差分磁梯度张量测量极限估计

李青竹; 石志勇; 李志宁; 范红波

doi:10.37188/OPE.20223011.1325

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

差分磁梯度张量测量极限估计

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2022-06-21

- 差分磁梯度张量测量极限估计
- Estimation method for differential magnetic gradient tensor measurement limits
- 光学精密工程 2022年30卷第11期页码：1325-1336
- 作者机构：
  
  陆军工程大学车辆与电气工程系，河北石家庄 050003
- 作者简介：
  
  [ "李青竹（1993-），男，四川绵阳人，博士研究生，2016年于西南交通大学获得学士学位，2018年于陆军工程大学获得硕士学位，主要从事磁异常探测，弱磁测试信号处理等方面的研究。E-mail： laznlqz666@qq.com" ]
  [ "石志勇（1965-），男，四川眉山人，教授，博士生导师，1997年、2000年于军械工程学院分别获得硕士和博士学位，主要从事弱磁测试和惯性导航技术的研究。E-mail： szy651010@163.com" ]
  [ "李志宁（1972-），男，河北石家庄人，副教授，博士生导师，1999年于军械工程学院获得硕士学位，2007年于清华大学获得博士学位，主要从事测试技术与信号处理的研究。E-mail： lgdsxq@163.com" ]
- 基金信息：
  
  水下测控技术重点实验室基金资助项目(6142407190307);军内科研资助项目
- DOI：10.37188/OPE.20223011.1325
  中图分类号： TH763;TP212.9
- 收稿日期：2022-01-11，
  
  修回日期：2022-02-17，
  
  纸质出版日期：2022-06-10
- 稿件说明：
移动端阅览
李青竹,石志勇,李志宁等.差分磁梯度张量测量极限估计[J].光学精密工程,2022,30(11):1325-1336.

LI Qingzhu,SHI Zhiyong,LI Zhining,et al.Estimation method for differential magnetic gradient tensor measurement limits[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(11):1325-1336.
李青竹,石志勇,李志宁等.差分磁梯度张量测量极限估计[J].光学精密工程,2022,30(11):1325-1336. DOI： 10.37188/OPE.20223011.1325.

LI Qingzhu,SHI Zhiyong,LI Zhining,et al.Estimation method for differential magnetic gradient tensor measurement limits[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(11):1325-1336. DOI： 10.37188/OPE.20223011.1325.

摘要

为了研究磁梯度张量系统（Magnetic Gradient Tensor System， MGTS）的理论探测极限，利用磁偶极子正演公式、张量矩阵特征方程和张量不变量推导了差分磁梯度张量测量范围公式，提出了MGTS理论探测极限估计方法。利用磁梯度张量空间衍生不变关系定位方法估计目标体磁矩，并利用差分计算原理在背景场静态采样中估计MGTS的张量分量测量准确度。利用提出的方法估计现场MGTS的理论探测极限。滑动磁性物体远离MGTS并进行连续采样，记录张量信号实际可观测范围并对估计结果进行验证。结果表明，MGTS的理论探测极限与基线距离

、测量准确度

、目标磁矩强度

、观测点与目标磁矩间夹角

等有关；

越长，

越高，

越大，MGTS理论可探测距离越远；

越长，观测距离越近，MGTS测量的理论误差越大；探测距离在MGTS平行于磁矩方向时最大，在垂直于磁矩方向时急剧减小。实验表明，平面十字形MGTS针对4个典型磁铁的探测极限估计准确度为±0.4 m。

Abstract

To study the theoretical detection limit of the magnetic gradient tensor system （MGTS）， the differential tensor measurement range formula was derived with the magnetic dipole forward equation， the tensor matrix characteristic equation and the tensor invariant， and the MGTS theoretical detection limit estimation method was proposed. First， the target magnetic moment was estimated with the magnetic gradient tensor derivative invariant relations， and the difference calculation principle was used to estimate the measurement accuracy of the tensor component of the MGTS in the static sampling of the background field； then， the theoretical detection limit of on-site MGTS was estimated with the proposed method； and finally， the magnetic object was slided away from the MGTS and continuous sampling was performed， recording the actual tensor signal observable range， and verifying the estimation result of detection limit. The results show that the theoretical detection limit of MGTS is related to the baseline distance

， the measurement accuracy

， the target magnetic moment intensity

， the angle

between the target magnetic moment and the observation point， etc.； The longer

， the higher

， and the larger

， the farther detect distance； The longer

and the closer observation， the greater the theoretical differential measurement error； The detection range of MGTS reaches the maximum in the direction parallel to the magnetic moment， but decreases sharply in the direction perpendicular. The experiments show that the estimation accuracy of detection limit of the planar-cross MGTS for four typical magnets is ± 0.5 m.

