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- 高 新崗,
挑戰:
在我們生活的美麗地球上，到處都存在著磁場，雖說存在但我們又看不到，摸不 著給人以神秘感。在現代通信領域中，磁場的應用最為廣泛，可以運用其傳輸信號，也可 以用它來感知視眼之外的東西，進而豐富了我們的生活。本研究中，運用磁傳感器來感測 微弱的磁場信號，對檢測到的信號進行處理，進而判斷磁源的方向和位置。
解決方案:
通過實驗測試，係統運行穩定，測量精度比較高。目標磁源位置定位比較準確，定位 誤差小於5cm，夾角誤差小於1 度，磁矩大小誤差小於0.5Am2。並且對織物、人體等費金 屬介質不敏感。測試環境要求空曠無大的金屬體。
一． 引言
在現代科學技術和人類生活中，處處可遇到磁場，發電機、電動機、變壓器、電報、電話、收音機以至加速器、熱核聚變裝置、電磁測量儀表等無不與磁現象有關。甚至在人體內，伴隨著生命活動，一些組織和器官內也會產生微弱的磁場。
磁(ci)場(chang)是(shi)一(yi)種(zhong)看(kan)不(bu)見(jian)，而(er)又(you)摸(mo)不(bu)著(zhe)的(de)特(te)殊(shu)物(wu)質(zhi)，它(ta)具(ju)有(you)波(bo)粒(li)的(de)輻(fu)射(she)特(te)性(xing)。磁(ci)體(ti)周(zhou)圍(wei)存(cun)在(zai)磁(ci)場(chang)，磁(ci)體(ti)間(jian)的(de)相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)就(jiu)是(shi)以(yi)磁(ci)場(chang)作(zuo)為(wei)媒(mei)介(jie)的(de)。電(dian)流(liu)、運動電荷、磁(ci)體(ti)或(huo)變(bian)化(hua)電(dian)場(chang)周(zhou)圍(wei)空(kong)間(jian)存(cun)在(zai)的(de)一(yi)種(zhong)特(te)殊(shu)形(xing)態(tai)的(de)物(wu)質(zhi)。由(you)於(yu)磁(ci)體(ti)的(de)磁(ci)性(xing)來(lai)源(yuan)於(yu)電(dian)流(liu)，電(dian)流(liu)是(shi)電(dian)荷(he)的(de)運(yun)動(dong)，因(yin)而(er)概(gai)括(kuo)地(di)說(shuo)，磁(ci)場(chang)是(shi)由(you)運(yun)動(dong)電(dian)荷(he)或(huo)電(dian)場(chang)的(de)變(bian)化(hua)而(er)產(chan)生(sheng)的(de)。
恒磁場又稱為靜磁場，而交變磁場、脈mai動dong磁ci場chang和he脈mai衝chong磁ci場chang屬shu於yu動dong磁ci場chang。磁ci場chang空kong間jian各ge處chu的de磁ci場chang強qiang度du相xiang等deng或huo大da致zhi相xiang等deng的de稱cheng為wei均jun勻yun磁ci場chang，否fou則ze就jiu稱cheng為wei非fei均jun勻yun磁ci場chang。離li開kai磁ci極ji表biao麵mian越yue遠yuan，磁ci場chang越yue弱ruo，磁ci場chang強qiang度du呈cheng梯ti度du變bian化hua。
地di磁ci場chang是shi從cong地di心xin至zhi磁ci層ceng頂ding的de空kong間jian範fan圍wei內nei的de磁ci場chang。地di磁ci場chang包bao括kuo基ji本ben磁ci場chang和he變bian化hua磁ci場chang兩liang個ge部bu分fen，它ta們men在zai成cheng因yin上shang完wan全quan不bu同tong。基ji本ben磁ci場chang是shi地di磁ci場chang的de主zhu要yao部bu分fen，起qi源yuan於yu地di球qiu內nei部bu，比bi較jiao穩wen定ding，變bian化hua非fei常chang緩huan慢man。變bian化hua磁ci場chang包bao括kuo地di磁ci場chang的de各ge種zhong短duan期qi變bian化hua，主zhu要yao起qi源yuan於yu地di球qiu外wai部bu，並bing且qie很hen微wei弱ruo。
