一种基于弧形磁场传感器阵列的定位系统及其使用方法与流程

本发明涉及水中目标探测技术领域，尤其涉及利用水中目标磁性特征对其进行探测和定位的系统及其使用方法。

背景技术：

在水下，可通过水中目标的声场、电磁场和光学等特征进行探测和定位，实现水下安全警戒。对于大多数水中目标来说，因其由金属制造，本身带有固定磁场，同时在地磁场作用下会产生感应磁场，利用其磁场特征信号可以实现探测和定位。

目前，磁性目标定位算法有梯度张量法和各类状态估计算法，要求传感器布置位置根据不同大小磁性目标进行分别设定。对于各类状态估计算法来说，还需要满足磁性目标的初步大小和位置已知的前提。对于水中目标来说，在采用单一模式的阵列式布置下，利用传统方法难以兼顾各种类型大小目标的探测和定位。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有磁性目标探测和定位方法要求数目繁多的磁场传感器，同时难以兼顾各种类型大小目标探测要求的缺点，提出了一种基于弧形阵列的磁性目标探测和定位系统及其使用方法。本发明所需的传感器数量少，并可通过不同传感器的组合分别实现大型目标、中型目标和小型目标的探测和定位，算法适应性好，同时能满足精度要求，基于该方法搭建的系统结构精简，效费比高。

本发明的具体技术方案是提供了一种基于弧形磁场传感器阵列的定位系统，其特征在于，所述定位系统包括控制器、数据传输单元以及多个磁场传感器，

所述多个磁场传感器分别通过所述数据传输单元与所述控制器数据通信；

所述数据传输单元一端与所述控制器相连，另一端分别与所述磁场传感器相连；

多个所述磁场传感器呈弧形布置，弧形布置的磁场传感器中能够形成多个三角形传感器组，所述三角形传感器组中至少包括顶角为60度、90度以及120度(30度)的三角形中的一个或多个；

多个所述磁场传感器分别进行磁场信号采集，通过不同位置处的传感器优化组合形成不同三角形传感器组，利用不同角度阵列组所获取的磁场传感器信号分别对大型目标、中型目标和小型目标进行探测和定位。

优选地，每个磁场传感器包括数据采集模块，用于进行实时采集磁场数据，并将所采集的信号传输给所述控制器，在任意采样时刻，所述控制器判断是否存在三个以上磁场传感器的磁场测量异常值大于探测阈值，若存在则判断有水中目标出现，构建三角形传感器组；

所述控制器根据所形成的三角形传感器组，基于磁场梯度张量法进行水中目标的位置和磁矩计算，得到一系列水中目标的位置和磁矩初值，并估算水中目标的大小范围和所处的位置区间，并且估算得到的水中目标的大小范围和所处的位置区间，随机生成一组水中目标的位置和磁矩值，与上述获得的一系列水中目标的位置和磁矩初值共同形成水中目标的磁场定位初始解；

并且所述控制器以磁场传感器测得的三个最大磁场测量异常值为依据，所获得的磁场定位初始解作为初代种群，采用进化优化算法进行寻优，得到当前采样时刻的水中目标的位置和磁矩参数；

到下一个采样时刻，所述控制器根据得到水中目标的位置和磁矩参数，随机生成一组水中目标的位置和磁矩值形成初代种群，采用进化优化算法进行寻优，得到当前采样时刻的水中目标的位置和磁矩参数；

最后，所述控制器判断是否存在至少三个磁场传感器的磁场测量异常值大于探测阈值，若仍然存在，则继续进行根据得到水中目标的位置和磁矩参数，随机生成一组水中目标的位置和磁矩值形成初代种群，采用进化优化算法进行寻优，得到当前采样时刻的水中目标的位置和磁矩参数，否则，判断水中目标消失，否则继续实时采集磁场数据。

优选地，利用梯度张量法进行水中目标的位置和磁矩计算时，对于不同顶角的阵列组采用不同的梯度计算公式进行计算。

优选地，所述控制器在第一次获取了精确的水中目标的磁场定位参数后，不再采用改进的梯度张量法，而是直接基于上一采样时刻获得的水中目标的位置和磁矩参数，采用进化优化算法进行局部寻优。

另一方面，本发明提供一种利用所述的基于弧形磁场传感器阵列的定位系统进行目标定位的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：所有的磁场传感器实时采集数据，在任意采样时刻，判断是否存在三个以上磁场传感器的磁场测量异常值大于探测阈值，若存在则判断有水中目标出现，执行步骤2，否则继续执行步骤1；

步骤2：根据磁场传感器的数目，将磁场传感器中满足预定条件的3个传感器设定为一个传感器阵列组，形成多个传感器阵列组，根据所形成的磁场传感器阵列组，基于磁场梯度张量法进行水中目标的位置和磁矩计算，得到一系列水中目标的位置和磁矩初值，并估算水中目标的大小范围和所处的位置区间；

步骤3：根据步骤2估算得到的水中目标的大小范围和所处的位置区间，随机生成一组水中目标的位置和磁矩值，与步骤2得到的一系列水中目标的位置和磁矩初值共同形成水中目标的磁场定位初始解；

