基于工频电磁场的铁磁性目标探测方法研究

由于科学技术的快速发展,世界各国建立了分布广泛的高压输电网络,可向周围空间发射稳定的50/60Hz电磁场,频段电磁波受海洋等传播媒质的衰减作用非常小,工频电磁场可穿透海水并作用于铁磁性目标,利用工频电磁场与水下铁磁性目标相互作用引起的局部工频电磁异常可用于目标的探测。现研究了工频电磁场的产生与空间分布,分析了工频电磁场与铁磁性目标相互作用机理,提出了利用工频电磁场探测水下铁磁性目标的研究方法,构建了输电线路产生工频电磁场对水下铁磁性目标相互作用模型,评估了探测水下铁磁性目标的可行性。同时研究了铁磁性目标的集肤效应,表明当工频电磁场遇到铁磁性目标时可在表面聚集,产生较为强烈的工频异常信号。结果表明,工频电磁场与铁磁性目标相互作用后可产生明显的局部工频电磁场异常信号,为后续工频电磁场探测水下目标提供了理论基础。

MGTS单航线测量用于磁性目标模式识别

磁梯度张量系统(MGTS)二维平面网格测量常用于磁性目标识别,但其测量难度大、采集效率低、仪器精度要求高,为此提出一种基于MGTS单航线测量的磁性目标模式识别方法。首先,对磁梯度张量分量、特征值、不变量等15个属性量进行磁化方向敏感程度分析,其中对磁化方向较敏感特征量用以识别目标姿态,而不敏感特征量用以识别目标形状;然后,进行MGTS单航线测量,提取测量特征量的时域信号波形特征参数,并设置相应类别标签,主成分分析(PCA)降维方法用以实现特征可视化并确定最佳特征维数;最后,利用麻雀搜索算法优化的核极限学习机(SSA-KELM)对航线测量样本数据进行训练和测试,最终实现磁性目标的模式识别。仿真中对磁偶极子的不同磁化方向类别和球体、长方体和圆柱体等几何体的不同形状类别的识别精度均达到100%;实验中针对3种形状磁铁及其3类姿态共测量了180条学习航线,在6:4的训练测试比下,磁铁姿态和形状识别结果完全准确。

应用改进欧拉算法解算磁性目标空间位置参数

指出目前磁性目标探测中常规欧拉方法存在的局限性,提出在欧拉窗口内视地磁场和其他目标干扰异常联合影响为线性变化,将构造指数作为动态变化参数代入欧拉方程一并求解,并利用多元线性回归方法解决了欧拉方程非线性问题。在质量控制方案中,根据构造指数和目标深度变化规律,给出离散欧拉解滤波措施;采用层次聚类分析方法对滤波后欧拉解进行分类。通过实测数据验证表明:给定相关阈值参数后,实现欧拉方法全自动反演,磁性目标空间位置参数具有很高解算精度,噪声对目标平面位置解算结果基本上没有影响,但对深度解算结果存在一定影响。

磁性目标定位误差分析及修正

磁性目标定位方法在很多领域都有重要的应用价值,如航空磁性探测,地下矿产检测等。当磁传感器与磁性目标的距离足够远时,磁性目标可以等效成磁偶极子,通过磁传感器测量磁场值和磁场梯度值,依据算法得出定位结果,并对定位误差进行了分析,主要是系统误差和随机误差的分析。通过对传感器间距(即基线距离)引起的误差进行分析,提出使用迭代校正方法对误差进行修正,对于磁矩强度为2 Am^2的磁偶极子,在70 cm范围内不同基线距离的梯度传感器通过迭代校正方法可以将误差由10%以上降低到5%以下;通过对磁性目标磁矩方向引起的误差进行分析,提出使用广义逆矩阵法来消除磁矩方向变化引起的盲区问题,由此可以实现无盲区的探测。

水下磁性目标探测中磁异常分量换算方法

为了更加准确地判断水下磁性目标空间位置及形态,有必要研究由磁场标量信息向矢量信息换算的方法。根据总强度磁异常与磁异常分量傅里叶变换后的频率域关系,推导由总强度磁异常向磁异常分量换算的公式。利用获取的总强度磁异常,结合测区地磁场方向信息,即可实现标量场向矢量场换算。采用小尺度与大尺度球体以及直立长方体磁场模型对提出方法进行验证,结论表明:换算后垂直分量与理论值存在较小偏差,而水平两个分量与理论值基本吻合;无论剖面测线是否经过磁性目标中心在水平面的投影点,换算的磁异常分量精度差异微小;同时,较小的地磁场方向偏差不会给分量换算精度带来很大影响。

运动平台的磁性目标实时定位方法

针对目前基于运动平台的磁性目标定位方法计算过程复杂、实时性差的问题,通过对单点磁梯度张量定位算法的空间微分推导,提出了基于磁场三阶张量的目标定位算法,并通过研究运动平台磁梯度张量与磁场三阶张量的微分数学关系,提出了基于运动平台的磁性目标实时定位方法。该方法可利用运动平台的磁梯度张量观测值实时定位静止磁性目标,不需要求解非线性方程组,计算过程简单,实时性强。最后通过仿真实验证明了该定位算法的有效性,并验证了磁力仪精度和系统基线是影响定位结果的主要因素。

