船载地磁场三分量测量算法的实验验证

安装在铁磁性的测量载体上的地磁场三分量测量系统,由于受到载体磁化磁场的干扰,给地磁场的解算带来了极大的困难。针对船载地磁场三分量动态测量系统,阐明了地磁场的解算原理,指出了其中的难点问题。对地磁场三分量的动态解算方法进行了实验室模拟,结果表明地磁场三分量航海测量具有实施的可行性。     

高精度新方法测量计算船舶磁场分布

将高精度质子磁探仪和位场变换理论用于测量计算船舶磁场，以研究其在海洋中的分布。由质子磁探仪实测海面上１０ｍ处磁场的模（船的磁场与地磁场矢量的和的绝对值），用位场变换理论计算出船的磁场三个分量在水面和水下的分布；并采用一系列有效措施，提高计算速度和结果的精度。将该方法和磁球理论严格解比较，在ｚ＝０面上误差小于０．１％，在ｚ＝－２０ｍ面上误差小于１％；还给出船的磁场强度在船的纵横向的分布曲线和平面立体     

基于单轴定标的三轴磁传感器的误差校正

提出了一种校正三轴磁传感器综合误差的新方法。该方法利用三轴磁传感器的误差校正数学模型和遗传算法,通过预先对其中某单轴灵敏度定标,并以此为标准来校正其他两轴以及综合误差。仿真结果表明,该方法稳定收敛并可达到1nT精度。用实际地磁场测量数据对该方法进行验证,结果表明磁传感器性能得到极大改善,测量精度有了较大幅度提高。     

三分量磁通门传感器校正的循环优化算法

由于制造工艺的原因,三分量磁通门传感器存在固有的零位误差、标度误差和正交误差。介绍了三分量磁通门传感器固有误差的特点,及其数学描述方法。提出了一种循环优化算法,将优化算法引入全部固有误差的校正,采用循环计算的思想提高了解算误差校正参数的准确度。解决了由于测量数据中三种固有误差的同时存在,难于准确求算每种校正参数的问题。应用表明,循环优化算法大大提高了三分量磁通门传感器的校正效果。     

海洋磁力测量中船磁方位改正的基准值确定

将地磁场对测量船的磁化分为船只固有磁和即时感应磁两种情况，讨论了海洋磁力测量中船磁方位改正问题，经理论推导和实测资料验证，得出了一种船磁方位改正基准值的确定方法，该方法有效地消除了传统方法中所包含的系统误差，提高了测量成果质量。     

海浪感应磁场矢量的模型研究

海水作为一种电的良导体,其在地磁场中的运动将激发感应磁场.应用电磁场的基本理论,结合海浪运动学模型,推导了海浪感应磁场的三分量模型.该模型给出了三分量的海浪感应磁场与地磁场、海水特性参数、空间位置等要素之间的关系.分析了三分量的海浪感应磁场信号的时域、频域和空间分布特征,对海浪感应磁场相关领域的研究,具有参考意义.     

基于形态学-HHT算法的船载地磁三分量信号分析与预处理

在船载地磁三分量测量结果中存在脉冲和高频随机噪声干扰,会影响船磁校正精度。基于实测船载地磁三分量的总场数据构建了一种基于形态学 HHT算法的信号分析和预处理方法,用形态学滤波方法去除脉冲噪声,用希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang Transform, HHT)识别高频噪声分量,并通过自相关函数验证6阶以上的高阶分量包含有效地磁信号,截止频率在0.010~0.500 Hz之间。采用巴特沃斯滤波器(Butterworth filter)对该频率内含噪声地磁总场进行低通滤波处理,并与快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)滤波结果进行对比,计算2种滤波处理方法的均方根误差(RMSE),形态学-HHT方法的RMSE仅为194 nT,而FFT方法的约为600 nT,表明形态学-HHT的滤波效果优于FFT,可有效压制船载地磁三分量中的随机噪声干扰。     

减弱船磁效应对海洋地磁测量精度影响的方法研究

船磁效应一直是影响海洋地磁测量精度的一个重要因素。传统船磁模型只取磁方位角为变量,改正后测线数据存在系统差和船磁影响的起伏变化,给不断累积的地磁数据拼接带来困难。磁正西北和北东方向的测线网受船的感应磁性变化的影响最小,东西向测线之间船磁影响差异最小,而磁南北向测线之间正好相反,据此可从测线布设方案着手减弱船磁效应影响。完备的船磁模型可以兼顾考虑测线航向、地磁总场、磁倾角和拖缆长度的变化,通过不同拖缆长度的主、副测线网交点差平差或三点各两种不同拖缆长度的方位测量,实现地磁异常分离和完备船磁效应的改正。实例说明固定船磁,甚至负的垂直分量,会使船磁效应随纬度出现可观变化,需要完备船磁模型的解算和改正才能解决这个问题。     

