一种基于矩形阵列的水中运动磁性目标探测定位系统的制作方法

1.本技术涉及水中目标探测的技术领域，具体而言，涉及一种基于矩形 阵列的水中运动磁性目标探测定位系统。


背景技术：

2.为实现对我国海湾或海岸军事要塞、重要港口、重要水域的安全保 卫，亟需建设水下探测和定位系统，实现水下安全的常态化警戒。
3.在对水中目标进行探测时，可通过水中目标的声场、电磁场和光学等 特征进行探测和定位，实现水下安全警戒。对于大多数水中目标来说，因 其由金属制造，在空间中会产生静态的磁场分布，利用其磁场特征信号可 以实现探测和定位。
4.目前磁性目标定位算法均为以目标在空间产生的静态磁场分布为对 象，通过设置静态磁场测量传感器，实现对水下目标的探测和定位。但由 于地磁场通常为几万纳特，而水中磁性目标在远距离处产生的静态场仅为 纳特级甚至更低，特别是在考虑到海洋环境的纳特级电磁干扰时，基于静 态磁场的水中磁性目标探测方案存在信号提取困难、信噪比低等弊端，限 制了水中磁性目标定位距离，且此类探测定位方法需要布置大量的磁场传 感器。
5.另外，还可以通过设置感应式磁场测量传感器，实现对指定区域内的 水中磁性目标进行探测，但这种方式仅能通过测量环境中的磁通变化量， 以反映是否有磁性目标经过，但并不具备对水中磁性目标的定位跟踪功 能。


技术实现要素：

6.本技术的目的在于：为了解决现有水中磁性目标探测和定位过程中存 在的至少一个技术问题，克服探测定位过程中易受海洋环境磁场干扰的缺 点，减少磁场传感器数量，提高对水中运动目标探测定位的精度。
7.本技术的技术方案是：提供了一种基于矩形阵列的水中运动磁性目标 探测定位系统，该探测定位系统包括：探测矩阵，磁通计算单元以及初始 探测单元；探测矩阵中设置有多个感应式磁场传感器，感应式磁场传感器 用于获取探测范围内因水中磁性目标移动产生的感应电动势；磁通计算单 元用于当判定感应电动势符合预设条件时，计算探测矩阵中阵列单元所在 位置处的磁通变化量；初始探测单元用于根据磁通变化量，通过导数运 算，计算磁场时变量，并结合磁通变化量，计算水中磁性目标的初始位置 和初始磁矩，并生成初始定位信息，其中，初始定位信息包括水中磁性目 标的位置和类型，初始磁矩用于确定类型。
8.上述任一项技术方案中，进一步地，探测定位系统还包括：寻优单 元；寻优单元用于根据初始位置和初始磁矩，确定水中磁性目标的磁场定 位初始解集，并根据磁场定位初始解集和预设优化目标函数，计算水中磁 性目标的最优位置和最优磁矩，并生成最优定位信息，其中，最优定位信 息包括水中磁性目标的最优位置和最优类型，最优磁矩用于确定
最优类 型。
9.上述任一项技术方案中，进一步地，预设优化目标函数的计算公式 为：
10.obj＝∑[(u
xc-u
xm
)2 (u
yc-u
ym
)2 (u
zc-u
zm
)2]
[0011]
式中，u
xc
为感应式磁场传感器中磁通x分量b
x
对应的感应线圈棒的 电压计算值，u
xm
为磁通x分量b
x
对应的电压测量值，u
yc
为感应式磁场传 感器中磁通y分量by对应的感应线圈棒的电压计算值，u
ym
为磁通y分量 by对应的电压测量值，u
zc
为感应式磁场传感器中磁通z分量bz对应的感 应线圈棒的电压的计算值，u
zm
为磁通z分量bz对应的电压测量值。
[0012]
