基于磁偶极子的磁场梯度张量局部缩并及试验验证

基于磁偶极子的磁场梯度张量缩并理论虽然可较好地描述磁源,不受测量系统的朝向的影响,但在实际的磁场梯度张量测量中通常仅可测得部分磁场梯度参数,没有获得磁场梯度张量中的所有张量分量,如何有效利用这些部分磁场梯度参量,已成为目前磁场梯度张量缩并理论及在磁场定位的应用中亟需解决的问题。基于磁偶极子理论提出磁场梯度张量局部缩并的方法,给出磁场梯度张量的局部模量的概念,分析了磁场梯度张量的局部模量及相关参数的三维空间分布规律,结果表明:局部模量CXY及kXY值随着g先增大后减小,在g=39°时取最大值,在g=90°时取最小值;局部模量C_Z及k_Z值随着g先减小后增大,在g=63°时取最小值,在g=0°时取最大值。提出磁场梯度张量局部模量中重要参数的近似计算公式,并通过试验进行验证。试验结果表明,试验值与理论计算值基本一致,可为磁场梯度张量局部缩并理论的应用提供依据和参考。

基于磁偶极子的磁场梯度张量缩并的试验验证及相关参数确定

近十年发展起来的基于磁偶极子的磁场梯度张量缩并理论虽然可较好地描述磁源,不受测量系统的朝向的影响,但其理论尚不够完善,磁场梯度张量的模量的空间分布规律及相关参数的取值尚不明确。为解决此问题,对基于磁偶极子的磁场梯度张量的模量及参数k的三维空间分布特性进行理论分析,结果表明其空间分布均为椭球状。对参数k与角度θ的关系提出显式的近似计算公式,假设检验表明,提出的拟合公式与理论值高度吻合。采用基于电流脉冲的步进电机角度控制系统和三维磁传感器设计试验系统,对磁场梯度张量的模量的空间分布特性和参数k的拟合公式进行验证,试验结果表明,理论值与试验值基本一致,可为磁场梯度张量缩并理论的应用提供依据和参考。

基于磁场梯度张量缩并的岩石断层剪切滑移监测方法

现有的岩石断层剪切滑移监测方法不易直接测量沿剪切滑移方向的变形,仪器布设较繁琐,且无法监测岩石断层剪切滑移的中后期变形。基于磁场定位理论,采用磁性物质制作磁性智能石头,在岩石断层两侧的岩体分别布设磁性智能石头和磁传感探头,构建岩石断层剪切滑移大变形监测系统。基于磁场梯度张量缩并定位对磁性智能石头进行跟踪,实现岩石断层剪切滑移的中后期大变形监测。根据磁传感探头的精度和地球磁场梯度的影响,通过三维磁感应强度和磁场梯度的分析,其有效监测距离最大值为35 m,理论误差随着变形值与监测距离的比值、断层厚度与监测距离的比值的增大而增大。在岩石断层剪切滑移大变形监测的模拟试验中,在断层厚度为0.5～1.0 m、监测距离为5 m的情况下,变形监测的相对误差最大约为2%,可为磁测在岩石断层剪切滑移大变形监测的进一步研究和应用提供参考。

基于磁场梯度张量的拉索断丝监测方法

针对目前兴起的拉索损伤磁记忆检测方法易受环境干扰磁场影响的问题,该研究基于磁场梯度张量和磁荷面积分理论研究温室拉索断丝监测方法,推导拉索钢丝的磁场梯度计算公式,提出拉索断丝位置和断丝数量的判定方法,并采用磁场试验进行对比验证。为了验证试验的可重复性,对于每一种测试工况均设定了2组试验。理论计算表明,3个方向的磁感应强度沿拉索长度方向的磁场梯度(Bxz,Byz和Bzz)曲线均在断丝位置(500 mm)出现突变,一束拉索中断丝2根与断丝1根时3个磁场梯度曲线突变处包围的面积的比值的平均值约为2。磁场试验结果表明,断丝位置为496 mm,与实际断丝位置(500mm)的误差为0.8%,通过2次测量,一束拉索中断丝2根与断丝1根时3个磁场梯度曲线突变处包围的面积的比值的平均值约为2。2次测量结果的差别极小,验证了试验的可重复性和可靠性。实际工程中,取3个磁场梯度判断的断丝数量的平均值,可以有效减小三轴磁传感器探头位置带来的误差。该研究为拉索断丝监测提供了理论依据,且有效排除了环境磁场干扰。