地球的基本磁場可分為偶極子磁場、非偶極子磁場和地磁異常幾個組成部分。偶極子磁場是地磁場的基本成分，其強度約占地磁場總強度的90%，chanshengyudiqiuyetaiwaiheneidedianciliutilixueguocheng，jizijifadianjixiaoyingzairenleikejifazhandechanghezhong，renmenbujinrenshijingcichangdetexing，erqiebuduanderenzhidongcichangtexing，bingliyongtalaiyanfaxindeshebei，bingbuduankuozhanqiyingyonglingyu，biru：生物醫學、電子通信等領域。
二． 背景
基(ji)於(yu)永(yong)磁(ci)體(ti)或(huo)交(jiao)變(bian)磁(ci)源(yuan)空(kong)間(jian)磁(ci)場(chang)檢(jian)測(ce)的(de)磁(ci)定(ding)位(wei)方(fang)法(fa)是(shi)利(li)用(yong)磁(ci)體(ti)產(chan)生(sheng)的(de)磁(ci)場(chang)有(you)特(te)定(ding)的(de)分(fen)布(bu)規(gui)律(lv)這(zhe)一(yi)特(te)點(dian)，通(tong)過(guo)檢(jian)測(ce)目(mu)標(biao)永(yong)磁(ci)體(ti)或(huo)交(jiao)變(bian)磁(ci)源(yuan)的(de)空(kong)間(jian)磁(ci)場(chang)來(lai)逆(ni)求(qiu)出(chu)目(mu)標(biao)磁(ci)體(ti)的(de)位(wei)置(zhi)、大小及姿態信息。
在生物醫學領域中，無創介入式微型診療裝置可以被應用於人體消化道圖像采集與傳輸、靶向釋藥、體液采集、消xiao化hua道dao生sheng理li參can數shu提ti取qu等deng方fang麵mian，對dui於yu微wei型xing診zhen療liao裝zhuang置zhi在zai體ti內nei的de實shi時shi定ding位wei於yu跟gen蹤zong在zai實shi際ji應ying用yong中zhong有you重zhong要yao意yi義yi。采cai用yong基ji於yu永yong磁ci體ti或huo交jiao變bian磁ci源yuan空kong間jian磁ci場chang檢jian測ce的de磁ci定ding位wei方fang法fa來lai實shi時shi跟gen蹤zong微wei型xing診zhen療liao裝zhuang置zhi或huo其qi他ta交jiao變bian磁ci源yuan的de位wei置zhi及ji磁ci源yuan大da小xiao。與yu其qi他ta定ding位wei方fang法fa相xiang比bi，該gai方fang法fa有you著zhe定ding位wei精jing度du高gao、製作和運行成本低、便(bian)攜(xie)性(xing)好(hao)，對(dui)人(ren)體(ti)無(wu)毒(du)副(fu)作(zuo)用(yong)，並(bing)能(neng)實(shi)現(xian)實(shi)時(shi)定(ding)位(wei)於(yu)連(lian)續(xu)跟(gen)蹤(zong)等(deng)優(you)點(dian)。本(ben)磁(ci)定(ding)位(wei)方(fang)法(fa)，因(yin)采(cai)用(yong)的(de)磁(ci)傳(chuan)感(gan)器(qi)不(bu)同(tong)，可(ke)以(yi)拓(tuo)展(zhan)到(dao)其(qi)他(ta)的(de)磁(ci)源(yuan)檢(jian)測(ce)及(ji)定(ding)位(wei)。係(xi)統(tong)整(zheng)體(ti)監(jian)測(ce)的(de)指(zhi)標(biao)參(can)數(shu)有(you)：磁源的磁矩大小、位置坐標及空間夾角大小。
