一种基于数据库特征匹配的多磁性目标位置探测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于数据库特征匹配的多磁性目标位置探测方法：(1)计算在每个测点位置处，所有磁信标随机组合后叠加产生的磁场矢量与梯度张量；(2)构建磁场矢量索引表和磁场梯度张量索引表；(3)载体实时测量航迹上的磁场矢量与梯度张量数据；(4)根据实测磁场矢量与梯度张量数据，计算实测磁场矢量矩阵L

【技术实现步骤摘要】
一种基于数据库特征匹配的多磁性目标位置探测方法
本专利技术涉及磁性目标探测技术，特别涉及一种基于数据库特征匹配的多磁性目标位置探测方法。
技术介绍
磁性目标探测技术在资源勘探、目标探测跟踪、导航定位以及医学工程等领域都有重要的作用。但这些目标产生的磁场特征与自身位置之间具有很强的非线性关系，这使得根据磁场特征进行位置解算具有较高的复杂性。而当相关区域具有多个磁性目标时，它们的磁场会混叠在一起，当这些磁性目标数量未知的时候，问题更加复杂。当测点与磁源之间的距离大于磁源自身最大维度尺寸的2.5倍以上时，可以将磁源视作磁偶极子。目前对于磁偶极子反演技术的研究，主要以单磁源为主，可以分为两类，一类是解析方法，从磁场矢量和梯度的解析表达式出发，推到磁性目标位置的解析解，会受到多解问题的困扰；第二类是欧拉褶积方法，它利用磁性目标三维磁场矢量与磁场梯度张量之间的数学关系，进行三维位置求解，其缺点是噪声敏感型很高。部分学者将单源定位方法，如欧拉褶积法推广到多磁性目标位置探测研究中，其噪声敏感型进一步提高，且需要已知磁源数量。维纳褶积方法只需要对磁场梯度进行一阶求导，噪声敏感性更好，但同样需要已知磁源数量。近年来，非线性优化方法被越来越多的用于磁性目标反演领域。它利用实测磁场与估计磁场之间的差异构建目标函数，并利用最小二乘等非线性优化估计方法求解。但目前的研究也都以磁性目标数量已知为前提。针对上述方法中的不足，本申请提出一种数量未知情形下的多磁性目标位置探测方法。本方法对测点分布适应性强、不需要复杂的数学解算。通过将磁场矢量和梯度数据作为特征，建立包含各种磁性目标位置组合下的特征数据库，并根据测点处的磁场特征值进行匹配即可确定多磁偶极子的数量和位置坐标。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对磁矩已知、数量未知的多磁性目标探测问题，提供一种基于数据库特征匹配的多磁性目标位置探测方法，本方法原理简单、高效、准确，能够弥补传统磁信标定位反演技术只能需要已知磁源数量，并且对测点分布依赖性强、噪声敏感型高的缺点。本专利技术所采用的技术方案是：一种基于数据库特征匹配的多磁性目标位置探测方法，包括以下步骤：步骤1，建立数据库：根据航行器轨迹划定数据库建立区域，并布置测点，利用磁偶极子模型计算在每个测点位置处，所有1、2、…、M个磁信标随机组合后叠加产生的磁场矢量与梯度张量；步骤2，构建磁场矢量索引表：根据步骤1建立的数据库，将不同测点、每种磁信标组合情况下所有对应记录的磁场矢量取出并组成磁场矢量矩阵，计算磁场矢量矩阵L2范数值，按磁场矢量矩阵L2范数值从小到大的顺序对所有磁性标组合情形进行排序；构建磁场梯度张量索引表：根据步骤1建立的数据库，将不同测点、每种磁信标组合情况下所有对应记录的磁场梯度张量取出并组成磁场梯度张量矩阵，计算磁场梯度张量矩阵L2范数值，按磁场梯度张量矩阵L2范数值从小到大的顺序对所有磁性标组合情形进行排序；步骤3，实测数据：在多偶极子磁源磁场混叠的环境中，载体实时测量航迹上的磁场矢量与梯度张量数据；步骤4，实际匹配：根据步骤3的实测磁场矢量与梯度张量数据，构建实测磁场矢量矩阵和实测磁场梯度张量矩阵，并分别计算实测磁场矢量矩阵L2范数值和实测磁场梯度张量矩阵L2范数值；利用二分法将实测磁场矢量矩阵L2范数值和实测磁场梯度张量矩阵L2范数值直接在磁场矢量索引表和磁场梯度张量索引表中进行匹配定位和确认优化，得到最终的磁性标组合情形，确定该磁性标组合情形所对应的磁信标个数和信标位置信息。