一种磁探测浮标平台晃动噪声建模方法技术

本发明专利技术一种磁探测浮标平台晃动噪声建模方法，属于磁场探测技术领域；本发明专利技术首先建立姿态角模型，然后通过对大地和平台坐标系的转换矩阵的推导，将姿态角与磁场联系起来，建立浮标平台在不同海况下的浮标晃动相关磁场模型，为海上浮标平台下的磁探测提供有效支撑。为后续的晃动噪声抵消、磁目标检测奠定基础。本发明专利技术为各级海况下的浮标平台磁探测提供了理论支撑，用该发明专利技术模拟的2级海况下的浮标平台晃动相关磁场功率谱的中心频率在0.35Hz，对应的功率增益达到80dB，和实测的2级海况下的浮标平台磁场功率谱是一致的，说明了浮标晃动相关磁场模型的正确性；具体地，也为后续浮标平台磁测实验中消除该磁场噪声奠定基础。平台磁测实验中消除该磁场噪声奠定基础。平台磁测实验中消除该磁场噪声奠定基础。

【技术实现步骤摘要】
一种磁探测浮标平台晃动噪声建模方法


[0001]本专利技术属于磁场探测
，具体涉及一种磁探测浮标平台晃动噪声建模方法。

技术介绍

[0002]舰艇目标具有多种物理场，如声场、磁场和电场等，其中目标磁场是继声信号之外最大的暴露源，且磁场探测由于其不受水文条件限制、可跨界传播等优点而成为重要的技术手段。
[0003]磁场探测的平台有沉底设备、浮标或航空平台，在浮标或航空平台上，矢量磁传感器测得的是地磁场在x、y、z三分量上的投影，利用矢量磁传感器可以进行目标定位。由于海面波动或飞机机动引起探测平台上矢量磁传感器三轴姿态的变化(晃动)，使得地磁场在三个分量上的投影发生变化，从而产生晃动相关的磁场噪声，尤其当浮标在浅水工作时这种晃动会更加严重。晃动噪声与海况等级、海浪运动速度等有关。
[0004]现有技术中记载了建立沉底平台晃动的模型。沉底平台固定于海底一定点不断晃动，用双扭线描述这种运动在水平面上的投影：
[0005](x2+y2)2‑
2a2(x2+y2)＝0(1)
[0006]对于浮标平台晃动相关的磁场噪声，目前少有研究。现有技术仅仅描述了沉底设备的晃动轨迹模型以及浮标设备的姿态角模型，尚未提出浮标平台下晃动相关的磁场噪声的变化情况。
[0007]在复杂的海洋环境中，无时不在的海浪运动会给浮标平台带来晃动，安装在浮标上的矢量磁传感器随着平台晃动而使得其与大地坐标系发生旋转，进而造成测量的三个方向地磁场发生变化，即晃动相关磁场噪声，这将对微弱磁目标探测带来较大的干扰，为了后续浮标晃动相关磁噪声的抵消、浮标磁探测系统信号处理，急需建立浮标晃动相关磁场模型。目前关于磁场噪声与海况引起的浮标晃动相关磁场模型并未有人给出，这对研究晃动平台磁异常探测至关重要。