三． 磁偶極子模型
當源點到場點的距離遠大於磁源的尺寸時, 可將磁源近似為磁偶極子, 進而用磁偶極子模型來計算場點處的磁感應強度。設磁源的坐標為(x0 , y0, z0), 磁偶極矩為m(mx, my, mz ), 場點p 的
坐標為(x, y, z), 源點到場點的矢徑為r, m 與z 軸正方向的夾角為θ,m 在xoy 平麵上的投影與x 軸正方向的夾角為φ, 如圖3-1 所示。設磁偶極矩的大小為m, 則有: mx =msinθcosφ, my=msinθsinφ,mz = mcosθ。根據磁偶極子模型, 場點p 處的磁感應強度B 的矢量表達式為：
(公式3-1)
圖3-1 磁源位置和方向
注：當場點與源點的距離大於8 倍磁源尺寸時, 磁偶極子模型成立。
四． 總體設計
4.1、磁偶極子模型分析方法
使用磁傳感器來檢測磁源磁場空間分布的方法中，都是將目標的遠場等效為磁偶極子，磁偶極子模型分析中有兩種方法：一種是矢量模型分析，另一種是標量模型分析。
在矢量模型分析中，必須測量目標的三分量磁場數據，此時采用低噪聲、高gao靈ling敏min度du的de磁ci傳chuan感gan器qi進jin行xing磁ci場chang三san分fen量liang數shu據ju采cai集ji。若ruo磁ci傳chuan感gan器qi性xing能neng不bu好hao，由you於yu幹gan擾rao磁ci場chang噪zao聲sheng的de影ying響xiang，導dao致zhi目mu標biao磁ci場chang的de數shu據ju淹yan沒mei在zai噪zao聲sheng中zhong，很hen難nan進jin行xing目mu標biao定ding位wei和he大da小xiao判pan斷duan。因yin此ci，需xu要yao磁ci傳chuan感gan器qi噪zao聲sheng很hen低di。
在標量模型分析中，可以利用高精度光泵磁強計測量磁場數據，經過軟件補償後精度可以達到1nT 以下。該分析中，通過高通濾波器得到目標磁偶極子的磁場信號，再代入磁偶極子矢量磁場計算公式，經化簡，得到3 個非線性方程，偶極子標量信號可以由這3 個非線性函數的線性疊加來表示。經過信號子空間檢測和參數估計方法，可以得到目標磁源的位置及坐標。
本研究中，采用矢量模型進行目標磁源的定位。
4.2、係統組成
根據係統定位要求，本係統包含以下子模塊：
1)、磁傳感器模塊，功能：實現信號的變換、檢測及放大。
2)、數據采集與傳輸模塊，功能：將檢測到的信號轉換為數字信號，並完成遠程傳輸。
3)、數據處理與現實模塊，功能：將檢測的數字信號進行算法處理，計算出目標磁源的大小和位置信息，並顯示計算結果值。
其結果示意圖如圖4-1 所示：
圖 4-1 係統組成框圖
在圖4-1 中，磁傳感器模塊采用高靈敏度、低噪聲的三軸磁傳感器，體積小巧，可以實現磁場信號的三分量檢測。數據采集模塊采用NI 的高分辨率高采樣率的采集卡9239，完成對磁場電壓信號到數字信號的轉換，並經過USB 傳輸線，將采集到的數據上傳到係統測試軟件，經軟件處理後，計算出目標磁源的位置和大小。
4.3 目標磁源定位算法
根據磁偶極子模式，通過矢量磁場強度計算公式得到目標磁場信號的3 分量方程組，如公式4-1、4-2、4-3 所示：
通過公式4-1、4-2、4-3 計算出目標磁源的3 分量磁感應強度，再通過公式4-4 可以算出磁場3 分量的磁場強度。
