基于磁异常梯度信号检测的目标定位方法研究

摘要

航空磁探测技术被广泛应用于军事和民用，磁探技术也有很大的发展空间；地磁场是地球表面最主要的磁场，其数值一般远大于铁磁物质所产生的磁场强度。地磁场也会影响其他铁磁物质的磁场特性，所以一般铁磁物质不仅具有固有磁矩而且还有感应磁矩，两者共同决定铁磁物质产生的磁场。铁磁物质产生的磁场会使总磁场异常，出现磁异常磁场。磁异常场是进行磁探测必要条件。磁异常探测(MAD,Magnetic Anomaly Detection)是一种被动探测技术，不需要主动发射信号，而且磁异常信号穿透性强，连续稳定存在。本文主要研究磁异常梯度信号的探测方法。
　　首先，探测磁异常梯度信号就需要分析梯度信号的特征，建立磁异常梯度信号模型。磁异常梯度信号探测技术由传统的信号探测技术发展而来，将铁磁物质等效为磁偶极子，获取其在空间中磁场模型。再将磁异常梯度信号模型分解出四个独立的正交基函数（OBF），进行相关性检测。由于航磁探测是将磁场测量装置装载在飞机上，当飞机偏离检测轨迹和调整姿态时，对磁异常梯度信号模型进行了新的研究，而且将这些信号变化特性作为检测特征进行识别。
　　其次，航磁检测是在开放的自然环境中，会有很多类型的磁噪声；对环境磁场噪声进行分析很重要。机载探测平台也会引入磁干扰，进行航磁补偿是探测中非常重要的部分。对于地质不均匀所导致的磁噪声，最有效的处理方法是地磁建模。局部区域地磁场建模方便实用，文中通过采集地磁场数据进行三次B样条插值，提高了空间磁场分辨率，提高模型的精度。最后分别对环境磁场进行了静态采集和动态采集，分别进行了频谱分析和时频分析，对后续信号处理有帮助。
　　然后，对只包含高斯噪声的磁异常梯度信号，直接进行了梯度正交基函数检测，信噪比有很大提高。对于包含功率谱密度函数为?2?01????f的有色噪声进行了白化滤波处理，对单一?值的噪声，白化滤波后基函数检测效果比传统基函数检测效果有明显提高。对于非平稳地有色噪声，改进了统一白化滤波器，加入可调因子作为重构白化滤波器条件。通过可调白化滤波器的信号检测效果比统一白化滤波器有所提高。
　　最后，对检测后的能量进行目标识别，结合恒虚警（Constant False Alarm Rate）检测，使用了有序可变指数恒虚警（OSVI-CFAR）检测器，并综合雷达恒虚警检测特点和磁异常梯度信号检测特点，加入了固定门限，更加准确地识别出目标信号。我们进行了多次外场实验，采集了大量的地磁数据。对实验数据进行了相关处理，验证了相关信号处理方法。对磁异常梯度信号检测各个模块进行综合，完成MATLAB GUI检测系统的设计。通过多条检测轨迹，实现目标定位。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文内容及结构安排

第二章 磁异常梯度信号特性及其分析

2.1 引言

2.2 磁异常梯度信号模型

2.3 磁异常梯度信号的标准正交基函数（OBF）分解

2.4 航空磁探平台非惯性运动下的信号特征

2.5 本章小结

第三章 环境磁场噪声特性分析

3.1 引言

3.2 噪声特性分析

3.3 地面实测磁噪声分析与处理

3.4 本章小结

第四章 磁异常梯度信号处理方法

4.1 引言

4.2 磁异常梯度信号预处理方法

4.3有色噪声的白化滤波处理

4.4 可调白化滤波算法

4.5 本章小结

第五章 磁异常梯度信号检测实验及目标定位

5.1 引言

5.2 恒虚警检测方法

5.3 实验数据综合处理

5.4 MATLAB GUI检测系统软件及目标定位

5.5 本章小结

第六章 结论

6.1 工作总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的论文