海水中的交变磁偶极子源定位建模方法、定位方法及系统技术方案

本发明专利技术一种海水中的交变磁偶极子源定位建模方法、定位方法及系统，属于目标定位领域；本发明专利技术为消除在海上进行定位实验时的定位误差，在空气中磁偶极子磁场模型的基础上引入与交变磁偶极子频率、海水电导率有关的衰减系数k，建立海水中交变磁偶极子源定位的模型F

【技术实现步骤摘要】
海水中的交变磁偶极子源定位建模方法、定位方法及系统


[0001]本专利技术属于目标定位领域，具体涉及一种海水中的交变磁偶极子源定位建模方法、定位方法及系统。

技术介绍

[0002]在水下目标的近场定位中，通常将目标电磁引信的发射线圈等效为磁偶极子模型。按照磁偶极子的传播模型，如果已知磁偶极子的磁矩信息，就可以计算出其在空间任意一点产生的磁场信息。反过来，如果得到了空间上某点磁偶极子产生的磁场分布，也可以反演出磁偶极子的位置，这就是磁目标定位。当磁偶极子辐射源处于运动状态，磁场信息测量系统中的传感器可以采集到一序列磁场数据，通过这些测量数据和传感器的位置可以反演出磁性目标与测量系统的相对位置和运动状态等信息。
[0003]现有技术中，对交变磁偶极子辐射源进行定位时，其定位模型采用了空气中的磁偶极子传播模型，它仅适用于空气中或电导率较小的介质(例如淡水)中的辐射源定位，当需要完成对海水中交变辐射源定位时，交变电磁波在海水中传播，海水的电导率较大，交变电磁波在其中的传播模型将会发生较大改变，若此时交变辐射源定位依然采用空气中磁偶极子模型，那么其定位精度将会受到影响，产生一定的误差。

