[发明专利]一种三维磁源动态探测系统和探测方法

权利要求书

1.一种三维磁源动态探测方法，其特征在于：

采用三维磁源动态探测系统，三维磁源动态探测系统包括磁场信号检测模块(1)、信号调理模块(2)、A/D转换模块(3)和数据采集分析模块(4)；

磁场信号检测模块(1)：包括由霍尔效应磁场传感器(7)组成的磁场传感器阵列，霍尔效应磁场传感器(7)接收三维磁源(14)移动或磁场强度变化过程中产生的动态磁场信号，并将动态磁场信号转换为动态电压信号，磁场传感器阵列输出多路动态电压信号至信号调理模块；

信号调理模块(2)：信号调理模块接收磁场信号检测模块输出的多路动态电压信号，对多路动态电压信号进行通道选择，同一时间只选取其中一路动态电压信号，将该路动态电压信号调理到满足A/D转换模块的输入电压范围后输出至A/D转换模块；

A/D转换模块(3)：包括一个A/D转换器，A/D转换模块接收信号调理模块处理后输出的动态电压信号，将动态电压信号转换为数字信号，并输出数字信号至微控制器；

数据采集分析模块(4)：包括微控制器和PC端，微控制器接收A/D转换模块输出的数字信号，通过计算得到霍尔效应磁场传感器所处空间位置的动态磁场的强度和极性信息，并将动态磁场的强度和极性信息通过串口发送至PC端，PC端利用动态磁场的强度和极性信息计算出三维磁源(14)所在的移动空间范围(5)内的三维磁源的分布，实现三维磁源动态探测；

通过磁场信号检测模块的霍尔效应磁场传感器感应动态磁场获得动态电压信号，经信号调理模块调理、A/D转换模块转换为数字信号后发送到数据采集分析模块，数据采集分析模块中根据动态电压信号的数字信号计算得到动态磁场的强度和极性信息，并将动态磁场的强度信息采用磁参数反演方法计算出三维磁源所在的移动空间范围内的三维磁源的分布，即识别获得三维磁源的形状；

将动态磁场的强度信息采用磁参数反演方法计算出三维磁源所在的移动空间范围内的三维磁源的分布，具体如下：

1)建立磁场基本模型：

将三维磁源等效为磁偶极子，将三维磁源所在的移动空间范围分为N个三维立方体空间元v，每个三维立方体空间元的中心有一个磁偶极子作为等效磁偶极子；建立三维坐标系，以x轴和y轴为二维磁场检测平面(6)的两个相垂直方向，以z轴为垂直于二维磁场检测平面(6)方向，单个等效磁偶极子产生磁场为：

其中，μ₀为真空磁导率，π为圆周率，为磁偶极子在点(x,y,z)产生的磁场；(x_s,y_s,z_s)为磁偶极子的位置坐标；为等效磁偶极子的磁矩，m_x、m_y和m_z分别为磁矩在x、y、z轴的分量；分别为x、y、z轴的单位方向矢量；为点(x_s,y_s,z_s)相对于点(x,y,z)的位置矢量，r为点(x_s,y_s,z_s)与点(x,y,z)之间的距离，点(x_s,y_s,z_s)为三维立方体空间元的中心；

表示第n个三维立方体空间元中心的等效磁偶极子的磁矩，磁矩方向垂直于二维磁场检测平面(6)，m_n为磁矩的大小；表示第n个三维立方体空间元中心的等效磁偶极子相对于霍尔效应磁场传感器的位置矢量，r_n表示第n个三维立方体空间元中心的等效磁偶极子与霍尔效应磁场传感器间的距离，z_n表示第n个三维立方体空间元中心的等效磁偶极子的垂直于二维磁场检测平面(6)方向的坐标；

霍尔效应磁场传感器中接收到单个等效磁偶极子产生磁场的动态磁场信号为：

其中，B_zdipole为磁场在z轴的分量；

由所有等效磁偶极子构成三维磁源，则霍尔效应磁场传感器接收到三维磁源的动态磁场信号的磁场强度B为：

其中，B(x,y)表示二维磁场检测平面上坐标(x,y)处的霍尔效应磁场传感器接收到的动态磁场信号的磁场强度；

2)构建磁场模型：

将霍尔效应磁场传感器接收到三维磁源的动态磁场信号的磁场强度B用第一类Fredholm积分方程表示，构建磁场模型：

B_H(x,y)＝∫_VK(x-x_s,y-y_s,z-z_s)M(x_s,y_s,z_s)dv

其中，B_H(x,y)表示二维磁场检测平面上坐标(x,y)处的霍尔效应磁场传感器接收到的动态磁场信号的磁场强度分布矩阵；M(x_s,y_s,z_s)表示三维磁源在移动空间范围的分布矩阵，具体为三维立体矩阵，三维立体矩阵的维数和三维立方体空间元v的总数相同对应，其中的每一个元素表示三维磁源在移动空间范围对应的三维立方体空间元v的等效磁偶极子的磁矩；v表示移动空间范围的三维立方体空间元；∫_Vdv表示在移动空间范围内进行体积分；K(x-x_s,y-y_s,z-z_s)为第一类Fredholm积分方程的核函数；

3)磁场模型的求解：

具体构造以下目标函数：

其中，f(M)表示三维磁源的估计值和真实值之间的相似度，γ是正则化参数；

然后采用修正共轭梯度法求解目标函数的最小值获得最小值对应的分布矩阵M(x_s,y_s,z_s)，以分布矩阵M(x_s,y_s,z_s)表征获得移动空间范围内三维磁源的形状。

2.根据权利要求1所述的一种三维磁源动态探测方法，其特征在于：

所述步骤3)具体为：

3.1)初始设置M(x_s,y_s,z_s)，并初始设置搜索方向和迭代次数t＝1，为第t次迭代时相似度f(M)在分布矩阵M_t处的梯度，M_t表示第t-1次迭代后的分布矩阵M(x_s,y_s,z_s)；

3.2)第t次迭代时，根据梯度和搜索方向由强Wolfe线搜索方法计算步长且步长满足：

其中，δ表示计算步长第一阈值，σ表示计算步长第二阈值，0δ0.5σ1；T表示矩阵转置；表示相似度f(M)在第t次迭代后的分布矩阵处的梯度，表示相似度f(M)在第t次迭代后的分布矩阵处的取值，f_t表示第t-1次迭代后相似度f(M)在分布矩阵M_t处的取值；

3.3)根据步长采用以下公式计算第t次迭代后的分布矩阵

其中，表示第t次迭代的搜索方向，β_t表示第t次迭代的方向调控参数；

3.4)t＝t+1，不断重复上述步骤3.2)和3.3)迭代运算，直到第t+1次的梯度满足ε表示收敛精度阈值，|| ||表示模运算，收敛精度阈值ε≥0，则迭代停止，以最后获得的分布矩阵作为结果。