[发明专利]一种基于等效磁力的多运动目标鲁棒跟踪方法

说明书

本发明涉及一种基于等效磁力的多运动目标鲁棒跟踪方法，包括磁源参数设置；探测器参数设置；磁场数据测量；根据输入判断是否需要叠加噪声，若是，在磁场矢量及其梯度张量数据上叠加具有一定噪声水平的高斯白噪声，若不是，进行下一步；选择所需的追踪方法，即利用磁场矢量及其梯度张量数据，基于等效磁力的追踪方法计算探测器所需的运动方向矢量；根据运动追踪场景，选择合适的运动模型。本发明利用磁场矢量及其梯度张量计算等效磁力，表示探测器与跟踪目标之间的方向矢量，从而控制探测器的运动方向，达到跟踪的目的；与现有定位方法相比，该方法受仪器分辨率和噪声的影响较小，且在多个磁性目标速度矢量随机变化时仍具有鲁棒跟踪性能。

技术领域

本发明属于地球物理技术领域，涉及磁力仪应用中磁性目标的实时追踪，具体涉及一种基于等效磁力的多运动目标鲁棒追踪方法。

背景技术

地球物理应用中的磁力仪是一类用于观测由岩石、矿石或被地磁场磁化的铁磁性对象(如潜艇等)所引起的磁异常的精密仪器，是研究地质构造、矿产资源分布或铁磁性对象的磁特性规律的基础。随着近代物理学的发展，各国已研制出质子旋进、磁通门、光泵与超导等磁力仪，磁测精度不断提高。按照被测物理量的不同，磁力仪划分为三类：测量磁场大小的总场磁力仪、测量磁场三分量的矢量磁力仪以及测量磁梯度张量的张量磁力仪。其中，磁梯度张量仪由于能够测量信息丰富的张量以及压制地球磁场的时域干扰，特别适合在移动平台上进行测量，成为了国际研究前沿。

磁力仪应用的一个重要方向是磁性目标的实时追踪。目前的发展趋势主要有两个方面：其一，拟追踪的磁性目标越来越丰富，运动状态越来越复杂；其二，追踪手段逐渐从最初的仅使用总场磁力仪发展到现在的多种磁力仪联合，比如，矢量磁力仪和张量磁力仪联合。这是因为总场磁力仪虽然可以通过检测磁异常所引起的磁场值大小的变化而有效判断磁力仪探测范围内是否存在磁性目标体，却由于缺乏方向性而无法对运动的磁性目标进行追踪。比如，应召搜潜工作都是依据总场磁力仪和搜索场景建立特定搜索模型，确定总场磁力仪的搜索范围后，通过研究探测器不同的搜潜航路对搜潜概率的影响来提高搜潜效能。矢量磁力仪和张量磁力仪联合后的跟踪方法，目前主要是采用欧拉反卷积方法。传统欧拉反卷积方法主要是通过磁梯度张量和磁场三分量之间的势场关系建立关于位置矢量的线性方程组，但在张量求逆过程中存在数值计算稳定性的问题。当磁矩方向与位置矢量垂直时，磁梯度张量矩阵会变为奇异矩阵，而这种情况在多个磁性目标共同存在的场景中会更容易出现而使得求解结果出现更多错误。基于广义逆的欧拉反卷积方法部分解决了数值稳定性问题，不求逆欧拉法中重新分析了位置矢量与磁场矢量和磁梯度张量间的相互关系从而避免了对磁梯度张量的求逆计算，但仍然受到磁场噪声干扰比较大的影响。

运动追踪是指磁性目标和探测器都始终处于运动状态，通过探测及分析每一时刻运动目标的磁场变化实时调整对应时刻探测器的运动方向，最终实现运动追踪的过程。一般用来实现运动追踪的磁探测器和被追踪目标会保持较远的距离，且可能不处于同一个运动平面。设置多个运动磁性目标同时存在于同一平面，却各自独立运动，能够形成互相独立的随机运动轨迹，探测器在高于运动磁性目标的平面内进行运动追踪，因此可以合理地将运动的磁性目标等效为运动的磁偶极子。由于磁场始终会随着磁性目标的运动而发生变化，因此所测量到的磁场矢量和磁梯度张量数据也相应的实时发生变化，通过将当前时刻的探测数据分析处理可以得到磁性目标的方位信息以及探测器下一时刻的方向矢量，探测器将运动方向调整为方向矢量，朝着磁性目标所处的方向运动。

但是，在实际应用中，有一些问题是需要注意的：首先，磁异常数据相比较于地磁总场数据是非常小的，因此运动平台在探测磁场矢量时非常容易受到地磁场波动的影响，导致数据测量不准确；其次，在追踪过程中会存在运动平台噪声以及各种环境干扰因素，这些都会增大追踪的困难程度，影响计算结果的准确度；最后，磁力仪所探测的磁场环境难以预测，磁场中可能同时存在一个甚至多个运动磁源。因此，寻找一种受误差干扰影响较小，即使在多个磁源同时存在的场景中仍然具有高鲁棒性的数据分析方法是非常有必要的。

发明内容