【摘要】：磁定位技術(shù)由于具有探測全天候、所需設(shè)備簡單、信號(hào)處理方便等特點(diǎn),逐漸受到人們的重視。特別是隨著磁傳感器噪聲水平越來越低、測量精度越來越高,探測微弱的磁場信號(hào)成為可能。利用磁傳感器探測的磁場信號(hào)進(jìn)行反演,得到目標(biāo)的位置信息與運(yùn)動(dòng)狀態(tài),可廣泛應(yīng)用于資源勘探和軍事應(yīng)用等相關(guān)的領(lǐng)域。針對(duì)傳統(tǒng)基于靜態(tài)磁場的目標(biāo)定位技術(shù)容易受到地磁環(huán)境及其他磁性源噪聲干擾的影響這一問題,本論文研究了交變磁偶極子源定位方法。首先分析了目標(biāo)速度已知、目標(biāo)速度未知以及目標(biāo)速度未知且在運(yùn)動(dòng)過程中由于晃動(dòng)引起角度偏移三種情況下的磁定位技術(shù),研究了相應(yīng)的定位求解算法,理論仿真求得的位置信息和角度信息與目標(biāo)的預(yù)設(shè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)基本吻合,驗(yàn)證了定位算法的可行性。然后為了降低磁傳感器的測量誤差,研究了單個(gè)三分量磁傳感器自身性能誤差及不同三分量磁傳感器擺放方位不一致的誤差校準(zhǔn)算法,并通過理論仿真和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了磁通門傳感器誤差自校準(zhǔn)和互校準(zhǔn)算法的有效性。最后針對(duì)交變磁偶極子源不同運(yùn)動(dòng)條件,設(shè)計(jì)了三種不同情況的地面動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn),定位結(jié)果與目標(biāo)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)吻合較好,驗(yàn)證了地磁環(huán)境中交變磁偶極子源定位算法的有效性,具有重要的理論指導(dǎo)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下:(1)交變磁偶極子源定位方法研究由于傳統(tǒng)的磁定位技術(shù)研究的大都是基于靜態(tài)磁異常的磁性目標(biāo)定位問題,定位效果很容易受到地磁異常及其他磁干擾噪聲的影響,提出了交變磁偶極子源的定位方法,研究了交變磁偶極子源的磁場信號(hào)特征及其預(yù)處理,通過將固定頻率下的交變磁場信號(hào)轉(zhuǎn)換為類似于靜態(tài)磁場的通過特性曲線,可以克服利用靜態(tài)磁異常進(jìn)行目標(biāo)定位容易受到地磁環(huán)境及一些磁性干擾源的影響,是一項(xiàng)新的被動(dòng)式跟蹤技術(shù)。(2)速度已知和未知兩種情況下的交變磁偶極子源定位方法研究針對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度已知的定位問題,建立了磁性目標(biāo)速度已知的交變磁偶極子源定位模型,研究采用單個(gè)三分量磁通門傳感器采集多個(gè)時(shí)刻點(diǎn)的磁場數(shù)據(jù)定位某一時(shí)刻點(diǎn)的軌跡的方法。針對(duì)目標(biāo)速度未知的定位問題,建立了磁性目標(biāo)速度未知的交變磁偶極子源定位模型,研究至少采用兩個(gè)三分量磁通門傳感器同步采集某個(gè)時(shí)刻點(diǎn)的磁場數(shù)據(jù)定位該時(shí)刻的位置的方法。仿真分析和動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)求得的位置信息與磁性目標(biāo)實(shí)際的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)吻合較好,驗(yàn)證了定位方法的可行性與有效性。(3)晃動(dòng)情況下的交變磁偶極子源定位方法研究針對(duì)磁性目標(biāo)在運(yùn)動(dòng)過程中由于晃動(dòng),使得磁矩三分量和磁傳感器三軸之間存在偏航、俯仰和橫滾三個(gè)方向上的角度偏移這一問題,建立了磁性目標(biāo)由于晃動(dòng)引起角度偏移的交變磁偶極子源定位模型,提出了至少利用三個(gè)磁通門傳感器同步采集某個(gè)時(shí)刻點(diǎn)的磁場數(shù)據(jù)定位該時(shí)刻的位置的方法。仿真分析和動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)求得的位置信息及角度信息與磁性目標(biāo)實(shí)際的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)吻合較好,驗(yàn)證了定位方法的可行性與有效性。(4)磁性目標(biāo)定位的混合求解算法研究磁性目標(biāo)定位問題可歸結(jié)為一類非線性規(guī)劃問題的求解,由于目標(biāo)函數(shù)的計(jì)算過程極為繁瑣,研究了磁性目標(biāo)定位的混合求解算法:即首先利用粒子群優(yōu)化算法對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行粗略求解,然后采用高斯牛頓算法將粗略解作為初始位置進(jìn)行精確求解,可以在目標(biāo)初始位置未知的情況下,利用磁通門傳感器采集的磁場數(shù)據(jù)得到目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。并分析了隨機(jī)磁環(huán)境噪聲、磁傳感器布放和磁傳感器測量精度對(duì)磁性目標(biāo)定位的影響,發(fā)現(xiàn)隨機(jī)磁環(huán)境噪聲越小、在一定范圍內(nèi)磁傳感器間距越大、磁傳感器測量精度越高,定位求解的誤差越小。(5)穩(wěn)定地磁場環(huán)境下磁通門傳感器的誤差校準(zhǔn)方法研究針對(duì)磁場測量系統(tǒng)中單個(gè)三分量磁通門傳感器由于加工工藝等原因存在零偏誤差、靈敏度誤差和三軸非正交誤差的問題,建立了磁通門傳感器自身性能誤差的校準(zhǔn)模型,提出了采用線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)單個(gè)磁傳感器自身性能誤差進(jìn)行自校準(zhǔn)的算法。針對(duì)不同磁通門傳感器由于安裝誤差存在擺放方位不一致的問題,建立了磁通門傳感器擺放方位誤差的互校準(zhǔn)模型,研究了最小二乘法對(duì)不同磁傳感器擺放方位誤差進(jìn)行互校準(zhǔn)的算法。仿真分析和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的有效性,即只需在較為穩(wěn)定的地磁場環(huán)境下轉(zhuǎn)動(dòng)磁通門傳感器的位置,采集多組三分量地磁場數(shù)據(jù),可以實(shí)現(xiàn)磁通門傳感器的誤差校準(zhǔn)。
【圖文】：