磁罗盘误差校准方法及其在海洋领域的应用

针对磁罗盘自身误差以及载体平台磁干扰导致磁罗盘测量精度不高的问题,提出了一种磁罗盘误差校准方法。通过对磁罗盘自身误差以及载体平台磁干扰产生的误差进行分析,建立了误差校准模型,并结合实际应用条件给出了磁罗盘平面校准方法和空间校准方法,采用最小二乘回归算法对模型求解,解决了磁罗盘现场校准问题。利用所研制的磁罗盘开展了施加磁干扰后的磁罗盘校准验证实验,并对校准前后的方位角精度进行了测试。试验结果表明：在施加磁干扰后方位角最大误差 12°的条件下,利用该方法校准后方位角最大误差仅为 0.2°, 说明了该方法的有效性。最后,介绍了磁罗盘在海洋领域常见的几种应用。     

南海北部海盆三分量磁测结果分析

1994年,中日双方合作在南海北部开展了海洋三分量磁测实验工作,采用日本东京大学地震研究所新研制的船载三分量磁力仪（Shipboard Three Component Magnetmeter,STCM）在南海北部海盆成功获得了6条共约2 500km的三分量磁测资料。本文根据前人的研究思路实现了对实测三分量磁测资料的处理分析,改进了补偿圆滑滤波算法,首次提出了比原方法更加综合直观表示测区各种磁边界状况的磁边界走向图（Magnetic boundary strike diagram, MBSD）法,并且将处理结果与南海北部海盆已识别的磁条带及其他一些典型地质现象进行了对比分析,发现本方法所揭示出的二维及三维磁边界与南海的实际地质状况有良好的吻合关系,这表明该方法可以有效处理所采集的三分量磁测资料并对研究海底磁性构造体性质有帮助。     

RS-HC3海洋全张量磁梯度系统及其应用

介绍了一套海洋全张量磁梯度系统,专门用于测量地球磁场三分量数据及张量磁力梯度数据,并实时采集设备的定位信息及姿态信息,以便于后续数据处理。系统由两组三分量磁力仪、惯导设备、GPS定位设备、温度/压力传感器等组成,特别适用于测量地磁场矢量空间的磁场变化率,在磁法勘探中的解释效果明显优于单探头标量测量和三探头标量梯度测量。     

三分量磁传感器定位模型建立及可观测性分析

针对单个三分量磁传感器的定位理论问题进行了研究,建立了单个三分量磁传感器的定位理论模型,并对系统可观测性进行了详细的理论分析。基于磁性目标的点源磁偶极子等效性,将定位过程中的目标视为匀速运动,推导得到了单个三分量磁传感器的定位理论模型。基于该定位模型,利用批量的观测数据对目标运动状态参数进行估计。对于系统可观测性问题,通过考察 Fisher 信息矩阵的奇异性,严格证明了单矢量磁传感器的定位系统的不可观测性。根据现实应用情景,推导了在部分先验条件已知下的可观测性,得到以下结论：1)单个三分量传感器定位模型是不可观测的;2)在部分先验已知的条件下,系统是可观测的。 最后,通过仿真试验验证了本文结论的正确性,为接下来采用单个三分量传感器对汽车、水面舰艇等一些低动态运动目标的跟踪提供了重要的理论依据。     

基于BP神经网络的航磁补偿方法研究

水中未爆弹危害极大,航空磁探因探测效率高的优势,常用于水中未爆弹的探测。飞机干扰磁场的存在限制了航空磁探的发展。传统的T-L模型待求参数间具有很强的复共线性,难以满足高精度磁补偿的要求,而神经网络算法具有容错率高、求解精度高的特点。首先使用BP神经网络建立干扰磁场的数学模型;随后,通过仿真生成干扰磁场以及未爆弹目标磁场信号对算法进行验证;最后,利用四旋翼无人机平台进行目标探测试验,补偿改善比超过20。试验结果表明,算法可以用于提高平台对水下目标探测的精度。     