上述任一项技术方案中，进一步地，寻优单元还用于：根据上一采样 时刻的最优位置和最优磁矩，确定下一采样时刻的磁场定位初始解集，并 根据预设优化目标函数，计算下一采样时刻的最优位置和最优磁矩；探测 定位系统还包括：电动势计算单元以及判断单元；电动势计算单元用于根 据下一采样时刻的最优位置和最优磁矩，计算下一采样时刻对应的感应式 磁场传感器的感应电动势计算值以及误差值，其中，误差值为下一采样时 刻感应电动势计算值与感应电动势测量值之间的误差；判断单元用于当判 定至少两个感应式磁场传感器的误差值小于误差阈值，且至少四个以上感 应式磁场传感器的感应电动势大于探测阈值时，根据计算出的下一采样时 刻的最优位置和最优磁矩，生成水中磁性目标下一采样时刻的最优定位信 息。
[0013]
上述任一项技术方案中，进一步地，阵列单元由探测矩阵中的异常传 感器组成，异常传感器为获取到的感应电动势大于探测阈值的感应式磁场 传感器，预设条件为异常传感器的数量大于或等于数量阈值。
[0014]
上述任一项技术方案中，进一步地，数量阈值为四个，预设条件还包 括：多个异常传感器中存在至少四个异常传感器可以组成矩形阵列，将组 成的矩形阵列记作阵列单元。
[0015]
上述任一项技术方案中，进一步地，初始探测单元中包括：导数计算 单元，张量矩阵计算单元以及磁矩计算单元；导数计算单元用于根据水中 磁性目标的移动速度和磁通变化量，计算阵列单元所处位置几何中心处的 磁通关于时间的导数；张量矩阵计算单元用于根据导数，构建时变磁梯度 张量矩阵；磁矩计算单元用于根据时变磁梯度张量矩阵，计算初始位置和 初始磁矩，其中，初始磁矩的计算公式为：
[0016][0017]
[0018][0019]
式中，m
x0
、m
y0
、m
z0
为水中磁性目标在三维坐标系中的三分量磁矩， r0为水中磁性目标距离探测原点的距离，探测原点定义为矩形阵列的几何 中心，μ0为真空磁导率，x0、y0、z0为水中磁性目标相对探测原点的坐 标，g为时变磁梯度张量矩阵。
[0020]
上述任一项技术方案中，进一步地，感应式磁场传感器由三个相互正 交的感应线圈棒组成。
[0021]
本技术的有益效果是：
[0022]
本技术中的技术方案，利用感应式磁场传感器组成探测矩阵，再通过 筛选感应电动势符合预设条件的感应式磁场传感器组成阵列单元，以对水 中磁性目标进行探测和定位，算法适应性好，同时能满足精度要求，基于 该探测定位系统搭建的系统结构精简，磁场传感器数量较少，效费比高。
[0023]
本技术在进行探测和定位计算时，引入导数运算，计算由水中磁性目 标的移动速度和磁通变化量构成的时变磁梯度张量矩阵，进而得到水中磁 性目标的初始位置和初始磁矩，以实现水中磁性运动目标引起的磁通量变 化测量其感应量进而进行定位，避免了海洋环境波动的干扰，提高了对水 中运动目标探测定位的精度。
附图说明
[0024]
本技术的上述和/或附加方面的优点在结合下面附图对实施例的描述中 将变得明显和容易理解，其中：
[0025]
图1是根据本技术的一个实施例的基于矩形阵列的水中运动磁性目标 探测定位系统的示意框图；
[0026]
图2(a)是根据本技术的一个实施例的感应式磁场传感器的示意图；
[0027]
图2(b)是根据本技术的一个实施例的探测矩阵的示意图；
[0028]
图3是根据本技术的一个实施例的采用差分进化算法进行寻优的示意 图；图4是根据本技术的一个实施例的精度对比试验结果的示意图。
具体实施方式
[0029]
为了能够更清楚地理解本技术的上述目的、特征和优点，下面结合附 图和具体实施方式对本技术进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不 冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
[0030]
