李青竹,石志勇,李志寧,范紅波
(陸軍工程大學(xué) 車輛與電氣工程系,河北 石家莊 050003)
磁異常探測技術(shù)可應(yīng)用于地下小尺度磁目標(biāo)的定位與識別[1-2]。與磁場矢量和總磁場強(qiáng)度(Total Magnetic Intensity,TMI)相比,磁梯度張量(Magnetic Gradient Tensor,MGT)可以提供更豐富的目標(biāo)體方位信息,抗干擾能力強(qiáng),能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜的測量環(huán)境[3]。MGT探測具有廣泛的應(yīng)用前景,如航空磁測、礦產(chǎn)勘探、未爆彈藥搜索和排雷等[4-5]。
直接測量磁場梯度本質(zhì)上很困難,但可利用矢量傳感器在基線兩端的讀數(shù)差異近似估計(jì)磁標(biāo)勢的二次偏微分[6]。目前,常以磁傳感器陣列形式構(gòu)建磁梯度張量系統(tǒng)(Magnetic Gradient Tensor System,MGTS),并實(shí)現(xiàn)張量差分測量。MGTS主要分為兩類:(1)基于超導(dǎo)效應(yīng)[7],這類系統(tǒng)由具有極高靈敏度和較小量程的超導(dǎo)量子干涉裝置(Superconducting Quantum Interference Devices,SQUID)組成,其制造成本高,對測量環(huán)境要求嚴(yán)格,適用于生物磁檢測、金屬無損檢測、航空磁測等靈敏度要求高但磁異常較弱的工況;(2)基于磁通門法[8-9],這類系統(tǒng)由多個磁通門傳感器組成,利于批量生產(chǎn)和制造,成本較低,安裝要求較簡單。目前,最先進(jìn)的磁通門探頭的靈敏度噪聲可以達(dá)到6 p Trms/ Hz@1 Hz[10],量程是SQUID的數(shù)千倍[11-12]。
近年來,國內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)搭建了各類磁通門法MGTS,包括直角四面體、正四面體、正方形、十字形、三角形等結(jié)構(gòu)[13-16],但針對特定結(jié)構(gòu)MGTS探測極限的研究卻鮮有報(bào)道。實(shí)測經(jīng)驗(yàn)表明,差分方法測量磁梯度張量時系統(tǒng)的探測極限常受到結(jié)構(gòu)誤差、噪聲、磁源強(qiáng)弱和探測方位等因素的影響[17]。為了定性且定量研究MGTS的理論探測極限,本文利用磁偶極子正演方程、張量矩陣特征方程和張量不變量聯(lián)合推導(dǎo)出在系統(tǒng)基線距離、傳感器測量精度、系統(tǒng)觀測方位和磁源強(qiáng)度等相關(guān)參數(shù)約束下MGTS空間理論探測范圍的計(jì)算公式。針對單一磁源,張量衍生不變關(guān)系定位方法[18]利用MGTS實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)精確定位并準(zhǔn)確估計(jì)出磁源的磁矩強(qiáng)度,使實(shí)測MGTS的理論探測極限成為可能。
MGT為3個正交方向的磁場矢量空間變化率[3],共9個元素,可表示為:
其中:B為磁場強(qiáng)度矢量,G表示MGT矩陣,φm是磁標(biāo)勢,Bm(m=x,y,z)表示B的正交分量,Bij(i,j=x,y,z)表示MGT分量。在沒有電流的靜態(tài)磁環(huán)境中,麥克斯韋方程約束下磁場的散度和旋度為0,有?·B=0,?×B=0,因此G是對稱且無跡的。故G的9個元素可以用5個獨(dú)立的分量來表示,即Bxx,Bxy,Bxz,Byy和Byz。
MGT是磁標(biāo)量勢φm的二階偏微分,也是磁場矢量B的偏微分,難以直接測量。事實(shí)上,常利用跨測量基線的分量讀數(shù)差異來代替磁矢量偏微分,以近似MGT分量,如:
其中:ΔBi是兩個相鄰磁傳感器測量的i分量讀數(shù)差異,Δdj是兩個磁傳感器在j方向上的距離,定義為基線距離。
