CN108072906B - 一种分布式磁探测磁目标识别方法 - Google Patents

一种分布式磁探测磁目标识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于磁探测技术，具体公开了一种分布式磁探测磁目标识别方法，利用N架无人机携带原子磁强计分别进行当地磁场强度测量，对测量值进行磁补偿处理之后判断磁异常信号，通过建立磁场强度计算模型，解算得到磁异常目标磁矩和磁异常目标相对于各无人机的位置分布情况。由传统的以光泵磁强计为敏感单元、单机探测方式，改进为以原子磁强计为敏感单元、多架无人机构型组网探测方式，不仅可提高探测***对微弱信号的检测能力，而且利用多机组网还可提高磁异常探测效率及定位精度。

Description

一种分布式磁探测磁目标识别方法
技术领域
本发明属于磁探测技术，具体涉及一种基于多无人机构型组网的磁探测磁目标识别方法。
背景技术
地磁场一般随时间、空间发生有规律的缓慢变化，当有磁性物质存在时，该物质本身所具有的磁场、在地磁场下感应的磁场均会叠加于地磁场上，使地磁场在一定区域内出现异常。地球陆地及海洋中蕴藏有大量金属矿产，水下军事装备如潜艇、水雷等主要由金属材料构成，其中的磁性物质均会导致周围地磁场出现异常。因此，通过检测与识别地磁场异常信息，实现磁性物质的探测与识别，在资源勘探、水下目标探测等领域应用广泛，是国民经济发展与国防建设亟需提升的关键核心技术。
传统磁探测***进行磁目标识别，多采用光泵磁强计作为磁场测量单元，并将光泵磁强计固定于大型有人机尾部，以实现磁异常信号的探测与识别。由于光泵磁强计噪声较大，难以敏感出微弱的磁异常信号，因此限制了其对微弱信号磁异常目标的探测识别；同时，采用单一大型有人机进行飞行探测，当需搜索的区域面积较大时，大型有人机需往复多次飞行，直至飞越磁目标顶部，才可实现对磁异常信号的探测、识别与定位。因此，传统磁探测***磁目标识别方法存在探测效率低、运动目标易丢失等缺陷，限制了其在国民经济发展与国防建设领域的相关应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种分布式磁探测磁目标识别方法，探测效率较高、运动目标不易丢失。
本发明的技术方案如下：
一种分布式磁探测磁目标识别方法，包括如下步骤：
1)利用N架无人机携带原子磁强计分别进行当地磁场强度测量；
2)对测量得到的各地磁场强度测量值进行磁补偿处理，得到N架无人机的磁异常信号测量结果(Bc1,Bc2,…,BcN)；
3)对磁异常信号测量结果进行判断，以发现磁异常信号；
4)确定磁异常目标的磁矩和磁异常目标相对第一架无人机的位置，具体为
a)建立第一架无人机探测到的磁场强度计算模型；
Figure BDA0001156306190000021
其中，
Figure BDA0001156306190000022
为第一架无人机探测到的磁场强度；
Figure BDA0001156306190000023
为磁异常目标相对于第一架无人机的磁矩；
Figure BDA0001156306190000024
为磁异常目标相对第一架无人机的位置；
b)建立第二、第三架…第N架无人机探测到的磁场强度计算模型；
其中，
Figure BDA0001156306190000026
分别为第二架、第三架…第N架无人机分别与第一架无人机的位置差；分别为第二、第三架…第N架无人机探测到的磁场强度；
Figure BDA0001156306190000028
分别为磁异常目标相对第二、第三架…第N架无人机的位置；
Figure BDA0001156306190000029
分别为磁异常目标相对于第二架、第三架…第N架无人机的磁矩；μ0为空气磁导率；
c)根据步骤1)得到的磁异常信号测量结果(Bc1,Bc2,…,BcN)带入到上述计算模型中的
Figure BDA0001156306190000031
解算方程组得到多组
Figure BDA0001156306190000032
和
Figure BDA0001156306190000033
的解。
在上述的一种分布式磁探测磁目标识别方法中，所述步骤3)中，当磁场强度变化大于20pT时，认为该地区存在磁异常目标。
在上述的一种分布式磁探测磁目标识别方法中，在所述步骤3)的步骤c)之后进行步骤d)对各组
Figure BDA0001156306190000034
和
Figure BDA0001156306190000035
的解分别进行统计分析，求取各自的平均值和方差，则可最终得到磁异常目标磁矩和磁异常目标相对于各无人机的位置分布情况。
本发明的显著效果如下：将磁探测***磁目标识别方法由传统的以光泵磁强计为敏感单元、单机探测方式，改进为以特殊性能限定的原子磁强计为敏感单元、多架无人机构型组网探测方式，不仅可提高探测***对微弱信号的检测能力，而且利用多机组网还可提高磁异常探测效率及定位精度。
原子磁强计作为磁场测量单元，利用多无人机构型组网方式进行磁异常信号测试与识别，以实现磁异常信号的高效识别与高精度定位；多架无人机分别探测到磁异常信号后，采用目标特征信息融合技术对各信号进行融合处理，以获取最终的磁目标信号位置。
附图说明
图1为一种多架无人机组网探测示意图；
图2为分布式磁探测目标信息处理流程图。
具体实施方式
下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，采用多无人机组网方式进行磁异常信号探测与识别，并以原子磁强计作为磁场测量单元，以实现磁异常信号的高效识别与高精度定位。
在原子磁强计性能方面，要求所采用原子磁强计噪声峰值≤10pT，以分辨幅值大于10pT的磁异常信号。
在组网无人机性能方面，要求所采用组网的无人机数量在3架或5架，无人机组网可采用等间距排布平行飞行方式、等高度三角阵列排列方式、等高度星型阵列排列方式等。
在磁异常信号识别方面，磁异常信号的识别基于对磁目标特征的磁场对比与匹配基础之上，且多架无人机分别探测到磁异常信号后，采用目标特征信息融合技术对各信号进行融合处理(如图2所示)，以获取最终的磁目标信号位置等信息。
基于以上硬件要求及方法，本发明进行磁异常目标探测识别过程为：首先，根据待测磁目标类型初步进行该类磁目标磁异常特征仿真分析，以获取磁异常目标信号的理论模型；其次，采用多无人机组网，分别携带高性能原子磁强计，在一定构型基础上进行飞行探测；当有几架无人机分别测试到磁异常信号时，实时对各磁异常信号进行信息融合处理，综合判断各信号特征，提取磁异常信号信息，并与先前所建立磁异常目标理论模型进行对比及匹配，以实现磁异常目标的识别与定位。
具体操作步骤如下：
1)利用N架无人机携带原子磁强计分别进行当地磁场强度测量，得到测量值；
2)结合N架无人机的位置姿态信息，对各磁场强度测量值进行磁补偿处理，滤除载体磁干扰及环境磁干扰带来的影响，得到N架无人机的磁异常信号测量结果(Bc1,Bc2,…,BcN)；
3)对磁异常信号测量结果进行判断，以发现磁异常信号；
磁场强度变化大于20pT时，认为该地区存在磁异常目标；
4)确定磁异常目标的磁矩和磁异常目标相对第一架无人机的位置，具体方法为
a)建立第一架无人机探测到的磁场强度计算模型；
以N架无人机探测为例，假设磁异常目标相对于第一架无人机的磁矩为
Figure BDA0001156306190000051
磁异常目标相对第一架无人机的位置为
Figure BDA0001156306190000052
则第一架无人机探测到的磁场强度可表示为
Figure BDA0001156306190000053
b)建立第二、第三架…第N架无人机探测到的磁场强度计算模型；
假设第二架、第三架…第N架无人机分别与第一架无人机的位置差为
Figure BDA0001156306190000054
Figure BDA0001156306190000055
磁异常目标相对于第二架、第三架…第N架无人机的磁矩分别为
Figure BDA0001156306190000056
Figure BDA0001156306190000057
则第二、第三架…第N架无人机探测到的磁场强度分别表示为
Figure BDA0001156306190000058
其中，μ0＝4π×10-7，为空气磁导率。
c)根据步骤1)得到的磁异常信号测量结果(Bc1,Bc2,…,BcN)带入到上述计算模型中的
Figure BDA0001156306190000059
解算方程组得到多组
Figure BDA00011563061900000510
和
Figure BDA00011563061900000511
的解；
d)对各组
Figure BDA00011563061900000512
和
Figure BDA00011563061900000513
的解分别进行统计分析，求取各自的平均值和方差，则可最终得到磁异常目标磁矩和磁异常目标相对于各无人机的位置分布情况。
所采用原子磁强计噪声峰值≤20pT，可分辨幅值大于20pT的磁异常信号；
所采用组网的无人机数量在3架或3架以上，无人机组网可采用等间距排布平行飞行方式、等高度三角阵列排列方式、等高度星型阵列排列方式。