步骤4：以磁场传感器测得的三个最大磁场测量异常值为依据，以步骤3得到的磁场定位初始解作为初代种群，采用进化优化算法进行寻优，得到当前采样时刻的水中目标的位置和磁矩参数；

步骤5：到下一个采样时刻，根据步骤4得到水中目标的位置和磁矩参数，随机生成一组水中目标的位置和磁矩值形成初代种群，采用进化优化算法进行寻优，得到当前采样时刻的水中目标的位置和磁矩参数；

步骤6：判断是否存在至少三个磁场传感器的磁场测量异常值大于探测阈值，若仍然存在，则重复步骤5，否则，判断水中目标消失，返回步骤1。

另一方面，本发明提供一种利用所述的基于弧形磁场传感器阵列的定位系统的使用方法，其特征在于，所述方法包括：

利用磁场传感器进行实时采集磁场数据，并将所采集的信号传输给所述控制器，在任意采样时刻，通过所述控制器判断是否存在三个以上磁场传感器的磁场测量异常值大于探测阈值，若存在则判断有水中目标出现，构建三角形传感器组；

利用控制器根据所形成的三角形传感器组，基于磁场梯度张量法进行水中目标的位置和磁矩计算，得到一系列水中目标的位置和磁矩初值，并估算水中目标的大小范围和所处的位置区间，并且估算得到的水中目标的大小范围和所处的位置区间，随机生成一组水中目标的位置和磁矩值，与上述获得的一系列水中目标的位置和磁矩初值共同形成水中目标的磁场定位初始解；

利用所述控制器以磁场传感器测得的三个最大磁场测量异常值为依据，所获得的磁场定位初始解作为初代种群，采用进化优化算法进行寻优，得到当前采样时刻的水中目标的位置和磁矩参数；

到下一个采样时刻，利用所述控制器根据得到水中目标的位置和磁矩参数，随机生成一组水中目标的位置和磁矩值形成初代种群，采用进化优化算法进行寻优，得到当前采样时刻的水中目标的位置和磁矩参数；

最后，利用所述控制器判断是否存在至少三个磁场传感器的磁场测量异常值大于探测阈值，若仍然存在，则继续进行根据得到水中目标的位置和磁矩参数，随机生成一组水中目标的位置和磁矩值形成初代种群，采用进化优化算法进行寻优，得到当前采样时刻的水中目标的位置和磁矩参数，否则，判断水中目标消失，否则继续实时采集磁场数据。

本发明提出的一种基于弧形阵列的磁性目标探测和定位系统及其使用方法，具有以下优点：

(1)磁场传感器数量少，系统简单，成本较低；

(2)不同位置处的传感器优化组合可适应不同类型目标的探测和定位需求，定位识别精度高。

附图说明

图1是本发明提出的磁场传感器弧形阵列布置方式的原理示意图。

图2是磁梯度测量传统方法所用的磁场传感器十字型布置方式。

图3是本发明提出的用于磁梯度测量的磁场传感器三种简易布置方式。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步地说明。

本发明的定位系统主要包括三部分，控制器，即信号处理器；数据传输单元以及磁场传感器，数据传输单元只要负责传感器与信号处理器之间的信号传输，优选通过光缆或光电复合缆实现，当然，对于传感器彼此间距相对较近的情况而言，可以采用更简单的信号传输方式，直接通过线缆进行信号传输。上述三个部分的结构本领域技术人员应该想见的到，所以这里不对其进行详述。

本发明的核心在于磁场传感器的布置以及信号的处理，下面对传感器布置和信号处理过程进行详细描述。

本实施例中，以采用9个呈弧形布置的传感器为例进行描述，9个传感器中，定点采用一个(中心的一个)，另外8个左右两侧各布置4个，左右对称。以左侧为例，c1、l2和l4组成包含120度顶角的三角形，l2、r2和c1组成包含120度顶角的三角形，c1、l4、r4组成包含60度顶角的三角形。优选地，排布成弧形的各个传感器中，至少能够形成包含30、60和120度顶角的传感器组各一个。

本发明的磁性目标探测和定位系统工作过程如下：

步骤1：控制器发出启动信号，所有的磁场传感器实时采集数据，并进行信号返回，在任意采样时刻，控制器判断是否存在三个以上磁场传感器的磁场测量异常值大于探测阈值，若存在则判断有水中目标出现，执行步骤2，否则继续执行步骤1；

步骤2：控制器根据磁场传感器的数目，将满足预定条件的3个传感器设定为一个传感器阵列组(这一步骤对于固定的传感器布置方式而言，可以固化到控制器中)，形成多个传感器阵列组，根据所形成的磁场传感器阵列组，基于磁场梯度张量法进行水中目标的位置和磁矩计算，得到一系列水中目标的位置和磁矩初值，并估算水中目标的大小范围和所处的位置区间；

步骤3：控制器根据步骤2估算得到的水中目标的大小范围和所处的位置区间，随机生成一组水中目标的位置和磁矩值，与步骤2得到的一系列水中目标的位置和磁矩初值共同形成水中目标的磁场定位初始解；

