磁探拖体的磁补偿参数地面校准方法.pdf
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1、磁探拖体的磁补偿参数地面校准方法韩琦1,李尤1,薛奇1,乔治1,王琛1,佟晓筠2(1.哈尔滨工业大学信息对抗技术研究所,黑龙江哈尔滨,150086;2.哈尔滨工业大学(威海)计算机学院,山东威海,264209)摘要:磁探拖体可用于水中、空中拖曳式磁场测量,尽管拖体中没有动力系统,但是仍然有显著的磁场干扰存在,因此也需要进行磁干扰补偿,但拖体自身不具有机动能力,无法通过类似航空平台的机动校准方法进行磁补偿参数的求解。文中针对这一问题提出了一种适用于磁探拖体的磁补偿参数地面校准方法,设计了地面磁补偿校准装置,对实施场地的磁场环境进行了一定约束,在与航空磁补偿参数校准方案等效性分析的基础上,设计了适
2、用于磁探拖体的地面校准方法,并开展了实际环境下的地面校准试验和动态噪声试验验证。试验结果表明,该方法针对拖曳式磁测装置的磁补偿参数校准具有良好的效果,磁补偿参数质量可以和航空平台磁补偿参数相当,试验中磁补偿校准改善比大于 16。关键词:磁探拖体;磁干扰补偿;参数校准;等效性分析中图分类号:U674.941;TJ67文献标识码:A文章编号:2096-3920(2023)04-0575-07DOI:10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0059GroundCalibrationMethodofMagneticCompensationParametersforMagnetom
3、eterTowfishHANQi1,LIYou1,XUEQi1,QIAOZhi1,WANGChen1,TONGXiaojun2(1.HarbinInstituteofTechnology,InformationCountermeasureTechniqueInstitute,Harbin150086,China;2.HarbinInstituteofTechnology(WeiHai),SchoolofComputerScienceandTechnology,Weihai264209,China)Abstract:Magnetometertowfishcanbeutilizedforunder
4、waterandaerialtowedmagneticfieldmeasurements.Althoughtheylack propulsion systems,significant magnetic interference persists,necessitating magnetic interference compensation.However,astowfishpossessnomaneuverability,theycannotemploycalibrationmethodsakintothoseofairborneplatformsfor determining magne
5、tic compensation parameters.This article proposed a ground calibration method of magneticcompensationparametersformagnetometertowfishanddesignedagroundmagneticinterferencecalibrationdevicetoimposecertainconstraintsonthemagneticfieldenvironment.Basedontheequivalenceanalysiswiththeaeromagneticcompensa
6、tionparametercalibrationscheme,agroundcalibrationmethodtailoredformagnetometertowfishwasdesignedandsubsequentlysubjectedtogroundcalibrationexperimentsanddynamicnoisevalidationinactualenvironments.Experimentalresultsrevealthatthemethodpossessesremarkableefficacyforcalibratingmagneticcompensationparam