基于磁场解析弹体飞行俯仰角的算法研究

为了解决弹体飞行俯仰角解算问题,对利用地磁传感器解算弹体俯仰角的算法进行研究。 通过分析算法,研究了利用地磁传感器解算俯仰角的原理方程,并对此进行了仿真试验和实物实验。 试验结果表明:利用地磁传感器解算方法可以实现旋转弹体俯仰角的测量,并有效地抑制了误差,实用价值高。     

应用傅立叶级数计算船尾磁场

船磁改正是海洋磁力测量的重要内容。将船磁分离为固有磁和感应磁两部分，从原子磁矩理论出发分析了固有磁与感应磁的影响规律，提出了采用傅立叶级数法处理船磁改正的新方法，并以实例试算证明该法的优越性。     

一种基于水天线观测的舰船姿态确定算法

利用鱼眼相机对水天线成像实现舰船姿态解算,为海上天文导航提供水平基准。引入两个欧拉角作为姿态参数,提出一种基于高度角约束的水天线拟合算法,推导了详细的公式。采用实测水天线数据对该算法与基于半视场角约束的水天线拟合算法比较分析,结果表明该算法可有效解算舰船姿态,此外,其对参数初值要求更低,且在参数解算内符合精度和鲁棒性上均有所提升。     

拖曳式海洋地磁三分量测量系统的设计与试验

针对现有拖曳式海洋磁力测量通常只能获取地磁总场信息,不能获得地磁矢量信息的问题,提出了一种拖曳式海洋地磁三分量测量系统设计方案。测量系统通过INS/GNSS组合导航进行定位定姿,搭载的三分量磁力仪与惯导通过高精度定位板刚性固定,经过数学平台的坐标变换,进而将拖体任意姿态下的海洋地磁场三分量数据归算到地理坐标系下。此外,对拖体进行了水动力分析,提高姿态稳定性的同时减小了阻力。经过海上试验和数据处理,系统获得的三分量数据在平差前的重复线内符合精度分别为东向6.8 nT、北向4.1 nT、地向8.0 nT,交叉点内符合精度分别为东向19.1 nT、北向19.5 nT、地向15.4 nT。结果表明该系统可为海洋矢量磁力测量提供良好的测量平台,为后续的海洋磁力测量提供实践经验和工程参考。     

Bancroft算法在多卫星导航定位系统解算中的推广应用

提出了一种改进的Bancroft算法运用于组合双系统SPP解算。为检验新算法的解算精度,选取2013年2月采集于武汉大学实验大楼楼顶的GPS/BD双频双模接收机实测数据进行解算。实验结果表明改进的Bancroft算法与传统的最小二乘算法的解算精度相当,其解算效率与最小二乘算法相比提高了22%,从而验证了改进的Bancroft算法在组合双系统SPP解算中的可行性及优越性。     

深海磁日变观测系统研究

深海磁日变观测具有探头姿态难以控制、耐压要求高及记录时间长的特点。本文设计全向性质子探头较好地解决了因探头方向与地磁场方向的夹角较小而引起的旋进信号弱问题,同时借助于耐高压的玻璃仓作为封装载体实现了深水观测目标;采用信号等级分类算法抑制干扰和评价信号质量,提高了系统测量的精度,通过实时检测电路温度及预先温度标定参数实施温度影响校正。研究的深海型日变观测系统具有低压供电、分钟测量记录时间40天以上,工作水深达6000m、分辨率0.01nT以及精度0.2nT,比测接近欧沃豪斯型磁力仪测量效果,实现了相对廉价磁力仪的高精度磁场观测。     

基于磁矩分解的运动舰船磁场模型研究

当前的舰船磁场模型大都是通过其静态特性而构建的,现实适用性较差。围绕运动舰船磁场不同航向、不同航区的适应性模型展开研究。首先分析了舰船磁场建模的等效源方法,接着研究了运动舰船磁场磁矩分解的原理与方法。主要思路是先测量舰船在东、西、南、北 4 个航向上的舰船下方 1 个平面的磁场三分量数据,将这 4 组数据分别作为同一舰船在不同磁化状态下的边界条件,求解出舰船在东、西、南、北 4 种不同磁化状态下的磁矩参数,最后联合求解磁源的固定磁矩和感磁磁矩参数。通过以上过程便可计算出舰船在任意航向、任意航行地点的磁矩,利用磁矩解算磁场得到运动舰船磁场模型。