在下面的描述中，阐述了很多具体细节以便于充分理解本技术，但 是，本技术还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本 申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
[0031]
如图1所示，本实施例提供了一种基于矩形阵列的水中运动磁性目标 探测定位系统，该探测定位系统包括：探测矩阵，磁通计算单元以及初始 探测单元；其中，探测矩阵中设置有多个感应式磁场传感器，感应式磁场 传感器用于获取探测范围内因水中磁性目标移动产生的感应电动势；磁通 计算单元用于当判定感应电动势符合预设条件时，计算探测矩阵中阵列单 元所在位置处的磁通变化量，感应式磁场传感器由三个相互正交的感应线 圈棒组成。
[0032]
进一步的，阵列单元由探测矩阵中的异常传感器组成，异常传感器为 获取到的感应电动势大于探测阈值的感应式磁场传感器，预设条件为异常 传感器的数量大于或等于数量阈值。
[0033]
优选的，数量阈值为四个，预设条件还包括：多个异常传感器中存在 至少四个异常传感器可以组成矩形阵列，将组成的矩形阵列记作阵列单 元。
[0034]
具体的，以探测矩阵所在区域的几何中心为原点，以垂直向下的方向为 z轴正方向，基于右手定则建立三维坐标系。
[0035]
如图2所示，所有的感应式磁场传感器由三个相互正交的感应线圈棒 组成，三个相互正交的感应线圈棒与三维坐标系的x、y、z轴平行，利用感 应式磁场传感器获取探测范围内的感应电动势，作为实时采集数据，在任意 采样时刻，判断是否符合预设条件，预设条件如下：
[0036]
1、存在四个以上感应式磁场传感器探测到的感应电动势大于探测阈值， 将此类感应式磁场传感器记作异常传感器，若存在四个以上的异常传感器， 则说明有水中磁性目标出现，进行下一步判断；否则，重复执行上述过程。
[0037]
2、根据异常传感器的数目，判断是否存在四个异常传感器，能够组成 一个矩形阵列，若存在，则将该矩形阵列记作阵列单元；否则，重复执行上 述过程。
[0038]
需要说明的是，符合预设条件的感应式磁场传感器可形成多个矩形阵 列单元，此时，选取阵列单元中感应电动势最大的矩形阵列单元作为计算依 据。
[0039]
当判定感应电动势符合预设条件时，根据矩形阵列单元中各个感应式 磁场传感器测量得到感应电动势，基于电磁感应定律，计算各感应式磁场传 感器所处位置的磁通变化量。
[0040]
本实施例中采用电磁感应定律获得磁通变化量的过程如下：
[0041]
根据磁感应线圈探测变化磁场的原理，当探测范围内存在移动的水中 磁性目标时，将引起各感应式磁场传感器中磁通量的变化，根据磁通量变化 引起的感应电动势公式和磁通量计算公式，可得：
[0042][0043]
φ＝bs
[0044][0045]
其中，ε为感应电动势，n为线圈匝数，sn为感应线圈垂直磁场b的切 面面积，nsn为感应线圈的线圈常数，b是磁感应强度，b
t
为磁通变化量。
[0046]
因此，若获得磁感应线圈的感应电动势，即可获得由水中磁性目标体 移动引起的磁通变化量所以有
[0047][0048]
即：
[0049][0050]
式中，b
t1
、b
t2
为相邻两个采样时刻t1与t2的磁通量。
[0051]
记构成矩形阵列单元的4个感应式磁场传感器的编号分别为1、2、3、 4，以上述探测矩阵的第一个三维坐标系为基础，以该4个感应式磁场传感 器几何中心为矩阵原点(0,0,0)，建立第二个三维坐标系，根据4个感应式磁 场传感器在第一个三维坐标系中的位置，可计算出其在第二个三维坐标系 中的坐标，此时，4个感应式磁场传感器的空间坐标分别为：(x1,y1,z1)、 (x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)，具体计算过程不再赘述。