7、etersoftowfishbyusingtowedmagneticfieldmeasurementdevices,yieldingaqualityakintothatofaircraftplatforms.Theimprovementratioformagneticcompensationcalibrationexceeds16.Keywords:magnetometertowfish;magneticinterferencecompensation;parametercalibration;equivalenceanalysis收稿日期:2023-05-15;修回日期:2023-06-02
8、.基金项目:国家自然科学基金项目(61771168).作者简介:韩琦(1981-),男,教授,主要研究方向为航空磁探理论.第31卷第4期水下无人系统学报Vol.31 No.42023年8月JOURNALOFUNMANNEDUNDERSEASYSTEMSAug.2023引用格式 韩琦,李尤,薛奇,等.磁探拖体的磁补偿参数地面校准方法 J.水下无人系统学报,2023,31(4):575-581.水下无人系统学报sxwrxtxb.xml-5750引言随着海洋装备的不断发展,近海安全成为各国最为关注的问题之一,对于多物理场的探测要求也随之不断提高1-3。磁探仪(magneticanomalyde-te
9、ctor,MAD)作为目前主要的磁法探测装备,是对海洋背景磁场进行测量的有效手段之一。磁探仪多装备于航空平台,通过飞行测线对海洋低空空间进行航空磁法测量。然而,由于磁场信号在空间中衰减较快,磁探仪与磁异常源较远时,探测到的磁异常信号较弱,航空磁测数据可能难以反映海底磁异常。海洋拖体作为一种可以贴近海底的被动航行器,可以大大缩短测量点与磁异常场的距离,从而更精确地实现海洋磁场测量。然而,任何平台搭载磁探仪都不可避免地要进行磁干扰补偿,这是由于搭载平台本身具有磁性,会影响磁场测量精度。但是在以往的磁探型拖体中往往忽略了磁干扰补偿的步骤。这并不是因为拖体不存在磁干扰,而是因为拖体不具备类似于航空平台
10、的机动性能,从而无法实现校准。由拖体搭载磁探仪在测量过程中也不可避免地会受到拖体自身材料产生磁场的影响,这种平台结构产生的磁场通常由 T-L(Tolles-Lawson)模型进行描述。T-L 模型解释了平台磁干扰的 3 个主要原因:1)恒定场,恒稳电流产生的磁场和硬磁材料中的剩余磁化场;2)感应场,平台中软磁材料受地磁场磁化产生的磁场;3)涡流场,穿过平台的磁通量发生变化而引起的涡电流所产生的磁场4。这 3 个原因经常被捆绑在一起5-6。正是由于磁探拖体与航空磁探平台的安装方式和作业模式是相似的,所以很自然地可以将航空平台中磁干扰的补偿模型用于拖体平台。但是,即使拖体磁干扰可以采用航空平台磁干
11、扰的建模方法,由于缺少切实可行的校准方法,也未见有文献提及对拖体磁干扰的校准和补偿方法。文献 7 对比了部分针对拖体磁梯度张量系统的载体磁干扰补偿方法,但是针对梯度张量系统的补偿与磁场标量测量系统的补偿完全不同。文中通过对磁探拖体建立磁干扰补偿模型,基于地磁场平稳假设,建立与航空平台校准方法等效的地面校准方法。最后,通过在拖体上进行实测地面校准对所提方法进行验证,结果显示所提方法相比于未进行磁干扰补偿的原始拖体磁探测噪声有明显的改善。1磁探拖体系统与磁干扰模型1.1磁探拖体系统文中所研究的磁探拖体结构如图 1 所示。拖体由主体和尾翼两部分组成。其中拖体的外壳均为刚性结构体且含有磁性,不存在可活
12、动结构。磁通门磁力仪采集器铯光泵磁力仪图1磁探拖体结构示意图Fig.1Structureofmagnetometertowfish拖体中用于测量磁场的传感器包括铯光泵磁力仪和磁通门磁力仪,其中磁通门的安装是用来测量拖体与地磁场之间相对旋转角度的。设备舱中安装有数据采集器,采集器内置有 GPS 定位装置,能够同步采集光泵磁力仪数据、磁通门数据和位置数据。为了避免其他设备对高精度磁力仪产生影响,将铯光泵磁力仪安装于拖体头部,磁通门磁力仪和数据采集器安装于拖体中后端。将磁探拖体置于平静的地磁场环境下进行测量,在远离拖体的地方架设有同型号的参考铯光泵磁力仪。静态环境下拖体中测量到的环境磁场和参考数据噪
13、声基本一致,表明铯光泵磁力仪的一致性良好,拖体磁探系统中机载电子(on-board-electronic,OBE)等动态磁场干扰较小,其主要磁干扰源应该是由恒定场、感应场和涡流场构成,比较符合 T-L 模型的假设。1.2拖体磁干扰模型HE首先建立拖体坐标系,坐标原点 O 是铯光泵磁力仪所在位置,以拖体的主体方向为 L 轴,拖体悬挂方向的反方向为 V 轴,V 轴指向地面,T 轴与L 轴、V 轴之间满足右手定则。图 2 中:N 表示地磁北向;表示地磁场向量;、和 分别表示T 轴、L 轴和 V 轴与地磁场向量之间所成的夹角。拖体中铯光泵磁力仪的输出可以表示为地磁2023年8月水下无人系统学报第31卷
