一种基于标量传感器阵列的追踪定位水下远距离磁性目标的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于标量传感器阵列的追踪定位水下远距离磁性目标的方法。
【背景技术】
[0002] 地磁场是地球的一个天然的物理场，它有各种不同的起源，由不同变化规律的磁 场成分叠加而成。按照场源位置划分，地磁场可以分为内源场和外源场。如果考虑地磁场 随时间的变化特征，将随时间变化较快的地磁场成为地球的变化磁场，随时间变化较慢或 者基本不变的地磁场成为地球的稳定磁场。同时地磁场是反映宇宙演变、地球演变、地质结 构演变以及地震活动等过程的重要物理量之一。地磁场研究成果在航海、航空、航天、能源 矿产、安全、考古等领域中有着广泛而重要的应用。
[0003] 在各种应用领域中，确定目标物的位置是一项首要任务，是进行后续工作的前提。 如军事上需要进行的沉没船只的货物抢救、排雷、海滩救援作业、港口船舶监测、反潜应用 等，都需要对水下目标物进行准确而快速的定位。我国黄海平均海深50米，东海多为200 米的大陆架，在这种环境下，海况和目标噪声是决定声呐探测距离的最大因素。而基于磁场 探测则不用考虑这些因素。由于磁性目标的存在，其产生的感应磁场会导致空间地磁场分 布的变化，从而在该空间中产生磁异常。因此磁测技术是非常有效的方，人们可以通过对磁 异常的反演，获得该目标物体的一些信息（如，几何参数，位置参数等）。
[0004] 地磁场是矢量场，实施矢量测量可以更全面地描述和掌握地磁要素与地磁信息。 现阶段一般选用能够测量3个以上地磁要素的矢量传感器。在使用矢量传感器时，其安装 使用都很复杂，安装时姿态方位一定要严格校正，载体运动过程中仍要实时补偿姿态和方 位变化的影响，校正姿态方位还要使用其他高精度定位系统。同时由于地磁场随时间变化 的影响，基于矢量传感器的方法的测量距离不能太长。
[0005] 相比于矢量传感而言，探测地磁总场的标量传感器光栗磁力仪具有高可靠高精度 的特点，同时最高分辨率可达fT量级。因此，在fT量级下的传感器阵列的极限探测距离超 过10km。由于测量地磁总场，总场光栗磁力仪安装使用不需要姿态方位校准，非常方便。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种可以消除地磁场空间分布的影响及随时间变化的影 响的基于标量传感器阵列的追踪定位水下远距离磁性目标的方法。
[0007] 本发明的目的是这样实现的：
[0008] (1)在水面或水下利用五台磁传感器排列成"十"字形阵列，相邻传感器之间的距 离为L，阵列平面方向一般与水平面的方向平行，其中第一个传感器T 1的位置设为坐标原点 (0,0,0)，第二个传感器T2放置于X轴上（L，0, 0)位置，第三个传感器T 3放置于X轴上（-L， 〇，D)位置，第四个传感器1\放置于y平面上（0，L，0)位置，第五个传感器1~ 5放置于y平面 上（0, _L，0)位置；传感器光轴取向与地磁场矢量T。方向基本保持平行，同时"十"字形传 感器阵列的一条边对准地磁北极方向；
[0009] (2)对每个传感器如下处理：T1-T1 i辛1 ;得出磁性目标的相对于第一个传感器的 位置坐标（x，y，z)及目标磁矩^
[0010]
[0011]
[0012] 其中，（X，y，z)表示磁性目标相对于第一传感器的位置坐标，A表示磁性目标到传 感器i的距离，A Tu表示传感器i和传感器j的地磁静态场之差；当传感器阵列固定后， A Tl j可以通过测量得到，在计算时可以视为已知量；
