光学 精密工程
2022, 30(20): 2523
1 海军潜艇学院遥感所, 山东 青岛 266000
2 海军航空大学, 山东 烟台 264000
针对基于磁梯度张量的磁性目标单点定位方法受地磁场的估计误差影响较大的问题, 提出了一种基于正六面体测量阵列的磁性目标定位方法, 该方法利用正六面体测量阵列上、下两个平面的磁梯度张量测量信息, 建立关于目标位置的方程组, 利用地磁场梯度较小的特性, 通过对磁场矢量项做差来消除地磁场的干扰, 然后利用磁场矢量的差值和磁梯度张量信息求解得到目标的位置坐标。仿真实验结果表明, 该方法可以克服现有方法中受地磁场的估计误差影响较大的问题, 提高目标的定位精度。
磁性目标定位 磁梯度张量 地磁场 正六面体测量阵列 磁性目标 定位 magnetic target location magnetic gradient tensor geomagnetic field cube array magnetic target localization
陆军工程大学 车辆与电气工程系,河北石家庄050003
为了研究磁梯度张量系统(Magnetic Gradient Tensor System, MGTS)的理论探测极限,利用磁偶极子正演公式、张量矩阵特征方程和张量不变量推导了差分磁梯度张量测量范围公式,提出了MGTS理论探测极限估计方法。利用磁梯度张量空间衍生不变关系定位方法估计目标体磁矩,并利用差分计算原理在背景场静态采样中估计MGTS的张量分量测量准确度。利用提出的方法估计现场MGTS的理论探测极限。滑动磁性物体远离MGTS并进行连续采样,记录张量信号实际可观测范围并对估计结果进行验证。结果表明,MGTS的理论探测极限与基线距离d、测量准确度q、目标磁矩强度M、观测点与目标磁矩间夹角θ等有关;d越长,q越高,M越大,MGTS理论可探测距离越远;d越长,观测距离越近,MGTS测量的理论误差越大;探测距离在MGTS平行于磁矩方向时最大,在垂直于磁矩方向时急剧减小。实验表明,平面十字形MGTS针对4个典型磁铁的探测极限估计准确度为±0.4 m。
磁梯度张量 差分测量系统 探测极限 目标定位 magnetic gradient tensor differential measurement system detection limits target positioning 光学 精密工程
2022, 30(11): 1325
陆军工程大学 车辆与电气工程系, 河北 石家庄 050003
为避免在利用欧拉反演方法进行磁性目标单点定位时, 二阶张量数据对误差和噪声的较敏感性导致定位精度低的缺点, 提出一种利用张量衍生不变关系、仅需一阶张量数据实现磁源单点定位的方法。在磁偶极子场源张量不变量和特征值分析基础上, 推导了两个张量衍生不变关系: 磁矩与位置矢量夹角是恒定的, 且能用张量特征值表示; 绝对值最小特征值的特征向量垂直于磁矩、位置矢量, 其余特征值的特征向量共面于磁矩、位置矢量。据此, 可计算出位置矢量关于过磁源中心某平面四象限对称的4个可能解, 根据实际方位和磁测数据确定唯一解。实验结果表明, 实测中经磁梯度张量系统误差校正后, 对小尺度磁铁(直径5 cm、厚度0.5 cm)的定位精度控制在1 cm均方根误差范围内。相比欧拉反演方法, 提出的方法在同噪声工况下探测距离更远, 定位结果更可靠。
磁梯度张量系统 磁偶极子 张量衍生不变关系 单点定位 误差校正 magnetic gradient tensor system magnetic dipole tensor invariant relation single-point positioning error correction
1 陆军工程大学 车辆与电气工程系, 河北 石家庄 050003
2 中国空气动力研究与发展中心 高速所, 四川 绵阳 621000
为有效消除磁梯度张量系统传感器阵列间非对准误差和传感器系统误差对测量精度造成的影响, 提出了一种只需绕系统任意轴旋转一周便可理论上实现所有磁传感器与参考平台正交系间精确校准方法。利用两组无数学简化的非线性转换构建传感器系统误差线性校正模型, 仅需同一旋转周期的10组测量数据便能得到参考平台与各传感器的理想正交输出。通过构建磁传感器三轴横倾、俯仰、方位转换的旋转矩阵, 得到传感器空间任意姿态的非对准误差校正模型并对旋转角进行最小二乘估计, 仅需同一旋转周期的3组测量数据便能对准张量系统。仿真和实测结果表明: 在理想情况下仿真参数估计准确率接近100%, 实验校正后各传感器输出具有较高重合与同轴性, 张量分量RMSE(均方根误差)小于30 nT/m。能以较简单步骤和较少采样数据高效提高差分法磁梯度张量系统测量精度。
磁梯度张量系统 误差校正 线性校正 最小二乘法 快速旋转校准 magnetic gradient tensor system error correction least-squares method linear calibration fast rotation calibration
海军航空工程学院 控制工程系, 山东 烟台264001
针对十字形磁梯度张量系统中的单磁力仪误差(三轴灵敏度偏差、非正交误差和零点漂移误差)以及磁力仪之间存在的不对正误差, 提出了十字形磁梯度张量系统的误差校正方法。首先, 建立单磁力仪误差模型, 采用基于椭球约束的最小二乘拟合算法对磁力仪的测量数据进行拟合从而得到椭球拟合参数; 然后, 接着利用Cholesky分解得到单磁力仪误差校正矩阵; 最后在单磁力仪误差校正的基础上, 利用正交Procrustes方法对不同磁力仪间的测量数据进行拟合从而得到磁力仪间的不对正误差校正矩阵。对提出的方法进行仿真与实测实验验证, 实验结果表明: 经过校正, 磁梯度张量各分量的最大波动量由10 049 nT/m降到52 nT/m。提出的校正方法可以基本消除十字形磁梯度张量系统的误差, 提高测量结果的准确度, 且方法操作简单, 不需要高精度的三轴无磁转台等设备, 具有较高的实用价值。
磁场测量 椭球拟合 误差校正 磁梯度张量 magnetic field measurement ellipsoid fitting error calibration magnetic gradient tensor
1 海军潜艇学院 航海观通系,山东 青岛 266001
2 海军航空工程学院 控制工程系,山东 烟台 264001
3 海军91049部队,山东 青岛 266102
4 海军92474部队,海南 三亚 572018
针对搭载于水下无人航行器(UUV)的磁梯度张量系统的系统误差,提出了一种系统误差补偿方法。该方法利用四面体磁梯度张量系统的差分测量算法,融合系统中单个矢量磁力仪的系统误差和磁力仪之间的安装中心错位误差,建立了四面体磁梯度张量系统误差数学模型;基于此数学模型提出了系统误差补偿算法,并根据磁梯度张量9分量之间的数学关系提出了补偿参数辨识方法;最后,通过仿真实验对该方法进行了验证。实验结果表明:该方法可以有效补偿磁梯度张量系统的系统误差,补偿量达96.2%,且补偿效果优于参考文献提出的系统误差补偿方法。该方法利用补偿参数对磁梯度张量系统的输出值直接进行系统误差补偿,从理论上解决了磁梯度张量系统整体误差的统一补偿问题。
水下无人航行器 磁梯度张量系统 磁场 系统误差 误差补偿 Unmanned Underwater Vehicle(UUV) magnetic gradient tensor magnetic field systematic error error compensation 光学 精密工程
2014, 22(10): 2683