一种巨磁阻抗传感器对平面内磁性目标的定位方法
【专利摘要】本发明涉及一种巨磁阻抗传感器对平面内磁性目标的定位方法，解决在巨磁阻抗传感器固定放置状态下，当平面内磁性目标运动方向不确定时定位的问题。将巨磁阻抗传感器(1)和巨磁阻抗传感器(2)中心重合且正交放置，以中心为原点(3)，以巨磁阻抗传感器(1)的轴向为X轴，以巨磁阻抗传感器(2)的轴向为Y轴，建立直角平面坐标系，对于所述直角坐标系内的目标(4)，首先判断位于哪个象限，再根据巨磁阻抗传感器(1)的等幅值变化率曲线(5)和巨磁阻抗传感器(2)的等幅值变化率曲线(6)求解交点，该交点即为目标(4)的位置。本发明所涉及的方法能够实现平面内磁性目标的探测和定位。
【专利说明】
一种巨磁阻抗传感器对平面内磁性目标的定位方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种利用巨磁阻抗传感器对平面内磁性目标的定位方法。
【背景技术】
[0002] 磁性是物体固有的属性之一，利用磁传感器对磁性目标进行探测定位是主要的无 源探测手段之一，在军事领域和民用领域都有着广泛应用。例如民用领域中应用于智能交 通中车流检测、安检中用于危险物品检测、深水中用于对沉船等物体的搜寻以及金属矿的 探测等，军事领域中应用于对各种装甲车辆的探测、舰船潜艇的探测、隐形周界设置、智能 地雷等的磁引信等。下文中所述目标均为磁性目标，不再做特别说明。在这些应用中，有的 只需要检测目标的有无，有的则需要对目标进行定位。
[0003] 实际目标运动时，很多时候是按照特定的路线或方向运动的，这给巨磁阻抗传感 器的应用提供了方便，例如用于高速公路上运动车辆的监控、在类似车站安检等规定了目 标运动方向的情况下对危险的磁性物品进行检测等。但更多时候，目标的运动方向往往是 不确定的，这时就需要研宄目标沿任意方向接近传感器时的探测和定位方法，即平面目标 定位方法。
[0004] 目前，磁传感器直接测量的都是磁场强度的大小，是一个标量，没有方向性。巨磁 阻抗传感器也同样如此，这从原理上限制了单一巨磁阻抗传感器在目标方向感知上的应 用。因此，已有的巨磁阻抗传感器的应用都是用来进行磁场强度的大小测量，并通过传感器 的运动来测量磁场强度大小的变化，据此推测目标的位置或者磁异常变化的位置。但在很 多场合，例如对枪械刀具等危险物品的监控、重要区域的隐形周界设置等，传感器是不能移 动的。因此，需要研究基于静止状态下，对磁性目标的探测与定位问题。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是：在巨磁阻抗传感器固定放置状态下，提供一种当 平面内磁性目标运动方向不确定时利用巨磁阻抗传感器进行目标定位的方法。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明涉及的一种巨磁阻抗传感器对平面内磁性目标定 位的方法包括以下步骤：
[0007] -、将两个巨磁阻抗传感器中心重合且正交放置，以中心为原点，以一个巨磁阻抗 传感器的轴向为X轴，以另一个巨磁阻抗传感器的轴向为Y轴，建立平面直角坐标系；
[0008] 二、目标位于该平面直角坐标系内的某个位置上，可设目标的坐标为（X(]，y。)，分别 测量两个正交放置的巨磁阻抗传感器的相位特征（即传感器输出信号与激励信号的相位 差）；
[0009] 三、分别根据两个巨磁阻抗传感器测量的相位特征判定目标位于该平面直角坐标 系的哪个象限内，具体方法是：
[0010] (一）轴向重合于X轴的巨磁阻抗传感器测量的相位特征如果大于阈值A，则目标 位于Y轴的右侧平面内（即第I或第IV象限），如果小于阈值A，则目标位于Y轴的左侧平 面内（即第II或第III象限）；
[0011] (二）轴向重合于Y轴的巨磁阻抗传感器测量的相位特征如果大于阈值B，则目标 位于X轴的下侧平面内（即第III或第IV象限），如果小于阈值B，则目标位于X轴的上侧 平面内（即第I或第II象限）；
[0012] (三）根据（一）和（二）的比较结果可判定目标位于哪个象限内；
[0013] 四、分别计算两个巨磁阻抗传感器的输出信号幅值变化率，幅值变化率的计算公 式为：
[0014]
[0015] 其中，U⑴表示对应目标在位置i时的巨磁阻抗传感器输出信号的幅值，U(O)为 仅有环境磁场时巨磁阻抗传感器输出信号的幅值，I4(i)是该位置信号的幅值变化率；
