子相对于第1传感 器的位置。
[0046] 为了消除地磁场随时间变化的影响，我们对每个传感器如下处理：T1-T1Q辛1)， 最终得到：
[0047]
[0048] 其中，Δ L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 Tlj可以通过测量得到，在计算时可以视为已知量。因此，通过上述处理，地磁场随时间变 化的影响被消除了。
[0049] 由（9)式可解出磁性目标相对于传感器1的位置坐标（X，y，z)及磁性目标磁矩 P ,
[0050] 2. 2、阵列构成简易安装测量方便
[0051] 上述定位方法是通过检测地磁总场单一标量实现目标定位。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。
[0052] 2. 3、不受地磁时变的影响
[0053] 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。
[0054] 传感器阵列中五个传感器的地磁数据进行T1-T1Q辛1)处理，排除了空间磁场分 布的影响和磁场随时间变化的影响。其中,T 1表示传感器1的地磁数据，T i表示传感器i的 地磁数据。
[0055] 该方法采用改进的粒子群算法实现了快速计算，能够对移动磁性目标实现实时追 踪定位。
[0056] 该方法中的"十"字形传感器阵列的安装和探测时无需对传感器阵列进行姿态方 位校准。
[0057] 本发明所涉及的是一种基于标量磁传感器阵列，利用地磁场总场数据对水下磁性 目标进行三维追踪定位的方法。具体地说是利用五个标量磁力仪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总场梯度，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，得出磁性目标的位置坐标，实现精确定位 的方法，由于采用地磁准梯度，可以消除地磁场空间分布的影响及随时间变化的影响。在水 下能源矿藏勘测、水下各种管线维护监测、地质灾害监测、水下考古、沉船勘测、扫雷反潜等 领域有重要应用。
[0058] 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和定位。利用五个 标量磁力仪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，得出目 标的位置坐标，实现对目标的精确定位。
[0059] 本发明具体内容包括：
[0060] 1、阵列构成
[0061] ①阵列几何形状
[0062] 如附图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，参照附图1，阵列平面方向一般与水平面的方向平行，其中一个传感器T 1的位 置设为坐标原点（〇,〇,〇)，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，0，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 T5放置于y平面上（0, _L，0)位置。
[0063] ②传感器布设方向
[0064] 采用光栗磁传感器时，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。
[0065] ③确定正方形的边长L的原则：
[0066] 首先在各种客观条件允许的情况下，相邻传感器之间的距离L越大，阵列的定位 精度越高。
[0067] 边长L不能超过传感器的有效测量范围，这是由构成阵列传感器的分辨率决定 的。
[0068] 边长L不要妨碍阵列的机动航行，这是由装载或拖曳阵列载体的载荷能力及航行 速度决定的。
[0069] 2、算法设计
[0070] 传感器阵列中五个传感器的地磁场信息如（1)式，为了消除地磁场随时间变化的 影响，我们对每个传感器如下处理=T 1-T1Qg 1)，得到（2)式，由（2)式可得出磁性目标的 相对于传感器1的位置坐标（X，y，z)及目标磁矩
[0071]
CN 105091880 A 说明书 7/7 页
[0072]
[0073] 其中，（x，y，z)表示磁性目标相对于传感器1的位置坐标，Γι表示磁性目标到传 感器i的距离，A L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。
[0074] 由（2)式可解出磁性目标相对于传感器1的位置坐标（X，y，z)及磁性目标磁矩 pj "
[0075] 以图2结构搭建标量磁传感器阵列，阵列中的传感器间距L = 3m，磁传感器采用灵 敏度为〇. 6pT的CS-L光栗磁力仪。传感器阵列沿着平行与地磁北极的方向进行放置。磁 性目标在水平面内移动，在X方向上的移动速度为5m/s，在Y方向上的移动速度为lOm/s。 采样间隔为2s。磁性目标沿着规划的航迹从A点运动到B点，如图3所示。图3是采用本 方法的追踪定位的结果。图3给出了各个点的相对误差的情况。X和Y方向上的相对误差 小于2%，Z方向上的相对误差为5%左右。除去个别明显误差点外，磁性目标到传感器1的 距离r = 士:: + / + z:的平均相对误差为1. 3%。可见该方案能够对磁性目标进行高精度的 追踪和定位。同时计算出的磁性目标磁矩为P = 5X IO6A · m2。
【主权项】
1. 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，其特征在于，包 括如下步骤： (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T3放置于x轴上（-L，0， 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； (2) 对每个传感器如下处理l-Td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p其中，（x，y，z)表示磁性目标相对于第一传感器的位置坐标，^表示磁性目标到传感器i的距离，A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，AT、，可 以通过测量得到，在计算时可以视为已知量； 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?
【专利摘要】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。本发明在水面或水下利用五台磁传感器排列成“十”字形阵列，传感器光轴取向与地磁场矢量T0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；对每个传感器如下处理：T1-Ti？i≠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)及目标磁矩本发明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。
【IPC分类】G01C21/08
【公开号】CN105091880
【申请号】CN201510419780
【发明人】康崇, 樊黎明, 万胜伟
【申请人】哈尔滨工程大学
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2015年7月17日