一種基於矢量磁梯度計的運動式磁性目標定位方法與流程
2023-10-24 15:53:30 4
本發明屬於磁探測技術領域，更具體地，涉及一種基於矢量磁梯度計的運動式磁性目標定位方法。
背景技術：
磁探測法常用於地質勘探、生物醫療、導航定位、未爆物探測等領域；在這些領域應用高解析度的磁場總強度探測方法可方便地進行磁性物體的移動探測，但實現磁性物體的精確定位較為困難。基於磁梯度計的探測方法能夠有效實現目標的定位，但矢量磁梯度計的安裝製作需要保證構成矢量磁梯度計的兩組矢量磁強計的軸線嚴格平行、電氣性能嚴格對稱；現有技術通過加工工藝來保證軸線平行度以及電氣對稱性，存在結構誤差，難以實現高解析度的探測，實際的探測解析度在10nT～100nT的量級，難以在未爆物的探測領域應用。
技術實現要素：
針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種基於矢量磁梯度計的運動式磁性目標定位方法，其目的在於解決矢量磁梯度計的結構誤差補償問題。
為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種基於矢量磁梯度計的運動式磁性目標定位方法，利用目標磁場全張量信息進行目標定位，包括如下步驟：
(1)對構成矢量磁梯度計的兩組矢量磁強計的結構誤差進行補償，使兩組矢量磁強計的信號輸出保持一致；
(2)使矢量磁梯度計在磁異常空間繞豎直軸線旋轉，採集磁梯度計在旋轉方位角的磁場方向梯度數據，並根據方向梯度與方位角的關係獲取磁場全張量；
(3)利用磁場全張量，根據GR＝-3B進行磁性目標定位；其中，B是磁異常量，R是探測點相對於磁性目標的位置；G是指磁場全張量。
優選地，上述基於矢量磁梯度計的運動式磁性目標定位方法，其步驟(1)包括如下子步驟：
(1.1)使矢量磁梯度計在均勻磁場的空間做三自由度旋轉，根據構成矢量磁梯度計的兩組磁強計在旋轉方位角處對應軸的數據相等關係，獲取矢量磁梯度計的三軸補償係數；
(1.2)根據補償係數對構成磁梯度計的兩組矢量磁強計的結構誤差進行補償，使得兩組矢量磁強計的輸出一致。
優選地，上述基於矢量磁梯度計的運動式磁性目標定位方法，其步驟(1.1)包括如下子步驟：
(1.1.1)獲取三分量的磁梯度計輸出
其中，Bax、Bay、Baz分別是第一矢量磁強計a的x、y、z三軸數據；
Bbx、Bby、Bbz分別是第二矢量磁強計b的x、y、z三軸數據，ΔBx是指磁梯度計x軸的數據，ΔBy是指磁梯度計y軸的數據，ΔBz是指磁梯度計z軸的數據；
(1.1.2)獲取空間兩點的實際磁場梯度與磁梯度計輸出之間的誤差
其中，ΔB*x是指補償後的磁梯度計x軸的數據，ΔB*y是指補償後的磁梯度計y軸的數據，ΔB*z是指補償後的磁梯度計z軸的數據，kmn(m,n＝1、2、3)為磁梯度計的三軸補償係數；
(1.1.3)使矢量磁梯度計在均勻磁場的空間做三自由度旋轉，採集三軸磁強計和矢量磁梯度計的輸出樣本，根據輸出樣本建立三軸補償係數方程；
其中，j＝1、2、3……M為樣本序號；ΔBxj、ΔByj、ΔBzj是指樣本j中未經過補償的矢量磁梯度計的x、y、z軸數據；
(1.1.4)求解上述三軸補償係數方程，獲得磁梯度計的三軸補償係數kmn(m,n＝1、2、3)。
優選地，上述基於矢量磁梯度計的運動式磁性目標定位方法，其步驟(2)包括如下子步驟：
(2.1)使矢量磁梯度計在磁異常空間繞豎直軸線旋轉，採集矢量磁梯度計在各旋轉方位角的磁場方向梯度數據；
(2.2)將矢量磁梯度計軸線與豎直軸線的夾角θ、矢量磁梯度計轉動的方位角與矢量磁梯度計x方向的梯度之間的關係作為參量，建立方程：
其中，L是指第一矢量磁強計a與第二矢量磁強計b的距離，Gxx指x軸方向的磁場分量在x方向上的梯度，Gxy指x軸方向的磁場分量在y方向上的梯度，Gxz指x軸方向的磁場分量在z方向上的梯度；
(2.3)根據矢量磁梯度計的旋轉方位角與第一矢量磁強計a和第二矢量磁強計b的x軸輸出的對應關係，建立方程組：
