差分梯度测量磁力计、系统及其使用方法

专利名称：差分梯度测量磁力计、系统及其使用方法
技术领域：
本发明的实施方式涉及用于通过感测磁场中断来定位期望物体的装置和系统以及使用该装置的方法。
背景技术：
使用磁力测定搜寻和发现物品具有很长的历史，特别是在物品埋藏于地下或者淹没于水下的情况下。通过磁力测定来调查的项目类型众多且各不相同，诸如作为示例但无疑并非限定的未爆弹药(UXO)、地雷和水雷、潜水艇、简易爆炸装置(IED)、考古领域的物品、与石油或矿物勘探有关的地球物理学特征等等。搜寻、检测和定位物体必定需要对某些探区的勘测。传统的磁力计和磁力计系统通过如下方式来实现这种勘测，即，随着仪器和/或传感器沿着多条路径(通常是形成蛇形线的一系列平行线)移动来采样磁场测量。 这些采样数据在时域中、连续地、逐个数据点地被记入日志或以其他方式记录。在某些情况下，仪器或传感器的地点或位置被与采样数据点相关地进行记录，并且随后用于制作勘测图，即，空间域中的有用信息。因此，传统的系统收集大量的数据集合，其需要计算机软件操作以将时域数据变换为空间域中的有意义信息，即，勘测图或坐标网格上的物体的位置。这总是成立的，不论例如标量、矢量、梯度或者梯度率变化通量密度等被测磁场参数如何，也无论磁力计使用的磁场传感器如何，该磁力计例如，一轴、二轴或三轴矢量类型通量门，磁性二极管，霍尔效应，磁阻的、磁感应的或旋转穿隧接面(spin tunnel junction)装置，和/或由所谓的总磁场传感器使用的磁场传感器，该总磁场传感器诸如质子铯(proton cesium)或质子进动(Overhauser)装置。

发明内容
在磁力测定领域，术语“磁力计”经常被可交换地用于表示整个系统或者单个磁场感测装置。在指代单个装置时，术语“磁力计”通常为标量装置(总磁场)保留。然而，在研究文献和产品手册中存在反例。术语“传感器”被排他地用于有关单个磁场感应装置，通常是矢量类型传感器。在本公开中，术语“磁力计”和“传感器”可互换地用于表示矢量或标量装置。在本公开中，术语“磁力计”还用于表示完整的系统。检测阵列架构和特定的数字信号处理技术代表DGM仪器的关键。该阵列是排布成线性几何图案的多个个体磁性传感器或者完整的磁力计的网络。例如，该阵列可以包括装配在简单的碳纤维管中的一系列均勻分隔的传感器。阵列长度的实际上限和下限非常宽泛，从微米规模到千米规模的范围。在一个实施方式中，DGM阵列所需要的个体传感器的最小数目是3个。然而，上限仅仅受到工程考虑的限制。例如，1千米长的阵列可以使用1000 个1米间隔的均勻分隔的传感器。在阵列中可以使用任何类型或种类的磁性传感器或计量器，上述类型或种类适合于应用或任务。在阵列中使用的传感器或计量器的解析度可以是适合于磁力测定目标的任何值。本发明的实施方式教导了一种设计和方法，由此当DGM阵列在物体之上、之下或旁边移动时，在空间域中直接收集磁场信息。具有此能力是由于该阵列是多个磁场传感器的线性排布，其横跨磁场异常的两侧并且穿过它，由此同时测量背景地磁场以及围绕物体的感应磁场。围绕与应用的磁场相互作用的物体的感应磁场的大小可以由对其进行测量的仪器的解析度限定，或者由某些信噪比限制限定。DGM阵列长度可被设计为涵盖围绕大多数通常受磁力测定影响的物体的感应磁场。例如，具有1 ηΤ(1豪微特斯拉(nanotesla)= 10_9特斯拉(tesla)，通量密度单位)的解析度的3米长的阵列可以包围围绕手枪大小的任何物体的感应磁场。以0. 5 ηΤ的解析度运作的6米长的阵列将足够用于任何地雷。取决于本地磁场状况，数字信号处理算法选择阵列中的一个传感器作为参照。从其余传感器的输出减去此参照传感器的输出，从而生成沿着阵列的长度规律分布的一系列差分测量。所有差分测量都在相同的时间点进行。由于感应磁场异常的物理特性对所有上述磁场都是公知的并且常见的，因此有关磁场异常的形状、幅值和梯度的信息可以与阵列中的传感器的位置进行相关。这提供了一种向操作者实时呈现信息的途径，因为数据是在一个时间点在空间域中被直接收集的。以这种方法收集信息转化为低计算需求。这里不像传统的系统那样需要计算机软件数据重建。除了由DGM阵列中的磁力计进行的差分测量之外，还可以提取磁场梯度数据。由于沿着该阵列的每个传感器之间的距离都是固定的并且是已知的，因此可以确定在跨磁场异常的椭球体的整个横截面的相关点处分布的磁场梯度信息。当提取梯度信息时，测量每个传感器输出与其最接近的邻居之间的差值。将这些标量幅值除以每个传感器之间的固定距离，从而提取同样分布在沿阵列长度的相关位置处的矢量梯度数据。这种设计与用于输出数据处理的双模技术相结合，支持阵列同时以差分和梯度模式运作。同时具有关于围绕物体的感应磁场的标量差分和矢量梯度信息，这允许计算关于物体在χ-y水平面或图平面以及沿着ζ轴或垂直轴的位置的解，从而在三维空间中对其进行定位。每当阵列进行采样测量时，在矢量(包括方向和幅值信息二者的数据)中捕捉物体的感应磁场的完整横截面图。因此，当阵列在被检查物体的之上、之下或旁边移动时，一系列连续的横截面图在移动方向上以规律间隔跨越磁场异常而被收集。继而对这些横截面切片进行编译，以揭示物体的完整三维磁场轮廓。因此，物体可以随着测量的进行而被检测、定位和绘图，而不是像传统系统一样在某个后来的时间或日期。关于对勘测区域进行绘图，在传统系统和本发明的实施方式之间存在很多重要的区别。即使在收集流数据的同时对其进行记录并将其与仪器位置相关，传统的系统也不能实时生成有意义的勘测图。无论是测量标量、矢量、总磁场、梯度还是比率变化梯度信息，都是在沿着搜寻路线或路径、针对所记录或绘图的每个数据点的空间中的一个点处完成。