一种基于磁传感器阵列的磁偶极子目标跟踪方法技术

本公开提供了一种基于磁传感器阵列的磁偶极子目标跟踪方法，所述方法包括：步骤1，建立磁偶极子模型，根据所述模型确定所述磁偶极子的状态变量；步骤2，根据所述状态变量，获取所述磁偶极子的运动状态方程以及观测方程；步骤3，获取传感器阵列测量磁场的实时差量磁场，通过蒙特卡洛的方法生成随机离散样本点，将所述样本点带入所述运动状态方程与所述观测方程，获得均值与协方差估计，完成卡尔曼滤波增益的计算与状态变量的更新。

A Magnetic Dipole Target Tracking Method Based on Magnetic Sensor Array

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁传感器阵列的磁偶极子目标跟踪方法
本公开涉及一种基于磁传感器阵列的磁偶极子目标跟踪方法。
技术介绍
随着海洋资源的持续开发，海域权益与临海安全性受到世界各国的广泛关注与重视，研究快速、高效的侵入目标检测与识别方法，对于提高临海防御能力具有重要军事意义。磁探测技术是一种被动探测技术，因其能够有效弥补声学近场、近海探测的不足受到国内外的广泛关注。通过传感器阵列采集感兴趣目标体周围的磁异常信号，以获取兴趣目标的电磁特征，进而实现目标的识别及快速定位和跟踪具有重要的研究价值。磁目标的定位与跟踪最常用的方法包括两大类：优化定位算法与滤波算法。其中，优化定位算法通常建立在较多观测数据基础上，比如传感器网络、磁梯度张量系统或者航磁飞行测线等，通过最优化估计算法以获取目标位置、磁矩等特征参量。滤波跟踪算法，通常基于传感器阵列持续测量运动目标磁场数据，以实现对磁目标体的实时跟踪与状态估计，由于良好的跟踪性能于实时性等优点，受到国内外学者及研究人员的广泛关注。但研究人员发现现有技术中存在以下问题：以往利用传感器阵列对磁偶极子目标跟踪的算法研究集中于优化算法的非线性模型适应能力，在抑制地磁干扰方面主要通过梯度系统完成。磁梯度系统虽然可以很好的抑制地磁干扰，但是受制于基线过短、磁梯度场衰减快等因素，磁梯度系统不适合与目标的远距离跟踪。当磁偶极子目标接近磁传感器阵列时，传感器测量磁场中同时包含目标磁异常场与背景地磁场。现有技术一般通过设置远参考传感器方法，利用参考传感器与测量传感器间地磁场的空间相关性，消除测量磁场中的地磁背景，获取目标磁异常场，即通过在较远的位置设立参考传感器，参考传感器仅测量背景而其余的阵列传感器同时测量背景与目标的磁异常信号，这样通过处理以实现消除背景磁场而获得目标的磁异常信号之目的。然而，基于参考磁传感器的方法存在着两个明显的缺陷：其一，参考传感器与测量传感器之间距离难以把握，距离较近时，参考传感器容易受目标磁异常影响，致使测量磁异常产生误差；当二者距离较远时，传感器间的相关性下降，致使地磁背景场消除不彻底。其二，参考传感器的设置处需要可靠的地磁环境，以保证工作期间不受外界其他磁干扰源影响。此外，通过构建磁梯度张量系统也可以有效的避免地磁干扰，然而磁梯度场的衰减较磁偶极子场更快，并不适合远距离目标跟踪。
技术实现思路
本公开提供了一种基于磁传感器阵列的磁偶极子目标跟踪方法，所述方法包括：步骤1，建立磁偶极子模型，根据所述模型确定所述磁偶极子的状态变量；步骤2，根据所述状态变量，获取所述磁偶极子的运动状态方程以及观测方程；步骤3，获取传感器阵列测量磁场的实时差量磁场，通过蒙特卡洛的方法生成随机离散样本点，将所述样本点带入所述运动状态方程与所述观测方程，获得均值与协方差估计，完成卡尔曼滤波增益的计算与状态变量的更新。附图说明为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：图1示意性示出了本公开实施例提供的基于磁传感器阵列的磁偶极子目标跟踪方法的方法流程图；图2示意性示出了本公开实施例提供的基于磁传感器阵列的磁偶极子目标跟踪方法中步骤3的方法流程图；图3示意性示出了本公开实施例提供的仿真示例中仿真磁偶极子运动轨迹图；图4A示意性示出了本公开实施例提供仿真示例中仿真磁偶极子在X坐标轴投影的运动轨迹图；图4B示意性示出了本公开实施例提供仿真示例中仿真磁偶极子在Y坐标轴投影的运动轨迹图；图4C示意性示出了本公开实施例提供仿真示例中仿真磁偶极子在Z坐标轴投影的运动轨迹图；图5A示意性示出了本公开实施例提供仿真示例中传感器1处的测量磁场三分量；图5B示意性示出了本公开实施例提供仿真示例中传感器1处的磁梯度场中x分量磁场在x方向梯度、y分量场在y方向梯度及z分量场在z方向的梯度；图5C示意性示出了本公开实施例提供仿真示例中传感器1，2的差量磁场；图6示意性示出了本公开实施例1中磁偶极子的运动轨迹图；图7A示意性示出了本公开实施例1中X坐标轴投影轨迹的误差；图7B示意性示出了本公开实施例1中Y坐标轴投影轨迹的误差；图7C示意性示出了本公开实施例1中Z坐标轴投影轨迹的误差；图8示意性示出了本公开实施例提供的基于磁传感器阵列的磁偶极子目标跟踪系统的框图；图9示意性示出了本公开实施例提供的基于磁传感器阵列的磁偶极子目标跟踪方法中步骤3的流程图。具体实施方式以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。本公开的一个实施例提供了一种基于磁传感器阵列的磁偶极子目标跟踪方法，参见图1，所述方法包括步骤1～步骤3的内容：步骤1，建立磁偶极子模型，根据所述模型确定所述磁偶极子的状态变量。当磁性目标体的探测距离大于其自身尺寸的3倍时，目标体可等效为磁偶极子，磁偶极子矢量磁场表达式如下式。式中，μ0为自由空间磁导率，m为目标体总磁矩矢量，r为目标与传感器之间的距离矢量，r为距离矢量r的幅度。当坐标系确立后，磁偶极子矢量磁场可以写为如式1矩阵形式。其中，x0，y0，z0为在三维坐标系中矢量磁力仪的坐标，x，y，z为在三维坐标系中磁偶极子的坐标；Bx，By，Bz为磁偶极子磁场矢量在三维坐标轴的投影分量，而mx，my，mz代表了磁偶极子磁矩矢量在三维坐标坐标轴的投影分量，r为磁偶极子与传感器之间的距离矢量的幅度，μ0为自由空间磁导率。对于任意磁偶极子目标产生的磁场唯一依赖于目标与传感器的相对位置及磁偶极子的磁矩。通过独立的六个变量确定。当传感器在地磁环境中进行测量时，测量磁场可以表示为磁偶极子异常磁场与背景地磁场的叠加形式如下式。Bm＝B+Be(13)其中，Bm，B，Be分别代表传感器处的总磁场、目标磁异常场和地磁场矢量。步骤2，根据所述状态变量，获取所述磁偶极子的运动状态方程以及观测方程。根据磁偶极子模型，在目标的跟踪过程中目标的状态变量由两个部分组成：描述目标运动状态的位置参数与速度参数；描述目标磁性的磁矩参数。因此在时间t时刻，所述状态变量通过下列状态变量的向量表达式表示：xt＝[x(t)，y(t)，z(t)，vx(t)，vy(t)，vz(t)，mx(t)，my(t)，mz(t)](2)其中，x(t)，y(t)，z(t)分别表示t时刻磁偶极子在x方向，y方向和z方向的位置，vx(t)，vy(t)，vz(t)分别表示t时刻磁偶极子在x方向，y方向和z方向的速度，mx(t)，my(t)，mz(t)分别表示t时刻磁偶极子在x方向，y方向和z方向的磁矩。考虑到实际水面舰船及水下航行器等目标运动相对缓慢，状态相对稳定等情况，可以用恒速模型来描述磁偶极子目标的运动状态，可以满足实际工作需求。描述目标运动的状态方程可以表达如下式14。x(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于磁传感器阵列的磁偶极子目标跟踪方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1，建立磁偶极子模型，根据所述模型确定所述磁偶极子的状态变量；步骤2，根据所述状态变量，获取所述磁偶极子的运动状态方程以及观测方程；步骤3，获取传感器阵列测量磁场的实时差量磁场，通过蒙特卡洛的方法生成随机离散样本点，将所述样本点带入所述运动状态方程与所述观测方程，获得均值与协方差估计，完成卡尔曼滤波增益的计算与状态变量的更新。

