一种基于磁梯度张量的探测方法技术

本发明专利技术提出了一种基于磁梯度张量的探测方法，所述探测方法包括以下步骤：步骤一、先利用STAR法计算位置向量和磁矩向量初值；步骤二、接着计算新的磁梯度收缩的梯度，并计算新的位置向量和磁矩向量；步骤三、重复步骤二直至前后两次位置向量的差值满足收敛条件或者迭代次数达到限制。本发明专利技术揭示了非球面误差产生的机理，提出了不含非球面系数的磁梯度收缩，利用迭代法提出了消除非球面误差的ISM；ISM分别将STAR法、LSM、WSM的平均定位误差减小了94.6％、40.4％、38.0％，进一步提高了三种磁探测方法的磁探测精度。

A detection method based on magnetic gradient tensor

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁梯度张量的探测方法
本专利技术涉及一种基于磁梯度张量的探测方法，属于磁探测

技术介绍
磁探测可实时探测非配合的磁目标，是众多领域的研究热点。在军事工程领域，可用于探测水下潜艇、未爆炸物(UXO)、磁性障碍物等。在医疗研究领域，可用于无线胶囊跟踪、靶向癌细胞的检测、舌头跟踪等。在地球物理领域，可用于矿产勘探、洞穴测绘、地磁场演变等。磁探测方法是磁探测的核心研究内容，磁探测方法的改进是提高磁探测精度重要手段。因为磁梯度张量包含丰富的磁场信息，并且地磁场的磁梯度张量基本为零，所以基于磁梯度张量的磁探测方法可以准确、快速的探测磁目标。有学者基于磁梯度张量，提出了标量三角测量与测距(STAR)法。STAR法不仅可以实时地探测磁目标，而且探测精度不受地磁场影响，受到了广泛的关注。由于非球面系数的存在，STAR法在计算磁目标的距离和方向时都会产生误差，称为“非球面误差”。为了进一步提高STAR法的探测精度，现有研究对非球面误差进行了补偿。在现有的改进的STAR法中，存在如下问题：1、只补偿STAR法的方向误差，并且无法在实际磁探测中使用。2015年，有学者利用迭代法对方向误差进行了补偿，本文将这种磁探测方法称为SSM。在探测距离为8～11.31m的范围内，SSM的探测误差不超过1％。但SSM只对方向误差进行了补偿，并没有对距离误差进行补偿。并且SSM只能在信噪比大于200的工况下使用，这种工况几乎不可能在实际磁探测中出现。因此，SSM无法在实际磁探测中使用。2、对方向误差和距离误差都进行了补偿，但提升的探测精度非常有限。2015年，有学者提出了不含非球面系数的磁梯度收缩，对STAR法的方向误差和距离误差都进行了补偿，本文将这种磁探测方法称为LSM。当磁目标在平行于x-y平面的圆形轨迹上运动时，相比STAR法，LSM的探测误差只减小了10.9％。因此，LSM只补偿了小部分的非球面误差，所提升的探测精度非常有限。3、只补偿STAR法的方向误差，限制了探测精度的进一步提升。2016年，有学者利用修正的磁梯度收缩和迭代法补偿了STAR法的方向误差，本文将这种磁探测方法称为WSM。当磁目标在平行于x-y平面的圆形轨迹上运动时，相比STAR法，WSM的探测误差减小了68.5％。方向误差是非球面误差的主要组成部分，但如果不对STAR法的距离误差也进行补偿，就无法进一步提升磁探测精度。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种基于磁梯度张量的探测方法，以解决SSM只补偿STAR法的方向误差，并且无法在实际磁探测中使用；LSM对方向误差和距离误差都进行了补偿，但提升的探测精度非常有限；WSM只补偿STAR法的方向误差，限制了探测精度的进一步提升的问题。一种基于磁梯度张量的探测方法，所述探测方法包括以下步骤：步骤一、先利用STAR法计算位置向量和磁矩向量初值；步骤二、通过式(10)、(11)计算新的磁梯度收缩的梯度▽C，并利用式(13)、(14)计算新的位置向量和磁矩向量，其中，所述式(10)为：其中，CT为磁梯度收缩，C为新的磁梯度收缩，γ是磁矩向量与位置向量的夹角，所述(11)式为：其中，真空磁导率μ0＝4π×10-7T·m/A；M为磁矩向量的幅值；为单位位置向量，探测距离r为位置向量的幅值；表示x轴正方向所对应平面上的传感器阵列得到的新的磁梯度收缩C，表示y轴正方向所对应平面上的传感器阵列得到的新的磁梯度收缩C，表示z轴正方向所对应平面上的传感器阵列得到的新的磁梯度收缩C，D为基线距离；为(1,0,0)，为(0,1,0)，为(0,0,1)，所述(13)式为：为传感器指向磁目标的位置向量，所述式(14)为：式中，步骤三、重复步骤二直至前后两次位置向量的差值满足收敛条件或者迭代次数达到限制。进一步的，在步骤一中，具体的，以张量梯度仪中心为原点建立空间直角坐标系，根据磁偶极子模型计算出磁目标的全张量式(1)中，真空磁导率μ0＝4π×10-7T·m/A，为磁矩向量，为传感器指向磁目标的位置向量，r为的大小，δij是克罗内克函数，i,j＝x,y,z，利用式(1)可计算出磁梯度收缩CT：式(2)中，M是磁矩向量的大小，磁目标的方向向量为：其中，代表磁目标相对于张量梯度仪的方向，简称为磁目标的方向，k的值是随着磁目标的方向的变化而变化的：式中，γ是与的夹角，根据式(2)、(4)，得到：其中，是的单位向量，方向误差是非球面误差的主要组成部分，带有偏差的方向向量为：式中：假设距离r的计算没有误差，定义方向误差ω：将式(6)代入式(7)可得：从式(8)可以看出方向误差ω与距离r成线性关系，与夹角γ成非线性关系。进一步的，在步骤二中，具体的，定义新的磁梯度收缩C：通过对比式(3)和式(9)可得：则新的磁梯度收缩C的梯度▽C为：其中表示x轴正方向所对应平面上的传感器阵列得到的新的磁梯度收缩C，根据式(9)可得：结合式(11)和式(12)可得到磁目标的位置向量计算出磁目标的位置向量后，根据式(1)和最小二乘法计算磁矩向量：式中：本专利技术的主要优点是：(1)STAR法的非球面误差包含方向误差和距离误差两个部分，本文对方向误差和距离误差产生的机理都进行了揭示，并提出了一种利用不含非球面系数的磁梯度收缩和迭代法同时对方向误差和距离误差进行补偿的ISM。(2)ISM分别将STAR法、LSM、WSM的平均定位误差减小了94.6％、40.4％、38.0％，进一步提高了这三种磁探测方法的磁探测精度。附图说明图1为磁目标探测示意图；图2为当距离r＝0.5m时，不同夹角γ下的方向误差；图3为磁目标运动轨迹示意图；图4为磁探测方法在圆形轨迹上的定位误差。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。一种基于磁梯度张量的探测方法，所述探测方法包括以下步骤：步骤一、先利用STAR法计算位置向量和磁矩向量初值；步骤二、通过式(10)、(11)计算新的磁梯度收缩的梯度▽C，并利用式(13)、(14)计算新的位置向量和磁矩向量，其中，所述式(10)为：其中，CT为磁梯度收缩，C为新的磁梯度收缩，γ是磁矩向量与位置向量的夹角。所述(11)式为：其中，真空磁导率μ0＝4π×10-7T·m/A本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于磁梯度张量的探测方法，其特征在于，所述探测方法包括以下步骤：/n步骤一、先利用STAR法计算位置向量和磁矩向量初值；/n步骤二、通过式(10)、(11)计算新的磁梯度收缩的梯度