[0052]
需要说明的是，以下计算以第二个三维坐标系，即矩形阵列单元的三维 坐标系为基准。
[0053]
基于上述磁感应线圈的感应电动势原理，可获得4个感应式磁场传感 器的磁通量变化量依次为：
[0054]
假设在矩形阵列区域内磁场梯度为均匀梯度，可采用平均值方式，获得 矩形阵列单元几何中心处的磁通变化量将该 磁通变化量作为探测矩阵中阵列单元所在位置处的磁通变化量。
[0055]
本实施例中，初始探测单元用于根据磁通变化量，通过导数运算，计 算磁场时变量，并结合磁通变化量，计算水中磁性目标的初始位置和初始 磁矩，并生成初始定位信息，其中，初始定位信息包括水中磁性目标的位 置和类型，初始磁矩用于确定类型。
[0056]
具体的，针对矩形阵列单元几何中心处的磁通变化量在磁梯度法 中对磁场求导，构建时变磁场梯度法，计算磁场时变量，与感应式磁场传感 器的磁通量变化量进行配合，计算得到水中磁性目标的初始位置和初始磁 矩，以便估算水中磁性目标的大小范围和所处位置区间。
[0057]
其中，时变磁场梯度法及水中磁性目标的初始位置、初始磁矩计算细化 如下：
[0058]
假设水中磁性目标的移动速度为v＝(v
x
,vy,vz)，其移动方向的方位角 为ξ(绕z轴旋转)，倾角为η(绕x轴旋转)，进行速度分解，可得到以下关 系：
[0059]vx
＝vsinξcosη
[0060]vy
＝vcosξcosη
[0061]vx
＝vsinξ
[0062]
其中，v为移动速度v＝(v
x
,vy,vz)的模。
[0063]
由水中磁性目标移动引起的位置坐标变化可表示为：
[0064]
xs＝x
s0
v
x
t
[0065]ys
＝y
s0
vyt
[0066]zs
＝z
s0
vzt
[0067]
其中，(x
s0
,y
s0
,z
s0
)为0时刻水中磁性目标的位置坐标，(xs,ys,zs)为t 时刻水中磁性目标的位置坐标。
[0068]
由以上公式可知，t时刻水中磁性目标位置坐标(xs,ys,zs)为时间t的函 数，所以有
[0069][0070][0071][0072]
进一步的，该初始探测单元中包括：导数计算单元，张量矩阵计算单 元以及磁矩计算单元；其中，导数计算单元用于根据水中磁性目标的移动 速度和磁通变化量，计算阵列单元所处位置几何中心处的磁通关于时间的 导数；张量矩阵计算单元用于根据导数，构建时变磁梯度张量矩阵；磁矩 计算单元用于根据时变磁梯度张量矩阵，计算初始位置和初始磁矩。
[0073]
具体的，在磁梯度法中对磁场求导，构建时变磁场梯度法，计算磁场时 变量，因此，在三维坐标系中，对矩形阵列单元所处位置几何中心处的磁通 变化量进行分解，分解为磁通x分量b
x
、磁通y分量by以及磁通z分量 bz，然后计算上述三个分量关于时间的导数：
[0074][0075][0076][0077]
其中，为磁通x分量关于x方向的导数，在矩形阵列中，可表示为 三维坐标系中x方向两个磁感应线圈的测量值之差(磁通量变化)与距离 之差的比值，其余分量定义类似，不再赘述。
[0078]
因此，将磁通关于时间的导数简化可得：
[0079][0080]
[0081][0082]
其中，
[0083][0084][0085][0086][0087][0088]bzz
＝-b
xx-b
yy
[0089]
式中，μ0为真空磁导率，为常数，r0为t时刻水中磁性目标距离探测原 点的距离，b
xx
为磁通x分量b
x
在x方向的导数， b
xy
为磁通x分量b
x
在y方向的导数，b
xz
为磁通x分量b
x