基于运动标量磁强计的磁性目标定位问题研究

本文对基于单个运动标量磁强计和基于两个运动标量磁强计的磁定位问题分别进行了详细研究 ,指出用单个运动标量磁强计不能完全确定出目标的位置参数 ,并给出了一种通用的磁定位方法 .该方法先用改进的进化策略方法得到粗值 ,然后用单纯形法获得精确值 .仿真结果表明该方法是切实有效的 ,而且定位范围大 ;由于它不需要事先假定磁性目标的磁矩已知 ,因而是实用的 .另外 ,对该方法稍做修改后 ,还可将其直接用到基于矢量磁强计的磁定位问题中 .

基于磁性目标磁场模型的在线磁定位研究

在磁性目标运动参数未知、磁探头存在姿态角的情况下,使用单个三轴磁探头的在线测量数据,利用遗传算法良好的全局搜索能力,基于单旋转椭球体模型对磁性目标进行定位计算,以解的稳定性判断代替定位解正确与否的在线判断,完整实现了一种在线磁定位算法,计算结果表明定位准确、判断可靠.

初值自适应的磁性目标跟踪方法

针对在初始先验信息缺失时磁性目标滤波跟踪方法发散问题进行研究,本文提出了一种多初值模型的解决框架,并以平方根形式的中心差分卡尔曼滤波器(Square-Root Central Difference Kalman Filter,SRCDKF)为例,结合多初值模型得到了SRCDKF自适应磁性目标跟踪算法.文章首先根据远距离磁偶极子的磁场等效性,建立了多初值滤波跟踪模型,然后基于最大似然选择理论推导了如何从多模型中选择最佳结果,即多初值模型的选择方法,最后以SRCDKF滤波器为滤波单元,得到了基于SRCDKF的自适应磁性目标跟踪算法.经过仿真试验表明:(1)多初值模型建立和选择方法的有效性;(2)基于SRCDKF的自适应磁性目标跟踪算法,在初始位置信息缺失的情况下,能够有效完成对磁性目标的跟踪;(3)以不同滤波器为滤波单元的自适应跟踪算法跟踪试验结果表明,多初值模型的解决框架可解决初值先验未知下的跟踪问题.

基于水下运动平台的磁性目标跟踪与特征反演

传统的磁梯度张量定位方法大多基于单磁偶极子模型,对具有一定尺度的目标存在定位精度不足的问题,而且易受环境噪声以及测量精度的影响,尤其是在偶极子特征平面上,微小的扰动或者观测精度不足就会导致定位结果发生较大的偏差。针对上述问题,基于多个偶极子的组合模型,结合具有鲁棒性的无迹卡尔曼滤波算法,提出一种针对尺度磁性目标的磁梯度跟踪方法。该方法能够有效提高磁性尺度目标的定位精度,特别当出现异常观测时仍然可以准确定位目标。以水雷或者水下未爆弹等目标的识别为例,根据鲁棒无迹卡尔曼算法得到的偶极子分布状态,结合主成分分析算法的数学含义,设计了一种可以准确反演目标的主尺度特征以及结构特征的目标尺度反演算法。该算法可识别目标主尺度为线结构或者面结构,对目标主尺度反演误差小于0.3 m,对目标主尺度方向的反演误差小于2°,可为目标种类判别提供参考。

一种基于神经网络的磁性目标定位方法

磁性目标定位问题可归结为一类非线性规划问题的求解 .该问题的最大特点就是其目标函数的计算过程极为繁琐 .而目标函数计算的快慢对磁定位的实时性有很大影响 .在详细研究了目标函数之后 ,给出了目标函数的一种神经网络结构实现 .由于该网络结构易于并行计算和VLSI实现 ,从而可使磁定位的实时性得到改善 .

基于AUV晃动平台的水下磁性目标定位

针对传统磁梯度张量方法定位精度易受运动载体平台晃动影响的问题,本文提出了一种基于十字形磁梯度张量系统结构的磁梯度张量特征值不变量定位方法,该算法有效了克服载体平台晃动对定位精度带来的影响,并进一步分析了影响该算法定位性能的因素.相比于三阶张量定位算法与多点测量线性定位算法,本文算法的代价在于AUV(Autonomous Underwater Vehicle)载体平台必须要有一次上升或下潜动作.仿真实验结果表明:在无环境磁干扰和平台无晃动的理想情况下,本文算法的定位精度仅次于欧拉定位法,当存在环境磁干扰时,欧拉法定位性能迅速恶化;相比于三阶张量定位算法和多点测量线性定位算法,无论环境磁干扰有无以及晃动角度多大,本文定位算法的性能皆优于两者,即使当运动载体平台晃动角度增加到10°时,本文算法的最大定位误差也不超过15m.