14、576JournalofUnmannedUnderseaSystemssxwrxtxb.xml-HI场与拖体磁干扰的加和,实质上则是拖体磁干扰在地磁场方向上的投影,即HT=HE+HI(1)根据 T-L 模型,拖体磁干扰可以被看作是恒定场、感应场和涡流场之和,并且可以写成常系数与余弦值相乘的形式,即HI=Hper+Hinc+Hedd=3i=1piui+3i=13j=1aijHEuiuj+3i=13j=1bij(HEui)uj(2)uipiaijbij式中:代表拖体坐标系三轴与地磁场之间的夹角的余弦值;而、和是 T-L 模型中需要确定的未知参数。由于磁通门磁力仪的输出 X、Y 和 Z 代表地磁场在
15、拖体坐标系三轴的投影大小,通常利用式(3)来计算 ui。u1=XX2+Y2+Z2u2=YX2+Y2+Z2u3=ZX2+Y2+Z2(3)在航空平台上,可采用校准圈飞行的方式来确定未知参数,由于拖体没有动力装置,无法在空中进行机动动作,所以拖体磁干扰补偿的关键在于如何设计与飞行校准方案等效的地面校准方案,以保证对拖体 T-L 模型未知参数的稳定求解,以及如何应用未知参数对动态拖体数据进行补偿。2飞行与地面校准方法等效性分析2.1飞行校准方法确定 T-L 模型中的未知系数是校准的重要步骤,这一步骤在航空平台中通过飞行校准圈进行。在校准圈过程中要求平台在高空 4 个相互垂直的航向上分别执行10俯仰、5
16、横滚和5偏航 3 种机动动作,每种机动动作各执行 35 次,每次持续时间约 10s,整个校准飞行持续时间约 68min,期间由航空平台上的光泵磁力仪和磁通门磁力仪在校准飞行期间分别采集标量形式和矢量形式的磁场数据。完整的校准飞行过程如图 3 所示。横滚横滚俯仰俯仰地磁北偏航偏航图3航空平台校准圈示意图Fig.3AircraftplatformcalibrationcircleHE在工程应用中为了便于求解 T-L 模型的未知系数,通常在距离地面较高的高度(3000m)来进行校准飞行,以避免地磁异常场为校准过程带来额外不可控的误差。所以在航空平台的校准过程中可以假设地磁场是均匀的,即为常数。此时式
17、(2)可以简化为HI=3i=1piui+3i=13j=1aijuiuj+3i=13j=1bij(ui)uj(4)通过式(4)可以看出在校准过程中,只要保证地磁场梯度均匀或近似均匀,就可以在求解未知系数的过程中忽略地磁场的影响,这一结论在众多文献中也得到了验证8-9。所以在设计等效的地面校准方法过程中,在保证地磁场梯度近似均匀条件下,同步采集光泵磁力仪和磁通门磁力仪,就可以作为飞行校准圈的等效数据。2.2地面校准方法通过前文的分析可知,要想令地面校准方法等效于飞行校准方法,需要控制地磁场近似为常量,即可以在地面校准过程中应用式(4)来进行 T-L 模TONLHEV图2磁探拖体使用的拖体坐标系Fi
18、g.2Coordinatesystemofmagnetometertowfish2023年8月韩琦,等:磁探拖体的磁补偿参数地面校准方法第4期水下无人系统学报sxwrxtxb.xml-577型未知参数的求解。所以在试验过程中,首先需要选择一片地磁场均匀的区域,通常选择在周围没有人工建筑的平坦区域,即可保证全程不受地磁场梯度和人文磁干扰的影响。为了与飞行校准过程中的机动动作进行等效,设计如下简易装置辅助拖体平台进行机动动作:首先搭建图 4 中所示灰色无磁吊架,将用于吊起拖体的缆绳固定于支架中部;开启拖体中的数据采集装置,同步采集铯光泵磁力仪数据和磁通门磁力仪数据。10俯仰5横滚5偏航N图4地面校
19、准示意图Fig.4Groundcalibration待磁探设备工作稳定后,令拖体朝向北向,由身上没有磁干扰的试验人员手动操作拖体进行等效于校准飞行的横滚、俯仰和偏航动作,动作过程中应保持以悬挂点为中心,试验人员应保持每组动作的一致性。随后将拖体水平转向东、南和西向执行相同的操作。保证拖体绕缆绳水平调换方向的目的是为了等效航空平台在飞行校准圈的转弯动作,如图 4 中灰色虚线所示。所有方向的操作均完成后,令拖体继续平转回到实验最初朝向北向的状态。校准过程结束。HIuipiaijbij在校准过程中,全程架设参考日变磁场站,用于补偿校准过程中日变环境磁场变化引入的误差。通过修正日变后的铯光泵磁力仪数据
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