在z方向的导数， 其余参数定义类似，不在赘述。
[0090]
本实施例中，构建出的时变磁梯度张量矩阵为：
[0091][0092]
具体的，根据磁梯度张量定位原理，已知目标磁梯度张量矩阵以及测量 点位置处的磁场值，可反演出目标位置，类似的，结合目标时变磁梯度张量 矩阵和测量点处磁场变化率，可计算得到目标位置信息，因此，水中磁性目 标初始位置的定位公式为：
[0093][0094]
r0为水中磁性目标距离探测原点的距离，探测原点定义为矩形阵列单 元的几何中心，获得的目标位置初值记作x0，y0，z0。再通过坐标变换的方 式，计算水中磁性目标距离r0相对于探测矩阵所在区域的几何中心的位置， 即水中磁性目标的初始位置。
[0095]
根据上式确定了水中磁性目标的初始位置(x0，y0，z0)后，再根据下式 推算水中磁性目标的初始磁矩，通过初始磁矩即可对目标的状态、类型和尺 度等信息作出初步判断。
[0096][0097]
其中，m
x0
、m
y0
、m
z0
为水中磁性目标在三维坐标系中的三分量磁矩。
[0098]
具体的，一般由钢铁材料制成的水中磁性目标，其磁矩与目标主尺度强 相关，小型蛙人装备的磁矩约为100a
·
m2以内，中型无人潜航器目标磁矩 约为3～6万a
·
m2，大型有人目标磁矩约为40～80万a
·
m2。因此，可以 根据初始磁矩判断水中磁性目标的类型和尺寸。
[0099]
本实施例中，该探测定位系统还包括：寻优单元；寻优单元用于根据初 始位置和初始磁矩，确定水中磁性目标的磁场定位初始解集，并根据磁场定 位初始解集和预设优化目标函数，计算水中磁性目标的最优位置和最优磁 矩，并生成最优定位信息，其中，最优定位信息包括水中磁性目标的最优位 置和最优类型，最优磁矩用于确定最优类型。
[0100]
具体的，获得水中磁性目标的初始位置(x0，y0，z0)、初始磁矩(m
x0
， m
y0
，m
z0
)后，以该值为中心，取左右各50％为参数区间，以x0为例，x0的 参数区间即为x∈[0.5x0,1.5x0]，估算水中磁性目标大小范围和位置区间。
[0101]
根据估算得到的水中磁性目标的大小范围和所处的位置区间，按照均 匀概率原则，随机生成一组水中磁性目标的位置和磁矩值，与计算得到的一 系列水中磁性目标的初始位置和初始磁矩，记作水中磁性目标的磁场定位 初始解集。
[0102]
如图3所示，将该磁场定位初始解集作为初代种群，采用差分进化算 法进行寻优，得到当前采样时刻的水中磁性目标的位置和磁矩参数，并正演 计算传感器组所处位置处的感应电动势，与传感器组测量值进行对比，优化 目标函数为感应线圈棒电压计算值与测量值之间误差最小。
[0103]
本实施例中，设定预设优化目标函数的计算公式为：
[0104]
obj＝σ[(u
xc-u
xm
)2 (u
yc-u
ym
)2 (u
zc-u
zm
)2]
[0105]
其中，u
xc
为感应式磁场传感器中磁通x分量b
x
对应的感应线圈棒的电 压计算值，该计算值由水中磁性目标的磁场定位初始解集通过本实施例中 初始位置和初始磁矩的反向运算计算而得，u
xm
为磁通x分量b
x
对应的感应 线圈棒的电压的测量值，u
yc
为感应式磁场
传感器中磁通y分量by对应的感 应线圈棒的电压计算值，u
ym
为磁通y分量by对应的感应线圈棒的电压测 量值，u
zc
为感应式磁场传感器中磁通z分量bz对应的感应线圈棒的电压计 算值，u
zm
为磁通z分量bz对应的感应线圈棒的电压测量值。
[0106]
正演计算主要依据优化得到的最优位置(x，y，z)计算最优磁矩(m
x
、 my、mz)，计算公式如下：
[0107][0108]
