基于磁场积分法和Tikhonov正则化的船舶固定磁场重建与分解技术

船舶铁磁材料磁化历史的复杂性及其不可预知性使得船舶固定磁场计算一直是船舶磁隐身中的技术难题。针对船舶固定磁场重建与分解问题,提出了一种基于磁场积分法和Tikhonov正则化方法的铁磁物体固定磁场重建与分解新方法。首先通过测量得到了船舶下方空间若干场点处的磁场值,并以正问题形式计算得到了地磁场作用下船舶在测量场点处的感应磁场值;后基于测量场点处的磁场测量数据和所计算的感应磁场数据,建立船舶固定磁场反演计算模型,并采用Tikhonov正则化方法对反演模型进行求解,以克服反演模型病态性的影响。设计船舶固定磁场的计算实例,结果证明该方法具有较好地计算精度,能够有效实现船舶固定磁场的重建与分解。     

利用磁传感器阵列磁场差值的舰船磁场反演建模方法

为抑制地磁场变化、人工设施磁干扰等磁场环境噪声干扰的影响,提出一种利用磁传感器阵列磁场差值的舰船磁场反演建模方法。对于每个测量时刻分别给出磁传感器阵列中各个磁传感器间磁场差值的计算公式,采用三维舰船磁单极子阵列模型构建利用磁场差值进行舰船磁源反演的线性方程组,基于正则化技术求解得到舰船反演磁源模型。通过典型虚拟舰船磁场进行验证实验。结果表明：该建模方法能够消除相关性磁场环境噪声的干扰影响,实现在磁噪声环境中的舰船磁场高精度反演建模,验证了方法的有效性;使用新方法,不需要设置地磁参考传感器,相应设施的建设成本低、选址容易,为磁噪声环境中舰船磁场测量数据的高精度反演建模提供了新的技术选择。     

ー种舰艇磁隐身中磁场推算的新方法

推算舰艇下方空间磁场分布规律可为舰艇磁隐身技术的实施提供必要的理论依据。为有效解决舰艇传统磁场推算方法中存在的困难，从边界元理论出发，推导了基于等效面磁荷密度的磁场推算正演模型。为求解正演模型中面磁荷磁性参数，根据磁场测量数据建立了磁性参数反演模型。由于实际舰艇磁性检测中所得磁场信息的局部性，反演模型通常是病态不适定问题。为有效抑制实际磁性检测中测量误差对计算结果引起的干扰，应用Tikhonov正则化方法对其进行求解，提高了反演结果的稳定性。由反演模型和正演模型即可实施对舰艇磁场的推算。用数值算例和船模实验对磁场推算方法的有效性和实用性进行了检验。结果表明，基于等效面磁荷密度和Tikhonov正则化方法的磁场推算技木可有效进行舰艇磁场推算，具有较好的军事实用价值。     

ー种基于遗传算法的磁探头姿态角解算方法

在使用多个磁探头对海上舰船进行磁场测量的试验中，由于各个磁探头姿态角的存在，导致测量数据不在舰船实体坐标系内，无法直接用于舰船磁场建模。提出基于遗传算法的姿态角求解方法，仿真计算表明，该方法简易可行。     

舰船磁特征磁矩量法的图形处理单元加速计算研究

磁矩量法(MMM)非常适合用于舰船等铁磁目标的磁场特征建模,因为这种方法不需要对空气等非铁磁区域进行网格划分,然而这种方法需要存储和处理稠密的满阵,计算时间很长,矩阵存储需要非常大的存储空间。联合采用MMM和多层自适应交叉近似(MLACA)法虽然可以显著缩减内存需求和计算时间,但对于求解精细划分网格的问题,计算时间还是太长。将具有强大并行计算能力的图形处理单元(GPU)用于加速具有天然良好并行特性的MLACA法,并给出了相应的并行计算格式,实现了舰船磁特征MMM的大规模并行加速计算。典型算例结果表明,GPU并行计算的加速比超过120倍,对于精细划分为100 000薄壳单元的舰船壳体,其计算时间也仅有约4.3 min. 采用该方法的计算结果与商业有限元软件相比差别小于1%,为舰船磁场的大规模建模提供了一种快速、精确、简便的数值计算工具。     