MGT不變量是當(dāng)觀測點(diǎn)固定不隨測量系統(tǒng)不同方向而改變的量或?qū)?yīng)關(guān)系。一些基本的MGT不變量包括矩陣跡、特征值、特征方程系數(shù)和Frobenius范數(shù)等[19]。MGT矩陣是實(shí)對稱矩陣,可對角化。令λ1,λ2和λ3表示G的特征值,滿足特征方程λ3-I0λ2+I1λ-I2=0,其中:
其中:I0是G的跡,I1是關(guān)于G對稱且無跡的量,I2是矩陣G的行列式,CT是張量收縮。給定一個磁偶極子,磁矩為m=(mx,my,mz)[20],偶極子到觀測點(diǎn)的位置矢量為r=(x,y,z)。設(shè)M=||m||,r=||r||,r為觀測距離,則磁場矢量和5個獨(dú)立MGT分量的正演方程為[19-20]:
其中:μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率,空氣中μ≈μ0=4π×10-7N·A-2,μ0為真空磁導(dǎo)率。
空間衍生不變關(guān)系如下[18]:
其中:θ是r和m之間的角度,0≤θ≤180°,u是歸一 化 源 強(qiáng) 度(Normalized Source Strength,NSS)[19]。
由式(3)、式(4)、式(6)分別得到MGT矩陣的特征值λ1,λ2和λ3,即有:
則NSS可以表示為:
其 中:|λ1|≥|λ3|,|λ2|≥|λ3|和λ2≥λ3≥λ1。式(8)可為MGTS的理論探測極限估計(jì)提供條件約束。
相關(guān)研究表明,相較于正四面體、直角四面體、三角形和正方形等結(jié)構(gòu),平面十字形MGTS不僅結(jié)構(gòu)簡單、傳感器安裝方便、對準(zhǔn)精度高,其結(jié)構(gòu)誤差較小且同基線距離下的最近觀測范圍最大[17]。圖1為平面十字形MGTS的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),由4個磁通門傳感器和十字架構(gòu)成。設(shè)d為基線距離,表示傳感器a在b軸方向的讀數(shù)。結(jié)合式(2),平面十字形MGTS的張量測量矩陣Gm為:
圖1 平面十字形MGTS的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of planar-cross MGTS
式中:Byx和Bxy的測量方式存在差異(事實(shí)上二者實(shí)測值幾乎相同),故Gm共有6個獨(dú)立分量。
令n為一單位空間向量,?(B)/?(n)為B對n的方向?qū)?shù)。用MGT矩陣G的特征向量v1,v2和v3表示n,有n=a v1+b v2+c v3且a2+b2+c2=1,得到:
定義q為傳感器的測量準(zhǔn)確度(單位:±n T),Q為MGTS的測量準(zhǔn)確度(單位:±nT/m),結(jié)合式(9)有q=Q d/2。注意,Q和q不僅反映了傳感器本底噪聲引起的測量誤差,還包括傳感器系統(tǒng)誤差、磁干擾誤差和未對準(zhǔn)誤差引起的不確定性[8]。將考慮全部實(shí)測誤差因素時的最大測量偏差作為準(zhǔn)確度Q和q的取值范圍。
在觀測點(diǎn)r0=(x0,y0,z0)處捕捉目標(biāo)需要q滿足可靠的差分計(jì)算。因此,q要小于磁場強(qiáng)度在基線距離之間的實(shí)際變化值。令r為MGTS的觀測距離,結(jié)合式(8)和式(10),傳感器測量準(zhǔn)確度q需滿足:
使得在基線距離d、該處磁異常強(qiáng)度B條件下的差分計(jì)算可靠。
差分測量可靠的必要條件如下:
式(12)即為差分磁梯度張量測量范圍的計(jì)算公式。由此可知,某一MGTS系統(tǒng)的理論探測極限不僅與傳感器的測量準(zhǔn)確度q和系統(tǒng)基線距離d有關(guān),還與磁源目標(biāo)的磁矩大小M和觀測角度θ有關(guān)。這表明MGTS對同一目標(biāo)在不同方向上具有不同的探測極限。
