Спосіб визначення місцезнаходження об’єкта

Реферат: Спосіб визначення місцезнаходження об'єкта заснований на тому, що об'єкт розташовують у магнітному полі; вибирають місцезнаходження точок спостереження в площині, яка не має точок перетину з об'єктом; реєструють значення вектора магнітної індукції та його просторових похідних першого та другого порядку в кожній з вибраних точок. В кожній точці спостереження розташовують одноканальний аксіальний градієнтометр другого порядку, причому напрямок осі градієнтометра співпадає з напрямком нормалі до площини вимірювань. За отриманими значеннями перших і других просторових похідних вектора магнітної індукції виділяють точки спостереження, які найбільш віддалені від об'єкта, і визначають напрямок з кожної виділеної точки на об'єкт. За значеннями вектора магнітної індукції визначають відстань від кожної виділеної точки до об'єкта; після чого за отриманими результатами визначають місце розташування об'єкта в просторі. UA 116119 U (12) UA 116119 U UA 116119 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Модель належить до області вимірювань перемінних магнітних величин і може бути використано для контролю за місцезнаходженням і переміщенням транспортних засобів, для пошуку феромагнітних тіл у Землі або в воді, для пошуку корисних копалин, під час проведення магнітокардіографічних і магнітоенцефалографіческіх досліджень. Відомий спосіб визначення місця розташування об'єкта, де в кожній точці спостереження розташовують 16 магнітометрів [Burghoff, M, Schnabel, A, Drung, D, Thiel, F, Knappe-Gruneberg, S, Hartwig, S, Kosch, O, Trahms, L, Koch, H, Discrimination of Multiple Sources Using a SQUID Vector Magnetometer, Neurology and Clinical Neurophysiology 2004, v.67, p. 1-3]. При цьому взаємне розташування і орієнтація в просторі магнітометрів реалізовані за спеціалізованої схемою таким чином, що в заданій точці простору реєструють значення вектора магнітної індукції і п'яти просторових похідних першого порядку цього вектора. Точками спостереження є 6 × 6 вузлів прямокутної решітки з кроком 40 мм по обидва напрямкам, які розташовані в площині над грудною кліткою пацієнта з прив'язкою до анатомічних орієнтирів пацієнта. При цьому передбачається, що є попередня інформація про місцезнаходження об'єкта, а для опису магнітного поля описаних джерел використовується дипольне наближення. Використання попередньої інформації про місцезнаходження об'єкта, а також ітераційного процесу порівняння результатів вимірювань з результатами обчислень магнітного поля дипольного джерела в точках розташування магнітометрів призводять до істотного зниження точності визначення місця розташування об'єкта, що є недоліком зазначеного способу. В описаному способі розташування в просторі датчиків магнітного поля фіксоване, а схема вимірювань в 36 точках прямокутної плоскої решітки реалізується за допомогою послідовних переміщень об'єкта. При цьому пацієнт розташовується на кушетці, яка переміщається в лабораторній системі координат (щодо датчиків магнітного поля) в площині. Алгоритм переміщень об'єкта реалізується за допомогою спеціалізованої електромеханічної системи, яка одночасно фіксує (визначає, задає) координати кожної точки спостереження. Крім того для визначення місця розташування точок вимірювання в системі координат, пов'язаної як з об'єктом так і з датчиками магнітного поля, використовуються спеціалізовані системи, наприклад, на основі референтних джерел магнітного поля [Спосіб визначення місцезнаходження об'єкта. Патент на корисну модель № 96206. Зареєстровано в Державному реєстрі патентів України на корисні моделі 26.01.2015]. Використання схеми "нерухомий датчик магнітного поля переміщається об'єкт" обумовлено значними погрішностями, які виникають при переміщенні датчика магнітного поля в просторі. Перш за все це сигнал, що виникає при переміщенні датчика в геомагнітному полі (магнітне поле Землі) - по відношенню до об'єкта досліджень це шумовий сигнал. Далі - вплив магнітних полів індустріального походження (мережеві гармоніки, сигнали від металевих об'єктів, що переміщаються поблизу від точки спостереження, сигнали від близько розташованої електронної апаратури і т.