[發明專利]一種三維磁源動態探測系統和探測方法有效
| 申請號： | 201911424089.3 | 申請日： | 2019-12-31 |
| 公開（公告）號： | CN111158055B | 公開（公告）日： | 2021-03-05 |
| 發明（設計）人： | 吳玉婷;皇甫江濤 | 申請（專利權）人： | 浙江大學 |
| 主分類號： | G01V3/08 | 分類號： | G01V3/08;G01R33/07;G01R33/02;G01R33/00 |
| 代理公司： | 杭州求是專利事務所有限公司 33200 | 代理人： | 林超 |
| 地址： | 310058 浙江*** | 國省代碼： | 浙江;33 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關鍵詞： | 一種 三維 動態 探測 系統 方法 | ||
1.一種三維磁源動態探測方法，其特征在于：
采用三維磁源動態探測系統，三維磁源動態探測系統包括磁場信號檢測模塊(1)、信號調理模塊(2)、A/D轉換模塊(3)和數據采集分析模塊(4)；
磁場信號檢測模塊(1)：包括由霍爾效應磁場傳感器(7)組成的磁場傳感器陣列，霍爾效應磁場傳感器(7)接收三維磁源(14)移動或磁場強度變化過程中產生的動態磁場信號，并將動態磁場信號轉換為動態電壓信號，磁場傳感器陣列輸出多路動態電壓信號至信號調理模塊；
信號調理模塊(2)：信號調理模塊接收磁場信號檢測模塊輸出的多路動態電壓信號，對多路動態電壓信號進行通道選擇，同一時間只選取其中一路動態電壓信號，將該路動態電壓信號調理到滿足A/D轉換模塊的輸入電壓范圍后輸出至A/D轉換模塊；
A/D轉換模塊(3)：包括一個A/D轉換器，A/D轉換模塊接收信號調理模塊處理后輸出的動態電壓信號，將動態電壓信號轉換為數字信號，并輸出數字信號至微控制器；
數據采集分析模塊(4)：包括微控制器和PC端，微控制器接收A/D轉換模塊輸出的數字信號，通過計算得到霍爾效應磁場傳感器所處空間位置的動態磁場的強度和極性信息，并將動態磁場的強度和極性信息通過串口發送至PC端，PC端利用動態磁場的強度和極性信息計算出三維磁源(14)所在的移動空間范圍(5)內的三維磁源的分布，實現三維磁源動態探測；
通過磁場信號檢測模塊的霍爾效應磁場傳感器感應動態磁場獲得動態電壓信號，經信號調理模塊調理、A/D轉換模塊轉換為數字信號后發送到數據采集分析模塊，數據采集分析模塊中根據動態電壓信號的數字信號計算得到動態磁場的強度和極性信息，并將動態磁場的強度信息采用磁參數反演方法計算出三維磁源所在的移動空間范圍內的三維磁源的分布，即識別獲得三維磁源的形狀；
將動態磁場的強度信息采用磁參數反演方法計算出三維磁源所在的移動空間范圍內的三維磁源的分布，具體如下：
1)建立磁場基本模型：
將三維磁源等效為磁偶極子，將三維磁源所在的移動空間范圍分為N個三維立方體空間元v，每個三維立方體空間元的中心有一個磁偶極子作為等效磁偶極子；建立三維坐標系，以x軸和y軸為二維磁場檢測平面(6)的兩個相垂直方向，以z軸為垂直于二維磁場檢測平面(6)方向，單個等效磁偶極子產生磁場為：
其中，μ0為真空磁導率，π為圓周率，為磁偶極子在點(x,y,z)產生的磁場；(xs,ys,zs)為磁偶極子的位置坐標；為等效磁偶極子的磁矩，mx、my和mz分別為磁矩在x、y、z軸的分量；分別為x、y、z軸的單位方向矢量；為點(xs,ys,zs)相對于點(x,y,z)的位置矢量，r為點(xs,ys,zs)與點(x,y,z)之間的距離，點(xs,ys,zs)為三維立方體空間元的中心；
表示第n個三維立方體空間元中心的等效磁偶極子的磁矩，磁矩方向垂直于二維磁場檢測平面(6)，mn為磁矩的大小；表示第n個三維立方體空間元中心的等效磁偶極子相對于霍爾效應磁場傳感器的位置矢量，rn表示第n個三維立方體空間元中心的等效磁偶極子與霍爾效應磁場傳感器間的距離，zn表示第n個三維立方體空間元中心的等效磁偶極子的垂直于二維磁場檢測平面(6)方向的坐標；
霍爾效應磁場傳感器中接收到單個等效磁偶極子產生磁場的動態磁場信號為：
其中，Bzdipole為磁場在z軸的分量；
由所有等效磁偶極子構成三維磁源，則霍爾效應磁場傳感器接收到三維磁源的動態磁場信號的磁場強度B為：
其中，B(x,y)表示二維磁場檢測平面上坐標(x,y)處的霍爾效應磁場傳感器接收到的動態磁場信號的磁場強度；
2)構建磁場模型：
將霍爾效應磁場傳感器接收到三維磁源的動態磁場信號的磁場強度B用第一類Fredholm積分方程表示，構建磁場模型：
BH(x,y)＝∫VK(x-xs,y-ys,z-zs)M(xs,ys,zs)dv
其中，BH(x,y)表示二維磁場檢測平面上坐標(x,y)處的霍爾效應磁場傳感器接收到的動態磁場信號的磁場強度分布矩陣；M(xs,ys,zs)表示三維磁源在移動空間范圍的分布矩陣，具體為三維立體矩陣，三維立體矩陣的維數和三維立方體空間元v的總數相同對應，其中的每一個元素表示三維磁源在移動空間范圍對應的三維立方體空間元v的等效磁偶極子的磁矩；v表示移動空間范圍的三維立方體空間元；∫Vdv表示在移動空間范圍內進行體積分；K(x-xs,y-ys,z-zs)為第一類Fredholm積分方程的核函數；
3)磁場模型的求解：
具體構造以下目標函數：
其中，f(M)表示三維磁源的估計值和真實值之間的相似度，γ是正則化參數；
然后采用修正共軛梯度法求解目標函數的最小值獲得最小值對應的分布矩陣M(xs,ys,zs)，以分布矩陣M(xs,ys,zs)表征獲得移動空間范圍內三維磁源的形狀。
2.根據權利要求1所述的一種三維磁源動態探測方法，其特征在于：
所述步驟3)具體為：
3.1)初始設置M(xs,ys,zs)，并初始設置搜索方向和迭代次數t＝1，為第t次迭代時相似度f(M)在分布矩陣Mt處的梯度，Mt表示第t-1次迭代后的分布矩陣M(xs,ys,zs)；
3.2)第t次迭代時，根據梯度和搜索方向由強Wolfe線搜索方法計算步長且步長滿足：
其中，δ表示計算步長第一閾值，σ表示計算步長第二閾值，0δ0.5σ1；T表示矩陣轉置；表示相似度f(M)在第t次迭代后的分布矩陣處的梯度，表示相似度f(M)在第t次迭代后的分布矩陣處的取值，ft表示第t-1次迭代后相似度f(M)在分布矩陣Mt處的取值；
3.3)根據步長采用以下公式計算第t次迭代后的分布矩陣
其中，表示第t次迭代的搜索方向，βt表示第t次迭代的方向調控參數；
3.4)t＝t+1，不斷重復上述步驟3.2)和3.3)迭代運算，直到第t+1次的梯度滿足ε表示收斂精度閾值，|| ||表示模運算，收斂精度閾值ε≥0，則迭代停止，以最后獲得的分布矩陣作為結果。
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