取决于仪器的采样率和搜寻速度，随着收集流化数据对其进行绘图，产生出沿着特定的搜寻线以有规律的距离间隔的一系列数据点。围绕与所应用的感应磁场相互作用的物体的感应磁场具有物理大小、形状以及方向。由于搜寻线可以在与物体有关的任何位置横切该磁场， 即，穿过一个边缘、越过中部，等等，因此在对来自足够围绕全部磁场的许多搜寻线的数据进行编译之前，无法得知磁场大小、形状以及方向的完整图片。只有在此后才能确定物体的位置。在实时记录数据与实际上实时定位和绘制物体之间存在重要的区别。由于本发明的实施方式可以捕捉感应的磁场的完全的截面轮廓，随着移动发生，对全部磁场轮廓进行绘图，对磁场大小、形状以及方向进行成像，以及实时对物体进行定位和绘图。进一步，传统的系统制作二维勘测图。这些图在最初被生成的时候仅仅包含X-y 水平面或投影图平面的位置信息。如果在图生成中没有获得或者包括检测距离或深度信息，则勘测图包含位置偏移误差。偏移是所观察到的物体的感应磁场的最大幅值与物体的质量的磁中心的实际位置之间的水平距离。这一观察到的最大幅值(代表极值)在物体的任何一侧的偶极磁场轴的交叉处出现，与地磁场矢量同轴，其中物体总是以距磁力计的某个距离沿着该轴。由于该轴线以某个对应于地磁场矢量倾斜角的角度倾斜，因而该物体并非直接位于极值之下。当在磁极(地磁场矢量为90°上下时)以及沿着地磁赤道(地磁场矢量为0°北)时，偏移仅仅为零。对于地球上全部其他位置，偏移距离是地磁场矢量的倾斜角以及磁力计与物体之间的距离的三角函数。对于较大检测距离(诸如被很深地埋藏或淹没在水下的物体)，以及中部地理纬度(地磁场矢量为接近45° )，偏移距离可以是正在被检查的物体的直径的数倍。在由传统的系统生成二维勘测图的情况下，物体实际上位于由磁场轮廓极值指示的位置的北部或者南部。并非磁力测定领域技术人员的人可能不知道这种几何学，在这种情况下，偏移误差可能证明重要的事项，例如解释低劣的勘测图。相反地，本发明的实施方式包括一个阵列，其能够同时在差分以及梯度模式操作。这支持系统对物体的感应磁场的连续的截面轮廓以及检测距离进行测量，即，收集三维数据集合。由于地磁场矢量的倾斜角是已知的，简单的三角学计算可以对偏移距离进行求解，并且物体可以正确地位于勘测图上。因此，不用考虑仪器的地理位置，DGM系统的偏移误差总是零。线性几何架构以及阵列中多个传感器的使用支持DGM进行差分磁场测量。尽管事实上传统的梯度测量磁力计(有时称为梯度计)通过将一个仪表的输出从其同伴中减去来进行差分磁场测量，在这种技术和本发明的实施方式的差分测量技术之间存在重要的区别。凭借数字信号处理算法，从DGM阵列中除一个磁场传感器以外的其余传感器的输出中减去该一个磁场传感器的输出。不同于传统的梯度计所进行的矢量测量，这些测量值是标量幅值。进一步，由于在阵列的长度上获得了多个这些差分标量磁场测量值，并且由于它们与阵列中的传感器的物理位置是相关的，因此在空间域中直接捕捉了物体的感应磁场的完整而连续的横截面标量轮廓。这不同于在时域中从物体的感应磁场的单个点收集信息的传统磁力计。在本发明的实施方式的梯度测量技术与传统的磁力计之间存在相同的区别。取代与阵列的差分测量一样使用来自阵列中的单个传感器的输出信号作为参考运算数的是，第二数字信号处理算法将每个传感器的输出从其在阵列中最接近邻居的输出中减去，继而用这个标量幅值除以每个传感器之间的固定距离，从而提取沿着阵列分布的并且与阵列中的传感器的位置相关的多个梯度矢量数据。这些矢量数据构成物体的感应磁场的连续截面梯度轮廓，在空间域中实时捕捉轮廓。这不同于在时域中从物体的感应磁场的单个点收集类似信息的传统磁力计。地球的磁场是动态的且多样的。它的幅值和方向二者在从微秒到千年的范围内在时间上发生变化，并且在从米到半球比例的范围(地磁的以及非周期的不连续)内在空间上发生变化。当磁场的周期可以与仪器样本速率比较时，以及当磁场的幅值等于或者超
6过仪器解析度时，时间变化代表对勘测、监视以及检查磁力测定的源噪声。对于传统的磁力计，这个源噪声或背景噪声在信噪比和有效仪器解析度之间的关系起到负面作用。如果磁力计的测量解析度为1 ηΤ，并且地球的磁场在接近或少于仪器采样率的时期期间上以 +/-3 ηT变化，在噪声中可能会丢失1 JlT的信号，并且物体可能不会被检测到。传统的系统通常使用不同的数字信号处理和/或软件数据操作技术作为缓解源噪声的方法。尽管这些不同的电路和软件技术在缓解源噪声中是有效的，但它们不能完全消除源噪声，也不能在以任何给定的采样率与仪器的解析度相关时使信号与源噪声的比率接近统一。此外，这些源噪声缓解/管理技术需要附加于磁力计系统硬件/软件自身的电路、固件和/或软件。 在很多情况下，由于为了区域勘测针对便携式操作需要解决很多重要问题，这可能会很复杂并且消耗电力。要求校准的和/或极度精确的磁场测量的传统的磁力计或传感器加重了这一问题。事实上，在周围的地磁场和由物体生成的偶极磁场异常之间的差值中包含了检测以及位置信息。在对物体进行检测、定位或绘图中不需要校准的测量。如前所述，创新的信号处理技术支持阵列中的任何一个传感器充当关于地球磁场的参照。将这一个传感器的输出从阵列中其余传感器的输出中减去，由此提供相对于地球磁场的物体的截面磁场轮廓的差分测量。由于阵列中的所有传感器一致地在相同的时间、以相同的输出幅值对本地磁场中的变化做出响应，因此在利用差分测量的情况下，信噪比的问题被预占为接近统一，并且DGM阵列实际上在任何仪器解析度或采样率都不受源噪声的影响。此外，这种相同的技术支持DGM阵列不受来自电磁能的干扰，该干扰诸如来自人造或自然来源(例如，太阳黑子或电晕放电)的射频辐射。由于本发明的实施方式为了对物体的位置进行检测、定位或绘图而无需校准的磁场测量，因此完全不需要仪器校准。