由于式(12)中與磁源相關(guān)的磁矩M和觀測角度θ為單一磁源目標(biāo)參數(shù),當(dāng)測區(qū)內(nèi)存在多個磁異常目標(biāo)時,M應(yīng)為空間某處的磁偶極子等效源模型磁矩。該等效源是由各個磁異常目標(biāo)在觀測點(diǎn)處的磁場疊加后再反演得到的磁偶極子,θ應(yīng)為該等效源磁偶極子的磁矩與觀測點(diǎn)間的夾角。
在MATLAB仿真環(huán)境中,建立空間笛卡爾坐標(biāo)系,令x軸朝東,y軸朝北,z軸朝上。將磁偶極子放置在r1=(10 m,0,-20 m)處,磁矩M=5 000 A·m2,磁偏角為20°(東偏),磁傾角為-60°(向上)。設(shè)置MGTS的初始參數(shù)為基線距離d=0.5 m,傳感器的測量準(zhǔn)確度q=±0.1 n T。圖2(a)中繪制了MGTS在三維空間中的理論探測極限。圖2(b)顯示了在z=-20 m平面內(nèi)不同d和q時MGTS的理論探測極限。圖3(a)顯示了空間中不同θ和磁矩強(qiáng)度M時MGTS的理論探測極限距離。圖3(b)顯示MGTS最大探測極限距離同時隨d和q的變化而變化。
顯然,在平行于磁矩矢量的方向(即θ=180°或0°),MGTS的探測距離最大。q越小,d越長,M越大,理論探測極限距離越遠(yuǎn)。
然而實(shí)際情況表明,當(dāng)探測距離不變而d值增長到一定程度時,MGT測量值會失真。由于傳感器差分計(jì)算得到的張量值與真實(shí)值之間存在理論誤差,以分量Bxx為例說明式(3)計(jì)算得到的MGT分量值沿x軸梯度測量方向的逼近過程。間隔d的兩傳感器x軸測量值和分別自展開為泰勒級數(shù),其中為觀測點(diǎn)處磁場矢量的x軸真實(shí)分量。令Bxx測量值為,真實(shí)值為,則可由泰勒級數(shù)表示:
圖2 MGTS在變參數(shù)下的空間探測極限范圍Fig.2 Detection limits of MGTS with variable parameters
圖3 MGTS在不同磁源和變參數(shù)下的理論探測極限Fig.3 Theoretical detection limits of MGTS with different sources and variable parameters
式(13)表明,在差分過程中,由于忽略了泰勒級數(shù)的三階和高階奇數(shù)項(xiàng),測量值與基線距離d存在一定的正相關(guān)偏差。當(dāng)d值增大且觀測距離很近時,磁場高階偏微分也變得不可忽略。此時,式(13)中第二項(xiàng)和后續(xù)項(xiàng)與首項(xiàng)相比不能忽略,差分測量結(jié)果失真愈發(fā)明顯。
圖4顯示了系統(tǒng)由窗口(10 m,0,-20 m)滑動測量至(100 m,0,-20 m),即測點(diǎn)由磁偶極子中心逐漸遠(yuǎn)離的過程中Bxx和Bxy的理論測量誤差。因此,隨著觀測距離變短,由差分計(jì)算的MGT測量值可靠性會變低,且d越長這種趨勢越明顯。從這些結(jié)果來看,MGTS的理論探測極限與基線距離、測量準(zhǔn)確度、磁矩、觀測點(diǎn)與磁矩矢量的夾角等有關(guān);基線距離越長,傳感器測量準(zhǔn)確度越高,MGTS的理論可探測距離越遠(yuǎn);基線距離越長,觀測距離越近,張量差分測量理論誤差越大;探測距離在平行于磁矩矢量的方向上達(dá)到最大,而在垂直于磁矩矢量的方向上急劇減小。
圖4 不同基線距離和觀測距離時MGT差分測量的理論誤差Fig.4 Theoretical error of MGT differential measurement with different baseline distances and observation distances
在工程實(shí)際中,基線距離的設(shè)置存在一個較優(yōu)解,需綜合考慮精度需求、距離需求及儀器尺寸等。
本文構(gòu)建了一個實(shí)際的平面十字形MGTS,基線距離為0.5 m,其中包含4個Barrington公司生產(chǎn)的Mag-03磁通門傳感器,以及一個由非磁性塑性樹脂材料制成的十字架,見圖5。