其中，Baxj是指旋轉方位角為時第一矢量磁強計a的x軸數據；Bbxj是指旋轉方位角為時第二矢量磁強計b的x軸數據；
(2.4)求解所述方程組，獲得Gxx、Gxy、Gxz；
(2.5)以矢量磁強計旋轉方位角與第一矢量磁強計a和第二矢量磁強計b的y軸數據對應的關係作為參量，重複步驟(2.2)～(2.3)，獲得Gyx、Gyy、Gyz；
(2.6)以矢量磁強計旋轉方位角與磁強計a和磁強計b的z軸數據對應的關係作為參量，重複步驟(2.2)～(2.3)，獲得Gzx、Gzy、Gzz；
(2.7)獲取磁場全張量
優選地，上述基於矢量磁梯度計的運動式磁性目標定位方法，探測點相對於磁性目標的位置
其中，Bx是指磁異常量B的x軸方向分量、By是指磁異常量B的y軸方向分量、Bz是指磁異常量B的z軸方向分量。
總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果：
(1)本發明提供的基於矢量磁梯度計的運動式磁性目標定位方法，由於採用三軸係數補償的方法，進行矢量磁梯度計的結構誤差補償；有效降低了空間梯度的測量誤差，能夠更加準確地獲得目標磁場全張量信息；
(2)本發明提供的基於矢量磁梯度計的運動式磁性目標定位方法，由於對矢量磁梯度計進行了補償校正，能有效提高目標磁場梯度的測量精度，因此具有更加準確實現目標探測定位的效果。
附圖說明
圖1是實施例中矢量磁梯度計結構誤差補償的示意圖；
圖2是實施例中轉動矢量磁梯度計進行探測定位的示意圖；
在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：a-第一矢量磁強計，b-第二矢量磁強計，c-探棒。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。
實施例中，如圖1所示的，矢量磁梯度計由平行放置的矢量磁強計構成；其中，a、b兩個模塊是指第一矢量磁強計a、第二矢量磁強計b；Bax、Bay、Baz是磁強計a的x、y、z三軸的輸出數據；Bbx、Bby、Bbz是磁強計b的x、y、z三軸的輸出數據；α、β、γ是第一矢量磁強計a與第二矢量磁強計b的三軸夾角。
實施例提供的基於矢量磁梯度計的運動式磁性目標定位方法，包括如下步驟：
步驟(1)：矢量磁梯度計的結構誤差補償：
三分量的磁梯度計輸出為：
由於存在安裝結構誤差和電氣一致性的誤差，空間兩點的實際磁場梯度與磁梯度計輸出之間的誤差為：
其中，ΔB*x、ΔB*y、ΔB*z為磁強計a和b的實際磁場x、y、z三分量的差值，kmn(m,n＝1、2、3)為磁場梯度的補償係數；
使矢量磁梯度計在均勻磁場的空間做三自由度旋轉，採集三軸磁強計與矢量磁梯度計的輸出樣本，以求解磁場梯度補償係數；
由於磁場均勻空間中真實的磁梯度為零，三分量磁場差值與三軸補償係數的關係具體如下：
其中，j＝1、2、3……M為樣本序號，求解上述方程，獲得補償係數。
步驟(2)：根據方位角與磁場的方向倒數之間的關係計算獲取磁場全張量：
實施例中，將矢量磁梯度計傾斜懸掛在運動探測平臺(如旋翼無人機)上，使磁梯度計旋轉，採集磁梯度計在處於方位角時的磁場方向梯度數據，根據方向梯度與方位角的關係，建立方程解算目標的磁場全張量，具體如下：
如圖2所示，當磁梯度計軸線與豎直軸線的夾角為θ、磁梯度計轉動的方位角為時，根據全微分的概念有：
聯立方位角對應的關係式，建立以下方程組：
求解上述方程組，獲得Gxx、Gxy、Gxz；
根據矢量磁梯度計的旋轉方位角與矢量磁梯度計的y軸梯度對應的關係方程組：
獲得Gyx、Gyy、Gyz；
根據矢量磁梯度計的旋轉方位角與矢量磁梯度計的z軸梯度對應的關係方程組：
獲得Gzx、Gzy、Gzz；
由此獲得磁場全張量
步驟(3)：磁性目標定位：
依據GR＝-3B，利用磁場全張量進行磁性目標定位；其中，B是磁異常量，R是探測點相對於磁性目標的位置；
獲得相對位置R，實現目標的定位。
本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。