这种特征极大地降低了传统的系统中的电路和软件复杂性、操作需求以及维护。在磁力计是固定的并且感兴趣的物体相对于该磁力计移出或者移入磁力计的邻域的情况下，本发明的实时方式提供了某些附加的优点。从等位磁通密度磁场线(用于描述围绕物体的感应磁场的特征的有用的构造)方面来说，磁场的形状是椭球体，该椭球体的长轴与地球的总磁场矢量(或者与人类应用的磁场的总磁场矢量)平行并且同轴。在这种情况下，传统的系统仅仅能够沿着横切磁场轮廓的单个线，当其经过磁传感器时，收集标量、矢量或梯度信息。因此，传统的系统逐个数据点地按照仪器的采样率以及经过物体的相对速度在时域中收集信息。可以设置DGM阵列的大小，以横切物体的整个场轮廓，完全延伸穿过并且超出任何一侧。例如，以0. 5 IiT的解析度运行的6米长的阵列包围围绕任何手提式的或者隐藏的武器(包括所称的自杀炸弹背心)的感应磁场。因此不同于传统系统的是，随着物体经过DGM阵列，DGM通过构成横截面的连续平面而不是构成线的单个线来收集场信息。这意味着本发明的实施方式直接在空间域中收集形式上为连续横截面片的磁场信息。由于这些数据被实时地在空间上加以区分，并且沿着阵列长度与磁传感器或仪表的已知位置相关，因此可以实时地对横截面片进行编译，从而随着物体移动靠近或经过阵列而生成该物体的磁场轮廓的完整三维图像。在这种情况下，目的并不是生成勘测图而是生成三维图像，对于本发明的实施方式而言，该三维图像可以通过显示器被呈现给操作者，并且附带有关于物体自身的附加信息，诸如表观质量、范围、磁距以及磁场方向。本发明的实施方式有助于对汽车或行人交通或其他感兴趣的物体进行感测、追踪以及成像。例如，如果DGM阵列埋在行人阻塞点下或悬挂在行人阻塞点上，可以针对隐藏的武器(诸如，手枪、手榴弹，自杀炸弹背心等)而对在阵列之上或之下行走的人进行监视。在工业应用的情况下， 可以为了以下目的检测移动物体(例如，机器零件)过程分级、计时、计数或以其他方式检查缺陷和正确尺寸(质量)等。本发明的实施方式关于空间解析度和采样率之间的关系提供了优于传统系统的某些其他优点。空间解析度表示沿着任何方向轴(即，在χ-y水平面或图投影平面，和/或代表垂直距离或深度的ζ轴)定位的、仪器可以确定的最小距离。空间解析度还表示可以分辨的距离很近的两个物体的最小距离。例如，如果磁力计的空间解析度是1米，那么可以在直径为1米的圆形区域内(代表50厘米的最大位置误差，S卩，在物体的任何一边上的两个数据点间的一半)对物体的磁质量的中心进行定位。采样率指在给定时期期间进行的磁场测量或其他测量的数量，通常表示为采样/秒(S/秒)或者有时表示为频率(Hz)，二者具有相同的意义并且数值上相等。由于传统的系统在时域中收集信息，空间解析度是采样率和仪器与被检查的物体之间的相对速度的函数。例如，如果仪器的采样率是IS/秒，并且它的相对速度是1米/秒，它的有效空间解析度将是1米。当对物体进行检测的两个数据点碰巧在物体的任何一侧下降了相等的距离时，1米的有效空间解析度转化为50厘米的最大位置误差。在缺少检测距离和表观磁质量信息的情况下，无法对这些数据进行插值以作为求解更精细位置的一种途径。在缺少这些测量的情况下，无法得知空间比率变化或磁场轮廓的斜率。例如，非常接近磁力计的小物体呈现具有非常陡的幅值对距离斜率的磁场轮廓， 即，具有锐利的或尖的形状的幅值轮廓。较大的物体或位于较大距离的相同物体呈现具有更加平缓的幅值对距离斜率的磁场轮廓，即，具有钝的或者平坦的形状的轮廓。由于在缺少检测距离和表观质量信息时不可能得知这个斜率，因此没有用于插值的数学基础。这个位置误差由于偏移误差而被加剧。在偏移误差接近零的较高和较低地理纬度，空间解析度误差接近如采样率和相对速度方面接近统一。然而，在中间纬度处，它可能会变成总的位置误差的重要部分。与之相反，本发明的实施方式的空间解析度并不是采样率和速度的函数，并且事实上完全独立于它们。由于本发明的实施方式中的阵列在空间域中直接测量和收集信息，因此其空间解析度由阵列中的仪表或者传感器之间的物理距离来确定。为了收集有意义的矢量斜度数据，DGM阵列中的传感器被相互间相等地分隔开。例如，具有13个传感器的6米长的阵列，每个传感器之间(12个间隔)的间距为50厘米，得到25厘米的空间解析度。由于当阵列测量这些12个矢量斜度时同时测量检测距离以及表观磁质量，因此可以对围绕物体的感应磁场的幅值/距离斜度进行量化，从而提供用于插值所必须的数学变量。 此外，不论勘测的地理位置如何，针对DGM阵列的偏移误差总是零。这些特征代表了在勘测磁力测定领域中在位置误差中超越传统的系统的重要改进。本发明的实施方式提供了超越传统的系统的一个优点，因为它与来自并非所搜索、测试或检查主体的附近固定物体的干扰有关。如果围绕固定物体的感应磁场的幅值大于接近邻域内的磁力计的解析度，该磁场可能会干扰仪器的操作、测量精确度或者校准。本上下文中的“固定”意指干扰物体和仪器之间的相对速度为零，例如被附着了磁力计的地面或空中的交通工具。同时发生的磁场矢量相加，因此取决于在何处进行测量，围绕物体的感应磁场可以多于或少于施加的磁场的幅值。接近邻域内的传统磁力计测量干扰磁场和施加的磁场的矢量和，其所得到的值代表测量误差。如果对矢量测量进行采样，则误差包括幅值和方向二者。这种类型的误差在非常接近大型金属物体(诸如船引擎)的普通罗盘的偏差中很明显。传统磁力计可以针对这种类型的误差采用应对措施，诸如可调整的或程序化的偏移、磁屏蔽、象限球(弗兰德球或条)或者现场校准。这些技术具有操作上的缺点，包括附加的重量、增加的电路和/或软件复杂性，增加的操作复杂性，以及在现场校准的情况下，附加的磁力计充当被用作磁场参照的所谓基站。