基于磁偶极子的2阶磁场梯度张量缩并方法

针对磁场定位中2阶磁场梯度张量的理论尚不够完善的现状,提出基于磁偶极子的2阶磁场梯度张量缩并方法。给出2阶磁场梯度张量的全局模量和局部模量计算公式,分析2阶磁场梯度张量的全局模量和局部模量及相关参数的三维空间分布规律,并给出相关参数k_(H)、k_(Hxy)和k_(Hz)的近似计算公式,比较1阶磁场梯度张量和2阶磁场梯度张量及其模量的分布规律及与距离的关系。计算结果表明:全局模量C_(H)及参数k_(H)值在0°≤≤90°时,随着增大而减小,在=0°时最大,在=90°时最小;局部模量C_(Hxy)和参数k_(Hxy)值在0°≤≤90°时,随先增加、后减少,当=35°时最大,当=90°时最小;局部模量C_(Hz)和参数k_(Hz)随先减少、后增加,当=0°时最大,当=71°时最小;k_(H)、k_(Hxy)和k_(Hz)的拟合值与理论反演值高度吻合;在距离较近时,2阶磁场梯度张量及模量更敏感;在距离较远时,1阶磁场梯度张量及模量更敏感;在实际磁场定位的应用中,可结合1阶和2阶磁场梯度张量及全局模量进行使用。

基于矢量磁强计的磁场梯度张量仪误差校正方法

卫星在轨运行时,本体会产生一定的磁干扰,一般通过伸杆将传感器远离卫星本体安装,或者通过多个磁场传感器测量磁场梯度的方法来消除卫星本体的磁干扰.使用磁场梯度张量仪测量磁场梯度时,张量仪本身的构型会给测量带来误差.通过对5种主要的张量仪构型进行误差仿真,对比5种构型的张量测量误差,发现十字形构型张量仪的测量误差最小.除了构型带来的误差,张量仪的主要测量误差还包括组成张量仪的三轴磁强计本身的误差和非对准误差.本文使用椭球拟合算法对磁强计本身的误差进行校正,校正后磁强计测量总场的均方根误差为0.864nT.针对张量仪的非对准误差,提出了正交系间非对准误差的校正方法.仿真结果表明,校正后的非对准角度误差≤3.2×10^-5 rad,能够很好地降低张量仪的非对准误差.

磁场梯度张量在磁性椭球体跟踪中的应用

针对磁性椭球体的跟踪问题具有高度非线性的特点,将磁性椭球体跟踪问题归结为动态系统的贝叶斯估计问题,提出了利用磁场梯度张量信息的递归方法来估计其运动轨迹和磁矩参数;并在此基础上应用高斯混合采样粒子滤波算法实现了目标跟踪.使用模拟磁性椭球体进行仿真实验,结果表明:提出的跟踪方法解决了磁性椭球体跟踪问题,且高斯混合采样粒子滤波算法相比其他算法有更好的性能和更小的计算量.

磁场梯度张量定位中的矢量磁力计最简配置

基于载体潜深/地磁异常水下定位方法,分析了地磁异常磁场梯度张量的特点,得出矢量磁力计的最简配置为7单轴.分析了7磁力计测量磁场梯度的必备条件和最优测量矩阵,提出了一种安装于立方体顶点的7磁力计配置.数值仿真给出了磁场梯度与载体定位相对误差同立方体边长间的关系,结果表明这些误差随边长加大而快速增长.在分析磁场梯度误差形成原因的基础上,指出精确测量磁场梯度张量须采用10单轴配置,仿真结果表明在10单轴配置方式中磁场梯度和定位误差都很小.