一种改进型的GPS单频整周模糊度快速解算方法

针对高精度的快速定位中观测矩阵存在病态性问题,研究了单频GPS整周模糊度快速解算方法。依据Tikhonov正则化原理和奇异值分解(SVD)的扰动性质,设计了SVD分解的改进算法,避免了因较小奇异值发生较大抖动而使正则化矩阵出现不稳定的情况;在分析法矩阵病态性特点的基础上,设计了正则化矩阵的构造方法,并从理论上证明了其优越性。实验结果表明,与传统方法和Tikhonov正则化-LAMBDA法相比,新算法能更有效地改善法矩阵的病态性,只利用3～5个历元即能实现模糊度浮点解的快速解算及其固定,且结果可靠,浮点值更加接近真实值。     

舰船消磁绕组磁特征数值计算与验证研究

作为商业有限元电磁分析软件的替代,基于磁矩量法、多层自适应交叉近似法和GPU并行计算技术的舰船磁场分析软件MagShip已成功用于舰船磁特征仿真建模。但对舰载消磁线圈磁特征进行数值分析时,需要对临近舰载消磁线圈的船体结构精细划分网格单元。MagShip软件用于这种大规模磁场建模问题时,会存在计算结果不稳定或失真。为了解决这个问题,对MagShip软件进行了改进,使其适合用于舰载消磁线圈磁场特征建模,采取的改进措施包括：采用场单元上的耦合系数多点平均值作为相互临近单元的耦合系数;对临近消磁电缆的铁磁区域进行剖分单元加密;将消磁电缆作用在其临近单元上的磁化磁场多点平均值作为磁化磁场有效值。采用改进后的MagShip软件对于薄铁磁球壳内部和外部线圈、典型舰载消磁线圈等典型算例进行了磁特征建模分析,并与商业有限元软件COMSOL Multiphysics的计算结果进行了对比,发现二者差别约为1%. 表明所提方法是有效的,能够用于舰载消磁线圈磁特征建模仿真的实用化。     

舰船实时磁定位方法研究

实时利用舰船磁场通过曲线，以单一旋转椭球体磁场模型结构完成对运动舰船的磁场建模。利用遗传算法在线求解目标舰船的航速、位置，实现对目标舰船的实时定位。     

采用边界积分方程和Tikhonov正则化方法延拓潜艇磁场

为了解潜艇磁场的分布规律,以研究潜艇的磁隐身性能,利用边界积分方程建立了潜艇磁场延拓的数学模型。由磁场测量值确定模型参数时,考虑了模型参数的约束条件,并且为了有效抑制测量噪声对计算值的干扰,采用Tikhonov正则化方法求解模型参数。比较了3种正则化参数选取方法,分析表明广义交叉校验比较适合模型参数的确定。最后通过铁质船模实验验证了该方法的有效性,结果表明该方法精度较高,稳定性较好,有一定的工程实用价值。     

基于截断总体最小二乘算法的车载三轴磁力仪标定

以陆用车载磁导航为应用背景,提出一种正则化三轴磁力仪标定算法。由于车辆的机动受到限制,用于标定三轴磁力仪的观测方程是严重病态的。传统的三轴磁力仪标定方法缺乏对病态问题的处理,难以获得准确的标定参数。文中采用截断总体最小二乘（TTLS）技术对病态的磁力仪标定问题进行求解。该方法能够有效地抑制观测方程两端的误差,并且适合处理强病态问题。通过车载实验对该方法的有效性进行研究,结果表明文中提出的方法能够有效地减缓磁力仪标定中的病态影响,获得更为稳定的数值解,补偿后的平均航向角估计精度为1.5°,满足车载磁导航的精度要求。     

