基于磁梯度张量和矢量的主动式磁目标定位系统及其校正补偿技术

Scalar measurement of magnetic signal is widely used for submarine and unexploded object (UXO) detection, but it is not suitable for localization because several measurement locations should be implemented using scalar measurement. An active magnetic object localization instrument is designed, and the error reasons and influence are analyzed. The major error reasons contain measurement noise, magnetic sensor error, misalignment between inertial system and magnetic sensor, inertial system distortion field, magnetic sensor array error. Wavelet analysis and differential evolution algorithm are used for denoising and calibration. Misalignment between inertial system and magnetic sensor is calibrated based on constant magnetic/gravity projection on the vertical direction of platform. Distortion field vector compensation method is used by laser beam and reflector. Magnetic sensor array error is calibrated by using nonmagnetic perpendicular platform. The designed instrument provides a good way for real time localization of magnetic object. In addition, the mentioned calibration/compensation method can be widely used for other magnetic measurement system calibration.

磁信号模量测量技术广泛用于潜艇和未爆炸物探测，但模量探测技术不适用于目标定位，基于总量的磁目标定位需要获取多个位置的磁测量数据。本项目设计了一种主动式磁目标定位系统，对误差机理和影响进行了分析。系统误差主要包括测量噪声、磁传感器误差、地磁矢量系统非对准误差、惯导磁干扰、磁传感器阵列误差。噪声和磁传感器误差方面，研究基于小波去噪和微分进化算法的磁传感器校正。地磁矢量系统非对准误差方面，研究基于平台垂直轴磁场/重力投影不变原理的对准方法。惯导磁干扰方面，研究基于激光束和反光镜的磁干扰分量补偿方法。磁传感器阵列误差方面，研究基于直角台的磁传感器阵列对准。本项目提供了一种主动式磁目标实时定位途径，涉及的校正补偿方法可通用于其他磁测量系统校正。

针对目前缺乏主动式磁目标定位系统现状，以及系统多类误差严重影响测量精度问题。本项目设计了主动式磁目标定位系统，并对其几类主要误差进行校正补偿，完成了项目计划书中预定的研究目标。提出了一种基于磁梯度张量和地磁矢量的运动式定位方法，采用惯导系统和磁传感器阵列进行磁目标定位。进行了传感器误差建模与机理分析、实现了磁测量噪声预处理以及磁传感器校正。针对惯导与磁传感器非对准面临的坐标不可视、测量物理量不一致难题，提出了地磁矢量系统非对准方法，根据地磁和重力在旋转台平面垂直方向投影不变特性，间接估算出惯导与磁传感器两个不同物理量传感器的非对准角，实现对准。针对主动式定位系统测量磁梯度张量需求，提出了基于投影不变原理的磁传感器阵列校正方法，实现多个磁传感器之间对准。针对总量约束干扰补偿方法无法正确计算干扰参数，难适用于分量补偿，提出了基于基准地磁信息的分量补偿方法，准确获取了磁干扰参数，实现了惯导磁干扰分量补偿，抑制了地磁矢量系统主要误差。针对捷联式系统多类误差，建立了综合误差模型，提出了一体化校正补偿方法。针对低信噪比情况下，微弱磁异探测信号容易被噪声淹没且难以提取问题，提出了基于双稳随机共振的磁异信号探测方法。本项目为磁目标主动式定位提供了一种可行方案，通过校正补偿大幅度提高测量精度，并推向实用化，涉及的校正补偿方法可用于各类磁测量系统，具有一定推广性。该项目研究周期内，在《IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT》、《IEEE SENSORS JOURNAL》等期刊上共支持发表SCI论文7篇。