[发明专利]基于鉴相技术的电磁跟踪系统及方法

权利要求书

1.一种基于鉴相技术的电磁跟踪系统，其特征在于，由如下三个部分组成：磁场源模块，磁传感器模块以及控制模块；其中：

所述磁场源模块，包含磁场源和交流恒流源；所述磁场源是由三个缠绕在磁芯上的、中心点重合且相互正交的线圈组成，线圈通电后即产生磁场；所述交流恒流源为构成磁场源的线圈提供激励电流，即交流恒流源在控制模块的控制下输出正余弦电流按一定顺序激励磁场源的各线圈；

所述磁传感器模块，包含一个三轴磁传感器以及相应的信号调理电路；所述三轴磁传感器附着于被跟踪目标，测量跟踪目标所处位置的三轴正交磁感应强度，输入到信号调理电路中；信号调理电路对三轴磁传感器检测到的数据进行滤波和放大；

所述控制模块，包含激励控制电路、AD转换与采样电路以及处理器；所述激励控制电路在处理器的控制下实现对磁场源各线圈激励电流的通断；AD转换电路与采样电路采集磁场源的余弦激励信号及目标点所处位置的合成磁感应强度，两路模拟信号经AD转换后变成两路数字信号输入到处理器中进行处理，处理器对采样得到的余弦激励信号进行平方运算得到信号1，对合成磁感应强度信号进行平方运算得到信号2，再依次对两组数据进行FFT运算，利用两路信号的数字频谱计算信号1和信号2的相位差；进而计算投影角，并进一步计算旋转角，实现对目标点的跟踪定位；

定义相关概念如下：

定义坐标系：该坐标系对应于磁场源，三个坐标轴分别沿组成磁场源的中心点重合且相互正交的三个线圈的轴线方向，坐标原点为(0，0，0)，对应于三个线圈重合的中心点；

定义投影角：用∠1、∠2、∠3表示，∠1、∠2、∠3分别指跟踪目标的中心点在该坐标系的xy平面投影与x轴夹角，yz平面投影与y轴夹角，xz平面投影与z轴夹角；

定义线圈的编号：线圈磁芯与x轴平行的记作线圈1，与y轴平行的记作线圈2，与z轴平行的记作线圈3；

定义所测相位差：

相位差θ₁：用幅度和频率一定的余弦信号激励线圈1，同时以相同幅度和频率的正弦信号激励线圈2，线圈3不施加任何激励；此时，磁传感器所处位置的合成磁感应强度的平方与余弦激励信号的平方为同频余弦信号，相位差恒定，记为θ₁；

相位差θ₂：用幅度和频率一定的余弦信号激励线圈2，同时以相同幅度和频率的正弦信号激励线圈3，线圈1不施加任何激励；此时，磁传感器所处位置的合成磁感应强度的平方与余弦激励信号的平方为同频余弦信号，相位差恒定，记为θ₂；

相位差θ₃：用幅度和频率一定的余弦信号激励线圈3，同时以相同幅度和频率的正弦信号激励线圈1，线圈2不施加任何激励；此时，磁传感器所处位置的合成磁感应强度的平方与余弦激励信号的平方为同频余弦信号，相位差恒定，记为θ₃；

为实现对目标点的定位，需获取两组投影角，每组包含∠1、∠2、∠3三个角，以下为利用鉴相技术获取电磁跟踪系统中目标点的投影角的过程：

对线圈1施加幅度为A、角频率为w的余弦激励信号Acoswt，对线圈2施加与线圈1相同幅度、相同频率的正弦激励信号Asinwt，对线圈3不施加任何激励；此时，磁传感器所处位置的合成磁感应强度记为B1，其三轴正交分量依次记为B_1x，B_1y，B_1z；定位的目标是一个三轴磁传感器，设其空间位置坐标为(x,y,z)，其与系统坐标系原点之间的距离为r，有r²＝x²+y²+z²；

利用磁偶极子公式求解跟踪目标所处位置的磁感应强度，则有：

其中，k为常系数；

于是，合成磁感应强度信号进行平方运算得到信号2的算式为：

对激励信号I＝cos wt进行平方运算得到信号1的算式为：

由上述(3)式和(4)式知：激励信号的平方I²与此时传感器检测到的合成磁感应强度的平方B1²之间的相位差θ₁＝2∠1，即：

同理得：

得到投影角∠1、∠2、∠3后，利用式(8)、式(9)，求得旋转角如下：

α是水平旋转角，即跟踪目标的中心点在xy平面的投影与x轴之间的夹角，β是垂直旋转角，即坐标系原点到跟踪目标中心点之间的连线与该连线在xy平面的投影之间的夹角；确定跟踪目标的两组旋转角，即可对跟踪目标进行准确的定位。

2.基于权利要求1所述电磁跟踪系统进行电磁跟踪的方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)对线圈1施加幅度为A，角频率为w的余弦激励信号A cos wt，对线圈2施加与线圈1相同频率的正弦激励信号A sin wt，对线圈3不施加任何激励；

(2)将余弦信号激励A cos wt以及磁传感器模块的输出作为输入信号输入到控制模块中，将数模转换内核设置成同步模式，对模拟输入进行严格同步的采样和转换；根据奈奎斯特采样定理，采样频率应在被测信号频率的两倍以上，可由定时器实现对采样频率的精确控制；

(3)上述模拟信号的采样完成后，对采样点的数据进行如下处理：对余弦激励信号进行平方运算得到信号1；对磁传感器合成磁感应强度信号求平方得到信号2；

(4)采用数字或模拟的方式获取信号1和信号2的相位差：依次对两组数据进行FFT运算，利用两路信号的数字频谱求取相位差；假设两待测信号频率均为f，采样频率为f_s，采样点数为N，则待测信号对应的数字频谱的谱点数为取出该点对应虚数的实部和虚部；设信号1对应的实部和虚部依次为a₁和b₁，信号2对应的实部和虚部依次为a₂和b₂，可知信号1相位信号2相位即相位差θ₁＝δ₂-δ₁；

(5)对线圈2施加幅度为A，角频率为w的余弦激励信号A cos wt，对线圈3施加与线圈2相同幅度、相同频率的正弦激励信号A sin wt，对线圈1不施加任何激励；重复步骤(2)、(3)、(4)三步，得到相位差θ₂；

(6)对线圈3施加幅度为A，角频率为ω的余弦激励信号A cos wt，对线圈1施加与线圈3相同频率的正弦激励信号A sin wt，对线圈2不施加任何激励；重复步骤(2)、(3)、(4)三步，得到相位差θ₃；

(7)利用相位差与角度之间的关系式(5)、(6)、(7)式，求解得投影角∠1、∠2、∠3，然后根据公式(8)、(9)即求解出旋转角；

α是水平旋转角，即跟踪目标的中心点在xy平面的投影与x轴之间的夹角，β是垂直旋转角，即坐标系原点到跟踪目标中心点之间的连线与该连线在xy平面的投影之间的夹角；确定跟踪目标的两组旋转角，即可对跟踪目标进行准确的定位。