其中，步骤1进一步包括：步骤1-1，设定目标区域：以设定间隔D选取N个航迹点P＝{P1P2…Pi…PN}，其中，N≥3，且10≤(N-1)·D≤20，Pi表示第i个航迹点，即第i个测点，i＝1,2,…,N，P表示N个航迹点组成的向量；以处在中间位置的测点为中心，划定一个边长为L的正方形区域，所有可能出现磁性目标均在该正方形区域内；在该正方形区域内以d＝1的宽度划定网格，共有M个网格点，每个网格点都是磁偶极子潜在的位置；步骤1-2，建立数据库：设该正方形区域最多可能有K个磁性目标，磁性目标的磁矩均为[MxMyMz]，其中，Mx为磁性目标的磁矩在x方向上的分量，My为磁性目标的磁矩在y方向上的分量，Mz为磁性目标的磁矩在z方向上的分量；这些磁性目标可能出现在任意一个网格点上，但不能重叠；设磁性目标有k个，k≤K，共有种不同的磁信标组合情形，计算每种情形下，每个航迹点位置处所产生的磁场矢量B和磁场梯度张量G：其中，Bi为某种具体磁性标组合情形下、第i个磁性目标在某个航迹点处产生的磁场向量，Gi为某种具体磁性标组合情形下、第i个磁性目标在某个航迹点处产生的梯度，Bi的计算方法根据磁偶极子模型所得，如式(2)所示，Gi的计算方法如式(3)所示：式中，Bx,i为第i个磁性目标在某个航迹点处产生的磁场Bi在x方向上的分量，By,i为第i个磁性目标在某个航迹点处产生的磁场Bi在y方向上的分量，Bz,i为第i个磁性目标在某个航迹点处产生的磁场Bi在z方向上的分量，(xyz0)为测点相对于第i个磁性目标的三维位置，r为测点与第i个磁性目标之间的距离，μ为介质磁导率，mx为第i个磁性目标的磁矩在x方向上的分量，my为第i个磁性目标的磁矩在y方向上的分量，mz为第i个磁性目标的磁矩在z方向上的分量；gxx,i为第i个磁性目标在某个航迹点处产生的磁场向量Bx,i在x方向上的空间变化率，gxy,i为第i个磁性目标在某个航迹点处产生的磁场向量Bx,i在y方向上的空间变化率，gxz,i为第i个磁性目标在某个航迹点处产生的磁场向量Bx,i在z方向上的空间变化率，gyx,i为第i个磁性目标在某个航迹点处产生的磁场向量By,i在x方向上的空间变化率，gyy,i为第i个磁性目标在某个航迹点处产生的磁场向量By,i在y方向上的空间变化率，gyz,i为第i个磁性目标在某个航迹点处产生的磁场向量By,i在z方向上的空间变化率，gzx,i为第i个磁性目标在某个航迹点处产生的磁场向量Bz,i在x方向上的空间变化率，gzy,i为第i个磁性目标在某个航迹点处产生的磁场向量Bz,i在y方向上的空间变化率，gzz,i为第i个磁性目标在某个航迹点处产生的磁场向量Bz,i在z方向上的空间变化率，且，gxx,i+gyy,i+gzz,i＝0，gxy,i＝gyx,i，gxz,i＝gzx,i；对于某个测点，该测点对应的某一种具体磁性标组合情形所存储的数据记录为：BG＝[BxByBzgxxgyxgzxgyygyz](4)式中，BG为某一种具体磁性标组合在某个测点处产生的磁场矢量与梯度序列，Bx为某一种具体磁性标组合在某个测点处产生的磁场在x方向上的分量，By为某一种具体磁性标组合在某个测点处产生的磁场在y方向上的分量，Bz为某一种具体磁性标组合在某个测点处产生的磁场在z方向上的分量，gxx为某一种具体磁性标组合在某个测点处产生的磁场分量Bx在x方向上的空间变本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于数据库特征匹配的多磁性目标位置探测方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，建立数据库：根据航行器轨迹划定数据库建立区域，并布置测点，利用磁偶极子模型计算在每个测点位置处，所有1、2、…、M个磁信标随机组合后叠加产生的磁场矢量与梯度张量；/n步骤2，构建磁场矢量索引表：根据步骤1建立的数据库，将不同测点、每种磁信标组合情况下所有对应记录的磁场矢量取出并组成磁场矢量矩阵，计算磁场矢量矩阵L