一种混合算法下单个磁通门定位运动磁性目标研究

运动磁性目标定位可归结为一类非线性规划问题的求解.针对其目标函数计算过程极为烦琐,不利于磁性目标实时定位的特点,提出了一种混合算法:首先利用粒子群优化算法获得初略解,再利用高斯-牛顿算法进行精确求解,在不知道目标初始位置的情况下,利用单个磁通门磁传感器采集的磁场数据准确快速地实现了目标的定位.理论仿真和汽车实验,验证了算法的合理性和可行性,为工程中磁性目标的检测与定位提供了新思路.

水中非合作运动磁性目标跟踪及参数估计

针对水中非合作运动磁性目标的跟踪及参数估计问题,提出了一种基于Hopfield神经网络和磁梯度张量定位结合粒子滤波的方法对磁性目标进行跟踪,利用Hopfield神经网络和磁梯度张量定位为粒子滤波算法提供一部分更加优化的粒子,以增加粒子滤波算法中粒子的多样性,能够有效克服粒子退化现象,同时保证动态跟踪的速度和精度,并解决了远场磁定位中信噪比下降的问题.通过模拟仿真和磁性船模磁定位实验验证了算法的有效性,该算法可用于空中磁探潜和港口磁防御以及一般的UXO探测和定位问题,具有一定的军事和民用意义.

磁性目标跟踪的后验克拉美罗下限分析与计算

为了求解磁性目标跟踪问题的后验克拉美罗下限(PCRB),提出了PCRB-GMSPPF算法。该算法利用高斯混合采样粒子滤波算法对目标状态的真实后验概率密度分布进行抽样,再通过蒙特卡洛积分法迭代求解每个观测时刻的Fisher信息矩阵,进而得出目标状态估计的PCRB;克服了基于PF算法求解PCRB过程中由于粒子退化和贫化问题造成不能从后验概率分布中正确抽样的缺点;在建立磁性目标跟踪的状态模型和观测模型的基础上进行仿真分析,将求解出的PCRB与采用GMSPPF及PF算法进行跟踪的均方根误差做对比,验证所提的PCRB-GMSPPF算法的有效性,结果表明:针对磁性目标跟踪问题,PCRB-GMSPPF算法较PCRB-PF算法具有更好的准确性,并可用于一般的非线性模型跟踪误差下限分析。

一种微功耗磁性目标探测器研制

针对传统磁性目标探测器在小型化和微功耗方面存在的不足,提出了基于磁阻式传感器HMC1052的微功耗磁性目标探测器设计,并给出了具体的实现方案;提出了利用信号时域特征来检测磁性目标的方法并设计了用于提高信噪比的信号预处理算法;通过实验标定出探测器的灵敏度和噪声分别是14.4μV/nT和14.2μV/nT及12nT,使用基于三轴亥姆霍磁线圈的半实物仿真系统和地面运动的汽车对探测器的目标识别能力进行测试,结果说明探测器具有较强的识别能力;功耗测试结果表明探测器可以在电池供电情况下工作较长时间;探测器具有微功耗、高精度、体积小和实时目标检测等优点,可以应用于近距离磁性目标探测。

基于微分进化算法的磁性目标参数估计方法

根据磁场数据来获得磁性目标参数相关信息的方法称为磁探测技术,其在民用和军用领域都有着重要的应用价值。以磁性探潜为背景,首先基于磁场采集数据将磁性目标参数估计问题简化为一个非线性数学模型,进而选择简单有效的微分进化算法求解上述数学模型,以实现磁性目标磁矩和位置参数的估计,并通过仿真试验对方法有效性进行了检验。仿真计算结果表明,该方法能够准确、快速地优化出磁性目标三分量磁矩和空间位置坐标参数,具有一定的实用意义。

磁性目标探测定位方法研究

根据磁偶极子空间磁场，讨论了复杂磁性体在较远距离上，可将其作为单个磁偶极子处理的依据，从而建立起复杂磁性目标统一的定位数学模型；利用磁性船模全磁场仿真系统，不考虑测量误差，对船模进行定位仿真计算，研究定位理论的可行性。

基于FIR与正交基分解的磁性目标检测方法

针对磁异常探测中,磁性目标信号被噪声淹没,信噪比较低的情况,提出了FIR与正交基分解相结合的检测方法。先利用FIR低通滤波器滤除高频噪声,保留磁性目标磁异常信号,再利用正交基分解检测算法,大幅度提升磁性目标信号的信噪比,从而实现磁性目标检测。仿真试验结果表明,该方法可以提升磁性目标检测能力,具有一定的工程应用价值。

基于正六面体测量阵列的磁性目标定位方法

针对基于磁梯度张量的磁性目标单点定位方法受地磁场的估计误差影响较大的问题,提出了一种基于正六面体测量阵列的磁性目标定位方法,该方法利用正六面体测量阵列上、下两个平面的磁梯度张量测量信息,建立关于目标位置的方程组,利用地磁场梯度较小的特性,通过对磁场矢量项做差来消除地磁场的干扰,然后利用磁场矢量的差值和磁梯度张量信息求解得到目标的位置坐标。仿真实验结果表明,该方法可以克服现有方法中受地磁场的估计误差影响较大的问题,提高目标的定位精度。