关键词

Keywords

references

周子童，闫韶华，赵巍胜，等 . 隧穿磁阻传感器研究进展［J］. 物理学报， 2022 ， 71 （ 5 ）： 058504 . doi: 10.7498/aps.71.20211883 http://dx.doi.org/10.7498/aps.71.20211883

ZHOU Z T ， YAN SH H ， ZHAO W SH ， et al . Research progress of tunneling magnetoresistance sensor ［J］. Acta Physica Sinica ， 2022 ， 71 （ 5 ）： 058504 . （in Chinese） . doi: 10.7498/aps.71.20211883 http://dx.doi.org/10.7498/aps.71.20211883

李金朋，任国全，张英堂，等 . 改进二维变分模态分解的磁源分离［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 5 ）： 1200 - 1211 . doi: 10.3788/OPE.20202805.1200 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20202805.1200

LI J P ， REN G Q ， ZHANG Y T ， et al . Source separation based on improved two-dimensional variational mode decomposition ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2020 ， 28 （ 5 ）： 1200 - 1211 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20202805.1200 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20202805.1200

刘世斌 . 磁梯度张量测量系统野外现场校正与标定方法研究［D］. 长春：吉林大学， 2021 . doi: 10.23977/agrfem.2021.040105 http://dx.doi.org/10.23977/agrfem.2021.040105

LIU SH B . Research on Correction and Calibration Methods for Magnetic Gradient Tensor Measurement Systems in the Field Surveys ［D］. Changchun ： Jilin University ， 2021 . （in Chinese） . doi: 10.23977/agrfem.2021.040105 http://dx.doi.org/10.23977/agrfem.2021.040105

ZHENG C ， ZHU K ， CARDOSO DE FREITAS S ， et al . Magnetoresistive sensor development roadmap （non-recording applications）［J］. IEEE Transactions on Magnetics ， 2019 ， 55 （ 4 ）： 1 - 30 . doi: 10.1109/tmag.2019.2896036 http://dx.doi.org/10.1109/tmag.2019.2896036

张云洲，吴峻 . Prewitt霍尔磁梯度张量系统结构设计［J］. 仪器仪表学报， 2021 ， 42 （ 9 ）： 115 - 123 .

ZHANG Y ZH ， WU J . Structure design of Prewitt hall magnetic gradient tensor system ［J］. Chinese Journal of Scientific Instrument ， 2021 ， 42 （ 9 ）： 115 - 123 . （in Chinese）

WANG C ， QU X D ， ZHANG X J ， et al . A fast calibration method for magnetometer array and the application of ferromagnetic target localization ［J］. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement ， 2017 ， 66 （ 7 ）： 1743 - 1750 . doi: 10.1109/tim.2017.2668558 http://dx.doi.org/10.1109/tim.2017.2668558

STOLZ R ， ZAKOSARENKO V ， SCHULZ M ， et al . Magnetic full-tensor SQUID gradiometer system for geophysical applications ［J］. The Leading Edge ， 2006 ， 25 （ 2 ）： 178 - 180 . doi: 10.1190/1.2172308 http://dx.doi.org/10.1190/1.2172308

LI Q Z ， LI Z N ， ZHANG Y T ， et al . Integrated compensation and rotation alignment for three-axis magnetic sensors array ［J］. IEEE Transactions on Magnetics ， 2018 ， 54 （ 10 ）： 1 - 11 . doi: 10.1109/tmag.2018.2860950 http://dx.doi.org/10.1109/tmag.2018.2860950

WANG B ， REN G Q ， LI Z N ， et al . The stability optimization algorithm of second-order magnetic gradient tensor ［J］. AIP Advances ， 2021 ， 11 （ 7 ）： 075322 . doi: 10.1063/5.0056361 http://dx.doi.org/10.1063/5.0056361

周鹤 . 基于μCOS内核的磁通门磁力仪研制［D］. 长春：吉林大学， 2016 .

ZHOU H . The Development of Fluxgate Magnetometer Based on an μ COS System ［D］. Changchun ： Jilin University ， 2016 . （in Chinese）

DUMAS R K ， HOGAN T . Recent Advances in SQUID Magnetometry ［J］. Magnetic Measurement Techniques for Materials Characterization ， 2021 ： 39 - 62 . doi: 10.1007/978-3-030-70443-8_3 http://dx.doi.org/10.1007/978-3-030-70443-8_3

李青竹，李志宁，张英堂，等 . 磁梯度张量系统传感器阵列的快速旋转校准［J］. 光学精密工程， 2018 ， 26 （ 7 ）： 1813 - 1826 . doi: 10.3788/OPE.20182607.1813 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20182607.1813