д.). Зазначені сигнали реєструються і при фіксованому положенні датчика магнітного поля, однак при переміщенні вимірювача ці сигнали значно посилюються зважаючи на істотну неоднорідність по простору (магнітне поле зазначених джерел істотно неоднорідне по простору - змінюється від точки до точки вимірювань). Таким чином кероване зміна місця розташування об'єкта в просторі за заданим алгоритмом є суттєвою операцією описаного способу. В результаті описаний спосіб не може бути використаний для визначення місця розташування об'єкта, який розташований в Землі або під водою. Як прототип (найбільш близький до способу, що заявляється) вибраний спосіб визначення місця розташування об'єкта [WO Patent 2008/154679 А1, METHOD AND APPARATUS FOR DETECTION USING MAGNETIC GRADIENT TENSOR, G 01 V 3/08, G 01 R 33/02, Date of Patent: June 18, 2007]. Об'єкт розташований в магнітному полі Землі. Об'єкт має феромагнітні властивості і створює магнітне поле в точках спостереження, які розташовані в площині. При цьому площина вимірів не має точок перетину з об'єктом. У кожній точці спостереження магнітне поле реєструють за допомогою векторного магнітометра і п'яти градієнтометрів першого порядку. Після чого визначають значення вектора магнітної індукції і його перших просторових похідних у вузлах прямокутної рівномірної решітки в площині вимірювань. При цьому крок решітки і її місце розташування в площині вибирають виходячи з попередньої інформації про місцезнаходження об'єкта. Для кожного вузла плоскої прямокутної решітки за значеннями перших просторових похідних вектора магнітної індукції визначають напрямок на об'єкт. Після чого за значеннями вектора магнітної індукції в тій же точці визначають відстань до об'єкта. Крім того в кожному вузлі плоскою решітки визначають значення просторових інваріантів першого, другого і третього порядків. За розподілом зазначених інваріантів в площині вимірювань також визначають місце розташування об'єкта. 1 UA 116119 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Таким чином спосіб-прототип передбачає, що в кожній точці спостереження розташовані одночасно векторний магнітометр і п'ять градієнтометрів першого порядку. Це пов'язано з властивостями однорідності магнітного поля - якщо точка спостереження розташована в немагнітному безпровідному однорідному середовищі (в повітрі), то для вектора магнітної індукції справедливі однорідні рівняння Максвелла rot B=0, div B=0 (1) Звідси випливає, що матриця перших просторових похідних вектора магнітної індукції  B x B x B x    y z   x  B y B y B y  D1    (2) y z   x  Bz Bz Bz   x y z    симетрична і не має сліду. Таким чином з дев'яти елементів зазначеної матриці незалежними являються тільки п'ять, наприклад Вх/у, Вх/z, By/у, Ву/z, Bz/z. Виходячи з цього в кожній точці спостереження розташовують векторний магнітометр і п'ять градієнтометрів першого порядку, що дає повний набір інформації про магнітне поле об'єкта. Однак реалізація описаної послідовності операцій способу-прототипу має істотні обмеження на точність і надійність визначення місцезнаходження об'єкта. Використання п'яти градієнтометрів для вимірювання магнітного поля в різних точках площини вимірів призводить до істотного зниження точності визначення місця розташування об'єкта. У способі-прототипі для реєстрації магнітного поля використовуються вузли нерегулярної плоскої решітки. При цьому розміри області спостереження набагато перевищують розміри об'єкта. Позначимо результати N вимірювань як ψ1, ψ2,…, ψN і припустимо, що точка спостереження розташована в немагнітному, безпровідному однорідному просторі, наприклад в повітрі. Тоді з однорідних рівнянь Максвелла (1) випливає, що силові лінії магнітного поля замкнені: інтеграл вектора магнітної індукції в довільній площині простору поза об'ємом об'єкта дорівнює нулю. У тому числі розподіл однієї складової вектора магнітної індукції для магнітного диполя являє собою дві області з позитивними і негативними значеннями. Для сталого вирішення поставленого завдання і заданого рівня точності визначення координат об'єкту розміри області спостереження вибирають таким чином, щоб для результатів вимірювань виконувалася умова ψ10 …. Щодо способу-прототипу це означає, що датчики магнітного поля (градієнтометри і векторний магнітометр) переміщують в площині вимірювань, по обох напрямках. При реалізації переміщень в просторі орієнтація осей градієнтометра відносно лабораторної системи координат змінюється як відповідно до алгоритму переміщень (в тому числі і на 90 або на 180 градусів), так і поза контролем (за рахунок механічних впливів, умови місця проведення вимірювань - наявності ям, пагорбів, рітвін і т.