【技术特征摘要】
1.一种基于磁梯度张量的探测方法，其特征在于，所述探测方法包括以下步骤：
步骤一、先利用STAR法计算位置向量和磁矩向量初值；
步骤二、通过式(10)、(11)计算新的磁梯度收缩的梯度并利用式(13)、(14)计算新的位置向量和磁矩向量，其中，所述式(10)为：



其中，CT为磁梯度收缩，C为新的磁梯度收缩，γ是磁矩向量与位置向量的夹角，
所述(11)式为：



其中，真空磁导率μ0＝4π×10-7T·m/A；M为磁矩向量的幅值；为单位位置向量，探测距离r为位置向量的幅值；表示x轴正方向所对应平面上的传感器阵列得到的新的磁梯度收缩C，表示y轴正方向所对应平面上的传感器阵列得到的新的磁梯度收缩C，表示z轴正方向所对应平面上的传感器阵列得到的新的磁梯度收缩C，D为基线距离；为(1,0,0)，为(0,1,0)，为(0,0,1)，
所述(13)式为：




为传感器指向磁目标的位置向量，
所述式(14)为：



式中，
步骤三、重复步骤二直至前后两次位置向量的差值满足收敛条件或者迭代次数达到限制。


2.根据权利要求1所述的一种基于磁梯度张量的探测方法，其特征在于，在步骤一中，具体的，以张量梯度仪中心为原点建立空间直角坐标系，根据磁偶极子模型计算出磁目标的全张量



式(1)中，真空磁导率μ0＝4π×10-7T·m/A，为磁矩向量，为传感器指向磁目标的位置向量...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘东华，林生鑫，靳崇渝，金银锡，葛宇航，李立毅，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23