本发明的实施方式能够通过被称为标准化的技术的方法来消除这种类型的干扰。与传统的系统不同，差分仪器(诸如DGM阵列) 固有地适合于管理静态的或非时变的干扰。由于阵列通过分布式差分测量方法从物体的感应磁场提取信息，因此提供信息的是任何传感器的基态的变化，而不是其输出的绝对幅值。 因此，阵列中的任何稳定的非时变输出均可被注册为其基态，而无需考虑它的输出值。一旦沿着阵列的每个传感器的基态被注册，每个传感器的输出都被认为是零，而无需考虑它的最初输出幅值。这就是传感器输出标准化。在这个过程之后，传感器输出中的任何变化代表本地磁场中的变化，其在搜索、监视或检查操作期间必定是感兴趣的物体。这个特征代表了超越传统系统的重要改进。本发明的实施方式涉及检测、测量和表征围绕与地球磁场或者人工施加的磁场相互作用的物体的感应磁场。在与地球磁场相互作用的情况下，本发明的实施方式还涉及测量物体本身的某些性质，诸如表观磁质量，其为与施加磁场、磁矩以及相对于某些参照点或者基本方向的方向相互作用的部分物体的质量。在与人工施加的人造磁场相互作用的情况下，本发明的实施方式还涉及检测并且测量正在被测试或检查的某些物体的表面或者内部的裂缝、缺陷或其他中断。在与地球或人造磁场相互作用的任何一种情况下，本发明的实施方式进一步涉及相对于差分梯度测量磁力计(DGM)检测阵列和/或相对于格网、图或GPS 参照而在三维空间中定位物体。所述实施方式包括测量检测阵列与感兴趣的物体或被检查的物体之间的距离(点到点的检测距离)。在某些情况下，当物体位于地下或淹没在水下时，这转化为深度测量。在其他情况下，它可以转化为目标范围。本发明的实施方式包括独特的特征，其包括但不限于磁场感测阵列的架构，在阵列中使用多个磁场传感器或者磁力计，阵列的物理长度以及用于支持阵列同时以差分和梯度模式二者进行操作的阵列的信号处理的双模技术。其他独特特征在于一种途径，用于在空间域中直接捕捉差分和梯度磁场数据，从而提取定位和绘图所需要的三维信息，以及关于物体自身的信息，诸如表观质量和磁矩。由于在空间域中直接捕捉信息，因此可以实时地对这些数据进行显示、存储/记录以及绘图。又一特性在于一种途径，用于将时间变量源噪声消除到接近零，从而使得针对任何给定解析度和采样率的信噪比接近统一，消除电子噪声到接近零，并且通过传感器标准化方法消除固定物体非时变性干扰。在一个实施方式中，该阵列包括在物理上以线性几何图案排布的多个磁场传感器或磁力计。该磁场传感器均勻地间隔开。在使用标量或所谓的总磁场仪表的情况下，所有总磁场仪表共享共同的同轴准线。如果使用1轴或2轴矢量传感器，所有传感器共享共同的同轴准线。这种架构的一个示例是安置在直的非铁管(诸如，玻璃纤维、碳纤维和铝等) 中的一系列传感器。另一个示例是布置在构成维阵列或纳米级阵列的半导体衬底上的一系列磁传感器。这种架构的又一示例是附接到数据传输电缆的若干传感器。在一个实施方式中，在阵列中使用的传感器的数量下限为3。然而，上限仅由诸如所使用的传感器或仪表的重量、能量消耗以及物理尺寸等实践考虑来限制。例如，设计用于针对隐藏的武器而监视行人交通的阵列可以是2米长，并且使用间隔10厘米的、均勻分隔开的21个传感器。这个阵列的空间解析度是期望的5厘米。设计用于沿着井深来检查地磁层的阵列可以利用连接到长数据传输电缆的数千个传感器。这类电缆阵列可以沿着车行道连成一串或者环绕物体(如机器零件)以用于检查目的，或者围绕一个区域(如建筑物) 以用于监视目的。取决于任务以及主要的操作要求，在阵列中可以使用任何类型或种类的标量或矢量磁场传感器。转而，传感器或者磁力计可以按照可能适合应用或任务的任何磁场幅值或矢量角解析度进行操作。围绕与所施加磁场相互作用的物体的感应磁场的大小可以被定义为等电位球状体，其幅值等于仪器的解析度。针对DGM阵列的适当功能的必要条件是其长度足够围绕物体的磁场球状体，如以上定义的，延伸穿过物体并且超过任何一侧达到至少一个传感器之间的间隔。例如，针对设计用于检测和测量围绕地雷的感应磁场的以0. 5 IlT的解析度进行操作的阵列，6米的长度足够针对任何大小或质量的地雷。在操作之前，通过以下方式对阵列进行规则化将其相对于任何固定物体放置，并且使其远离任何感兴趣的搜索、监视或检查物体。通过简单的软件算法，将阵列中所有传感器或仪表的输出幅值通过采样和保持技术存储在计算机存储器中。在由主高速时钟进行相关的同一时间点，获取全部这样的采样。计算这些传感器输出幅值与呈现最低值的一个传感器的输出幅值之间的差值，并将其存储在存储器寄存器中，每个寄存器与单个传感器关联并且专用于该传感器。这些差值继而变成操作数，它们从包括参照传感器的每个传感器的实际输出幅值被减去，从而形成与每个传感器关联并且专用于这个传感器的第三数据集合。这一相关幅值的第三集合变成阵列中的传感器的标准化输出，并且在某些感兴趣的物体接近阵列或阵列接近感兴趣的物体前保持值为零。在类似于对阵列进行初始化的标准化过程之后，根据针对所进行的每个采样测量的传感器输出，允许第一数据集合有所变化。注册的数据(操作数)的第二集合被存储在计算机存储器中，并且在下一标准化过程之前保持不变，其中下一标准化过程可以通过操作状态或环境中的变化在任何需要的时间发起。 第三集合，即输出幅值与所注册的操作数之间的差值，代表用于函数算法的原始数据。当围绕搜索、监视或检查的物体的磁场被呈现给阵列中的传感器时，在每次采样磁场时，将存储中的已注册操作数的值从实际传感器输出中减去，因此，输出数据集合仅仅反映传感器的幅值变化。这三个数据集合允许系统对呈现给阵列的磁场的变化做出响应，在搜寻/勘测、 监视或检查的任一情况中，磁场的变化是表征感兴趣物体的场数据。此信息还由系统使用以计算或以其他方式提取关于物体本身的信息。