步骤4：控制器以磁场传感器测得的三个最大磁场测量异常值为依据，以步骤3得到的磁场定位初始解作为初代种群，采用进化优化算法进行寻优，得到当前采样时刻的水中目标的位置和磁矩参数；

步骤5：到下一个采样时刻，控制器根据步骤4得到水中目标的位置和磁矩参数，随机生成一组水中目标的位置和磁矩值形成初代种群，采用进化优化算法进行寻优，得到当前采样时刻的水中目标的位置和磁矩参数；

步骤6：接下来控制器判断是否存在至少三个磁场传感器的磁场测量异常值大于探测阈值，若仍然存在，则重复步骤5，否则，判断水中目标消失，返回步骤1。

在步骤2中，采用改进的梯度张量法和所提出的传感器组合方式进行目标探测定位的具体过程如下。

根据经验在远场可把磁性目标视为一磁偶极子，假设磁偶极子的三方向偶极矩分别为mx、my和mz，在水中目标坐标系下距离目标r(x，y，z)处的磁场强度三分量表达式为：

式中：

磁梯度张量矩阵为：

基于空间一点磁梯度张量和三分量磁场的磁性目标实时定位公式为：

根据上式确定了磁性目标位置后,再根据下式推算磁性目标的磁矩，通过磁矩即可对目标的状态、类型和尺度等信息作出判断。

在磁梯度张量的9个要素中,只有5个是独立的，即只需得到其中的5个独立要素,就可得到完整的磁梯度张量矩阵。

通常需要采用图2所示5个呈十字分布的传感器，才可以得中心点位置处的到磁梯度张量和测量点磁场三分量。1号传感器测量三分量磁场,2号、3号测量y向的分量变化率,4号、5号测量x向的分量变化率。具体计算式如下。

式中：d为磁场传感器间距，hxi、hyi和hzi(i＝1～5)分别为第i个位置处测得的磁场强度三分量。

考虑到采用十字分布时传感器数量将会太多，本发明根据磁场梯度随空间位置变化比磁场强度变化(磁梯度)慢的基本特征，去掉两个传感器，仅采用三个传感器计算磁场梯度就可以实现定位。具体而言，本申请的发明人通过推导获得了仅通过三个传感器来计算磁场梯度的算法。

典型的，本发明采用图3所示的三种布置形式：

1)120°阵列组(近似线阵)，其磁场梯度计算式如下：

2)60°阵列组(等边三角阵)，其磁场梯度计算式如下：

3)90°阵列组(直角三角形阵)，其磁场梯度计算式如下：

将上面所获得的磁场梯度带入到公式(3)和(4)中，可分别求得位置参数和磁矩参数。

采用本发明的上述技术方案和简化的传感器布置方式，利用改进的梯度张量法就可实现对水中目标的初步定位。但由于测得的不是严格意义上的同一位置点的磁场强度和磁场梯度，其解总是距离真实值存在一定差距的。

在通过改进的梯度张量法获得了水中目标的位置和磁矩初值后，本发明将在步骤4中，以磁场传感器测得的三个最大磁场测量异常值为依据，通过建立反映磁场定位解与真实水中目标位置和磁矩参数逼近程度的目标函数，对水中目标的位置和磁矩进行进一步寻优，以实现目标精确定位。

反映磁场定位解与真实水中目标位置和磁矩参数逼近程度的目标函数如下：

式中：h'xi、h'yi和h'zi为对应某一组水中目标位置和磁矩参数的解计算得到的第i个位置处的磁场强度三分量。根据给定的水中目标的位置和磁矩值，通过式(1)得到磁场值，然后求解该目标函数来度量该水中目标位置和磁矩参数与真实值的逼近程度。

以水中目标位置和磁矩参数作为寻优变量，上述目标函数作为适应度函数，约束条件设定为改进的梯度张量法所求磁场定位解最大值的两倍，采用粒子群、遗传或者差分进化等优化算法进行寻优，可进一步得到精度更高的水中目标定位解。

在采用进化算法进行寻优时，为同时兼顾全局搜索性能以及收敛性，在步骤3形成初代种群时，除了引入改进的梯度张量法所获得水中目标的位置和磁矩初值外，还根据约束条件随机生成一组水中目标的位置和磁矩值，共同形成水中目标的磁场定位初始解，以保证寻优时能快速收敛到最优变量处。

由于水中目标的磁场定位参数的变化过程相对磁场数据采集速度来说要慢很多，步骤5中，本发明在第一次获取了精确的水中目标的磁场定位参数后，将不再采用改进的梯度张量法，而是直接基于上一采样时刻获得的水中目标的位置和磁矩参数，采用进化优化算法进行局部寻优，以保证能快速得到当前采样时刻的磁场定位参数，进一步还可实现目标的位置跟踪。

图1所示的弧形阵列布置形式，是本发明所提方法的一种典型示意。在图1的基础上，可对阵列进一步细分，减小传感器间距，增大传感器个数，丰富磁场传感器组合，以适应目标大小的变化。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据实施例和附图公开内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变换或更改的设计，都落入本发明保护的范围。