將圖6中4種典型的磁體標(biāo)記為m1,m2,m3和m4,其中m1和m2為圓柱體,m3和m4為長方體。這些磁體的等效偶極矩未知。
實(shí)驗(yàn)過程如圖7所示,以實(shí)現(xiàn)典型磁體的MGTS探測極限估計(jì)和驗(yàn)證。磁異常測量經(jīng)驗(yàn)法表明,在超過物體長度約2.5倍的距離處,偶極矩會占主導(dǎo)作用[21],磁目標(biāo)可近似于磁偶極子。將4個磁鐵視為遠(yuǎn)離目標(biāo)位置的磁偶極子,并試圖找到它們相對于幾何形狀的磁矩矢量。
圖5 平面十字形MGTS實(shí)驗(yàn)裝置Fig.5 Experimental setup of planar-cross MGTS
圖6 預(yù)備的4塊典型形狀磁鐵及其尺寸信息Fig.6 Prepared four magnets with size information
圖7 MGTS探測極限估計(jì)和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)Fig.7 Detection limits estimation and verification experiments
圖7中,環(huán)境測量用以估算傳感器和MGTS的實(shí)際測量準(zhǔn)確度,Q為MGTS的測量準(zhǔn)確度(單位:±n T/m),有q=Q d/2。采用張量衍生不變關(guān)系定位方法[18]來估計(jì)磁鐵位置,若位置處于磁鐵的物理尺寸內(nèi),則表明磁矩估計(jì)是有效的。然后,利用放置磁鐵前后的MGT測量讀數(shù)和準(zhǔn)確度Q判斷MGTS是否已到達(dá)其探測極限。在測量中,這里采用零相位低通濾波來消除信號干擾。
Mag-03傳感器的出廠本底噪聲幅度在±0.01~0.02 n T內(nèi)[10],然而傳感器的真實(shí)讀數(shù)幾乎不可能達(dá)到此量級。實(shí)際上,實(shí)測讀數(shù)不可避免地受到測量設(shè)備的電磁干擾,地磁場的本底噪聲以及環(huán)境中其他未知渦流磁信號的干擾。通過信號處理的方法能夠過濾掉一些有規(guī)律的高頻信號,盡可能保留真實(shí)的磁場信息。
實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為中國石家莊某空曠野外,劃定10 m×10 m且磁場較穩(wěn)定的測區(qū),標(biāo)量質(zhì)子磁強(qiáng)計(jì)測得該區(qū)域的磁總場強(qiáng)度均值為53 162 n T(±20 nT)。首先進(jìn)行了環(huán)境測量,以確定濾波和降噪的截止頻率。采樣頻率為500 Hz。圖8(a)、8(b)顯示了經(jīng)過約54 s靜態(tài)采樣后傳感器1的x軸分量和頻譜,并突出了前后各一秒內(nèi)的讀數(shù)變化細(xì)節(jié)。靜磁場信號是一種超低頻信號,而設(shè)備電流采集卡的噪聲頻段主要集中在50,235 Hz等頻段。利用零相位低通濾波器來降低地磁信號噪聲,并將截止頻率保守地設(shè)置為5 Hz。由于地磁日變的影響以及濾波器中遺漏了部分低頻噪聲分量,實(shí)際磁場強(qiáng)度在不斷變化,傳感器測量準(zhǔn)確度q難以直接獲得。然而,在MGT數(shù)據(jù)的差分計(jì)算過程中,可以等效地減去該區(qū)域地磁場的協(xié)同變化。故若已知MGTS的測量準(zhǔn)確度Q,可以用差分原理估計(jì)q,即q=Q d/2。
