距离r、磁矩向量基线距离D、传感器的分辨率S、高斯白噪声的标准差σ的值如表1所示。在此工况中,先不考虑张量梯度仪的标定误差。
表1仿真条件
因为磁矩向量是由位置向量计算得到的,所以用定位误差δ来衡量探测误差。
其中xt、yt、zt分别是磁目标在x、y、z方向上坐标的真实值,xc、yc、zc分别是x、y、z方向上坐标的计算值。用平均定位误差来衡量磁探测方法的探测精度,越小,探测精度越高。图3展示了磁探测方法在圆形轨迹上的定位误差。从图中可以看出NSM的定位误差是最小的。磁探测方法在轨迹T1上定位误差的平均值如表2所示。从表中可以看出,NSM分别将STAR法、LSM、WSM的平均定位误差减小了95.1%、46.0%、43.3%,进一步提高了三种磁探测方法的磁探测精度。
表2磁探测方法的平均定位误差。
Claims (2)
1.一种磁目标探测方法,其特征在于,所述探测方法包括以下步骤:
步骤一、先利用STAR法计算位置向量和磁矩向量初值;
步骤二、接着利用式(12)和式(13)计算新的位置向量和磁矩向量,其中,所述式(12)为:
其中表示z轴正方向的非球面系数,表示z轴负方向的非球面系数,表示z轴正方向的CT,CT为磁梯度张量的不变量,表示z轴负方向的CT,Dz为基线距离,为传感器指向磁目标的位置向量,为(0,0,1),为补偿后的磁梯度张量的不变量,
所述式(13)为:
步骤三、重复步骤二,直至前后两次位置向量的差值满足收敛条件或者迭代次数达到限制,
式(1)中,真空磁导率μ0=4π×10-7T·m/A,为磁矩向量,为传感器指向磁目标的位置向量,r为的大小,δij是克罗内克函数,i=x,y,z,j=x,y,z,利用式(1)可计算出磁梯度张量的不变量CT:
其中,k的值是随着磁目标的方向的变化而变化的:
式中:
假设距离r的计算没有误差,定义方向误差ω:
将式(6)代入式(7)可得:
从式(8)可以看出方向误差ω与距离r成线性关系,与夹角γ成非线性关系。
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