技术实现思路

[0008]要解决的技术问题：
[0009]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提供一种磁探测浮标平台晃动噪声建模方法，是一种基于海况参数、晃动相关磁场转换矩阵，从而建立浮标晃动相关磁场模型的方法，关键点是晃动相关磁场的转换矩阵和浮标晃动相关磁场模型。在姿态角模型基础上，通过对大地和平台坐标系的转换矩阵的推导，将姿态角与磁场联系起来，建立浮标平台在不同海况下的浮标晃动相关磁场模型，为海上浮标平台下的磁探测提供有效支撑。为后续的晃动噪声抵消、磁目标检测奠定基础。
[0010]本专利技术的技术方案是：一种磁探测浮标平台晃动噪声建模方法，其特征在于具体步骤如下：
[0011]步骤1：建立浮标姿态模型；
[0012][0013]其中，θ为浮标的姿态角，θ＝{偏航角α、横滚角β、俯仰角γ}；θ
k
为夹角θ对应于频率的波动振幅值；δ
θ
为夹角θ的波动因子；波动因子描述了夹角θ随海浪波动变化量的大小，不同的姿态角对应的波动因子和初相位不同，其中波动因子δ
θ
要根据实际海况确定，相位ε
k
为[0,2π]上均匀分布的随机变量，t表示浮标姿态角变化的时间，ω
k
为姿态角的角频率，k表示角频率的频率点数，M表示角频率的总点数；
[0014]步骤2：建立浮标晃动相关磁场模型；
[0015][0016]式中，α、β、γ为步骤1中的浮标姿态模型，依次对应偏航角模型、横滚角模型、俯仰角模型，R
α,β,γ
为晃动相关磁场转换矩阵。
[0017]本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤1中，波动振幅θ
k
表示为
[0018][0019]式中，θ为浮标的姿态角，θ
k
为夹角θ对应于频率的波动振幅值；S
p
(ω)为浅水区海浪谱，将海浪谱覆盖的频段作n等分，Δω为每段频带的宽度。
[0020]本专利技术的进一步技术方案是：所述浅水区海浪谱S
p
(ω)通过下式计算
[0021][0022]式中，为海浪的平均波高，为海浪的平均周期，λ为与平均周期和海深相对应的波长，d为水深，ω0为表面波谱卓越周期所对应的圆周率，ω为海浪波动的频率，S
p
为海浪谱；
[0023][0024]每段频带的宽度表示为
[0025][0026]式中，ω0为表面波谱卓越周期所对应的圆周率，n为海浪谱覆盖的频段的等分数，Δω为每段频带的宽度。
[0027]本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤2中，R
α,β,γ
晃动相关磁场转换矩阵即为浮标平台坐标系到大地坐标系的转换矩阵L，
[0028][0029]本专利技术的进一步技术方案是：假设静止目标在大地坐标系下的磁场值为(B
x
,B
y
,B
z
)，在浮标平台坐标系下的测量值为(B
x
',B
y
',B
z
')，转换关系如下：
[0030][0031]有益效果
[0032]本专利技术的有益效果在于：在实际浮标式磁测量平台下，很难从数据中直接提取有效的目标信息，晃动相关磁场噪声是测量噪声中的主要部分，本专利技术基于步骤2中提出的晃动相关磁场转换矩阵模拟了浮标测量平台下的晃动相关磁场。
[0033]高海况下的海上实验是十分困难的，尤其是当海况等级超过了5级后很难正常进行海上实验并获取有效的浮标平台数据，该专利技术为各级海况下的浮标平台磁探测提供了理论支撑，用该专利技术模拟的2级海况下的浮标平台晃动相关磁场功率谱的中心频率在0.35Hz，对应的功率增益达到80dB，和实测的2级海况下的浮标平台磁场功率谱是一致的，说明了浮标晃动相关磁场模型的正确性；具体地，也为后续浮标平台磁测实验中消除该磁场噪声奠定基础。
附图说明
[0034]图1海浪谱模型；
[0035]图2横滚角模型；
[0036]图3俯仰角模型；
[0037]图4偏航角模型；
[0038]图5模拟2级海况浮标姿态角功率谱；
[0039]图6实测浮标姿态角功率谱；
[0040]图7大地与平台坐标系；
[0041]图8浮标晃动相关磁场建模流程图；
[0042]图9三维权向量自适应滤波器；
[0043]图10浮标Z轴磁场自适应抵消；
[0044]图11浮标晃动相关磁场模型；
[0045]图12浮标晃动相关磁场功率谱；
[0046]图13实测浮标晃动相关磁场；
[0047]图14实测浮标晃动相关磁场功率谱。
具体实施方式
[0048]下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。
[0049]本实施例一种磁探测浮标平台晃动噪声建模方法，具体步骤如下：
[0050]步骤1：浮标姿态模型
[0051]平稳海况下的海浪可以视为平稳的具有各态历经性的随机过程，波动可看作是由无限多个振幅不等、初相位不等，并沿在x、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁探测浮标平台晃动噪声建模方法，其特征在于具体步骤如下：步骤1：建立浮标姿态模型；其中，θ为浮标的姿态角，θ＝{偏航角α、横滚角β、俯仰角γ}；θ
k
为夹角θ对应于频率的波动振幅值；δ
θ
为夹角θ的波动因子；波动因子描述了夹角θ随海浪波动变化量的大小，不同的姿态角对应的波动因子和初相位不同，其中波动因子δ
θ
要根据实际海况确定，相位ε
k
为[0,2π]上均匀分布的随机变量，t表示浮标姿态角变化的时间，ω
k
为姿态角的角频率，k表示角频率的频率点数，M表示角频率的总点数；步骤2：建立浮标晃动相关磁场模型；式中，α、β、γ为步骤1中的浮标姿态模型，依次对应偏航角模型、横滚角模型、俯仰角模型，R
α,β,γ
为晃动相关磁场转换矩阵。2.根据权利要求1所述一种磁探测浮标平台晃动噪声建模方法，其特征在于：所述步骤1中，波动振幅θ
k
表示为：式中，θ为浮标的姿态角，θ
k
为夹角θ对应于频率的波动振幅值；S
p
(ω)为浅水区海浪谱，将海浪谱覆盖的频段...

【专利技术属性】
技术研发人员：任华杰，马艳，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：