基于全张量磁场梯度的磁性目标定位理论与关键技术研究

The project proposes to research on the fT/m level full tensor magnetic field gradient measurement theory and magnetic object positioning theory based on induction coil full tensor gradiometer. Then, it is necessary to verify the potential theories by implementing the experiment platform and fabricating the full tensor gradiometer. Moreover, in order to increase the detecting distance and accuracy, the project also plan to investigate and verify the positioning error distribution patterns, error correction method by finite element method and systematic experiments respectively. In addition, it is significant to explore the electromagnetic noise supersession theory by integrating the full tensor magnetic field gradients theory and traditional noise supersession method. Finally, the project proposed to study the characteristic of tenor anomaly and its possible application in magnetic objects positioning.

本课题拟在前期的理论研究基础上，以基于电磁感应原理的高精度线圈磁传感器为依托，研究pT/m级别全张量磁场梯度测量理论和单磁性目标定位理论、制备全张量磁场梯度计原理样机，并搭建探测模拟实验平台；在此基础上，通过有限元仿真研究基于全张量磁场梯度的单磁性目标定位误差分布特征、修正理论及方法，并通过实验对所发现的规律进行验证，进而提高磁性目标的有效探测距离和定位精度；通过仿真分析和搭建微磁屏蔽空间控制噪声来源，探索全张量磁场梯度信息与传统噪声抑制相结合的磁场噪声抑制技术，并进而探索全张量磁场梯度在磁异常探测中的典型数理特征。

具有磁性的金属制成的大型物体在地球磁场下会被磁化，被磁化的物体本身带有了磁性，其磁场可近似为磁偶极子产生的磁场。磁场全张量包含了磁场强度和所有的梯度信息，能够很好地反映磁场信息。梯度张量测量系统测量的对象是磁场矢量各方向分量的梯度，不受总场测量的限制，所测量的结果能够反映磁偶极子的磁矩信息。因此我们可以利用目标的磁场全张量信息对目标进行定位与磁矩反演。.本课题在前期理论研究基础之上，以基于电磁感应原理的高精度线圈磁传感器为依托，研究了全张量磁场梯度测量理论和单磁性目标定位理论、制备了全张量磁场梯度计原理样机，并搭建探测模拟实验平台。通过有限元分析，研究了磁性目标磁场分布特征。并在此基础上研究了基于全张量磁场梯度的单一磁性目标定位误差分布特征、修正理论及方法，对影响定位误差分布的因素进行了仿真分析，尤其是灵敏度，分辨率，传感器尺寸与磁偶极子姿态等因素，并通过实验对所发现的规律进行验证；针对系统误差，我们提出了迭代方法与旋转方法，可以有效减小误差；针对定位盲区问题，我们提出了广义逆矩阵方法，可以很好消除这个盲区；同时我们还提出了在一个正弦磁场下对三轴传感器进行正交化校准的方法，比传统方法更加实用可操作。使用数字信号处理方法，从信号角度分析了磁场噪声的来源，包括了引线噪声、地磁噪声与环境噪声，并且分别提出了硬件与软件的噪声抑制的方法，同时还将经验模态分解算法用在定位反演计算过程中，有效的减小了定位误差。同时，对磁场张量矩阵进行数学分析，分别研究了磁场张量矩阵的秩、模、特征值与特征向量的性质与在定位中的应用，并通过实验进行验证。最后，利用VMD技术对多磁性目标识别技术进行了初步的研究。