获取磁场转换矩阵的方法、外部磁场测量方法及系统

本发明属于电磁参数测量，更具体地，涉及一种获取磁场转换矩阵的方法、外部磁场测量方法及系统。

背景技术：

1、在资源探测领域，资源的具体位置往往通过磁场探测结合相关算法得到。然而，由于探测器可视为铁磁腔体，其产生的磁场会影响资源探测的准确性。因此，精确测量铁磁腔体外部的磁场，从而采用消磁等措施减小探测器本身对空间磁场的影响是十分重要的。铁磁腔体外部磁场预测技术是实现消磁的难点，直接决定了消磁系统的补偿效果。在实际工程中，铁磁腔体外部磁场的预测尚无明确、成熟的方法，各种理论、模型都需进行进一步的研究。

2、现有的铁磁腔体外部磁场预测主要包括以下几种方法：

3、1）磁场数据库法：将铁磁腔体放置于消磁场地，通过地磁模拟线圈对其多次磁化，此时内、外传感器同时测量磁场，在此基础上选取部分不同磁化状态下的内、外磁场计算校准保存在数据库中。此方法推算外部磁场很大程度上取决于选取部分不同磁化状态的磁场值计算校准，若选取不合适的内外磁场形成校准，则会严重影响预测结果；

4、2）标准值法：当铁磁腔体处于地磁场环境下，对消磁系统进行安匝调整和电流校准后，将所有内部传感器此时的值设为标准值，再改变激励磁场，只要通过调整电流等参数使所有内部传感器等于或接近标准值，则视为实现了补偿目的。从理论上说，当固定磁场变化较大时，很难将数十个传感器同时调整为标准值，预测精度并不高；

5、3）数值积分法：铁磁腔体磁场测量值和磁源的关系可利用数值积分来表征，此方法无需多次测量磁场，但建模难度较大、计算量较大，且计算精度有待提高；

6、4）内外映射法：得到外部磁场变化量与内部磁场变化量之间的转换关系，并通过神经网络等方法求解其转换关系。此方法得到的转换关系无明确物理意义，转换关系计算过程较为繁琐，且未考虑力磁耦合效应对预测结果的影响。

7、总之，通过以上方法预测铁磁腔体外部磁场，会存在计算量大、预测精度不高的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种获取磁场转换矩阵的方法、外部磁场测量方法及系统，其目的在于通过一种更加简单的方式预测出铁磁腔体外部磁场，且预测精度可以根据需要进行调控。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种获取铁磁腔体内外磁场转换矩阵的方法，包括：

3、建立与实际铁磁腔体尺寸相同的铁磁腔体模型，确定所述铁磁腔体模型内 n个测量点的位置，第 k个测量点的位置与所述实际铁磁腔体内第 k个三相磁通门传感器的位置相同， k=1,2,3,……, n， n为三相磁通门传感器的数量；

4、将所述铁磁腔体模型划分为 n个域，对所述铁磁腔体模型进行3 n次随机赋值与仿真操作，每次随机赋值与仿真操作得到大小均为1 ×3 n的磁化强度分布向量m、内部磁场分布向量b1和外部磁场分布向量b2，3 n个向量m组成满秩的3 n×3 n的磁化强度分布矩阵m、3 n个向量b1组成3 n×3 n内部磁场分布矩阵b1、3 n个向量b2组成3 n×3 n外部磁场分布矩阵b2；

5、根据关系式b1=ma1、b2=ma2，求得铁磁腔体内外磁场的转换矩阵a，a=a1-1a2，a1为内转换矩阵，a2为外转换矩阵；

6、其中，每一次随机赋值与仿真操作包括：

7、对 n个域的磁化强度分别进行随机赋值，赋值后形成向量m，向量m中第3 i-2、3 i-1、3 i个元素分别为第 i个域的磁化强度的 x、 y、 z分量；设置背景磁场为0，通过仿真获取当前赋值下的所述铁磁腔体模型的向量b1和向量b2，向量b1中第3 k-2、3 k-1、3 k个元素分别为第 k个测量点磁场的 x、 y、 z分量，向量b2中第3 j-2、3 j-1、3 j个元素分别为第 j个外部待测点磁场的 x、 y、 z分量，其中， i, j, k=1,2,3,……, n。

8、在其中一个实施例中，使用matlab调用comsol模型执行随机赋值、仿真操作，输出磁化强度分布矩阵m以及对应的内部磁场分布矩阵b1和外部磁场分布矩阵b2。

9、一种铁磁腔体外部磁场测量方法，包括：

10、将 n个三相磁通门传感器采集的磁化强度所构成的1 ×3 n的磁场分布向量b10代入公式b20=b10a+b0中，求得 n个外部待测点的磁场分布向量b20；

11、其中，a为经上述的方法确定的转换矩阵；

12、b0为背景磁场分布向量；向量b10中第3 k-2、3 k-1、3 k个元素分别为第 k个三相磁通门传感器所采集的磁化强度的 x、 y、 z分量，向量b20中第3 j-2、3 j-1、3 j个元素分别为第 j个外部待测点磁场的 x、 y、 z分量；在向量b0中，第3 j-2、3 j-1、3 j个元素分别为第 j个外部待测点背景磁场的 x、 y、 z分量，且每个外部待测点背景磁场相同，其中， i, j, k=1,2,3,……, n。