【技术特征摘要】
1.一种基于数据库特征匹配的多磁性目标位置探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，建立数据库：根据航行器轨迹划定数据库建立区域，并布置测点，利用磁偶极子模型计算在每个测点位置处，所有1、2、…、M个磁信标随机组合后叠加产生的磁场矢量与梯度张量；
步骤2，构建磁场矢量索引表：根据步骤1建立的数据库，将不同测点、每种磁信标组合情况下所有对应记录的磁场矢量取出并组成磁场矢量矩阵，计算磁场矢量矩阵L2范数值，按磁场矢量矩阵L2范数值从小到大的顺序对所有磁性标组合情形进行排序；
构建磁场梯度张量索引表：根据步骤1建立的数据库，将不同测点、每种磁信标组合情况下所有对应记录的磁场梯度张量取出并组成磁场梯度张量矩阵，计算磁场梯度张量矩阵L2范数值，按磁场梯度张量矩阵L2范数值从小到大的顺序对所有磁性标组合情形进行排序；
步骤3，实测数据：在多偶极子磁源磁场混叠的环境中，载体实时测量航迹上的磁场矢量与梯度张量数据；
步骤4，实际匹配：根据步骤3的实测磁场矢量与梯度张量数据，构建实测磁场矢量矩阵和实测磁场梯度张量矩阵，并分别计算实测磁场矢量矩阵L2范数值和实测磁场梯度张量矩阵L2范数值；利用二分法将实测磁场矢量矩阵L2范数值和实测磁场梯度张量矩阵L2范数值直接在磁场矢量索引表和磁场梯度张量索引表中进行匹配定位和确认优化，得到最终的磁性标组合情形，确定该磁性标组合情形所对应的磁信标个数和信标位置信息。


2.根据权利要求1所述的一种基于数据库特征匹配的多磁性目标位置探测方法，其特征在于，步骤1进一步包括：
步骤1-1，设定目标区域：
以设定间隔D选取N个航迹点P＝{P1P2…Pi…PN}，其中，N≥3，且10≤(N-1)·D≤20，Pi表示第i个航迹点，即第i个测点，i＝1，2，...，N，P表示N个航迹点组成的向量；以处在中间位置的测点为中心，划定一个边长为L的正方形区域，所有可能出现磁性目标均在该正方形区域内；在该正方形区域内以d＝1的宽度划定网格，共有M个网格点，每个网格点都是磁偶极子潜在的位置；
步骤1-2，建立数据库：
设该正方形区域最多可能有K个磁性目标，磁性目标的磁矩均为[MxMyMz]，其中，Mx为磁性目标的磁矩在x方向上的分量，My为磁性目标的磁矩在y方向上的分量，Mz为磁性目标的磁矩在z方向上的分量；这些磁性目标可能出现在任意一个网格点上，但不能重叠；
设磁性目标有k个，k≤K，共有种不同的磁信标组合情形，计算每种情形下，每个航迹点位置处所产生的磁场矢量B和磁场梯度张量G：



其中，Bi为某种具体磁性标组合情形下、第i个磁性目标在某个航迹点处产生的磁场向量，Gi为某种具体磁性标组合情形下、第i个磁性目标在某个航迹点处产生的梯度，Bi的计算方法根据磁偶极子模型所得，如式(2)所示，Gi的计算方法如式(3)所示：






式中，Bx，i为第i个磁性目标在某个航迹点处产生的磁场Bi在x方向上的分量，By，i为第i个磁性目标在某个航迹点处产生的磁场Bi在y方向上的分量，Bz，i为第i个磁性目标在某个航迹点处产生的磁场Bi在z方向上的分量，(xyz0)为测点相对于第i个磁性目标的三维位置，r为测点与第i个磁性目标之间的距离，μ为介质磁导率，mx为第i个磁性目标的磁矩在x方向上的分量，my为第i个磁性目标的磁矩在y方向上的分量，mz为第i个磁性目标的磁矩在z方向上的分量；
gxx，i为第i个磁性目标在某个航迹点处产生的磁场向量Bx，i在x方向上的空间变化率，gxy，i为第i个磁性目标在某个航迹点处产生的磁场向量B...

【专利技术属性】
技术研发人员：林叶，常帅，付晓梅，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12