技术实现思路

[0004]要解决的技术问题：
[0005]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提供一种海水中的交变磁偶极子源定位建模方法、定位方法及系统。当交变磁偶极子源在导电介质(海水)中运动时，例如在电磁引信鱼雷的末弹道轨迹测量，其辐射磁场会因为海水介质的电磁特性影响而产生和空气中不一样的衰减，
技术介绍
中的交变磁偶极子源定位模型并未考虑海水电导率的影响，从而导致定位结果与实际位置产生较大误差，影响定位系统的准确性。本专利技术为消除在海上进行定位实验时的定位误差，在空气中磁偶极子磁场模型的基础上引入与交变磁偶极子频率、海水电导率有关的衰减系数，建立海水中交变磁偶极子源定位的模型，从而提高海水中交变辐射源定位的准确性，拓展交变辐射源定位系统的应用环境。
[0006]本专利技术的技术方案是：一种海水中的交变磁偶极子源定位建模方法，其特征在于具体步骤如下：
[0007]步骤1：建立n个单分量磁传感器的磁场强度矩阵：
[0008][0009]其中，(x0,y0,z0)为磁偶极子辐射源的位置坐标，(x
i
，y
i
，z
i
)为第i个传感器的位置坐标，R
i
为目标至第i个传感器的距离，i＝1、2
……
n；
[0010]步骤2：建立海水中的交变磁偶极子源定位模型：
[0011]F
′
＝K
·
F
[0012]其中，为第i个传感器的衰减系数；p
i
为第i个传感器的组合参数。
[0013]本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤2中，n个单分量磁传感器中第i个传感器的组合参数p表示为：
[0014][0015]其中，为目标至第i个传感器的距离，μ为海水介质的磁导率，σ为海水介质的电导率，ω为交变磁偶极子源的角频率。
[0016]一种海水中的交变磁偶极子源定位方法，其特征在于具体步骤如下：
[0017]步骤1：获取传感器阵列的磁场测量值，作为输入参数，
[0018]步骤2：求解第i个传感器的的衰减系数Ki
；
[0019]步骤3：计算海水中交变磁偶极子源定位模型的系数矩阵；
[0020]步骤4：采用Levenberg
‑
Marquardt算法求解非线性最小二乘优化问题，得到海水中交变磁偶极子源的位置坐标(x0,y0,z0)。
[0021]本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤1中，输入参数包括海水介质的磁导率μ、海水介质的电导率σ、交变磁偶极子源的角频率ω、测量系统中n个单分量磁传感器的位置坐标(x
i
,y
i
,z
i
)。
[0022]本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤2中，设交变磁偶极子源的位置坐标为(x0,y0,z0)，首先，计算交变磁偶极子源至第i个传感器的距离，公式如下：
[0023][0024]然后，计算第i个传感器的的衰减系数K
i
，公式如下：
[0025][0026]其中，组合参数
[0027]本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤3中，海水中交变磁偶极子源定位模型的系数矩阵F
′
＝K
·
F，具体公式为：
[0028][0029]本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤4中，求解非线性最小二乘优化问题的公式如下：
[0030][0031]其中，H为n个单分量磁传感器的磁场测量值。
[0032]一种海水中的交变磁偶极子源定位系统，其特征在于：包括n个单分量感应式传感器、数采模块和上位机；n个单分量感应式传感器阵列排布，分别通过数采模块与上位机连接；
[0033]所述数采模块将传感器阵列测量到的磁场值传递给上位机；
[0034]所述上位机利用磁场数据和传感器的的衰减系数，通过内置定位算法计算出目标的位置信息。
[0035]本专利技术的进一步技术方案是：所述单分量感应式传感器的数量为12个，编号为1号至12号，以2号传感器为原点建立坐标系，阵列位于z＝0的xOy平面内，奇数编号的6个传感器放置在一列，间隔6m；偶数编号的6个传感器放置在另一列，同样间隔6m，与奇数列传感器的距离为13.4m。
[0036]有益效果
[0037]本专利技术的有益效果在于：本专利技术在现有技术的基础上，考虑了磁偶极子源所处介质对电磁波传播的影响，由于引入了衰减系数，计算得到了海水中交变磁偶极子源定位模型系数矩阵，因此消除了介质导电性的影响，从而提高了定位的准确性。
[0038]经过实验验证，图5和图6为
技术介绍
模型与本专利技术模型定位的结果对比，图7为二者定位结果误差的对比；计算二者的RMSE(均方根误差)，得到x坐标的RMSE分别为2.75m和3.54
×
10
‑
10
m,y坐标的RMSE分别为0.88m和4.10
×
10
‑
10
m,z坐标的RMSE分别为8.63m和4.09
×
10
‑
10
m。从图中以及误差计算情况可以看出运用了本专利技术中的模型后，定位结果的误差减小，准确性有所提高，为基于磁传感器阵列测量系统的优化提供了技术支撑。
附图说明
[0039]图1磁偶极子坐标示意图；
[0040]图2交变磁偶极子源定位技术路线图；
[0041]图3交变磁偶极子源定位系统原理框图；
[0042]图4交变磁偶极子源定位情景示意图；
[0043]图5传感器阵列定位结果(俯视图)；
[0044]图6三个坐标估计值的对比图；
[0045]图7三个坐标估计误差的对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种海水中的交变磁偶极子源定位建模方法，其特征在于具体步骤如下：步骤1：建立n个单分量磁传感器的磁场强度矩阵：其中，(x0，y0，z0)为磁偶极子辐射源的位置坐标，(x
i
，y
i
，z
i
)为第i个传感器的位置坐标，R
i
为目标至第i个传感器的距离，i＝1、2
……
n；步骤2：建立海水中的交变磁偶极子源定位模型：F
′
＝K
·
F其中，K＝[K1，K2，...，K
n
]，为第f个传感器的衰减系数；p
i
为第i个传感器的组合参数。2.根据权利要求1所述一种海水中的交变磁偶极子源定位建模方法，其特征在于：所述步骤2中，n个单分量磁传感器中第i个传感器的组合参数p表示为：其中，为目标至第i个传感器的距离，μ为海水介质的磁导率，σ为海水介质的电导率，ω为交变磁偶极子源的角频率。3.一种海水中的交变磁偶极子源定位方法，其特征在于具体步骤如下：步骤1：获取传感器阵列的磁场测量值，作为输入参数，步骤2：求解第i个传感器的的衰减系数K
i
；步骤3：计算海水中交变磁偶极子源定位模型的系数矩阵；步骤4：采用Levenberg
‑
Marquardt算法求解非线性最小二乘优化问题，得到海水中交变磁偶极子源的位置坐标(x0，y0，z0)。4.根据权利要求3所述一种海水中的交变磁偶极子源定位方法，其特征在于：所述步骤1中，输入参数包括海水介质的磁导率μ、海水介质的电导率σ、交变磁偶极子源的角频...

【专利技术属性】
技术研发人员：马艳，杨璇玑，李斌，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：