對(duì)磁測量技術(shù)提出了更多、更新的要求。方面，要求向兩級(jí)發(fā)展，既要測量各種微弱的生物磁信息，又 108T 以上的脈沖強(qiáng)磁場。在磁場形式方面包含有恒定磁場、低脈沖磁場；在磁場大小方面包含有微弱磁場、中強(qiáng)磁場和強(qiáng)磁信號(hào)之前，需要研究信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理，了解磁場形式和磁場大的磁傳感器進(jìn)行測量。研究對(duì)象是在地磁及其他背景磁場干擾下，利用三分量磁通門射棒產(chǎn)生的具有某個(gè)固定頻率的正弦信號(hào)，信號(hào)的頻率范圍在之間。偶極子源的磁場信號(hào)特征經(jīng)常把電磁引信近似為一個(gè)交變磁偶極子源的模型[86]。建立系，假設(shè)位于空間點(diǎn)0 0 0 0P ( x , y , z )的交變磁偶極子源，，其輻射磁0 0 0 cos(2 ) cos(2 ) cos(2 ) x y zM ft i M ft j M ft k

種磁傳感器都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，需要在實(shí)理、目標(biāo)磁場的磁場大小以及磁場類型進(jìn)行靈活的選取原則敏度是磁場傳感器的一個(gè)重要參數(shù)，圖 2-2 顯示圍[104]，但在實(shí)際應(yīng)用中，還需要綜合考慮其他因
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O441.2;TP212

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本文編號(hào)：2694584