基于磁场梯度张量的斜拉桥拉索断丝监测方法

为研究斜拉桥拉索断丝位置及数量的监测方法,排除环境磁场的干扰,提出基于磁场梯度张量的斜拉桥拉索断丝监测方法。研制拉索断丝监测试验装置,包括磁场传感系统和运动控制系统,运动控制装置采用铝合金、铜连接件等非磁性材料装配,极大程度上消除试验装置中的磁场干扰。分析单根钢丝及整束拉索钢丝断丝前后的磁感应强度、磁场梯度及局部模量等磁场特征的变化规律,研究整束拉索的磁场梯度及局部模量与断丝数量的关系。试验结果表明:对于单根钢丝,环境的磁感应强度与钢丝的比值为98.47%~157.76%,环境磁感应强度的影响不可忽略。环境的磁场梯度及局部模量与单根钢丝的比值为3.34%~6.67%,远小于钢丝自身的磁场梯度及局部模量,可忽略不计。单根钢丝及整束拉索钢丝出现断丝时,磁场梯度及局部模量的曲线在断丝处发生突变,出现波峰和波谷等。断丝数量与波峰(或波谷)的深度、宽度及曲线突变处包围的面积等特征参数相关。通过磁场特征参数测得断丝位置在300.75 mm,与实际断丝位置300 mm相比,误差为0.25%;相较于1根断丝,2根断丝时波峰(或波谷)的深度平均值与其比值为1.82;波峰(或波谷)的宽度平均值与其比值为1.07;突变处包围的面积平均值与其比值为1.95。突变处包围的面积作为断丝数量的评估指标更为有效。

基于SQUID梯度计的单磁源定位及磁矩反演误差分析

磁源定位及磁矩反演技术在空间探测、无损检测以及目标追踪等领域有着广泛的应用前景。利用磁场梯度张量信息进行磁源定位及磁矩反演的思想是在1975年首次提出的,2006年提出的磁性目标线性方程定位方法以其快速准确求解的特点而备受关注。但是,对于该梯度张量矩阵求逆法进行磁源定位的全方位的误差分析仍有待完善。在简要回顾梯度张量矩阵求逆法进行磁源定位的方法的基础上,提出了一种基于该方法的系统误差和随机误差分析的理论;研究结果表明定位误差是由于将差分近似为微分而引起的系统误差和传感器测量的随机误差构成。以目前具有超高精度、超高灵敏度的超导量子干涉仪作为典型磁场测量传感器,分析了梯度张量矩阵求逆法进行磁源定位及磁矩反演误差与传感器分辨率和相对误差水平之间的关系。

车辆磁场跟踪问题的几种非线性滤波方案研究

概述了车辆的磁场跟踪方案,并说明了在这些方案中运用非线性滤波算法的优点以及存在的问题。描述使用非线性滤波算法的"双传感器"方案和梯度计方案的原理和模型,并提出了一种Euler反演法与Kalman算法结合的梯度张量方案。使用了非线性滤波的Cramer-Rao下限分析并比较了这几种方案的性能。最后给出了方案的仿真结果。这几种方案均能实现对车辆的跟踪,其中梯度张量方案在磁矩估计上有明显的性能优势。

基于金属磁记忆信号垂向特征分析的损伤状态识别

金属磁记忆是一种可对铁磁材料早期微观损伤进行有效诊断的无损检测技术。为消除磁记忆信号不确定影响因素,提高损伤状态识别的准确率,引入了磁梯度张量和磁场垂向特征分析方法。首先,利用磁梯度张量测量方法获取磁场完整的变化信息,为克服检测方向选取对检测信号的影响,利用磁场不变特征量-总梯度模量来判断损伤及损伤区的边界位置;然后,通过测量不同高度下总梯度模量的平面分布,得到总梯度模量的垂向分布特征;最后,分析了不同损伤的边界处总梯度模量的垂向分布特征差异。理论分析和实验结果表明,在提离高度逐渐增大过程中,裂纹边界处的磁梯度张量振幅的衰减速度和幅度远大于应力集中作用的结果,根据磁记忆信号的垂向特征,可有效地识别损伤状态。

基于欧拉方法的多磁偶极子分辨技术

文章首次将欧拉反演方法应用于航天器内部多磁偶极子的分辨,通过测量航天器外围磁场及其梯度张量数据,采用欧拉反演算法来计算航天器内部主要磁性部组件的位置和磁矩参数。根据磁场梯度张量数据的测量特点,采取了网格式数据采集方式;然后推导了多点联合反演的欧拉方程组,并提出了一种在所有反演解中快速准确寻找最优解的方法;在此基础上利用遗传算法对反演最优解进行了优化。优化后的分辨结果表明:在小范围、多层次磁源分辨方面,计算出的磁源磁矩参数较为准确,且磁源位置最高分辨率优于0.01m。