[0013] 解出磁性目标相对于第一传感器的位置坐标（X，y，z)及磁性目标磁矩|戶。
[0014] 本发明的有益效果在于：
[0015] 上述定位方法是通过检测地磁总场单一标量实现磁性目标的追踪定位。而且由于 测量总场，磁力仪安装使用不需要姿态方位校准，非常方便。通过传感器阵列之间的位置关 系，获得对应的地磁总场的准梯度，从而实现对磁性目标的三维追踪定位，可以排除地磁场 时变的影响及空间环境磁场分布对磁定位的影响。计算出的磁矩@值可以初步判断目标的 尺度。
【附图说明】
[0016] 图1磁场信息定位分析示意图。
[0017] 图2三维磁性目标定位的传感器阵列示意图。
[0018] 图3磁性目标的运动轨迹。
[0019] 图4目标的追踪定位结果（X，Y，Z方向上的相对误差）。
【具体实施方式】
[0020] 本发明提供的是一种基于标量传感器阵列的追踪定位水下远距离磁性目标的方 法。通过传感器阵列之间的对应关系，获得对应的地磁场的准梯度信息，从而依据准梯度 信息，获得水下磁性目标的三维位置信息。本发明所提出的利用地磁传感器阵列获得的准 梯度方案可以排除地磁场随时间变化对磁测定位的影响，同时标量传感器的布放与方位无 关，因此该探测方法实施简单，定位精度高，定位距离远。
[0021 ] 由于地磁场随时间变化的影响，基于地磁总场梯度的水下磁性目标的探测方法的 探测距离比较短。在本方法中，基于五个标量传感器的阵列可以有效地消除地磁场随时间 变化对测量的影响，提高测量距离，其特征是：通过传感器阵列之间的位置关系，获得对应 的地磁总场梯度，从而实现对磁性目标的三维追踪定位。
[0022] 利用标量传感器的阵列和对应的算法实现对水下磁性目标实施高精度远距离追 踪定位。其特征是：五个标量传感器排列成"十"字形阵列，参照附图1。
[0023] 本发明的目的在于对水下的远距离磁性目标进行高精度的追踪定位。利用五个标 量传感器构成的传感器阵列获得的地磁总场数据，通过传感器之间的相对关系获得地磁准 梯度，依据磁性目标磁偶极子的远场理论经过严格的物理概念推演和算法设计，得出磁性 目标相对于传感器的位置坐标，实现对目标的精确定位
[0024] 2. 1、定位阵列构成及算法设计
[0025] 当磁性目标到传感器的距离远大于其本身大小时，该磁性目标可以等效为一个磁 偶极子。磁偶极子产生的磁场可以表示为：
[0026] (1)
[0027] 其中，r = ||F||表示磁偶极子到传感器的距离，戶表示磁偶极子的磁矩，μ表示磁导 率。
[0028] 磁偶极子产生磁场的标量表达式为：
[0029] (1)
[0030] 其中，10是声的标量值，β表示F之间的夹角。在测量过程中，测到的磁场包 含：地磁场和磁偶极子产生的磁场，磁场表达式如下：
[0031]
⑶
[0032] 其中，t表示传感器处的地磁场。
[0033] 从公式3,我们可以得到： _4]
⑷
[0035] 其中，α表示思和哀之间的夹角。由于α和β存在对应关系，其关系如下：
[0036] --，-- （5 )[0037] 通过公式⑷和（5)，我们可以得到：
[0038]
[0039]
[0040] 其中，W表示为地磁偏角，Θ表示为地磁倾角。（X，y，Ζ)表示磁偶极子相对于传感 器的位置坐标。
[0041 ] 最终，我们得到地磁的标量表达形式：
[0042]
(7)
[0043] 通过以上对一个标量传感器的分析，我们提出了一种基于五个标量传感器阵列的 对远距离目标的追踪定位的方法。L表示相邻传感器的距离。我们可以得到关于5个传感 器的地磁场信息：
[0044]
[0045] 其中，巧表示磁偶极子到传感器i的距离，（X，y，z)表示磁偶极