Claims (3)

1.一种分布式磁探测磁目标识别方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)利用N架无人机携带原子磁强计分别进行当地磁场强度测量；
2)对测量得到的各地磁场强度测量值进行磁补偿处理，得到N架无人机的磁异常信号测量结果(Bc1,Bc2,…,BcN)；
3)对磁异常信号测量结果进行判断，以发现磁异常信号；
4)确定磁异常目标的磁矩和磁异常目标相对第一架无人机的位置，具体为
a)建立第一架无人机探测到的磁场强度计算模型；
其中，为第一架无人机探测到的磁场强度；
Figure FDA0001156306180000013
为磁异常目标相对于第一架无人机的磁矩；
Figure FDA0001156306180000014
为磁异常目标相对第一架无人机的位置；
b)建立第二、第三架…第N架无人机探测到的磁场强度计算模型；
其中，
Figure FDA0001156306180000016
分别为第二架、第三架…第N架无人机分别与第一架无人机的位置差；分别为第二、第三架…第N架无人机探测到的磁场强度；
Figure FDA0001156306180000018
分别为磁异常目标相对第二、第三架…第N架无人机的位置；
Figure FDA0001156306180000019
分别为磁异常目标相对于第二架、第三架…第N架无人机的磁矩；μ0为空气磁导率；
c)根据步骤1)得到的磁异常信号测量结果(Bc1,Bc2,…,BcN)带入到上述计算模型中的
Figure FDA0001156306180000021
解算方程组得到多组
Figure FDA0001156306180000022
和
Figure FDA0001156306180000023
的解。
2.如权利要求1所述的分布式磁探测磁目标识别方法，其特征在于：所述步骤3)中，当磁场强度变化大于20pT时，认为该地区存在磁异常目标。
3.如权利要求1所述的分布式磁探测磁目标识别方法，其特征在于，在所述步骤3)中：
步骤c)之后进行步骤d)对各组
Figure FDA0001156306180000024
和
Figure FDA0001156306180000025
的解分别进行统计分析，求取各自的平均值和方差，则可最终得到磁异常目标磁矩和磁异常目标相对于各无人机的位置分布情况。
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