圖8(c)顯示了開始采樣后一段時間4個傳感器的磁場強(qiáng)度分量讀數(shù),各軸讀數(shù)明顯地隨地磁場波動而變化。由于采樣時間一分鐘內(nèi)溫度相對穩(wěn)定,并且傳感器的出廠偏移溫度系數(shù)(n T/°C)小于±0.1 n T[10],因此圖8(c)中的磁場讀數(shù)漂移幾乎全部來自地磁在短時間內(nèi)的隨機(jī)日靜變化,此時直接估計(jì)q是不可靠的。然而,在靜態(tài)采樣期間測量的MGT應(yīng)該是恒定的,因?yàn)樗砹舜艌鰪?qiáng)度的空間變化率,不受地磁日變化的影響。MGT讀數(shù)隨采樣時間的絕對誤差如圖8(d)所示。Mag-03傳感器的出廠測量準(zhǔn)確度已達(dá)到±0.02 n T,確保了此時MGT讀數(shù)的可靠性。表1列出了MGTS讀數(shù)的精確度(均方根誤差(Root Mean Square Error,RMSE)、平均誤差(Mean Error,ME)和準(zhǔn)確度Q。
圖8 磁場低通濾波截止頻率的選擇與MGTS張量測量準(zhǔn)確度的估計(jì)結(jié)果Fig.8 Selection of cutoff frequency of low-pass filter and estimation of MGTS tensor measurement accuracy
在約54 s的靜態(tài)采樣階段內(nèi),測得MGT分量讀數(shù)的最大絕對誤差收斂到±8.285 n T/m,作為MGTS的估計(jì)張量測量準(zhǔn)確度Q。重復(fù)采樣后得到的MGT值也在此范圍內(nèi)波動,表明局部磁場相對穩(wěn)定且Q值估計(jì)有效。由于q=Q d/2,給定d=0.5 m,故q真值應(yīng)收斂于±2.121 n T附近,作為現(xiàn)有儀器和降噪條件下估計(jì)的傳感器測量準(zhǔn)確度。
表1 MGTS讀數(shù)的估計(jì)準(zhǔn)確度(最大絕對誤差Q)和精確度(RMSE和ME)Tab.1 Estimated accuracy(maximum absolute error Q)and precision(RMSE and ME)of MGTS readings(n T/m)
一旦獲得MGT分量和位置矢量,可直接利用式(5)磁偶極子正演方程來反演磁矩矢量m,即:
其中:H僅與位置矢量有關(guān),I是具有5個獨(dú)立MGT分量的列向量。請注意,式(13)中的H+是Moore-Pennrose逆。然而,現(xiàn)有情況不能直接判斷估計(jì)的m是否有效。環(huán)境中可能存在其他磁異常,使得由反演公式得到的疊加磁場等效磁矩代替了目標(biāo)的真實(shí)磁矩。此外,前文結(jié)論表明,距離過近同樣會使張量差分測量值變得不可靠。
為了確保磁矩估計(jì)是有效的,利用張量衍生不變關(guān)系法定位磁體[18]。該方法從以下方程中提供4個可能的坐標(biāo)解,其中一個是正確的。
式中v1和v2分別對應(yīng)于特征值λ1和λ2的特征向量,CT是張量縮并,是僅由磁偶極子產(chǎn)生的磁總場強(qiáng)度TMI。因此,在計(jì)算ITM時應(yīng)提前測量地磁場進(jìn)行補(bǔ)償。
對坐標(biāo)已知的磁體進(jìn)行定位,一旦估計(jì)坐標(biāo)與目標(biāo)真實(shí)位置間的測量偏差控制在磁體尺寸范圍內(nèi),則反演得到的磁偶極矩是有效的。MGTS置于地面高50 cm處,以觀測點(diǎn)為原點(diǎn),將4塊磁鐵分別放置于位置1(50 cm,50 cm,-50 cm)、位置2(100 cm,100 cm,-50 cm),如圖9所示。
圖9 磁鐵磁矩估計(jì)實(shí)驗(yàn)Fig.9 Magnets magnetic moment estimation experiments
對4塊磁鐵共進(jìn)行了4×2次定位實(shí)驗(yàn)。采樣頻率為500 Hz,單次采樣時間為10 s左右。定位結(jié)果為每單次采樣時間內(nèi)計(jì)算的平均值。設(shè)置相同的濾波條件,截止頻率均為5 Hz。定位結(jié)果列于表2。顯然,位置1處的定位結(jié)果均有偏差,而位置2處的定位結(jié)果均控制在4個磁體的幾何空間范圍內(nèi)。位置1處由于探測距離過近而差分測量失真,而位置2的結(jié)果都是有效的。4個磁鐵估計(jì)的磁矩矢量如圖10所示。