模拟舰船磁场的两轴磁体设计研究

为提升磁体模拟舰船磁场的相似性、提高舰船磁场模拟的效率，提出一种两轴磁体的设计方法。在同一个磁芯上同时绕制两种形式的线圈，并分别通入独立的电流，用以产生两个相互独立的垂直方向磁场，同时模拟舰船磁场的多个分量，从而模拟整个舰船磁场。按照现有约束条件确定两轴磁体的材料、尺寸、线圈绕组圈数等设计参数，并按10∶1的比例制作缩比磁体模型，对磁体模型的磁场进行实验室测量。测量结果表明，采用基于双绕组、单磁芯的两轴磁体可有效模拟舰船磁场的多方向特征。     

基于遗传算法的水面目标识别

目前,新式扫雷具能够精确地模拟舰船磁场信号,使得当前水雷仅依靠磁场时间波形信息,进行识别的难度加大。由于舰船磁场和扫雷具磁场的产生方式有很大区别,可以利用两者的差异,选取各方向磁矩作为特征量,建立相应的目标识别模型,提出一种新的抗扫方法。最后,采用遗传算法作为识别算法,对舰船和扫雷具信号进行识别,得到了满意的结果。     

用海面磁偶极子源定位海底矢量磁传感器

针对利用舰船磁场定位海底矢量传感器的方法中存在的不足,提出一种采用海面的通电线圈作为磁偶极子源来定位海底传感器位置的方法。该方法将载流线圈的磁感应强度用多个磁偶极子来等效,在综合水深测量值和磁感应强度矢量测量值的基础上将位置确定问题转换成以传感器位置为参变量的非线性无约束优化问题,并采用L-M算法求解了该问题的加权最小二乘解,实现了传感器定位。模型实验和仿真实验的结果表明:该方法能够实现海底矢量磁传感器的有效定位,且当风浪引起线圈平面与地磁坐标系的偏转角小于5°时,该方法仍然适用。     

海流作用下磁探头的偏移量计算及其外形结构优化设计

为了解决采用悬挂探头磁场测量法进行舰船磁场测量时磁探头受到海流作用产生的位置偏移对测量精度产生较大影响的难题,并考虑对磁探头的外形及结构进行优化设计问题,提出了一种海流作用下磁探头的偏移量计算及其外形结构优化设计方法.首先建立了悬挂探头磁场测量法的等效数学模型;然后根据流体力学方法计算出电缆以及不同外形的磁探头在海流中...     

浅水舰船地震波场的实验研究

根据声传播在浅海多次海底-海面反射的传播规律，以及海底切变波效应对浅海声传播的影响，分析了舰船地震波场的形成机理和理论传播模型，并通过对舰船地震波场的实验测量方法的讨论和具体实验数据的分析，研究了舰船地震波场的传播特性和频谱特性。     

基于调制线圈的陀螺旋转系统启动死区分析

从某型导弹陀螺旋转系统的旋转工作原理出发,分析了调制线圈的磁特性曲线,从理论上指出了陀螺转子存在启动死区的可能性,引入了磁钢磁场等效激磁电流当量的概念,并给出了解决该问题的途径。     

一种损耗媒质中舰船交变电场测量的新方法

提出了基于电磁感应原理的损耗媒质中舰船交变电场的测量方法,即利用感应线圈,通过测量损耗媒质中舰船产生的电磁波的磁场分量,根据电磁波的电场、磁场幅度的数量关系推算得到相应的电场分量;仿真计算了线圈自感、检测电路的等效接入电阻对线圈输出电压的影响及线圈的频率响应,结果表明合理设计线圈及输出电压提取电路,可获得比传统电极对高的测量灵敏度;在实验室中,利用感应线圈测量了海水中一对电极产生的交变电场,结果表明该方法是可行的。