[0016] 五、分别根据两个巨磁阻抗传感器的输出信号幅值变化率分别确定两个巨磁阻抗 传感器的等幅值变化率曲线；
[0017] 六、求解目标所在象限内的两条等幅值变化率曲线的交点坐标（X。，y。)，转换为极 坐标（a，r)，其表达式为：
[0018]
[0019]
[0020] 其中，r为目标距离坐标系原点的距离，α表示方位角，即以X轴正方向为始边逆 时针旋转至目标点与坐标系原点的连线之间的夹角。
[0021] 通过上述方法能够利用巨磁阻抗传感器实现对平面内磁性目标的探测和定位。
【附图说明】
[0022] 为了更好地理解本发明，下面结合附图作进一步的说明。
[0023] 图1是平面内目标定位方法的原理示意图；
[0024] 图2是目标在角度300°、距离20cm处巨磁阻抗传感器1和巨磁阻抗传感器2输 出信号的幅值变化率曲线。
【具体实施方式】
[0025] 下面通过实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0026] 本发明涉及的一种巨磁阻抗传感器对平面内磁性目标定位的方法的具体步骤如 下（不意图见图1):
[0027] -、将巨磁阻抗传感器1的轴向垂直于地磁场方向，巨磁阻抗传感器2的轴向平行 于地磁场方向，并且使巨磁阻抗传感器1和巨磁阻抗传感器2的中心重合，以该中心为原点 3，以巨磁阻抗传感器1的轴向为X轴，以巨磁阻抗传感器2的轴向为Y轴，建立平面直角坐 标系。
[0028] 二、磁性目标4位于该平面直角坐标系内的某个位置上，可设目标4的坐标为 (X。，yj，测量巨磁阻抗传感器1的相位特征（即传感器输出信号与激励信号的相位差）为 37.4°，测量巨磁阻抗传感器2的相位特征为131.0°。本发明所涉及的信号使用现有技术 中的测量方法均可测量，这里不再赘述。
[0029] 三、根据巨磁阻抗传感器1和巨磁阻抗传感器2测量的相位特征可判定目标4位 于该平面直角坐标系的某个象限内，具体方法是：
[0030] (一）巨磁阻抗传感器1测量的相位特征大于100°，因此目标4位于Y轴的右侧 平面内（即第I或第IV象限）；
[0031] (二）巨磁阻抗传感器2测量的相位特征大于120°，因此目标4位于X轴的下侧 半平面内（即第III或第IV象限）；
[0032] (三）由此可知，目标4位于第IV象限内；
[0033] 四、计算巨磁阻抗传感器1和巨磁阻抗传感器2的输出信号幅值变化率，幅值变化 率的计算公式为：
[0034]
[0035] 其中，U⑴表示对应目标在位置i时的巨磁阻抗传感器输出信号的幅值，U(O)为 仅有环境磁场时巨磁阻抗传感器输出信号的幅值，I4(i)是位置i时的信号幅值变化率；
[0036] 目标在方位角300°、距离20cm时，巨磁阻抗传感器1和巨磁阻抗传感器2输出 信号的幅值分别为62. 9mV和55. lmV，而环境磁场下两个巨磁阻抗传感器输出信号的幅值 分别为50mV和39mV。通过公式计算可得，巨磁阻抗传感器1的输出信号幅值变化率为 39. 88%，巨磁阻抗传感器2的输出信号幅值变化率为41. 33% ;
[0037] 五、根据巨磁阻抗传感器1的输出信号幅值变化率确定其等幅值变化率曲线5,根 据巨磁阻抗传感器2的输出信号幅值变化率确定其等幅值变化率曲线6,图2给出了幅值变 化率为39. 88%的巨磁阻抗传感器1和幅值变化率为41. 33%的巨磁阻抗传感器2对应的 两条等幅值变化率曲线，两条等幅值变化率曲线在所述直角坐标系中建立，每条等幅值变 化率曲线都具有关于原点3对称的特点，可见两条等幅值变化率曲线相交于四个点，这四 个点中的1个便是目标4所处的位置；
[0038] 六、求解等幅值变化率曲线5和等幅值变化率曲线6的交点。等幅值变化率曲线 5的函数AU)和等幅值变化率曲线6的函数f 2(x)是传感器设计阶段事先确定的，这里只 需对其联立求解即可；
[0039] 为了简化计算，可以只建立等幅值变化率曲线5和等幅值变化率曲线6在第I、第 II象限内的数学模型，根据情况求解在第I或第II象限内的交点，其他象限内的交点位置 可以根据对称性由第I、第II象限的结果得到。
[0040] 本实施例中，第II象限内等幅值变化率曲线5的函数Sfi (X)，等幅值变化率曲线 6的函数为f2(x)，两者联立可得：
[0041 ]
