磁梯度仪车辆磁干扰的补偿方法

摘要

车辆的磁干扰对磁梯度计施加了强烈影响。基于车辆磁干扰的机制，首先使用磁性梯度张量的差分算法熔断每个矢量磁力计的磁干扰，并建立磁梯度计的车辆磁干扰的数学模型。接下来，我们提出了一种基于该数学模型的补偿系数估计的车辆磁干扰的补偿方法。仿真结果表明，该方法可以有效地补偿车辆磁干扰的高达96.2％。

1.介绍

摘要无人水下航行器(UUV)磁梯度仪具有遥控和自主操作等优点，近年来引起了人们的广泛关注。磁梯度仪由沿正交方向的三个空间导数组成，磁梯度测量为不同位置的两个磁读数之间的差值。磁通门磁强计构成的磁梯度仪具有体积小、功耗低、灵敏度较高等优点。梯度仪还具有拒绝不需要的远程环境噪声源的优点。各种关键技术已被开发和论证[1-3.]。

磁梯度计受到车辆磁干的影响，这主要包括诱导磁场和车辆的永磁场[4.-7.]。因此有必要补偿这种干扰。Bono等人。研究了UUV磁梯度计的磁性干扰，提出了一种用于补偿车辆磁干扰的方案[8.]。凯恩等人。开发了一种超导量子干扰装置（鱿鱼）梯度计系统，用于消除磁干扰的主动屏蔽和自适应信号处理算法[9.]但他没有阐述车辆磁干的补偿算法。PEI和YEO开发了一种原型磁性梯度计船上UUV，用于磁检测水下物体，其容纳在由四个磁通磁力计组成的塑料鼻锥中，并且其中一个磁力计用作接地磁场的参考读数并用于补偿其他磁力计的平台磁干扰[10.那11.]。然而，这种方法没有考虑参考磁力计的平台干扰。

本文的目的是补偿磁性梯度计的车辆磁干扰;首先，通过使用磁梯度张量的差分算法熔化每个矢量磁力计的磁干扰来提出车辆磁干扰的数学模型，然后我们提出了一种用于车辆磁干扰的补偿方法和估计的识别方法补偿系数。该方法使用磁力计之一用作参考并考虑车辆磁干扰，因此它可以理论上可以补偿磁梯度计的车辆磁干扰。最后，进行了数值模拟以表明所提出的补偿方法的有效性。

2.磁性梯度张量的预备

磁性梯度张量是空间变化率那那总磁场的方向，它被定义为

通常，卷曲和磁场的发散在磁性源外消失。因此，九个梯度的关系表示为

磁梯度仪由四台矢量磁力计组成，其观测值为 ，它描述于 在哪里是差异组件的Th和第一磁力计和是之间的距离第一台磁力计[12.]。

认为那．从 （3.),我们得到 矩阵的地方是（3.）.磁性梯度张量表示为

方程(5.）是磁梯度张量的差分算法。

3.车辆磁干的数学模型

在车辆运动过程中，车辆材料会产生大量的磁场干扰，如永磁场、感应磁场等，这些干扰会影响磁强计的测量精度。车辆的永久磁场是由硬磁性材料磁化产生的。由于硬磁材料具有较高的矫顽力，可以保持较长时间的恒磁场。由于磁强计与硬磁性材料固定连接在车辆上，无论车辆姿态如何变化，矢量磁强计测量的永磁场都是恒定的。感生磁场是由车辆软磁材料磁化而产生的。软磁材料矫顽力低，诱导磁场随外加磁场的变化而变化[13.那14.]。感应磁场的幅度和方向与车辆的姿势和位置相关联。矢量磁仪的三个轴表示为-，-， 和车辆坐标系的-轴。车辆的永磁磁场可以表示为．在泊松方程的基础上，研究了车辆的感应磁场表示为 在哪里是背景场，是车辆的诱导系数矩阵，和．

通过对永磁场和感应磁场的分析，将矢量磁强计的观测值表示为 在哪里是实际的磁场。观察磁性梯度计的磁仪可以从（7.）： 在哪里的诱导系数矩阵是传染媒介磁力计和是永久磁场吗传染媒体磁力计。所以观察之间的差异TH和第一磁力计表示为 在哪里

基于磁梯度张量的差分算法（5.），观察磁梯度计表示为 在哪里是磁梯度张量的实际数据。和车辆磁干扰表示为

方程(12.）是车辆磁干扰的数学模型。

4.车辆磁干扰补偿方法

距离UUV磁干扰最大距离的磁力计可以用作背景领域的参考读数[10.那11.]。但参考磁力计也受到车辆磁干扰的影响。我们考虑了参考磁力计的干扰，以及背景领域可以通过参考的实际磁场表示：

第一磁力计用作参考（13.）.用(13.) (9.），可以表示为 在哪里和是恒定的矩阵。磁性梯度张量的观察可以表示为 在哪里那,可以表示为

车辆磁干扰是测量误差，它可以表示

磁梯度张量的实际数据可以写成

方程(18.)为车辆磁干扰补偿算法。和是补偿系数矩阵，和那为磁力梯度仪的输出。从理论上讲,(18.)在估计补偿系数矩阵后，可用于补偿车辆的磁干扰和．

5.补偿系数矩阵的估计

磁性梯度张量磁干扰补偿后应满足（2）.组件的关系和可从以下途径获得:

我们表示

补偿系数矩阵的估计和可取为函数优化，可表示为

补偿系数矩阵组件的值范围和普通车辆是那．本文提出了计算功能优化的遗传算法（GA）方法，以及遗传的参数如下：组大小，变化的基因长度，应对概率，交叉概率，以及突变概率．

6.数值模拟

6．1.车辆磁干扰系数

假设车辆携带三角形四面体磁梯度计和诱导系数矩阵和永磁场磁性学计的矢量磁力计被选为[13.]

6.2。模拟结果

磁性梯度计用于测量可被认为是磁性偶极子的磁性目标领域。模拟过程如下。（1）用磁偶极子数学模型模拟了磁梯度张量的原点值。

（2）基于车辆磁干扰的数学模型，150组和模拟。

（3）基于补偿系数的估计方法，补偿系数矩阵和估计50组和： （4）所提出的补偿算法和补偿系数矩阵和用于补偿其他100组的错误并获得估计．部分仿真结果如表所示1．

仿真结果的统计数据表明，该方法可以补偿96.2％的车辆磁干扰，因此补偿方法对磁梯度计有效。

7.结论

基于对车辆磁干扰机理的研究，我们通过使用磁梯度张量的差分算法熔断每个矢量磁力计的磁干扰并提出了车辆磁的补偿方法的差分算法提出了一种数学模型。干扰与补偿系数的识别方法。该方法理论上可以补偿磁梯度计的车辆磁干扰。仿真结果表明，该方法有效地补偿了96.2％的车辆磁干扰。然而，由于补偿系数中的许多未知参数存在，很难获得高精度。在未来的工作中，我们计划寻求其他优化算法来估计补偿系数，并改善车辆磁干扰的补偿。

利益冲突

提交人声明没有关于本文的出版物的利益冲突。

致谢

作者感谢袁军的技术支持，感谢耿伯林和盖建峰与海洋遥感中心的讨论和帮助。

参考

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