[发明专利]从空气中对水下目标极低频磁场进行探测的系统与方法

权利要求书

1.一种水下航行器在空气中极低频磁场的探测系统，其特征在于，包括磁场传感器、信号调理电路以及数据采集模块；磁场传感器与信号调理电路连接，信号调理电路与数据采集模块连接，数据采集模块与外部计算机连接；

所述磁场传感器用于采集磁场信号，并将磁场信号传递给所述信号调理电路；所述信号调理电路包括放大电路和滤波电路，所述信号调理电路用于对磁场信号进行处理后，传递给所述数据采集模块及计算机；

在计算机软件中建立有水下航行器在空气中极低频磁场模型及磁干扰补偿模型；

建立水下航行器在空气中极低频磁场模型的步骤包括：以水平电偶极子及垂直电偶极子作为水下航行器产生极低频磁场的等效源，分别对水平电偶极子和垂直电偶极子在空气层产生的极低频磁场进行建模，并对磁偶极子旋转产生的极低频磁场进行建模，将三者结合作为水下航行器在空气中极低频磁场模型；

并且，对磁偶极子旋转产生的极低频磁场进行建模的步骤具体包括：

以磁偶极子的初始位置为原点，X轴指向艇艏方向，Y轴为右舷方向，Z轴垂直向下，磁矩M＝m_x·e_x+m_y·e_y+m_z·e_z，其中e_x、e_y和e_z分别为X、Y、Z轴的单位向量，m_x、m_y和m_z分别为磁偶极子在X、Y、Z轴的分量，磁偶极子以角速度ω绕X轴做匀速旋转运动；

则t时刻磁偶极子的总磁矩为M'＝m'_x·e_x+m'_y·e_y+m'_z·e_z，各方向上的磁矩分量分别为：

则对于空间任意一点(x,y,z)，t时刻原点处磁偶极子的磁场分布为：

其中μ₀为真空磁导率，r为磁偶极子指向测点的矢径，r＝x·e_x+y·e_y+z·e_z；

将式(52)式写成三分量形式，有：

其中，是磁偶极子中心到测点的距离；

因此可对式(53)加以修正，以螺旋桨与轴的连接中心为原点，假设轴系剩磁磁矩的中心位置距离原点R，与Y轴负方向夹角则磁偶极子初始位置x₀＝0，

磁偶极子的实时位置可写成，

则磁偶极子旋转产生的磁场可写成：

其中，

2.根据权利要求1所述的水下航行器在空气中极低频磁场的探测系统，其特征在于，所述放大电路中采用仪表放大器AD624；所述磁场传感器采用三轴磁通门传感器Mag-13或感应式磁场传感器LEMI-120；所述数据采集模块采用NI USB-6216采集卡。

3.根据权利要求1所述的水下航行器在空气中极低频磁场的探测系统，其特征在于，所述滤波电路为由一个二阶高通有源滤波器和一个四阶低通有源滤波器串联而成的带通滤波器。

4.根据权利要求1所述的水下航行器在空气中极低频磁场的探测系统，其特征在于，所述滤波电路为基于LMS自适应算法的自适应滤波器。

5.一种水下航行器在空气中极低频磁场的探测方法，其特征在于，采用如权利要求1-4任一项所述的水下航行器在空气中极低频磁场的探测系统，且包括如下步骤：

S1，在计算机软件中建立水下航行器在空气中极低频磁场模型及磁干扰补偿模型；

S2，通过磁场传感器采集磁场信号，并将磁场信号传递给信号调理电路；

S3，通过信号调理电路放大磁场信号，并滤除磁场信号中的部分干扰信号，再将处理后的磁场信号传递给数据采集模块及计算机；

S4，通过水下航行器在空气中极低频磁场模型与磁干扰补偿模型，进一步处理数据采集模块的数据，以计算出水下航行器在空气中极低频磁场；

其中，步骤S1中，建立水下航行器在空气中极低频磁场模型的步骤包括：以水平电偶极子及垂直电偶极子作为水下航行器产生极低频磁场的等效源，分别对水平电偶极子和垂直电偶极子在空气层产生的极低频磁场进行建模，并对磁偶极子旋转产生的极低频磁场进行建模，将三者结合作为水下航行器在空气中极低频磁场模型；

并且，对磁偶极子旋转产生的极低频磁场进行建模的步骤具体包括：

以磁偶极子的初始位置为原点，X轴指向艇艏方向，Y轴为右舷方向，Z轴垂直向下，磁矩M＝m_x·e_x+m_y·e_y+m_z·e_z，其中e_x、e_y和e_z分别为X、Y、Z轴的单位向量，m_x、m_y和m_z分别为磁偶极子在X、Y、Z轴的分量，磁偶极子以角速度ω绕X轴做匀速旋转运动；

则t时刻磁偶极子的总磁矩为M'＝m'_x·e_x+m'_y·e_y+m'_z·e_z，各方向上的磁矩分量分别为：

则对于空间任意一点(x,y,z)，t时刻原点处磁偶极子的磁场分布为：

其中μ₀为真空磁导率，r为磁偶极子指向测点的矢径，r＝x·e_x+y·e_y+z·e_z；

将式(52)式写成三分量形式，有：

其中，是磁偶极子中心到测点的距离；

因此可对式(53)加以修正，以螺旋桨与轴的连接中心为原点，假设轴系剩磁磁矩的中心位置距离原点R，与Y轴负方向夹角则磁偶极子初始位置x₀＝0，

磁偶极子的实时位置可写成，

则磁偶极子旋转产生的磁场可写成：

其中，