空间多尺度条件下的多磁偶极子目标定位和识别反演方法

Magnetic anomaly detection plays an extremely important role in such fields as scientific investigation, resource exploration and integrated control of the sea. It is also the most important method in the field of underwater non-acoustic detection. This project focuses on the urgent need of high-precision positioning and feature recognition, such as underwater target detection, and proposes a inversion method of positioning and identification multi-magnetic dipole target based on multi-scale space conditions. It investigates the evolvement rules of magnetic characteristic parameters for the submarine, UUV and other underwater targets in spatial multi-Scale conditions, and elucidates the mechanism of the target characteristic on the location error of multi-magnetic dipole model, and constructs the cross-scale inversion positioning and feature extraction algorithm of magnetic source target based on high-order magnetic field parameters, and also through the simulation analysis and experiment the validity and feasibility of the proposed method are verified. The goal of this project is to establish a set of more complete and effective methods for underwater target detection, location and identification, and to provide theoretical and technical support for the exploration of magnetic anomalous targets.

磁异常探测在科学考察、资源勘探和综合制海等领域有着极其重要的作用，也是目前水下目标非声探测技术领域最主要的手段。本项目围绕水下目标探测等对高精度定位和特征识别的迫切需求，提出基于空间多尺度条件下的多磁偶极子目标定位和识别反演方法，研究潜艇、UUV等水下目标在空间多尺度下磁特征参量的演化规律；揭示目标特性对多磁偶极子模型反演定位误差的影响机理；构建基于磁场高阶参量的磁源目标跨尺度反演定位和特征提取算法；通过仿真分析和实验验证本项目提出方法的有效性和可行性。本项目的目标是建立一套较为完整有效的水下目标探测、定位和识别方法，为磁异常目标探测工程实践提供理论和技术支持。

随着反潜作战目标环境的日益复杂，如目标类别日趋增多、UUV潜艇模拟器的应用，以往基于远场单磁偶极子模型的磁异常定位及识别方法已经不能适应水下目标识别与分类任务的需要。因此，先进的磁异常探测仪技术不仅要有具有探测距离远、探测效率高的特点，而且要具有定位精度高和具有获取目标特征进行目标分类识别及一定的抗干扰能力，这对磁异常目标空间磁场信息的采集和处理提出了极高的要求。.通过对动态探测过程中目标高阶磁特征量分析，提出基于磁梯度测量的正交基分解和相关性检测方法，并分析目标信号的频率特性，通过低通滤波进一步提高目标信号的信噪比，从而实现动态磁异常探测过程中的目标实时定位。.通过对典型水下目标的磁矩分布特性、运动特性、结构分布特性出发分别建立其对应的近场多磁偶极子模型；基于磁源目标近场多磁偶极子模型的三维空间磁场分布，结合COMSOL多物理场仿真软件对近场多磁偶极子模型的有效性进行验证；通过分析多磁偶极子模型正演目标三维空间磁场，研究其磁特性演化规律，建立包括多型潜艇、UUV在内的典型目标不同空间尺度下的最简多磁偶极子等效模型，研究最简多磁偶极子模型与空间尺度、目标结构特征之间的关联机理及演化规律。.建立多尺度磁源目标特征参数提取及定位反演算法，研究航磁测量飞行策略，通过设计探测平台组网跨尺度飞行的特定航线获取有效的磁目标结构特征，研究具备高模式识别及匹配能力的深度学习算法，实现对不同水下目标的精确定位和分类识别任务。.本项目提出了基于归一化磁矩的无系统误差改进探测方法，实现对大型潜艇目标超过200m的单点实时定位；提出了空间多尺度条件下的最简多磁偶极子模型，等效一致性超过99%；基于卷积神经网络实现对典型水下目标的分类识别，分类准确度超过90%。本项目提升了运动载体对水下目标的单点实时定位性能，同时满足水下目标的分类识别任务需求，在水下目标检测定位识别领域具有较高的应用价值。