【技术特征摘要】
1.一种基于磁传感器阵列的磁偶极子目标跟踪方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1，建立磁偶极子模型，根据所述模型确定所述磁偶极子的状态变量；步骤2，根据所述状态变量，获取所述磁偶极子的运动状态方程以及观测方程；步骤3，获取传感器阵列测量磁场的实时差量磁场，通过蒙特卡洛的方法生成随机离散样本点，将所述样本点带入所述运动状态方程与所述观测方程，获得均值与协方差估计，完成卡尔曼滤波增益的计算与状态变量的更新。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磁偶极子模型包括：当磁性目标体的探测距离大于其自身尺寸的3倍时，目标体可等效为磁偶极子，磁偶极子矢量磁场矩阵表达式如下：其中，x0，y0，z0为在三维坐标系中矢量磁力仪的坐标，x，y，z为在三维坐标系中磁偶极子的坐标；Bx，By，Bz为磁偶极子磁场矢量在三维坐标轴的投影分量，而mx，my，mz代表了磁偶极子磁矩矢量在三维坐标坐标轴的投影分量，r为磁偶极子与传感器之间的距离矢量的幅度，μ0为自由空间磁导率。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述状态变量通过下列状态变量的向量表达式表示：xt＝[x(t)，y(t)，z(t)，vx(t)，vy(t)，vz(t)，mx(t)，my(t)，mz(t)](2)其中，x(t)，y(t)，z(t)分别表示t时刻磁偶极子在x方向，y方向和z方向的位置，vx(t)，vy(t)，vz(t)分别表示t时刻磁偶极子在x方向，y方向和z方向的速度，mx(t)，my(t)，mz(t)分别表示t时刻磁偶极子在x方向，y方向和z方向的磁矩。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磁偶极子的运动状态方程为线性方程。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磁偶极子的观测方程为非线性方程。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3包括：步骤301，对卡尔曼滤波器进行初始化设置，将所述状态变量及其协方差进行初始化；步骤302，根据蒙特卡洛方法随机生成N个样本点，根据所述样本点和所述磁偶极子的运动状态方程，获取状态变量均值预测，以及状态变量的协方差预测；步骤303，根据蒙特卡洛方法随机生成N个样本点，根据所述样本点、所述磁偶极子的运动状态方程和观测方程，获取观测量均值预测、观测量协方差预测、观测量与状态变量的互协方差预测；步骤304，通过所述观测量协方差预测、所述观测量与状态变量的互协方差预测，计算卡尔曼滤波增益估计；利用所述观测量均值预测、所述卡尔曼...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯永强，陈路昭，朱万华，纪奕才，方广有，
申请(专利权)人：中国科学院电子学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11