[发明专利]一种磁偶极子目标测距测向方法有效
申请号: | 202011461502.6 | 申请日: | 2020-12-11 |
公开(公告)号: | CN112611310B | 公开(公告)日: | 2022-09-27 |
发明(设计)人: | 黄玉;武立华;刘苏涛;张涛;王洋;秦洋 | 申请(专利权)人: | 哈尔滨工程大学 |
主分类号: | G01B7/004 | 分类号: | G01B7/004;G01B7/02;G01C1/00;G01R33/02;G01R33/022;G06F17/15;G06F17/16 |
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地址: | 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区*** | 国省代码: | 黑龙江;23 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 一种 偶极子 目标 测距 测向 方法 | ||
1.一种磁偶极子目标测距测向方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1、将四个同规格的三轴磁强计按照测量轴对称配置方式安装在由非磁性材料制作而成的十字基座上,构成三轴磁强计十字阵列;四个三轴磁强计位置点分别为A、B、C和D点,其中A点和C点关于y轴对称,B点和D点关于x轴对称;
步骤2、读取四个三轴磁强计的测量输出,计算十字阵列中心处的磁梯度张量的独立分量值a、b、d、e和f,具体为:
式中,δx和δy分别为三轴磁强计的xs轴和ys轴偏离zs轴的位置误差,Lx为十字阵列的点A和点C之间的长度,Ly为点B和点D之间的长度,BAx、BAy和BAz为点A处的磁性体磁场的三分量,BBx、BBy和BBz为点B处的磁性体磁场的三分量,BCx、BCy和BCz为点C处的磁性体磁场的三分量,BDx、BDy和BDz为点D处的磁性体磁场的三分量;
步骤3、设位置坐标向量X=[x,y,z]T∈R3,构造关于X的方程式,建立优化目标函数F(X),具体为:
F(X)=|f1(X)|+|f2(X)|+|f3(X)|+|f4(X)|
式中,
kax=(3r2-5x2)x,kay=(r2-5x2)y,kaz=(r2-5x2)z,kbx=(r2-5y2)x,kby=(3r2-5y2)y,kbz=(r2-5y2)z,kdx=kay,kdy=kbx,kdz=-5xyz,kex=kdz,key=kbz,kez=y(r2-5z2),kfx=kaz,kfy=kdz,kfz=(r2-5z2)x,ηab=a/b,ηad=a/d,ηae=a/e和ηaf=a/f,x、y和z为磁梯度张量的测量点相对于磁偶极子的空间坐标,r为磁梯度张量的测量点与磁偶极子之间的距离;
步骤4、根据探测目标的类型确定磁矩大小的范围[mmin,mmax],求解约束最优化问题计算磁偶极子目标与三轴磁强计十字阵列中心之间的距离约束最优化问题具体为:
式中,h1(X)=xv31+yv32+zv33,v31、v32和v33是磁梯度张量矩阵的第三个特征值对应的特征向量元素;
式中,μ为磁导率,λ1、λ2和λ3为磁梯度张量矩阵的三个特征值;
步骤5、计算得到磁偶极子磁矩的三分量mx、my和mz,具体为:
式中,矩阵[Kij]的元素分别为K11=(3r2-5x2)x、K12=(r2-5x2)y、K13=(r2-5x2)z、K21=(r2-5y2)x、K22=(3r2-5y2)y、K23=(r2-5y2)z、K31=K12、K32=K21、K33=-5xyz、K41=K33、K42=K23、K43=(r2-5z2)y、K51=K13、K52=K33和K53=(r2-5z2)x;
步骤6、求解关于k的多项式,得到k的六个根,具体为:
A6k6+A5k5+A4k4+A3k3+A2k2+A1k+A0=0
式中,A6=d2(a+2b)-e2(a-b)+2def,A5=-2d[(a-b)(a+2b)+(d2+e2+f2)],A4=(a-b)2(a+2b)+d2(4a-7b)+(f2-2e2)(a-b)+6def,A3=-4d[(a-b)2+(-d2+e2+f2)],A2=(a-b)2(2a+b)+d2(4b-7a)+(2f2-e2)(a-b)+6def,A1=2d[(a-b)(2a+b)-(d2+e2+f2)],A0=d2(2a+b)+f2(a-b)+2def;
步骤7、舍弃k的复数根,根据k的剩余实数根计算q值,具体为:
步骤8、根据十字对称阵列的中心点位置处于偶极子磁性目标的上方或下方以及建立的测量坐标系确定z的正负,并根据k、q和t的值计算z值,具体为:
其中t是磁偶极子磁场大小,当十字对称阵列的中心点位置处于偶极子磁性目标的上方,z为负,当十字对称阵列的中心点位置处于偶极子磁性目标的下方,z为正;
分别计算出x和y,具体为:
x=kqz
y=qz
得到位置坐标的实数集合{xl,yl,zl|l=1,2,…,Nr},Nr为k的实数根的个数;
步骤9、利用{xl,yl,zl|l=1,2,…,Nr}计算出误差集合{Δl},具体为:
步骤10、从{Δl}寻找最小值对应的l,即
则k的值选取为:
k=kL
然后得到q和z的值;
步骤11、确定x和y的符号,具体为:
式中,sign()表示求符号值,磁偶极子目标相当于阵列中心点P的位置坐标xQ和yQ的符号分别为sign(xQ)=-sign(x)和sign(yQ)=-sign(y);
计算磁偶极子目标的方位角ψ∈[0,2π),具体为:
当sign(xQ)为“+”且sign(yQ)为“+”时,ψ=arctan(1/k);
当sign(xQ)为“+”且sign(yQ)为“-”时,ψ=2π+arctan(1/k);
当sign(xQ)为“-”且sign(yQ)为“+”或“-”时,ψ=π+arctan(1/k);
其中,当|x|-0≤A时且sign(yQ)为“+”时,ψ=π/2,;当|x|-0≤A时且sign(yQ)为“-”时,ψ=3π/2,A为给定值,A≤10-4;
步骤12、利用距离值r计算得到磁偶极子磁场和磁矩的大小,具体为:
式中,
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