基于梯度张量的磁定位系统设计

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随着磁传感器测量精度和信号处理技术的不断提高,磁定位技术得到了快速的发展。梯度张量法作为磁定位技术中应用最多的方法之一,具有其独特的优势。磁梯度张量定位法测量方式简单,获得的磁场信息量大,且梯度张量定位系统的稳定性强,在测量过程中能够表现出较好的抗干扰性,可广泛应用于军事和医疗等相关领域。针对传统基于静态磁性目标的定位系统中定位结果容易受到环境噪声和地磁场等干扰因素的影响及单点定位算法精度不足的问题,本文对基于交变磁源的定位方法展开了研究。分析了交变磁信号的解调原理,在此基础上,研究了圆形平面螺旋线圈作为交变磁信号源时定位系统的抗干扰效果。为了提高定位算法的精度,研究了基于扩展卡尔曼滤波的磁梯度张量定位算法,通过仿真对比该算法与传统单点定位算法的定位效果,验证了本文中算法的可行性。最后基于交变磁信号源进行了定位实验,定位结果与真实轨迹比较吻合,验证了本文工作的有效性。论文的主要研究内容为:(1)为降低地磁场和测量环境中的其他干扰磁场对磁性目标源定位结果产生的影响,本文研究了交变磁信号源定位方法。以通电圆形平面螺旋线圈为磁信号源,信号发生电路为驱动装置,使线圈产生较强且稳定的交变磁场。在接收端的传感器测量阵列测得交变磁场信号之后,经过锁相放大处理后得到直流信号,然后采用定位算法求解磁信号源的位置信息。(2)针对发射线圈的结构设计问题,对比了方形平面螺旋线圈和圆形平面螺旋线圈在空间中的磁场分布情况。在相同仿真条件下,根据二者的磁场分布结果可以看出,无论是产生的感应磁场的大小还是磁场分布的均匀度,圆形平面螺旋线圈相比于方形平面螺旋线圈都具有明显的优势。(3)为提高定位算法的精度,研究了基于扩展Kalman滤波的磁梯度张量定位算法。以扩展Kalman滤波算法和单点定位算法为基础,结合磁梯度张量定位模型,对磁性目标的位置信息进行求解,通过多组路径定位仿真对算法的有效性进行验证。在仿真结果有效的基础上进行了实际测试,结果表明,基于扩展Kalman滤波的磁梯度张量定位算法具有较高的定位精度,与传统单点定位算法相比能够得到更接近真实值的定位结果。
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