MGTS单航线测量用于磁性目标模式识别

李青竹; 李志宁; 石志勇; 范红波

doi:10.37188/OPE.20233106.0872

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MGTS单航线测量用于磁性目标模式识别

信息科学 | 更新时间：2023-03-25

- MGTS单航线测量用于磁性目标模式识别
- Single heading-line survey of MGTS for magnetic target pattern recognition
- 光学精密工程 2023年31卷第6期页码：872-891
- 作者机构：
  
  陆军工程大学石家庄校区，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，现为陆军工程大学机械工程在读博士研究生，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" ]
  [ "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硕士学位，2007年于清华大学获博士学位，现为陆军工程大学车辆与电气工程系副教授，主要从事测试技术与信号处理研究。E-mail： lgdsxq@163.com" ]
  [ "石志勇（1965-），男，四川眉山人，教授，博士生导师，分别于1997年和2000年于军械工程学院获得机械工程硕士学位和博士学位，现为陆军工程大学石家庄校区车辆与电气工程系教授，主要从事弱磁测试和惯性导航技术研究。E-mail： szy651010@163.com" ]
- 基金信息：
  
  水下测控技术重点实验室基金资助项目(6142407190307);军内科研项目资助
- DOI：10.37188/OPE.20233106.0872
  中图分类号： TH763;TP212.9
- 收稿日期：2022-05-29，
  
  修回日期：2022-08-22，
  
  纸质出版日期：2023-03-25
- 稿件说明：
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李青竹,李志宁,石志勇等.MGTS单航线测量用于磁性目标模式识别[J].光学精密工程,2023,31(06):872-891.

LI Qingzhu,LI Zhining,SHI Zhiyong,et al.Single heading-line survey of MGTS for magnetic target pattern recognition[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(06):872-891.
李青竹,李志宁,石志勇等.MGTS单航线测量用于磁性目标模式识别[J].光学精密工程,2023,31(06):872-891. DOI： 10.37188/OPE.20233106.0872.

LI Qingzhu,LI Zhining,SHI Zhiyong,et al.Single heading-line survey of MGTS for magnetic target pattern recognition[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(06):872-891. DOI： 10.37188/OPE.20233106.0872.

摘要

磁梯度张量系统（MGTS）二维平面网格测量常用于磁性目标识别，但其测量难度大、采集效率低、仪器精度要求高，为此提出一种基于MGTS单航线测量的磁性目标模式识别方法。首先，对磁梯度张量分量、特征值、不变量等15个属性量进行磁化方向敏感程度分析，其中对磁化方向较敏感特征量用以识别目标姿态，而不敏感特征量用以识别目标形状；然后，进行MGTS单航线测量，提取测量特征量的时域信号波形特征参数，并设置相应类别标签，主成分分析（PCA）降维方法用以实现特征可视化并确定最佳特征维数；最后，利用麻雀搜索算法优化的核极限学习机（SSA-KELM）对航线测量样本数据进行训练和测试，最终实现磁性目标的模式识别。仿真中对磁偶极子的不同磁化方向类别和球体、长方体和圆柱体等几何体的不同形状类别的识别精度均达到100%；实验中针对3种形状磁铁及其3类姿态共测量了180条学习航线，在6：4的训练测试比下，磁铁姿态和形状识别结果完全准确。

Abstract

The planar grid measurement of the magnetic gradient tensor system （MGTS） is often utilized for magnetic target recognition； however， it is difficult to measure， complicated to analyze， and requires high instrument precision. In this regard， we propose a magnetic target pattern recognition method based on MGTS single heading-line survey. First， the sensitivity of magnetization direction is analyzed for 15 attributes including the components， eigenvalues， and invariants of the magnetic gradient tensor （MGT）. The more sensitive attributes are used to identify target postures， and the insensitive ones are for target shapes. Then， the time-domain signal characteristics of the measured quantities are extracted and the category labels are set. Principal component analysis （PCA） is employed to reduce dimensionality， visualize features， and determine the optimal dimension. Finally， the kernel extreme learning machine optimized by the sparrow search algorithm （SSA-KELM） is used to train and test the survey sample data. The pattern recognition of the magnetic target is hence realized. In the simulation， the recognition of 1） different magnetization direction categories of magnetic dipoles and 2） shape categories of geometric bodies such as the sphere， cuboid， and cylinder is 100% accurate. In the experiment， a total of 180 learning routes were measured for three types of magnets and their corresponding postures. Under the training：testing ratio of 6：4， the results of magnet posture and shape recognition were completely accurate.

关键词

Keywords

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