13、在其中一个实施例中，铁磁腔体外部磁场测量的精度与三相磁通门传感器的数量 n正相关， n越大，测量精度越高。

14、按照本发明的另一方面，提供了一种铁磁腔体外部磁场测量系统，包括：

15、接收单元，用于接收实际铁磁腔体内 n个三相磁通门传感器采集的磁化强度；

16、建模单元，用于建立与实际铁磁腔体尺寸相同的铁磁腔体模型，确定所述铁磁腔体模型内 n个测量点的位置，第 k个测量点的位置与所述实际铁磁腔体内第 k个三相磁通门传感器的位置相同， k=1,2,3,……, n， n为三相磁通门传感器的数量；

17、赋值与仿真单元，用于将所述铁磁腔体模型划分为 n个域，对 n个域的磁化强度分别进行随机赋值，赋值后形成1 ×3 n的磁化强度分布向量m，向量m中第3 i-2、3 i-1、3 i个元素分别为第 i个域的磁化强度的 x、 y、 z分量；设置背景磁场为0，通过仿真获取当前赋值下的所述铁磁腔体模型的1 ×3 n的内部磁场分布向量b1和1 ×3 n的外部磁场分布向量b2，向量b1中第3 k-2、3 k-1、3 k个元素分别为第 k个测量点磁场的 x、 y、 z分量，向量b2中第3 j-2、3 j-1、3 j个元素分别为第 j个外部待测点磁场的 x、 y、 z分量，其中， i, j, k=1,2,3,……, n。；

18、转换矩阵计算单元，用于根据关系式b1=ma1、b2=ma2，求得转换矩阵a，a=a1-1a2，a1为内转换矩阵，a2为外转换矩阵，m为3 n个向量m组成的满秩的3 n×3 n的磁化强度分布矩阵，b1为3 n个向量b1组成的3 n×3 n内部磁场分布矩阵，b2为3 n个向量b2组成3 n×3 n外部磁场分布矩阵；

19、外部磁场求解单元，用于将 n个三相磁通门传感器采集的磁化强度所构成的1 ×3 n的磁场分布向量b10代入公式b20=b10a+b0中，求得 n个外部待测点的磁场分布向量b20，其中，b0为背景磁场分布向量；向量b10中第3 k-2、3 k-1、3 k个元素分别为第 k个三相磁通门传感器所采集的磁化强度的 x、 y、 z分量，向量b20中第3 j-2、3 j-1、3 j个元素分别为第 j个外部待测点磁场的 x、 y、 z分量；在向量b0中，第3 j-2、3 j-1、3 j个元素分别为第 j个外部待测点背景磁场的 x、 y、 z分量，每个外部待测点背景磁场相同，其中， i, j, k=1,2,3,……, n。。

20、在其中一个实施例中，所述赋值与仿真单元用于使用matlab调用comsol模型执行随机赋值、仿真操作。

21、在其中一个实施例中，还包括：

22、 n个三相磁通门传感器，布置于所述实际铁磁腔体内，用于采集所处位置处的磁化强度；

23、数据集成器，用于将 n个所述三相磁通门传感器所采集的数据传输至所述接收单元。

24、按照本发明的另一方面，提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的方法的步骤。

25、按照本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法的步骤。

26、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。

27、第一、本发明计算量小，计算效率高：本发明将空间磁场按来源分为磁化磁场与外部磁场两类，其中，磁化磁场由铁磁腔体的磁化强度唯一确定，因此，本发明以磁化强度分布矩阵m作为桥梁，先随机赋值形成满秩的磁化强度分布矩阵m，通过仿真得到对应的铁磁腔体内部所有测量点处的内部磁场分布矩阵b1以及外部所有待测点处的外部磁场分布矩阵b2。基于获得的内部磁场分布矩阵b1、外部磁场分布矩阵b2和磁化强度分布矩阵m，便能够求出内部磁场分布矩阵b1与外部磁场分布矩阵b2之间的转换矩阵a。当外部待测点与内部测量点的相对位置关系不变时，在所确定的划分域下，两者之间的转换矩阵a是唯一不变的。因此，一旦确定转换矩阵a，在利用铁磁腔体内部的三相磁通门传感器采集内部各测量点处的磁化分布向量b10后，便能直接算出铁磁腔体外部的磁场分布向量b20。本发明通过简单换算得出转换矩阵并基于转换矩阵直接计算得出外部磁场，计算量小，计算效率高。

28、第二、本发明预测精度可调：本发明预测精度与三相磁通门传感器的数量有关，三相磁通门传感器的数量越多，预测精度越高，但是计算量也会有所增加，因此，可以根据实际情况调节三相磁通门传感器的数量，从而使预测精度符合要求。

29、此外，本发明不受铁磁腔体形状以及剩磁的影响，对于任何形状、剩磁分布的铁磁腔体，只要划分域确定，转换矩阵便唯一确定，故本方法不受铁磁腔体形状及剩磁的影响。

30、而且，本发明适用于力磁耦合工况，力磁耦合通过改变铁磁腔体磁化强度的方式改变空间磁场，在本发明中，这部分影响被归结在磁化磁场中，只要划分域不变，力磁耦合效应的影响便被隐含在了转换矩阵中，因此，本发明也适用于力磁耦合工况。