LI Q ZH ， LI ZH N ， ZHANG Y T ， et al . Fast rotation calibration of sensor array in magnetic gradient tensor system ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2018 ， 26 （ 7 ）： 1813 - 1826 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20182607.1813 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20182607.1813

LI Q Z ， SHI Z Y ， LI Z N ， et al . Magnetic object positioning based on second-order magnetic gradient tensor system ［J］. IEEE Sensors Journal ， 2021 ， 21 （ 16 ）： 18237 - 18248 . doi: 10.1109/jsen.2021.3085573 http://dx.doi.org/10.1109/jsen.2021.3085573

PEI Y H ， YEO H G . UXO survey using vector magnetic gradiometer on autonomous underwater vehicle ［C］. OCEANS 2009 . October 26-29， 2009 ， Biloxi， MS， USA . IEEE ， 2009 ： 1 - 8 . doi: 10.23919/oceans.2009.5422446 http://dx.doi.org/10.23919/oceans.2009.5422446

李青竹，李志宁，张英堂，等 . 平面十字磁梯度张量系统的两步线性校正［J］. 仪器仪表学报， 2017 ， 38 （ 9 ）： 2232 - 2242 . doi: 10.3969/j.issn.0254-3087.2017.09.018 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.0254-3087.2017.09.018

LI Q ZH ， LI ZH N ， ZHANG Y T ， et al . Two-step linear calibration of planar cross magnetic gradient tensor system ［J］. Chinese Journal of Scientific Instrument ， 2017 ， 38 （ 9 ）： 2232 - 2242 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.0254-3087.2017.09.018 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.0254-3087.2017.09.018

COCCHI L ， CARMISCIANO C ， PALANGIO P ， et al . S3MAG-Low magnetic noise AUV for multipurpose investigations ［C］. OCEANS 2015 - Genova . 1821，2015 ， Genova ， Italy . IEEE ， 2015 ： 1 - 4 . doi: 10.1109/oceans-genova.2015.7271480 http://dx.doi.org/10.1109/oceans-genova.2015.7271480

LI Q Z ， SHI Z Y ， LI Z N ， et al . Preferred configuration and detection limits estimation of magnetic gradient tensor system ［J］. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement ， 2021 ， 70 ： 1 - 14 . doi: 10.1109/tim.2021.3109741 http://dx.doi.org/10.1109/tim.2021.3109741

李青竹，李志宁，张英堂，等 . 张量衍生不变关系下的磁源单点定位［J］. 光学精密工程， 2019 ， 27 （ 8 ）： 1880 - 1893 . doi: 10.13810/j.cnki.issn.1000-7210.2019.04.024 http://dx.doi.org/10.13810/j.cnki.issn.1000-7210.2019.04.024

LI Q ZH ， LI ZH N ， ZHANG Y T ， et al . Magnetic source single-point positioning by tensor derivative invariant relations ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2019 ， 27 （ 8 ）： 1880 - 1893 . （in Chinese） . doi: 10.13810/j.cnki.issn.1000-7210.2019.04.024 http://dx.doi.org/10.13810/j.cnki.issn.1000-7210.2019.04.024

CLARK D A . New methods for interpretation of magnetic vector and gradient tensor data I： eigenvector analysis and the normalised source strength ［J］. Exploration Geophysics ， 2012 ， 43 （ 4 ）： 267 - 282 . doi: 10.1071/eg12020 http://dx.doi.org/10.1071/eg12020

MOSCHITTA A ， DE ANGELIS A ， SANTONI F ， et al . Estimation of the magnetic dipole moment of a coil using AC voltage measurements ［J］. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement ， 2018 ， 67 （ 10 ）： 2495 - 2503 . doi: 10.1109/tim.2018.2828700 http://dx.doi.org/10.1109/tim.2018.2828700

张朝阳，肖昌汉，高俊吉，等 . 磁性物体磁偶极子模型适用性的试验研究［J］. 应用基础与工程科学学报， 2010 ， 18 （ 5 ）： 862 - 868 . doi: 10.3969/j.issn.1005-0930.2010.05.016 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1005-0930.2010.05.016

ZHANG ZH Y ， XIAO CH H ， GAO J J ， et al . Experiment research of magnetic dipole model applicability for a magnetic object ［J］. Journal of Basic Science and Engineering ， 2010 ， 18 （ 5 ）： 862 - 868 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1005-0930.2010.05.016 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1005-0930.2010.05.016

浏览量

689

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

融合多维姿态自适应感知的无人机目标定位

田字型四孔径红外仿生复眼的目标定位

十字形磁梯度张量系统的误差校正

用于大视场目标定位的复眼系统标定