这个过程因为两个原因具有功用。第一， 它消除了来自固定物体的磁场干扰，这是对任何磁力测定应用都有用的特征。第二，它有效地消除了设备响应中固有的任何传感器与传感器的差值，接口和信号处理电路中固有的电路与电路的差值，以及连接线、电缆和连接器等中固有的其他差值。在一个实施方式中，在正常操作期间，通过常规的采样和保持技术以某些适合的比率对磁场数据进行采样。采样数据在由主高速时钟进行相关的同一时间点从全部传感器被获取，并且被临时存储在计算机存储器中作为如上所述的对应于阵列中每个传感器的输出数据集合。在连续样本之间的周期，两个独立的数字信号处理算法同时对标准化的数据集合进行操作。一个算法通过首先分析所有经标准化的数据点并且选择具有最低幅值(值)的一个，来计算物体的感应磁场的差分标量通量密度。这通过常规的下确界 (infimum)软件引擎得以实现。此传感器的经标准化的输出被标记为参照数据，并且从其余传感器或仪表的标准化输出值中被减去。这些标量幅值数据是针对该采样周期的差分磁场测量。这些数据点继而与阵列中的传感器的位置或地点进行相关，并且被用于生成被检查的磁场的空间区分横截面轮廓。相关的数据集合继而可以被存储在计算机存储器中或以其他方式记录以供稍后使用，在搜寻或监视操作期间实时向操作者立即显示，或者随着勘测的进行与之前的轮廓数据集合编译以生成位置图，或者随着检查的实施生成瑕疵/缺点图。在提取和计算信息的过程中，图数据仅仅包括二维信息，即，仅仅在x_y平面中的信息。在一个实施方式中，在差分算法操作的同一时期期间，第二独立运行软件算法对相同的标准化传感器输出数据进行操作，以用于提取同时梯度磁场测量值这一目的。此软件算法将阵列中的每个传感器的标准化输出从其最接近的邻居减去，并且将这些所得值存储在与沿每个传感器之间的阵列中线的位置相关并专用于该位置的存储器寄存器中。该算法继而用这些作为结果的值除以每个传感器之间的固定距离，从而将标量幅值变换为代表磁场梯度信息的矢量。这些数据对所检查的磁场的梯度横截面轮廓进行表征，直接在空间域中对其进行捕捉。作为最后的步骤，这些数据被用做操作数，以计算作为范围的检测距离，当物体位于地下或被淹没时计算深度，计算物体的表观磁质量，以及物体的磁矩。距离、 质量和力矩信息继而被添加到所计算出的信息并且由差分算法进行编译以向操作者立即显示数据存储或者记录，并且最为重要地，将二维图信息转化为包括作为范围的检测距离， 或物体深度的三维图信息。DGM系统具有以下用途对表面、地下的和水下的地雷或水雷、简易爆炸装置 (IED)、爆炸成形弹(EFP)、未爆弹药(UXO)，以及考古对象或者宝藏进行检测、定位、绘图以及物体表征。DGM系统还在以对物体本身或隐藏的物体(诸如武器和自杀炸弹背心)进行检测、定位、计算和物体表征为目的，监视水下船只、地面车辆以及行人交通中具有效用。进一步的效用可以是针对瑕疵、缺点和其他中断，以及针对关于尺寸(质量)、过程进行、过程计时和过程计数等的物体表征，检查零件或者材料。再进一步的效用可以是用于测量和/ 或监测地磁特征(诸如沿着井向下地磁层)，或者监测沿着地震断层线的地磁特征中的变化。通过以下详细描述、附图和权利要求，本发明的其他变形、实施方式和特征将变得明显。


图1描绘了完整的DGM系统的一个示例，其示出了两个感测阵列的选择，一个通过电缆或光纤连接，另一个通过无线电遥测链路连接；图2描绘了使用13个磁力计或者传感器的6米长的DGM阵列的一个示例的几何架构；图3a、图北和图3c描绘了 DGM阵列中的仪表或者传感器的轴向调准，其在图3a 中示出了针对标量仪表的同轴调准，在图北中示出了针对1轴传感器的正交调准，以及在图3c中示出了针对2轴传感器的正交调准；图4示出了针对传感器数据标准化算法的步骤、数据流和公式集，其中该算法对
11关于传感器与传感器的变化以及来自非时变性或静态的接近固定物体的传感器输出数据进行标准化；图5描绘了由阵列收集、存储在计算机存储器中，并且由具有示出的3个数据集合 (M。，Ms*Mn)的传感器数据标准化算法操作的传感器输出标准化数据的示例；图6示出了针对差分测量算法的步骤、数据流和公式集，其中该算法对经标准化的传感器输出进行操作以作为生成标量差分磁场测量的途径；图7描绘了由阵列收集、存储在计算机存储器中，并且由具有示出的7个数据集合 (M0, Ms, Mn, Mr, Ma, M，r和Md)的差分测量算法操作的差分测量数据的示例；图8示出了针对梯度测量算法的步骤、数据流和公式集，其中该算法对经标准化的传感器输出进行操作以作为生成矢量梯度磁场测量的途径；图9描绘了由阵列收集、存储在计算机存储器中，并且由具有示出的8个数据集合 (M0, Ms, Mn, Mr, Ma, M，r, Md和Mg)的梯度测量算法操作的梯度测量数据的示例；图10描绘了在传感器输出标准化后并且在向阵列呈现感兴趣的物体之前(无目标)的差分磁性数据的实时显示的示例；以及图11描绘了当向阵列呈现感兴趣的物体时(目标正在被检测)的差分磁性数据的实时显示的示例。
