一种基于地磁总场垂向差值的磁性目标体定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于地磁总场垂向差值的磁性目标体定位方法，利用旋翼无人机搭载惯导系统和垂直分布的两个光泵磁力仪，在沿测线飞行时同时测得包含磁异常的地磁总场数据和无人机的实时位置数据。将磁性目标视为静止的磁偶极子，以初始位置的两光泵中心作为坐标原点，用磁目标的磁矩、位置坐标、已知的地磁倾角和地磁偏角以及两光泵的实时位置坐标分别表示磁目标在两光泵位置处产生的磁异常场。利用两光泵测量值计算测线各点的地磁总场垂向差值，与磁目标在两光泵处产生的磁异常差值联合构建目标函数，使用布谷鸟寻优算法对磁目标位置进行估计。本发明专利技术将传感器数量减少到两个，充分利用了测线上各测点数据，实现了对磁目标的精确定位。的精确定位。的精确定位。

【技术实现步骤摘要】
一种基于地磁总场垂向差值的磁性目标体定位方法


[0001]本专利技术属于地下磁性目标体定位领域，特别是指一种基于地磁总场垂向差值的磁性目标体定位方法。

技术介绍

[0002]磁探测技术作为地磁场研究的一大最重要组成，在能源勘探、水下管道定位、沉船抢救、反潜以及未爆炸物探测等领域发挥着重要作用。在上述应用中，确定目标的位置和大小时进行下一步操作的关键。随着磁探测设备和技术的发展，使得获得高精度的磁异常数据成为可能。因此，研究如何利用磁测技术实现对目标的追踪与定位具有重要的学术意义和应用价值。
[0003]磁测技术使用的磁力仪分为矢量磁力仪和标量磁力仪，矢量磁力仪主要包括磁通门磁力仪和MEMS磁力仪，安装时三轴需要严格校正，使用时需要严格测量磁力仪的姿态信息。
[0004]总场磁力仪采用总场光泵磁力仪，其分辨率和精度更高，对磁性目标体探测距离更远，工作姿态方面只要避开死去角度即可。因此总场磁力仪测量目标位置具有定位精度高，定位距离远，方便可靠的优点。但是，现在有的总场定位方法，通常采用至少四台光泵磁力仪构成测量阵列，两两之间的测量轴线需要严格垂直，严苛的安装操作要求以及过多的磁力仪数量严重限制了其应用，同时过多的磁力仪会引入更为复杂的传感器噪声，对目标定位精度产生影响。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种基于地磁总场垂向差值的磁性目标体定位方法，解决现有此目标定位方法的局限性，尤其是现有方法采用光泵磁力仪阵列导致安装操作复杂，数据处理量大，定位精度低等问题。
[0006]本专利技术是这样实现的，
[0007]一种基于地磁总场垂向差值的磁性目标体定位方法，该方法包括：
[0008]航磁测量系统配备有两个光泵磁力仪布置在垂直方向，惯导系统安装在总场磁力仪轴线上方，以航磁测量系统初始位置处两个光泵磁力仪轴线的中心点作为系统坐标系原点，航磁测量系统沿测线运动方向为X轴正方向，垂直向下为Z轴正方向，根据右手定则，Y轴正方向为垂直xoy平面向右，测线上每个测点的坐标由定位系统获得，根据光泵磁力仪到定位系统的距离，确定两个光泵磁力仪的实时位置坐标；
[0009]将磁性目标体视为静止的磁偶极子，以初始位置的两光泵磁力仪中心作为坐标原点，用磁性目标体的磁矩、位置坐标、已知的地磁倾角和地磁偏角以及两光泵磁力仪的实时位置坐标分别表示磁性目标体在两光泵光泵磁力仪位置处产生的磁异常场；
[0010]根据两光泵磁力仪的测量值计算测线各点的地磁总场垂向差值，与磁性目标体在两光泵磁力仪处产生的磁异常差值联合构建目标函数，利用布谷鸟搜索算法最小化目标函
数，获得磁性目标体的位置坐标和磁矩模值。
[0011]进一步地，磁性目标体在两光泵磁力仪处产生的磁异常差值的计算过程包括：
[0012]假设磁性目标体在测线的一侧，其位置坐标表示为(x
s
,y
s
,z
s
),在距离磁性目标体R处，磁性目标体产生的磁异常场为：
[0013][0014]式中是磁性目标体到测点的距离，M＝[M
x
,M
y
,M
z
]′
是磁性目标体的磁矩矢量，μ0＝4π
×
10
‑7为真空磁导率，R＝[x
s
‑
x,y
s
‑
y,z
s
‑
z]′
是磁性目标体到测点(x
s
,y
s
,z
s
)的距离矢量；
[0015]求取磁异常场B
a
在地磁场方向上的投影ΔB为：
[0016][0017]式中u为地磁场方向的单位矢量，|M|为磁性目标体磁矩的模值；
[0018]两个光泵磁力仪的位置坐标分别为(x
s1
,y
s1
,z
s1
)、(x
s1
,y
s1
,z
s1
)，则计算磁性目标体在光泵磁力仪处产生的磁异常场在地磁场方向上的投影分别为：
[0019][0020][0021]式中R1、R2分别为磁性目标体到第一光泵磁力仪和第二光泵磁力仪的距离；