д.). При цьому виникають систематичні похибки. Дослідження показали, що похибка вимірювань магнітного поля за допомогою градієнтометра, напрямок осі якого паралельно площині вимірювань і який переміщується в просторі в двох взаємоортогональних напрямках, в більшості випадків становить не менше 25 %, а в окремих випадках може досягати 100 % [Gamey, TJ, 2008, Development and evaluation of an airborne superconducting quantum interference device-based magnetic gradiometer tensor system for detection, characterization and mapping of unexploded ordnance: SERDP Project MM-1316]. На мал. 1 наведені результати вимірювань магнітного поля об'єкта за допомогою трьох магнітометрів, які розташовані в одній точці простору і мають однаковий напрямок осі реєструється х-ая складова вектора магнітної індукції [Gamey, TJ, 2008, Development and evaluation of an airborne superconducting quantum interference device-based magnetic gradiometer tensor system for detection, characterization and mapping of unexploded ordnance: SERDP Project MM-1316]. У вигляді графіків показані синхронні результати вимірювань вихідного сигналу магнітометрів при переміщенні точки вимірювань по колу в площині XOY. Наведені результати дозволяють в явному вигляді оцінити систематичні похибки - по одному з каналів значення магнітного поля змінюється на протилежне (похибка більше 100 %). В результаті для способу-прототипу отримуємо, що точність визначення координат об'єкту визначається систематичною похибкою вимірювань магнітного поля, яка пов'язана зі зміною (порушенням) ортогональності градієнтометру і становить понад 25 %. Крім того рівень систематичних похибок при реєстрації як вектора магнітної індукції, так і п'яти перших просторових похідних вектора магнітної індукції визначається як власними шумами датчиків, так і геомагнітних полем і індустріальними перешкодами. Ортогональность 2 UA 116119 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 осей градієнтометру, відмінності процедур балансування в однорідному магнітному полі також призводять до суттєвого зростання систематичних похибок (в порівнянні з результатами вимірювань векторного магнитометра). Вплив похибок градієнтометричних вимірювань магнітного поля, пов'язаних з балансуванням градієнтометра в однорідному магнітному полі, на точність рішення задачі локалізації об'єкта добре відомо, значення похибки визначення координат об'єкта може становити до 10 %. Разом з тим використання п'яти градієнтометрів для вимірювання магнітного поля призводить до істотного зниження надійності оскільки для визначення координат об'єкту в способі-прототипі використовуються одночасно всі незалежні просторові похідні вектора магнітної індукції. Таким чином вихід з ладу (відмова, втрата працездатності, зміна робочої точки чутливого елемента) навіть одного градієнтометра призводить до неможливості визначити місце розташування об'єкта. В основу моделі поставлена технічна задача підвищити точність та надійність визначення місцезнаходження об'єкта. Поставлена технічна задача вирішується тим, що в способі визначення місцезнаходження об'єкта об'єкт розташовують в магнітному полі; вибирають місце розташування точок спостереження в площині, яка не має точок перетину з об'єктом; реєструють значення вектора магнітної індукції і його просторових похідних першого і другого порядку в кожній вибраній точці; відповідно до моделі в кожній точці спостереження розташовують одноканальний аксіальний градієнтометр другого порядку; напрямок осі градієнтометра збігається з напрямком нормалі до площини вимірів; за отриманими значеннями перших і других просторових похідних вектора магнітної індукції виділяють точки спостереження, які найбільш віддалені від об'єкта, і визначають напрямок з кожної виділеної точки на об'єкт, а потім за значеннями вектора магнітної індукції визначають відстань від кожної виділеної точки до об'єкта, після чого по отриманим результатам визначають місцезнаходження об'єкта в просторі. Реєстрація магнітного поля одноканальним аксіальним градієнтометром другого порядку в площині вимірювань дозволяє визначити значення вихідного сигналу градієнтометра ψ в заданих точках зазначеній площині, наприклад в N х N вузлах прямокутної рівномірної плоскою решітки з заданим кроком. Ця операція реалізується за допомогою процедур двовимірної інтерполяції і гладкого заповнення даних (Примин М.