具体实施例方式本领域普通技术人员将会领会到本发明可以体现为其他具体形式而不会背离本发明的精神或基本特征。当前公开的实施方式因此在各个方面都被认为是示例性并且非限制性的。图1描绘了一个示例性DGM系统。取决于DGM如何工作，也可能使用其他完整系统配置。提供本示例作为说明DGM阵列和信号处理算法如何整合到针对磁力测定勘测、监视和/或检查功能的功能性系统中的途径。该阵列是多个磁性传感器或磁力计的线性排布。在图1中，示出了两个阵列100以说明其可以通过导电电缆线路或光纤电缆线路111与中央电子单元101对接，或者通过无线电传输遥测经由发射器107和接收器106与中央电子单元101对接。可以提供扬声器、 耳机或头戴式耳机108作为向操作者就检测感兴趣的物体进行报警的途径，该感兴趣的物体在磁力勘测的情况下是例如地雷，在磁场监视的情况下是携带隐藏的武器的交通工具或行人，或者在检查作业的情况下是瑕疵、缺点、计数、质量不足或超过质量或过程计时或过程进行错误。实时显示器109可以是任何操作者显示器，诸如IXD，CRT和等离子屏幕等。 实时显示器109实时呈现围绕物体的磁场的横截面轮廓(注意，图11中的这种类型的显示的示例)。此信息有助于关于相对于阵列、罗盘方向或者某些其他参照点的方向的检测、定位以及物体表征。假设阵列的高度是已知的，也可以实时显示关于物体位置、质量和检测距离(如果是地下的或者水下的，则是深度)的信息。取决于任务和/或电能的可用性，电源 102可以是电池、阻挡层光电元件或者电力线路。示出的GPS单元103用以说明可以整合 DGM系统或仅仅是阵列的位置，以用于对所检测的物体的功能和/或位置进行绘图之目的。 操作者输入104包括系统输入功能可能需要的输入开关、拨号设置以及指示灯。外部图显示器105区别于实时显示器109，这是由于它将三维信息显示为图或格栅参照系上的覆盖。DGM系统能够实时向操作者绘制并且显示所检测的物体。可以提供数字存储110作为在搜寻、监视或检查操作期间收集磁场信息的途径并且可以在稍后被用于分析。虚线113指示这些组件根据磁力测定目标的需要可以包括任何数量的其他组件。图2描绘了使用13个传感器或磁力计122的6米长的示例性DGM阵列120。传感器122被标记为Mtl到M12 121，其中阵列的中心线被标记为M6。尺寸123指示不论所使用的传感器数目如何，每个传感器之间的距离是相等的，并且是所有传感器共同的。这个相等的距离有益于适合的梯度测量。在上述实施方式中，传感器的最小数目为3个。然而，上限仅仅受到工程学和/或环境考虑(诸如重量、能量消耗、任务或责任、阵列的长度等)的限制。 任何类型(包括矢量、标量或梯度类型)的磁性传感器122或仪表都可以在阵列120中使用。图3a、图北和图3c描绘了沿DGM传感阵列120的传感器调准。在这三幅附图的每一个中，χ轴132、142和152与平行于地球平面切线的水平方向相关联，y轴133、143和 153是χ轴132、142和152的向页内或页外的正交补，同样与水平方向相关联。Z轴134、 144和IM与和地球平面切线垂直的垂直方向相关联。在标量(总场)类型磁力计131的情况下，如图3a中所示，磁力计122的中央响应点沿着与阵列120相关联的公共线或轴133 同轴排成一行。这个公共轴的位置可以在阵列内部的中心，诸如如所示沿着管130、140或 150的中央轴，沿着阵列的边，诸如沿着数据传输电缆的一边(未示出)，或沿着基板表面上的公共线(未示出)。图: 详述了单轴矢量类型传感器141的调准。传感器141的主响应轴沿着三条位置轴χ、y或ζ中的一条排成一行，并且共享共同的正交方向。相同的调准用于如图3c中所示的2轴矢量传感器151。所有传感器的主响应轴与6个位置x-y、y-χ、 x-z、y-z、z-x或z-y中的一个对齐，并且共享共同的正交方向。多个磁场传感器连同多个接口和支持电子电路必然展示出传感器到传感器或电子单元到单元的输出变化，即使存在均质的非时变性磁场也是如此。此外，根据操作和/或设备温度的改变以及导致仪器漂移或不稳定的其他因素，这些单元到单元的变化随着时间的推移而改变或漂移。因此，在短时段期间，这样的变化可以被认为是非时变性的，然而在长时段期间，它们可能会变化，即使很缓慢。因此，这些类型的仪器输出变化可以被认为是非时变性的或类似非时变性的。在磁力测定勘测、监视或检查操作期间，与本地磁场相互作用的附近的固定物体可以向代表干扰的磁力计呈现感应磁场。例如，附着到搜寻地雷的地面交通工具上的磁力计处于围绕该交通工具的感应磁场中。这个磁场可以代表针对传统磁力计的解析度、灵敏度或者校准干扰。对于传统磁力计而言这尤其存在问题，因为围绕附近的固定物体的感应磁场改变本地磁场的梯度。随着地球的周围磁场变化，这些感应磁场将改变方向、方位和幅值。因此，虽然在短时期期间是些微非时变性的，这些类型的干扰也可以被认为是类似非时变性的。由于DGM阵列120被设计用于实现差分磁场测量，它独特地能够通过计算机软件算法的方法减轻上述变化。阵列120通过分布式差分测量的方法从物体的感应磁场提取信息。提供信息的是任何传感器122的输出变化，而不是其输出的绝对幅值。因此，阵列120 中的传感器的任何稳定的非时变性输出均可被注册作为其基态，而无需考虑它的输出值。 一旦沿着阵列120的每个传感器122的输出被注册，每个传感器122的输出被认为是零而无需考虑它的最初输出幅值。这是传感器输出标准化。在这个过程之后，传感器输出中的任何变化都代表本地磁场中的变化，其在搜寻、监视或检查操作期间必定是感兴趣的物体。传感器输出标准化消除了非时变性的变化以及干扰。对于类似非时变性的变化以及干扰(即，在长时期期间缓慢改变的变化以及干扰)，可以周期性地重新发起传感器输出标准化。例如，在日周期，地球的周围磁场矢量在幅值、方向以及倾斜角中发生改变。取决于地理位置，白天的变化的幅值可以是大约+/-100 ηT，其导致每小时中大约10秒或更多的ητ上的速率变化。这对于具有长操作周期的搜寻、勘测或监视磁力测定可能会存在问题。在最初的传感器输出标准化之后，可以容易地监测类似非时变性的变化和/或干扰，并且当其过高时，可以重复进行传感器输出标准化作为补偿的途径。由于本发明的实施方式并不要求校准或者经校准的测量，因此定期的传感器输出标准化可以在需要时由操作者输入发起，或者借助于计算机软件和电子电路自动实现，无需DGM系统本身以外的任何参照。