式中，r由最优位置(x，y，z)确定。
[0109]
在上述实施例的基础上，该寻优单元还用于：根据上一采样时刻的最 优位置和最优磁矩，确定下一采样时刻的磁场定位初始解集，并根据预设 优化目标函数，计算下一采样时刻的最优位置和最优磁矩；探测定位系统 还包括：电动势计算单元以及判断单元；电动势计算单元用于根据下一采 样时刻的最优位置和最优磁矩，计算下一采样时刻对应的感应式磁场传感 器的感应电动势计算值以及误差值，其中，误差值为下一采样时刻感应电 动势计算值与感应电动势测量值之间的误差；判断单元用于当判定至少两 个感应式磁场传感器的误差值小于误差阈值，且至少四个以上感应式磁场 传感器的感应电动势大于探测阈值时，根据计算出的下一采样时刻的最优 位置和最优磁矩，生成水中磁性目标下一采样时刻的最优定位信息。
[0110]
具体的，到下一个采样时刻，根据上一采样时刻的最优位置和最优磁矩， 随机生成一组水中磁性目标的位置和磁矩值形成的初始解集，作为初代种 群，采用差分进化算法进行寻优，得到下一采样时刻的最优位置和最优磁矩， 进而计算出下一采样时刻感应电动势测量值与感应电动势计算值(正演计 算值)之间的误差。
[0111]
判断是否存在至少2个感应式磁场传感器感应电动势误差小于误差阈 值，同时，至少四个以上感应式磁场传感器的感应电动势大于探测阈值，若 是，则依据下一采样时刻的最优位置和最优磁矩，生成新的种群的最优定位 信息，再重复计算下一采样时刻；否则，判定水中磁性目标消失，重新由磁 通计算单元判断感应电动势是否符合预设条件。
[0112]
采用本发明的上述技术方案和简化的传感器布置方式，利用时变磁梯 度法就可实现对水中磁性目标的初步定位。但由于测得的不是严格意义上 的同一位置点的磁场强度和磁场梯度，其解总是距离真实值存在一定差距 的。
[0113]
在获得了水中磁性目标的位置和磁矩初值后，本发明将在步骤5中， 以磁场传感器组测得的最大感应电动势异常值为依据，通过建立反映磁场 定位解与真实水中磁性目标位置和磁矩参数逼近程度的目标函数，对水中 磁性目标的位置和磁矩进行进一步寻优，以实现目标精确定位。
[0114]
如图4所示，本实施例中的定位系统与现有的静态磁梯度定位法相比 较，通过仿真测试可以看出，在定位距离超过130m时，本实施例中的定位 精度要明显由于现有的静态磁梯度定位法，本实施例中的定位系统能够克 服探测定位过程中易受海洋环境磁场干扰的缺点。
[0115]
以上结合附图详细说明了本技术的技术方案，本技术提出了一种基于 矩形阵列
的水中运动磁性目标探测定位系统，该系统包括：探测矩阵，磁 通计算单元以及初始探测单元；探测矩阵中设置有多个感应式磁场传感 器，感应式磁场传感器用于获取探测范围内因水中磁性目标移动产生的感 应电动势；磁通计算单元用于当判定感应电动势符合预设条件时，计算探 测矩阵中阵列单元所在位置处的磁通变化量；初始探测单元用于根据磁通 变化量，通过导数运算，计算磁场时变量，并结合磁通变化量，计算水中 磁性目标的初始位置和初始磁矩，并生成初始定位信息，其中，初始定位 信息包括水中磁性目标的位置和类型，初始磁矩用于确定类型。通过本申 请中的技术方案，克服了探测定位过程中易受海洋环境磁场干扰的缺点。
[0116]
本技术中的步骤可根据实际需求进行顺序调整、合并和删减。
[0117]
本技术装置中的单元可根据实际需求进行合并、划分和删减。
[0118]
尽管参考附图详地公开了本技术，但应理解的是，这些描述仅仅是示 例性的，并非用来限制本技术的应用。本技术的保护范围由附加权利要求 限定，并可包括在不脱离本技术保护范围和精神的情况下针对发明所作的 各种变型、改型及等效方案。