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航空磁异常探测关键技术研究

韩磊  
【摘要】:地球是一个巨大的磁性椭球体,产生了20000nT~50000nT左右的稳定磁场,一般称之为地磁场。存在地磁场环境中的磁性物体会引起其周围地磁场的微弱异常变化,通过磁异常信号可以反演出磁性物体的位置信息。利用该原理,航空磁异常检测技术将磁力仪设备装载于飞机上,通过处理磁力仪测量到的数据,将磁性目标产生的异常信号检测出来,并定位出目标的位置。磁异常探测技术已广泛应用于物探、地磁导航等诸多领域,并已得到越来越多的关注和重视。 由于目标信号淹没在大量的干扰和噪声中,因此不能直接利用磁异常检测技术来检测目标,而是需要先尽可能地抑制这些干扰和噪声,提高信噪比。由此,航空磁异常检测主要包括了两个主要关键技术:航磁补偿技术和磁异常信号检测技术。其中,航磁补偿技术研究基础是TOLLES-LAWSON方程,该方程存在的地磁恒定假设会影响补偿精度,随着磁力仪探测模式的发展以及精度的提高,需要对该假设重新进行审视和改进,以得到更高精度的补偿结果。此外,基于经典标准正交基函数(OBF)的磁异信号检测算法只在高斯白噪声背景下才能得到最优结果,然而检测背景噪声非高斯,因此需要对非高斯噪声下OBF算法进行相应改进。 本文主要的创新性研究工作主要围绕航磁补偿和磁异常信号检测: 首先,对航磁补偿技术中可能存在的误差处分别进行了数值仿真,得出了误差主要来源于两个部分,一是仪器设备的误差以及飞机操作等,二是模型中存在的不合理假设,主要是地磁恒定假设。针对该假设提出了基于预测的地磁处理方法。 接着,利用卡尔曼滤波器来预测地磁场。通过分析航空背景下的地磁场变化规律,利用线性变化假设以及时间序列分析的思想分别建立系统状态方程,根据经典T-L方程建立量测方程,进而可以从总场数据中预测出较真实的地磁场。对两种不同卡尔曼滤波预测方法进行了验证,在不影响现有磁补偿算法求解流程的前提下,均能有效提高补偿精度。 最后,对经典OBF算法进行简单的改进,然后针对OBF虚警率较高的情况,提出基于窄带滤波器的检测模型,经过窄带滤波器的校正,降低了检测虚警率,提高了检测准确性。


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