地磁环境中的交变磁偶极子源定位方法研究

发布时间：2020-06-03 08:50

【摘要】：磁定位技术由于具有探测全天候、所需设备简单、信号处理方便等特点,逐渐受到人们的重视。特别是随着磁传感器噪声水平越来越低、测量精度越来越高,探测微弱的磁场信号成为可能。利用磁传感器探测的磁场信号进行反演,得到目标的位置信息与运动状态,可广泛应用于资源勘探和军事应用等相关的领域。针对传统基于静态磁场的目标定位技术容易受到地磁环境及其他磁性源噪声干扰的影响这一问题,本论文研究了交变磁偶极子源定位方法。首先分析了目标速度已知、目标速度未知以及目标速度未知且在运动过程中由于晃动引起角度偏移三种情况下的磁定位技术,研究了相应的定位求解算法,理论仿真求得的位置信息和角度信息与目标的预设运动状态基本吻合,验证了定位算法的可行性。然后为了降低磁传感器的测量误差,研究了单个三分量磁传感器自身性能误差及不同三分量磁传感器摆放方位不一致的误差校准算法,并通过理论仿真和校准实验,验证了磁通门传感器误差自校准和互校准算法的有效性。最后针对交变磁偶极子源不同运动条件,设计了三种不同情况的地面动态模拟实验,定位结果与目标的实际运动状态吻合较好,验证了地磁环境中交变磁偶极子源定位算法的有效性,具有重要的理论指导意义和工程应用价值。本文的主要研究内容和创新点如下:(1)交变磁偶极子源定位方法研究由于传统的磁定位技术研究的大都是基于静态磁异常的磁性目标定位问题,定位效果很容易受到地磁异常及其他磁干扰噪声的影响,提出了交变磁偶极子源的定位方法,研究了交变磁偶极子源的磁场信号特征及其预处理,通过将固定频率下的交变磁场信号转换为类似于静态磁场的通过特性曲线,可以克服利用静态磁异常进行目标定位容易受到地磁环境及一些磁性干扰源的影响,是一项新的被动式跟踪技术。(2)速度已知和未知两种情况下的交变磁偶极子源定位方法研究针对目标运动速度已知的定位问题,建立了磁性目标速度已知的交变磁偶极子源定位模型,研究采用单个三分量磁通门传感器采集多个时刻点的磁场数据定位某一时刻点的轨迹的方法。针对目标速度未知的定位问题,建立了磁性目标速度未知的交变磁偶极子源定位模型,研究至少采用两个三分量磁通门传感器同步采集某个时刻点的磁场数据定位该时刻的位置的方法。仿真分析和动态模拟实验求得的位置信息与磁性目标实际的运动状态吻合较好,验证了定位方法的可行性与有效性。(3)晃动情况下的交变磁偶极子源定位方法研究针对磁性目标在运动过程中由于晃动,使得磁矩三分量和磁传感器三轴之间存在偏航、俯仰和横滚三个方向上的角度偏移这一问题,建立了磁性目标由于晃动引起角度偏移的交变磁偶极子源定位模型,提出了至少利用三个磁通门传感器同步采集某个时刻点的磁场数据定位该时刻的位置的方法。仿真分析和动态模拟实验求得的位置信息及角度信息与磁性目标实际的运动状态吻合较好,验证了定位方法的可行性与有效性。(4)磁性目标定位的混合求解算法研究磁性目标定位问题可归结为一类非线性规划问题的求解,由于目标函数的计算过程极为繁琐,研究了磁性目标定位的混合求解算法:即首先利用粒子群优化算法对目标位置进行粗略求解,然后采用高斯牛顿算法将粗略解作为初始位置进行精确求解,可以在目标初始位置未知的情况下,利用磁通门传感器采集的磁场数据得到目标的运动状态。并分析了随机磁环境噪声、磁传感器布放和磁传感器测量精度对磁性目标定位的影响,发现随机磁环境噪声越小、在一定范围内磁传感器间距越大、磁传感器测量精度越高,定位求解的误差越小。(5)稳定地磁场环境下磁通门传感器的误差校准方法研究针对磁场测量系统中单个三分量磁通门传感器由于加工工艺等原因存在零偏误差、灵敏度误差和三轴非正交误差的问题,建立了磁通门传感器自身性能误差的校准模型,提出了采用线性神经网络对单个磁传感器自身性能误差进行自校准的算法。针对不同磁通门传感器由于安装误差存在摆放方位不一致的问题,建立了磁通门传感器摆放方位误差的互校准模型,研究了最小二乘法对不同磁传感器摆放方位误差进行互校准的算法。仿真分析和校准实验验证了算法的有效性,即只需在较为稳定的地磁场环境下转动磁通门传感器的位置,采集多组三分量地磁场数据,可以实现磁通门传感器的误差校准。
【图文】：

对磁测量技术提出了更多、更新的要求。方面，要求向两级发展，既要测量各种微弱的生物磁信息，又 108T 以上的脉冲强磁场。在磁场形式方面包含有恒定磁场、低脉冲磁场；在磁场大小方面包含有微弱磁场、中强磁场和强磁信号之前，需要研究信号的产生机理，了解磁场形式和磁场大的磁传感器进行测量。研究对象是在地磁及其他背景磁场干扰下，利用三分量磁通门射棒产生的具有某个固定频率的正弦信号，信号的频率范围在之间。偶极子源的磁场信号特征经常把电磁引信近似为一个交变磁偶极子源的模型[86]。建立系，假设位于空间点0 0 0 0P ( x , y , z )的交变磁偶极子源，，其辐射磁0 0 0 cos(2 ) cos(2 ) cos(2 ) x y zM ft i M ft j M ft k

种磁传感器都有其独特的优点与缺点，需要在实理、目标磁场的磁场大小以及磁场类型进行灵活的选取原则敏度是磁场传感器的一个重要参数，图 2-2 显示围[104]，但在实际应用中，还需要综合考虑其他因
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O441.2;TP212

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本文编号：2694584