[0022]计算磁性目标体在两个光泵磁力仪处产生的磁异常在地磁场方向上的投影的差值为：
[0023]ΔB
a,12
|
Theory
＝ΔB
a1
‑
ΔB
a2
。
[0024]进一步地，根据两光泵磁力仪的测量值计算测线各点的地磁总场垂向差值，包括：
[0025]两个光泵磁磁力仪测得的数据分别表示为：
[0026]B
d1
＝B
a
+B
b
+ΔB
a1 B
d2
＝B
a
+B
b
+ΔB
a2
[0027]将连两个光泵测量值相减消除磁日变以及地磁场空间不均匀性的影响，即：
[0028]ΔB
d,12
|
Mensure
＝B
d1
‑
B
d1
＝ΔB
a1
‑
ΔB
a2
。
[0029]进一步地，构建目标函数为：
[0030]其中，表示第i个ΔBd
,12
|
Mensure
，表示第i个ΔB
a,12
|
Theory
。
[0031]进一步地，利用布谷鸟搜索算法最小化目标函数，获得磁性目标体的位置坐标和磁矩模值，包括：
[0032]将所求磁性目标体的四个参数定义为一个4维变量的鸟巢，所述四个参数为位置坐标(x,y,z)以及磁矩的模值|M|，设置种群规模n，初始化群体，随机产生个鸟巢的初始位置；
[0033]根据目标函数确定每个鸟巢的适应度值，选择适应度值最优的鸟巢为全局最优鸟
巢位置对下一代鸟巢位置进行更新；
[0034]计算目标函数的适应度值，如果该值优于上一代的目标函数，则更新鸟巢位置，否则保持原来位置不变；
[0035]通过位置更新后，用随机产生的服从0到1均匀分布的随机数值R与鸟巢主任发现外来鸟蛋的概率pa相比较，若R>pa，则对进行随机改变，反之则不变，最后保留适应度值最优的一组鸟巢位置，记为根据如下公式更新下一代鸟巢位置
[0036][0037]式中表示第i，i＝1,2,3,
…
,n个鸟巢在第t代的位置，表示点对点乘法，α表示步长控制量，用来控制步长大小，通常情况下，α取1，levy(λ)为Levy随机搜索路径，属于随机行走，采用莱维飞行机制，其行走的步长满足一个重尾的稳定分布，而随机步长为Levy分布：<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于地磁总场垂向差值的磁性目标体定位方法，其特征在于，该方法包括：航磁测量系统配备有两个光泵磁力仪布置在垂直方向，惯导系统安装在总场磁力仪轴线上方，以航磁测量系统初始位置处两个光泵磁力仪轴线的中心点作为系统坐标系原点，航磁测量系统沿测线运动方向为X轴正方向，垂直向下为Z轴正方向，根据右手定则，Y轴正方向为垂直xoy平面向右，测线上每个测点的坐标由定位系统获得，根据光泵磁力仪到定位系统的距离，确定两个光泵磁力仪的实时位置坐标；将磁性目标体视为静止的磁偶极子，以初始位置的两光泵磁力仪中心作为坐标原点，用磁性目标体的磁矩、位置坐标、已知的地磁倾角和地磁偏角以及两光泵磁力仪的实时位置坐标分别表示磁性目标体在两光泵光泵磁力仪位置处产生的磁异常场；根据两光泵磁力仪的测量值计算测线各点的地磁总场垂向差值，与磁性目标体在两光泵磁力仪处产生的磁异常差值联合构建目标函数，利用布谷鸟搜索算法最小化目标函数，获得磁性目标体的位置坐标和磁矩模值。2.按照权利要求1所述的基于地磁总场垂向差值的磁性目标体定位方法，其特征在于，磁性目标体在两光泵磁力仪处产生的磁异常差值的计算过程包括：假设磁性目标体在测线的一侧，其位置坐标表示为(x
s
,y
s
,z
s
),在距离磁性目标体R处，磁性目标体产生的磁异常场为：式中是磁性目标体到测点的距离，M＝[M
x
,M
y
,M
z
]
′
是磁性目标体的磁矩矢量，μ0＝4π
×
10
‑7为真空磁导率，R＝[x
s
‑
x，y
s
‑
y，z
s
‑
z]
′
是磁性目标体到测点(x
s
，y
s
，z
s
)的距离矢量；求取磁异常场B
a
在地磁场方向上的投影ΔB为：式中u为地磁场方向的单位矢量，|M|为磁性目标体磁矩的模值；两个光泵磁力仪的位置坐标分别为(x
s1
，y
s1
，z
s1
)、(x
s1
，y
s1
，z
s1
)，则计算磁性目标体在光泵磁力仪处产生的磁异常场在地磁场方向上的投影分别为：光泵磁力仪处产生的磁异常场在地磁场方向上的投影分别为：
式中R1、R2分别为磁性目标体到第一光泵磁力仪和第二光泵磁力仪的距离；计算磁性目标体在两个光泵磁力仪处产生的磁异常在地磁场方向上的投影的差值为：ΔB
a，12
|
...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵静，曹文亮，林君，刘生威，邹随安，岳良广，王一，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：