zaiyishanggongshizhong，womenshiyonglejiasheciyuandeweizhishujuhezitaishuju，ercidingweidezuizhongmudeshijisuanchumubiaociyuandeweizhishujuhezitaishuju。zheliangzhekansimaodun，qishibingbumaodun。tongguojiashedeweizhihezitaishujuyushijijisuanchudeshujubijiaoqiuchazhi，shidechazhizuixiaozuiyou，dangdadaozhegezuixiaozuiyoudetiaojianshi，womenkeyirenweijiashezhikeyibiaoshimubiaociyuandeshijiweizhihedaxiao。zheyangjiukeyibaqiujiemubiaociyuanshujuwentizhuanhuanweiqiujiefangchengzuzuixiaozuiyouhuawenti，shixianshijiwentiyushuxuewentidezhuanbian。
對於求解非線性方程組的最小最優化問題，解決的方法很多，如共軛梯度法、牛頓迭代法、單純形法、模擬退火法、遺傳算法、神經網絡法等。這些算法各有各的優缺點，綜合世界運算速度、定位精度和編程難易程度，最後選用牛頓迭代算法。
4.4、數據保存
係統軟件將每次監測計算出的磁源位置、大小數據保存為文本形式，同時添加保存當前係統的時間。待監測任務完成後，點擊圖形繪製按鈕，軟件通過MathScript 節點調用MATLAB 程序，將保存的位置、大小數據與對應的時間繪製成一個三維立體圖形，並直觀的表現出目標磁源的位置和大小。
五． 軟件實現和實驗結果
目標磁定位係統測試軟件是由Labview2012 評估版軟件編寫實現，軟件主要包括數據采集、數據讀取、定位計算、結果顯示、信號波形顯示、數據保存等功能模塊。數據采集過程中，通過物理通道讀取NI9239 采集的磁場3 分量數據，並將數據傳給定位算法模塊，由其計算出目標磁源的位置、大小和姿態參數，並在係統軟件上顯示計算結果。定位係統在小於2s 的時間內完成1 組zu數shu據ju的de處chu理li，計ji算suan並bing顯xian示shi出chu目mu標biao磁ci源yuan的de位wei置zhi及ji大da小xiao。根gen據ju目mu標biao移yi動dong的de位wei置zhi和he時shi間jian關guan係xi，係xi統tong軟ruan件jian就jiu可ke以yi繪hui製zhi出chu目mu標biao移yi動dong軌gui跡ji。從cong而er，基ji本ben實shi現xian目mu標biao的de實shi時shi跟gen蹤zong和he定ding位wei。
係統軟件顯示界麵如圖5-1 所示：
圖 5-1 係統軟件界麵
圖5-2 部分程序
通過實驗測試，係統運行穩定，測量精度比較高。目標磁源位置定位比較準確，定位誤差小於5cm，夾角誤差小於1 度，磁矩大小誤差小於0.5Am2。並且對織物、人體等費金屬介質不敏感。測試環境要求空曠無大的金屬體。
六． 結論
實驗中的定位誤差主要來源於以下幾個方麵：磁偶極子模型誤差、算法誤差、數據測量誤差、硬ying件jian電dian路lu誤wu差cha及ji外wai界jie噪zao聲sheng幹gan擾rao誤wu差cha等deng。實shi驗yan中zhong磁ci源yuan的de空kong間jian磁ci場chang分fen布bu是shi由you磁ci偶ou極ji子zi模mo型xing建jian立li的de，而er模mo型xing有you假jia設she條tiao件jian，這zhe與yu實shi際ji情qing況kuang存cun在zai差cha異yi，由you此ci帶dai來lai模mo型xing誤wu差cha。定ding位wei算suan法fa通tong過guo牛niu頓dun迭die代dai算suan法fa來lai逼bi近jin設she置zhi的de誤wu差cha最zui小xiao值zhi來lai求qiu解jie的de，因yin此ci計ji算suan值zhi與yu實shi際ji值zhi有you一yi定ding誤wu差cha。另ling外wai，實shi驗yan中zhong各ge種zhong測ce量liang儀yi器qi也ye會hui引yin入ru誤wu差cha，以yi及ji周zhou圍wei環huan境jing噪zao聲sheng幹gan擾rao因yin素su，這zhe些xie都dou影ying響xiang了le定ding位wei精jing度du。
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