表2 磁鐵定位實(shí)驗(yàn)中估計(jì)的磁鐵位置和磁偶極矩Tab.2 Estimated magnet position and magnetic dipole moment in magnet positioning experiments
圖10 估計(jì)的4塊磁鐵的磁偶極矩大小和方向Fig.10 Estimated magnitude and direction of magnetic dipole moment of four magnets
一旦確定了磁矩的方向和大小、傳感器讀數(shù)準(zhǔn)確度以及MGTS的基線距離,就可以得到該MGTS對4個磁體的空間理論探測極限范圍,如圖11(a)和11(b)所示。此外,圖11(c)顯示了4個磁鐵的探測極限隨角度θ的變化。MGTS相關(guān)參數(shù)和最大探測極限距離(rmax)的估計(jì)結(jié)果列于表3。
為了驗(yàn)證估計(jì)結(jié)果,將4塊磁鐵沿MGTS的x軸滑動并連續(xù)采樣。采樣率為500 Hz,滑動窗口為(1 m,0,0)到(10 m,0,0)。規(guī)定每0.01 m采集不少于20個點(diǎn)時,實(shí)測MGT的準(zhǔn)確度可信,故滑動速度應(yīng)小于0.25 m/s。設(shè)置滑動速度為0.2 m/s,速度偏差為±0.05 m/s,即可滿足要求?;瑒舆^程中始終保持角度θ為0°,即磁矩m的方向始終指向觀察點(diǎn)。
圖11 MGTS對4塊磁鐵的探測極限估計(jì)Fig.11 Detection limits estimation of MGTS for four magnets
通過觀察是否可以區(qū)分不同MGT分量讀數(shù)來判斷MGTS是否已達(dá)到對4種磁鐵的真實(shí)探測極限邊界,并估計(jì)出實(shí)測rmax。為了消除環(huán)境中其他未知磁異常對結(jié)果的干擾,利用背景磁場的空側(cè)數(shù)據(jù)對滑動采樣階段測量的磁場信號進(jìn)行補(bǔ)償。一旦磁體滑動時測得的MGT分量讀數(shù)之差不再超過MGTS的測量準(zhǔn)確度Q(±8.285 n T/m),判定磁體已脫離了系統(tǒng)的有效探測范圍。測量結(jié)果如圖12所示,圖中標(biāo)出了每個磁體的實(shí)測探測極限r(nóng)max,并記錄在表3中,其中測量值和估計(jì)值最大偏差為0.4 m。
上述結(jié)果表明,MGTS實(shí)測探測極限與估計(jì)值吻合較好,探測極限估計(jì)準(zhǔn)確度為±0.4 m,從而驗(yàn)證了所提差分磁梯度張量測量極限估計(jì)方法的有效性。
表3 MGTS探測極限估計(jì)及其必要參數(shù)Tab.3 Detection limits estimation and its necessary parameters of MGTS
圖12 MGTS在平行于4塊磁鐵磁矩方向上測得的有效探測極限距離(rmax)Fig.12 Measured MGTS detection limit distance(rmax)of four magnets in direction parallel to magnetic moment
本文提出了差分MGT測量極限估計(jì)方法。根據(jù)差分MGT測量范圍公式,MGTS的理論探測極限與基線距離、傳感器測量準(zhǔn)確度、目標(biāo)磁偶極矩、觀測點(diǎn)與磁矩矢量間的夾角有關(guān)?;€距離越長,傳感器測量準(zhǔn)確度越高,MGTS的有效探測距離越遠(yuǎn)。探測距離在平行于磁矩矢量的方向上達(dá)到最大,而在垂直于磁矩矢量的方向上急劇減小。在實(shí)際測量中,成功估計(jì)并驗(yàn)證了搭建的平面十字形MGTS的理論探測極限,該系統(tǒng)針對4塊典型磁鐵的探測極限估計(jì)準(zhǔn)確度為±0.4 m。然而,本文尚未深入考慮地磁日變化、渦流磁場干擾和磁傳感器非線性誤差等因素對實(shí)測中系統(tǒng)探測極限的影響。