А., Недайвода И.В. Алгоритм интерполяции магнитометрических данных при исследовании магнитного поля сердца человека, УСиМ, 2006, № 3, стр. 22-31). За отриманими значеннями в кожному із зазначених вузлів прямокутної рівномірної решітки визначають значення вектора магнітного індукції і його перших і просторових похідних. А саме: (1) в хвильової площини (kх, kу, 0) виділяють N х N вузлів прямокутної рівномірної плоскої решітки з заданим кроком; (2) реалізують пряме подвійне просторове перетворення Фур'є - в кожному із зазначених вузлів хвильової площини визначають значення Фур'є-образу вихідного сигналу градієнтометра F [ψ] (3) за значеннями Фур'є-образу вихідного сигналу градієнтометра і відомої (заданої) конструкції трансформатора магнітного потоку градієнтометра визначають значення фур'єобразу z-ой складової вектора магнітної індукції F[Bz]=Р[Ψ]/(1-ехр(-L*k)) (2а) F[Bz]=F[Ψ]/(1-2*exp(2L*k)+exp(-2*L*k)), (2б) (4) за отриманими значеннями визначають значення фур'є-образів складових вектора магнітної індукції і його перших просторових похідних F[Bx]=-i*kx*F[Bz]/k, F[By]=-i*ky*F[Bz]/k, F[Вх/у]=kx*ky*F[Bz]/k, F[By/y]=ky*ky*F[Bz]/k, (2в) F[Bz/x]=-i*kx*F[Bz], F[Bz/y]=-i*ky*F[Bz], F[Bz/z]=-k*F[Bz] (5) реалізують зворотне подвійне просторове перетворення Фур'є - в кожному із зазначених вузлів в площині вимірювань визначають значення вектора магнітної індукції і його перших просторових похідних. Для того, щоб оцінити похибки реєстрації перших просторових похідних вектора магнітної індукції розглянемо наступну модельну задачу. Припустимо, що об'єкт має сферичну форму, радіусом 50 м і розташований на відстані (глибині) 100 м від площини вимірів. Просторова конфігурація об'єкта у вигляді схеми показана на мал. 2. Об'єкт розташований в магнітному полі Землі, вектор магнітної індукції якого спрямований уздовж осі OZ - нормалі до площини вимірів. Область спостереження має розмір 1000 м по обох напрямках. Така просторова конфігурація відповідає умовам пошуку намагнічених тіл в Землі. У кожній з 31 × 31 точок спостереження 3 UA 116119 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 (вузлів рівномірної прямокутної решітки) обчислювалося значення вихідного сигналу градієнтометра з наступними значеннями конструктивних параметрів - радіус прийомних котушок 25 мм, "база" градієнтометра 35 мм. Отримані значення вихідного сигналу градієнтометр першого і другого порядку показані у вигляді магнітної карти в режимі заповнення кольором проміжків між ізолініями сигналу на мал. 2. За значеннями вихідного сигналу градієнтометра була реалізована процедура визначення значень вектора магнітної індукції і його перших просторових похідних в точках спостереження. Просторовий розподіл перших просторових похідних вектора магнітної індукції у вигляді магнітних карт показано на мал. 2 для градієнтометрів першого і другого порядку. Таким чином наведений модельний приклад показує, що пропонований спосіб дозволяє визначити значення вектора магнітної індукції і його перших просторових похідних для довільного об'єкта із заданим рівнем точності (в даному прикладі сумарне значення похибки визначення параметрів магнітного поля не перевищує 2 %). Отримані значення перших просторових похідних вектора магнітної індукції використовуються для виділення точок площини вимірювання, які найбільш віддалені від об'єкта. Для цього в кожній точці спостереження визначають значення просторового градієнта магнітного поля g  B z / x 2  B z / y 2 (3) За отриманими значеннями визначають максимальне значення g max просторового градієнта g по всіх точках спостереження. Після чого виділяють точки спостереження, де виконується умова g