图4通过示出主要步骤、逻辑、数据流以及公式集而详述了用于本发明的实施方式的传感器输出标准化的算法200的操作。它开始于操作者输入，如操作者标准化发起205 所示，或自动开始(未示出)。地带一致性210是存储在计算机存储器中的传感器输出变化或干扰的范围，它的值取决于先前操作和环境状况。如果变化或干扰的幅值超过了预设的地带限制215，标准化失败220。这由被标记为“地带一致？ ”的是/否逻辑步骤指示。为了清楚起见示出了“失败” 220、“待命” 221以及“经标准化的” 222的指示符。如果变化或干扰在地带限制之内，算法通过首先清除基态寄存器225 (计算机存储器)中的任何数据而继续进行。接着，阵列120中的传感器122或仪表的输出值被采样一次，并且被加载或存储在计算机存储器中。这由被标记为“采样和保持传感器输出” 230和“加载数据字段#1:Μ。” 的步骤指示。Μ。为代表传感器/仪表输出值的术语，下标“ο ”表示“输出”。Μ。的值继而被存储在独立的计算机数据磁场存储器中，作为针对阵列120中的每个传感器或者仪表的 Ms。术语Ms代表基态传感器值，下标“s ”表示“基态”。这个步骤被标记为“设定注册操作数”235以及“加载数据字段#2:MS”。继而在步骤“释放传感器输出保持”240中释放传感器采样保持。算法继而开始按照可由先前操作、工程或环境状况要求的预设采样率，对传感器输出值进行采样。这些值242被保持在针对每个采样时期的计算机存储器中作为M。。标签 “以采样率进行采样”对5以及“加载字段#1:M。”指示这个步骤。标签“执行差值M。-MS = Mn"250以及“加载字段#3:Mn”表示最后的算法级，其中Mn表示经标准化的传感器输出值或数据，下标“η”表示“经标准化”。这通过公式⑴进行了数学表示Mn = M。_MS。(1)图5是在传感器标准化过程期间收集并存储的数据的示例。表160中最上面的一行表示传感器/仪表名称。在这个示例中示出了十三个传感器122，命名为MO至Ml2，但是取决于阵列120中的传感器的数量，从3个传感器到某个不确定的上限的任何数目都可以是此技术的对象。标记为“传感器/仪表输出M。”的表中的第二行是代表阵列120中的每个传感器122的输出值的数据字段#1 161。标记为“基态注册MS”的表中的第三行是代表由算法用于计算经标准化的数据输出的操作数Ms的数据字段#2 162。标记为“经标准化的输出Mn”是代表如Mn = M0-Ms的经标准化的输出数据的数据字段#316。所呈现的值为任意单位。使用本发明实施方式的特定线性几何架构中排布的多个磁性传感器，这允许DGM 系统提取或者以其他方式测量差分磁场信息。在此方面的特点在于磁场信息是如下方式被采样的，即，取得代表参照的阵列120中的仅仅一个传感器122与阵列120中的全部其他传感器122之间的差值。由于阵列120中的每个传感器122同时并且以相同的幅值经历并且测量短周期时变来源，因此从经标准化的输出值Mn减去被命名为M，r的参照传感器的输出值，会将此类噪声有效地消除为接近零的值。由于地球的磁场呈现大约为0. 2pT/米量(IpT =1微微特斯拉=10_12特斯拉)的自然梯度这一事实，这些差分输出值Md(下标“d”表示 “差分”的)被赋予接近零的水平。由于DGM阵列可以有数米长，这导致了 Md的差分测量中表示的少量梯度源噪声。通过差分测量算法中的最后步骤来求解差分测量值Md = Mn-M，r。(2)通过首先编译来自由系统的操作者或设计者建立的传感器集合“S”的经标准化的输出值Mn，差分测量算法选择参照传感器。集合S被存储在计算机存储器中以供差分测量算法使用。在经标准化的输出值Mn被编译为S的元素之后，算法计算S的下确界元素。在这种情况下，下确界表示来自集合S的最接近零值的经标准化的输出值Mn。对于随后的公式集，允许集合S包括阵列120中的第一个和最后一个传感器的经标准化的输出值，表示为 Mf*^，其中下标“f”和“1”分别表示“第一”和“最后”。集合S可以包括来自阵列120中任意有限数目的元素(从一个到全部传感器)。针对本示例，算法的此层级如下给出S' = {|Mf|, IM1II,(3)其中质数S，代表特定集合{Mf，MJ，并且Mr e S，:inf(S' ) = {|Mf|，M1Il, (4)其具有代数解ΚΙ+Κ1_ΚΙ-ΚΙ|
Mr^S': inf (S')22(5)生成最接近零值的S’的元素。由于Mn的某些值可能是负的，因此使用Mf和M1的绝对值。M^是参照传感器的缺省值。然而，在某些情况中，阵列120可以横切物体的感应磁场，其中阵列120的末端仍然完全位于感应磁场中时，即，没有延伸到未受扰动的地球周围磁场中。当阵列120比物体所呈现的感应磁场短或者与之接近时，情况将会如此。在这种情况中，由等式( 计算出的虬包括的误差等于向轧呈现的地球磁场的磁场幅值。通常， Mr的值将是S中这样的元素，其最接近零值，并且因此最接近所测量的地球磁场的经标准化的基态值。为了将其纳入考虑，差分测量算法对礼的先前的η个值取平均，并且编译被包括为{Ma，Mj的数据集合P，其中Mr是η个采样的回归平均值，下标“η”表示“回归平均值”。 η个采样由DGM系统的操作者或设计者建立，并存储在计算机存储器中以供差分测量算法使用。继而，确定集合P的下确界以生成代表等式O)中的的值的P的最大下界。Mr被保持在计算机存储器中，以作为将其值与Mr的先前η个值的平均值Ma进行对比的途径，其中
^cq1{Mr^+Mr-2 + - + MrJ--(、
Ma=η，(6 )其中η是构成针对Ma的范围的、Mr的先前值的数目，Ma具有解
权利要求
1.一种差分梯度测量磁力计，包括被配置为间隔排布的磁场传感器的阵列；以及用于将所述传感器保持为所述间隔排布的支撑物。
