基于HLS工具的在线载体磁补偿方法技术

本发明专利技术公开了一种基于HLS工具的在线载体磁补偿方法，针对传统载体磁补偿求解系数存在病态性的问题，通过研究磁干扰的主要来源，忽略涡流场的影响，在原有的模型进行了简化，建立了三分量磁补偿模型，由此提出了磁场分量的在线载体补偿方法。同时利用FPGA的高层次综合(High

【技术实现步骤摘要】
基于HLS工具的在线载体磁补偿方法


[0001]本专利技术属于航磁探测
和磁补偿领域，具体涉及一种基于HLS工具的在线载体磁补偿方法。

技术介绍

[0002]磁异常探测是通过相关磁信号检测设备对引起异常磁信号的磁性目标进行探测和定位，其中应用较为广泛的航空磁探测技术则是通过安装在飞机上的磁探测装置来采集周围磁场强度，从而寻找与磁性相关的物质。二战初期该技术首次在军事领域发挥作用，后来逐步应用于勘探矿产资源、研究基础地质等方面。在航磁测量过程中，为了提高测量磁场数据的质量，需要提高磁传感器和干扰补偿的水平。航磁测量时，由于机动载体多由钢铁等磁性物质组成，铁磁性物质被地球磁场磁化后具有磁性，对磁探测造成一定的影响。载体的磁干扰主要包括硬磁材料的固有磁场和软磁材料产生的感应磁场以及由穿过载体的磁通量变化率产生的涡流磁场，并且感应磁场的大小和方向会随着载体的位置、姿态的变化而变化。载体干扰是无法避免的误差因素，干扰磁场的存在导致磁场测量值存在较大误差，从而不能正确的对探测地域做出正确的磁异常评估，降低了测量效率，所以载体磁补偿技术是磁异常探测领域的关键技术之一。
[0003]1950年Tolles和Lawson通过分析得出飞机载体平台的磁干扰与载体的运动有关并且将干扰表示成恒定场、感应场以及涡流场三种场强之和,并建立相关的数学模型——T
‑
L模型，用于计算载体干扰，实现载体补偿。影响载体补偿效果不只是载体自身的干扰，在实际长时间长距离的高精度飞行探测过程中，由于地磁梯度的存在，地磁场是随位置变化的，且其变化没有显著的规律性。地磁梯度不仅会影响感应场、涡流场的计算和补偿，也会直接作为一种动态信号叠加到总场信号中，对载体补偿精度产生影响。此外，磁日变是受到太阳活动的影响，地磁矢量场的强度和方向随着时间会呈现出一种没有规律性的连续变化。Williams提出用神经网络增加时间序列作为网络输入节点以实现对地磁场日变项的拟合(Williams P M.Aeromagnetic compensation using neural networks[J].Neural Computing&Applications,1993(1):207
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214.)，该方法只能实现在特定时间内的高精度补偿，而不具备长时间探测过程中的参数泛化能力。伍东凌等人利用遗传算法来实现补偿系数的求解(伍东凌，陈正想，王秀.基于遗传算法的磁干扰补偿方法[J].探测与控制学报,2012,34(6):16
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20.)，但是存在计算效率相对较低的问题。
[0004]基于总场模型的载体磁补偿大部分是建立在地磁场恒定的前提假设下，存在求解系数的病态性问题和忽略了地磁梯度影响。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对传统载体磁补偿求解系数存在病态性的问题，通过研究磁干扰的主要来源，忽略了涡流场的影响，对原有的模型进行了简化，建立了三分量磁补偿模型，提出了一种基于HLS工具的在线载体磁补偿方法。
[0006]实现本专利技术目的的技术解决方案为：第一方面，本专利技术提供一种基于HLS工具的在线载体磁补偿方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1，选取一磁场强度稳定且梯度小于设定阈值的空间区域，记录磁场初始总场值；
[0008]步骤2，根据T
‑
L载体补偿模型，由恒定场、感应场及涡流场磁场矢量叠加形成飞机载体平台的磁干扰；
[0009]步骤3，对飞机载体进行无磁化改装；
[0010]步骤4，记录载体匀速飞行过程中三轴磁强计的测量值以及地磁总场测量值；
[0011]步骤5，在进行载体磁补偿的过程中，实时获取地磁场矢量方向在载体坐标系下的三个方向余弦；
[0012]步骤6，利用HLS工具将在线载体磁补偿方法封装成一个IP核，利用FPGA调用该IP核实时求解出载体磁补偿系数，实现在线载体磁补偿。