[0042] 式中，匕91，92,93,94,95,9 6」=卜4.257\10%-0.02723，-0.06124，-0.6323，-3· 321，5. 617]，[P1, p2, p3, p4, p5, p6, p7, p8] = [4. 23 X 10 6，-0· 0003224,0· 01008, -0· 1655， I. 52, -7. 578,17. 67, -24. 2]。
[0043] 由fjx)和f2(x)联立求解，得到第II象限内两条曲线的交点为（x 2, y2)= (-14. 45,12. 538)。
[0044] 七、由前面可知，目标4位于第IV象限内，因此按照对称关系可得到第IV象限对 应的交点坐标为（xc，y。）= (14. 45,-12. 538);转换为极坐标可得，目标4到本实施例中原 点3的距离为r = 19. 13cm，方位角为α = 319. 05°，此即为测量结果，相对误差分别为 4. 34%和 6. 35%。
[0045] 为了进一步说明本方法的有效性，在平面中四个象限内再选取若干位置，将目标 依次置于所选位置处，利用本专利所述方法进行测量，对目标位置的测量结果如表1所示。
[0046] 表1平面内目标位置的测量结果
[0048] 分析表1中的实验数据可以得到如下结论：应用本专利所述方法能够实现平面内 磁性目标的探测和定位，证明了方法的正确性和可行性。
[0049] 以上所述，仅是本发明的较佳实施方式，不应被视为对本发明范围的限制。凡熟悉 此领域技术的人士，依照本发明披露的技术思想、技术方法和技术内容所思及的等效变化 或简化等内容，均应落入本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 一种巨磁阻抗传感器对平面内磁性目标的定位方法，其特征包括如下步骤： 一、 将巨磁阻抗传感器（1)和巨磁阻抗传感器（2)的中心重合且正交放置，以所述中心 为原点⑶，以巨磁阻抗传感器⑴的轴向为X轴，以巨磁阻抗传感器⑵的轴向为Y轴，建 立平面直角坐标系； 二、 磁性目标（4)位于所述平面直角坐标系内，所述磁性目标（4)的坐标为（X(]，y。)，分 别测量巨磁阻抗传感器（1)和巨磁阻抗传感器（2)的相位特征； 三、 分别根据所述巨磁阻抗传感器（1)和巨磁阻抗传感器（2)的相位特征判定所述磁 性目标（4)位于所述平面直角坐标系的具体象限： (一） 轴向重合于X轴的巨磁阻抗传感器（1)测量的相位特征如果大于阈值A，则所述 磁性目标（4)位于Y轴的右侧平面内，如果小于阈值A，则所述磁性目标（4)位于Y轴的左 侧平面内； (二） 轴向重合于Y轴的巨磁阻抗传感器测量的相位特征如果大于阈值B，则所述磁性 目标（4)位于X轴的下侧平面内，如果小于阈值B，则所述磁性目标（4)位于X轴的上侧平 面内； (三） 根据（一）和（二）的比较结果可判定所述磁性目标（4)位于的象限； 四、 分别计算所述巨磁阻抗传感器（1)和巨磁阻抗传感器（2)的输出信号幅值变化率， 幅值变化率的计算公式为：其中，U(i)表示对应目标在位置i时的巨磁阻抗传感器输出信号的幅值，U(O)为仅有 环境磁场时巨磁阻抗传感器输出信号的幅值，I4(i)是目标在位置i时输出信号的幅值变化 率； 五、 根据所述巨磁阻抗传感器（1)确定巨磁阻抗传感器（1)的等幅值变化率曲线（5)， 根据所述巨磁阻抗传感器（2)的输出信号幅值变化率确定巨磁阻抗传感器（2)的等幅值变 化率曲线（6); 六、 求解所述磁性目标（4)所在象限内的等幅值变化率曲线（5)和等幅值变化率曲线 (6)的交点坐标（X。，y。)，转换为极坐标（r，α )，其表达式为：其中，r为所述磁性目标（4)距离所述原点（3)的距离，α表示方位角。2. 根据权利要求1所述的一种巨磁阻抗传感器对平面内磁性目标的定位方法，其特征 在于：所述巨磁阻抗传感器⑴的轴向垂直于地磁场方向，所述巨磁阻抗传感器⑵的轴向 平行于地磁场方向。3. 根据权利要求1所述的一种巨磁阻抗传感器对平面内磁性目标的定位方法，其特征 在于：所述阈值A = 100°，B = 120°。4. 根据权利要求1所述的一种巨磁阻抗传感器对平面内磁性目标的定位方法，其特征 在于：所述等幅值变化率曲线（5、6)关于原点3对称。
【文档编号】G01B7/004GK105890507SQ201510008066
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2015年1月8日
【发明人】段修生, 杨青, 肖晶, 单甘霖
【申请人】中国人民解放军军械工程学院