一種基于標量傳感器陣列的追蹤定位水下遠距離磁性目標的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基于標量傳感器陣列的追蹤定位水下遠距離磁性目標的方法。
【背景技術】
[0002] 地磁場是地球的一個天然的物理場，它有各種不同的起源，由不同變化規律的磁 場成分疊加而成。按照場源位置劃分，地磁場可以分為內源場和外源場。如果考慮地磁場 隨時間的變化特征，將隨時間變化較快的地磁場成為地球的變化磁場，隨時間變化較慢或 者基本不變的地磁場成為地球的穩定磁場。同時地磁場是反映宇宙演變、地球演變、地質結 構演變以及地震活動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、安全、考古等領域中有著廣泛而重要的應用。
[0003] 在各種應用領域中，確定目標物的位置是一項首要任務，是進行后續工作的前提。 如軍事上需要進行的沉沒船只的貨物搶救、排雷、海灘救援作業、港口船舶監測、反潛應用 等，都需要對水下目標物進行準確而快速的定位。我國黃海平均海深50米，東海多為200 米的大陸架，在這種環境下，海況和目標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。由于磁性目標的存在，其產生的感應磁場會導致空間地磁場分 布的變化，從而在該空間中產生磁異常。因此磁測技術是非常有效的方，人們可以通過對磁 異常的反演，獲得該目標物體的一些信息（如，幾何參數，位置參數等）。
[0004] 地磁場是矢量場，實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。 現階段一般選用能夠測量3個以上地磁要素的矢量傳感器。在使用矢量傳感器時，其安裝 使用都很復雜，安裝時姿態方位一定要嚴格校正，載體運動過程中仍要實時補償姿態和方 位變化的影響，校正姿態方位還要使用其他高精度定位系統。同時由于地磁場隨時間變化 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，探測地磁總場的標量傳感器光栗磁力儀具有高可靠高精度 的特點，同時最高分辨率可達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方位校準，非常方便。

【發明內容】

[0006] 本發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間變化的影 響的基于標量傳感器陣列的追蹤定位水下遠距離磁性目標的方法。
[0007] 本發明的目的是這樣實現的：
[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，其中第一個傳感器T 1的位置設為坐標原點 (0,0,0)，第二個傳感器T2放置于X軸上（L，0, 0)位置，第三個傳感器T 3放置于X軸上（-L， 〇，D)位置，第四個傳感器1\放置于y平面上（0，L，0)位置，第五個傳感器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"十"字形傳 感器陣列的一條邊對準地磁北極方向；
[0009] (2)對每個傳感器如下處理：T1-T1 i辛1 ;得出磁性目標的相對于第一個傳感器的 位置坐標（x，y，z)及目標磁矩^
[0010]
[0011]
[0012] 其中，（X，y，z)表示磁性目標相對于第一傳感器的位置坐標，A表示磁性目標到傳 感器i的距離，A Tu表示傳感器i和傳感器j的地磁靜態場之差；當傳感器陣列固定后， A Tl j可以通過測量得到，在計算時可以視為已知量；
[0013] 解出磁性目標相對于第一傳感器的位置坐標（X，y，z)及磁性目標磁矩|戶。
[0014] 本發明的有益效果在于：
[0015] 上述定位方法是通過檢測地磁總場單一標量實現磁性目標的追蹤定位。而且由于 測量總場，磁力儀安裝使用不需要姿態方位校準，非常方便。通過傳感器陣列之間的位置關 系，獲得對應的地磁總場的準梯度，從而實現對磁性目標的三維追蹤定位，可以排除地磁場 時變的影響及空間環境磁場分布對磁定位的影響。計算出的磁矩@值可以初步判斷目標的 尺度。
【附圖說明】
[0016] 圖1磁場信息定位分析示意圖。
[0017] 圖2三維磁性目標定位的傳感器陣列示意圖。
[0018] 圖3磁性目標的運動軌跡。
[0019] 圖4目標的追蹤定位結果（X，Y，Z方向上的相對誤差）。
【具體實施方式】
[0020] 本發明提供的是一種基于標量傳感器陣列的追蹤定位水下遠距離磁性目標的方 法。通過傳感器陣列之間的對應關系，獲得對應的地磁場的準梯度信息，從而依據準梯度 信息，獲得水下磁性目標的三維位置信息。本發明所提出的利用地磁傳感器陣列獲得的準 梯度方案可以排除地磁場隨時間變化對磁測定位的影響，同時標量傳感器的布放與方位無 關，因此該探測方法實施簡單，定位精度高，定位距離遠。
[0021 ] 由于地磁場隨時間變化的影響，基于地磁總場梯度的水下磁性目標的探測方法的 探測距離比較短。在本方法中，基于五個標量傳感器的陣列可以有效地消除地磁場隨時間 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系，獲得對應 的地磁總場梯度，從而實現對磁性目標的三維追蹤定位。
[0022] 利用標量傳感器的陣列和對應的算法實現對水下磁性目標實施高精度遠距離追 蹤定位。其特征是：五個標量傳感器排列成"十"字形陣列，參照附圖1。
[0023] 本發明的目的在于對水下的遠距離磁性目標進行高精度的追蹤定位。利用五個標 量傳感器構成的傳感器陣列獲得的地磁總場數據，通過傳感器之間的相對關系獲得地磁準 梯度，依據磁性目標磁偶極子的遠場理論經過嚴格的物理概念推演和算法設計，得出磁性 目標相對于傳感器的位置坐標，實現對目標的精確定位
[0024] 2. 1、定位陣列構成及算法設計
[0025] 當磁性目標到傳感器的距離遠大于其本身大小時，該磁性目標可以等效為一個磁 偶極子。磁偶極子產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 率。
[0028] 磁偶極子產生磁場的標量表達式為：
[0029] (1)
[0030] 其中，10是聲的標量值，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生的磁場，磁場表達式如下：
[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存在對應關系，其關系如下：
[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。
[0041 ] 最終，我們得到地磁的標量表達形式：
[0042]
(7)
[0043] 通過以上對一個標量傳感器的分析，我們提出了一種基于五個標量傳感器陣列的 對遠距離目標的追蹤定位的方法。L表示相鄰傳感器的距離。我們可以得到關于5個傳感 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