[0013]第二方面，本专利技术提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现第一方面所述的方法的步骤。
[0014]第三方面，本专利技术提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现第一方面所述的方法的步骤。
[0015]与现有技术相比，本专利技术讨论了传统T
‑
L模型的磁干扰问题，在此基础上分析了载体磁场干扰的特性，对传统模型进行了简化，提出了基于矢量测量的在线载体磁补偿方法。本方法可以有效改善传统方法求解补偿系数时存在的病态性问题，提高补偿精度。最后利用HLS工具在硬件系统仿真实时性地更新载体补偿系数，相对于Verilog语言，其硬件算法精度更高，补偿效果更好。
附图说明
[0016]图1为传统方法和本方法的条件数对比仿真图。
[0017]图2为传统方法和本方法的补偿结果对比仿真图。
[0018]图3为HLS工具与Verilog语言补偿结果仿真图。
[0019]图4为HLS工具与Verilog语言补偿资消耗结果图。
具体实施方式
[0020]本专利技术提出一种基于高层次综合(High
‑
level Synthesis,HLS)工具的在线载体磁补偿方法，包括以下步骤：
[0021]步骤1，选取一磁场强度稳定且梯度较小的空间区域，记录磁场初始总场值为H
e
，分量为[H
ex
H
ey
H
ez
]T
。
[0022]其中，磁场强度稳定的空间区域是指在该区域内地磁总场大小波动范围在1nT内，地磁总场梯度范围为1nT/m内。
[0023]步骤2，根据T
‑
L载体补偿模型，恒定场相对于载体是静止不变的磁场；感应场是由载体自身的软磁性材料磁化所形成的磁场；涡流场由穿过载体的磁通量变化率所产生。由恒定场、感应场及涡流场磁场矢量叠加形成了飞机载体平台的磁干扰：
[0024][0025]其中H
per
、H
inc
、H
edd
分别为恒定场、感应场和涡流场在地磁场方向上的投影。
[0026]恒定场相对于飞机载体是恒定不变的，与地磁场大小及飞机机动无关，则可以直接将恒定场沿着载体坐标系三轴方向上进行分解，
[0027][0028]其中cosα，cosθ，分别为在载体坐标系的磁场三分量与地磁场夹角的余弦值，H
px
，H
py
，H
pz
则是恒定场在载体坐标系三轴的投影。
[0029]感应场是载体自身的部分软磁性材料受到地磁场的磁化而形成，且与地磁场的强度呈正比关系，并不与地磁场的方向一致。因此可以将感应场表示为载体软磁性材料沿着载体坐标系三轴方向磁化所产生的感应磁场之和，
[0030][0031]矩阵是感应场干扰系数，令
[0032本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于HLS工具的在线载体磁补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，选取一磁场强度稳定且梯度小于设定阈值的空间区域，记录磁场初始总场值；步骤2，根据T
‑
L载体补偿模型，由恒定场、感应场及涡流场磁场矢量叠加形成飞机载体平台的磁干扰；步骤3，对飞机载体进行无磁化改装；步骤4，记录载体匀速飞行过程中三轴磁强计的测量值以及地磁总场测量值；步骤5，在进行载体磁补偿的过程中，实时获取地磁场矢量方向在载体坐标系下的三个方向余弦；步骤6，利用HLS工具将在线载体磁补偿方法封装成一个IP核，利用FPGA调用该IP核实时求解出载体磁补偿系数，实现在线载体磁补偿。2.根据权利要求1所述的基于HLS工具的在线载体磁补偿方法，其特征在于，步骤1中所述磁场强度稳定的空间区域是指在该区域内地磁总场大小波动范围在1nT内。3.根据权利要求1所述的基于HLS工具的在线载体磁补偿方法，其特征在于，步骤1中的地磁总场梯度范围为1nT/m内。4.根据权利要求1所述的基于HLS工具的在线载体磁补偿方法，其特征在于，步骤1中的磁场初始总场值H
e
为光泵一段时间内测得数据的平均值。5.根据权利要求1所述的基于HLS工具的在线载体磁补偿方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：王雷，凌姐丫，王宏波，庄志洪，董笙雅，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：