2.根据权利要求1所述的磁力计，其中所述磁场传感器线形排布。
3.根据权利要求2所述的磁力计，其中所述磁场传感器均勻地间隔开。
4.根据权利要求1所述的磁力计，其中所述磁场传感器同轴排布或正交排布。
5.根据权利要求1所述的磁力计，还包括三个或更多磁场传感器。
6.根据权利要求1所述的磁力计，还包括可操作计算机软件，配置用于分析由所述磁场传感器获得的数据。
7.根据权利要求6所述的磁力计，其中所述可操作计算机软件配置用于消除来自地球磁场、外部射频传输以及电磁噪声的源噪声。
8.根据权利要求6所述的磁力计，其中所述可操作计算机软件配置用于同时收集和处理差分数据和梯度数据。
9.根据权利要求1所述的磁力计，其中至少一个磁场传感器被用作磁场参照传感器。
10.根据权利要求9所述的磁力计，还包括可操作计算机软件，配置用于识别传感器数据集合中最接近零的一个元素，并且配置用于指定一个或更多磁场传感器作为参照传感。
11.一种使用磁力计的方法，包括将所述磁力计放置在待考察的区域或物品附近；分析所获得的数据以确定以下一个或多个所定位物体的位置、形状、尺寸以及质量；以及其中所述磁力计包括被配置为间隔排布的磁场传感器的阵列，以及用于将所述传感器保持为所述间隔排布的支撑物。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括静态地放置所述磁力计，使得有待考察的物品可经过所述磁力计。
13.根据权利要求11所述的方法，还包括使所述磁力计在有待考察的区域之上经过。
14.根据权利要求11所述的方法，还包括将所述磁场传感器的阵列的所有传感器的输出标准化为共同的数据参照。
15.根据权利要求11所述的方法，还包括从一个或多个参照磁场传感器的输出中减去所述阵列中的每个磁场传感器的输出，以便生成差分标量磁场测量值的集合，其中所述差分测量值分布于所述阵列长度上，并且与沿所述阵列的所述磁场传感器的位置相关。
16.根据权利要求11所述的方法，还包括消除来自地球磁场的源噪声。
17.根据权利要求11所述的方法，还包括消除与环境电磁噪声相关联的外部射频传输。
18.根据权利要求11所述的方法，还包括消除与环境电磁噪声相关联的外部射频传输。
19.根据权利要求11所述的方法，还包括对与所述阵列附近的固定物体相关联的磁场干扰进行标准化。
20.根据权利要求11所述的方法，还包括从一个或多个其他指定的磁场传感器的输出中减去所述阵列中的每个磁场传感器的输出，以便生成梯度矢量磁场测量值的集合，其中所述梯度测量值分布于所述阵列的长度上，并且与沿所述阵列的所述磁场传感器的位置相关。
21.根据权利要求11所述的方法，还包括在空间域中收集磁场数据。
22.根据权利要求11所述的方法，还包括同时收集和处理差分磁场数据和梯度磁场数据，以确定所定位物体的位置、轴向定向、表观磁质量以及磁矩。
23.根据权利要求11所述的方法，还包括同时收集和处理差分数据和梯度数据。
24.—种差分梯度测量磁力计系统，包括磁力计，包括被配置为间隔排布的磁场传感器的阵列；以及用于将所述传感器保持为所述间隔排布的支撑物；以及可操作计算机软件，配置用于分析由所述磁场传感器获得的数据。
25.根据权利要求M所述的系统，其中所述可操作计算机软件还配置用于将所述磁场传感器的阵列的所有传感器的输出标准化为共同的数据参照。
26.根据权利要求M所述的系统，其中所述可操作计算机软件还配置用于从一个或多个参照磁场传感器的输出中减去所述阵列中的每个磁场传感器的输出，以便生成差分标量磁场测量值的集合，其中所述差分测量值分布于所述阵列长度上，并且与沿所述阵列的所述磁场传感器的位置相关。
27.根据权利要求M所述的系统，其中所述可操作计算机软件还配置用于消除来自地球磁场的源噪声。
28.根据权利要求M所述的系统，其中所述可操作计算机软件还配置用于消除与环境电磁噪声相关联的外部射频传输。
29.根据权利要求M所述的系统，其中所述可操作计算机软件还配置用于消除与环境电磁噪声相关联的外部射频传输。
30.根据权利要求M所述的系统，其中所述可操作计算机软件还配置用于对与所述阵列附近的固定物体相关联的磁场干扰进行标准化。
31.根据权利要求M所述的系统，其中所述可操作计算机软件还配置用于从一个或多个其他指定的磁场传感器的输出中减去所述阵列中的每个磁场传感器的输出，以便生成梯度矢量磁场测量值的集合，其中所述梯度测量值分布于所述阵列的长度上，并且与沿所述阵列的所述磁场传感器的位置相关。
32.根据权利要求M所述的系统，其中所述可操作计算机软件还配置用于在空间域中收集磁场数据。
33.根据权利要求M所述的系统，其中所述可操作计算机软件还配置用于同时收集和处理差分磁场数据和梯度磁场数据，以确定所定位物体的位置、轴向定向、表观磁质量以及磁矩。
全文摘要
一种三维实时差分梯度测量磁力计(DGM)阵列、系统以及使用方法。DGM利用围绕与施加的磁场相互作用的物体的感应磁场异常的差分和梯度参数。DGM将差分磁场测量与梯度磁场测量整合到单个系统中。DGM在测量DGM检测阵列与物体之间的距离、轴向定向、表观磁质量和磁矩的情况下，对物体进行检测、定位以及绘图。DGM使用信号处理技术来消除来自地球磁场、外部射频传输以及电磁噪声的源噪声。一种线性几何架构，包括形成阵列的多个磁力计，支持DGM在空间域中直接收集信息。当阵列在物体之上、之下或邻近物体移动时，DGM能够捕捉三维完整磁场异常轮廓。
文档编号G01R33/022GK102171588SQ200980139386
公开日2011年8月31日 申请日期2009年8月5日 优先权日2008年8月5日
发明者W·A·梅 申请人:Mr技术公司