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- 高 新崗,
挑戰(zhàn):
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(xiàn)代通信領(lǐng)域中，磁場的應(yīng)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，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，測量精度比較高。目標(biāo)磁源位置定位比較準(zhǔn)確，定位 誤差小于5cm，夾角誤差小于1 度，磁矩大小誤差小于0.5Am2。并且對織物、人體等費金 屬介質(zhì)不敏感。測試環(huán)境要求空曠無大的金屬體。
一． 引言
在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和人類生活中，處處可遇到磁場，發(fā)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(xiàn)象有關(guān)。甚至在人體內(nèi)，伴隨著生命活動，一些組織和器官內(nèi)也會產(chǎn)生微弱的磁場。
磁場是一種看不見，而又摸不著的特殊物質(zhì)，它具有波粒的輻射特性。磁體周圍存在磁場，磁體間的相互作用就是以磁場作為媒介的。電流、運動電荷、磁體或變化電場周圍空間存在的一種特殊形態(tài)的物質(zhì)。由于磁體的磁性來源于電流，電流是電荷的運動，因而概括地說，磁場是由運動電荷或電場的變化而產(chǎn)生的。
恒磁場又稱為靜磁場，而交變磁場、脈動磁場和脈沖磁場屬于動磁場。磁場空間各處的磁場強度相等或大致相等的稱為均勻磁場，否則就稱為非均勻磁場。離開磁極表面越遠(yuǎn)，磁場越弱，磁場強度呈梯度變化。
地磁場是從地心至磁層頂?shù)目臻g范圍內(nèi)的磁場。地磁場包括基本磁場和變化磁場兩個部分，它們在成因上完全不同。基本磁場是地磁場的主要部分，起源于地球內(nèi)部，比較穩(wěn)定，變化非常緩慢。變化磁場包括地磁場的各種短期變化，主要起源于地球外部，并且很微弱。
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%，產(chǎn)生于地球液態(tài)外核內(nèi)的電磁流體力學(xué)過程，即自激發(fā)電機效應(yīng)在人類科技發(fā)展的長河中，人們不僅認(rèn)識靜磁場的特性，而且不斷的認(rèn)知動磁場特性，并利用它來研發(fā)新的設(shè)備，并不斷擴展其應(yīng)用領(lǐng)域，比如：生物醫(yī)學(xué)、電子通信等領(lǐng)域。
二． 背景
基于永磁體或交變磁源空間磁場檢測的磁定位方法是利用磁體產(chǎn)生的磁場有特定的分布規(guī)律這一特點，通過檢測目標(biāo)永磁體或交變磁源的空間磁場來逆求出目標(biāo)磁體的位置、大小及姿態(tài)信息。
在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，無創(chuàng)介入式微型診療裝置可以被應(yīng)用于人體消化道圖像采集與傳輸、靶向釋藥、體液采集、消化道生理參數(shù)提取等方面，對于微型診療裝置在體內(nèi)的實時定位于跟蹤在實際應(yīng)用中有重要意義。采用基于永磁體或交變磁源空間磁場檢測的磁定位方法來實時跟蹤微型診療裝置或其他交變磁源的位置及磁源大小。與其他定位方法相比，該方法有著定位精度高、制作和運行成本低、便攜性好，對人體無毒副作用，并能實現(xiàn)實時定位于連續(xù)跟蹤等優(yōu)點。本磁定位方法，因采用的磁傳感器不同，可以拓展到其他的磁源檢測及定位。系統(tǒng)整體監(jiān)測的指標(biāo)參數(shù)有：磁源的磁矩大小、位置坐標(biāo)及空間夾角大小。
三． 磁偶極子模型
當(dāng)源點到場點的距離遠(yuǎn)大于磁源的尺寸時, 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(yīng)強度。設(shè)磁源的坐標(biāo)為(x0 , y0, z0), 磁偶極矩為m(mx, my, mz ), 場點p 的
坐標(biāo)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 平面上的投影與x 軸正方向的夾角為φ, 如圖3-1 所示。設(shè)磁偶極矩的大小為m, 則有: mx =msinθcosφ, my=msinθsinφ,mz = mcosθ。根據(jù)磁偶極子模型, 場點p 處的磁感應(yīng)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(dāng)場點與源點的距離大于8 倍磁源尺寸時, 磁偶極子模型成立。
四． 總體設(shè)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(biāo)的遠(yuǎn)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(biāo)量模型分析。
在矢量模型分析中，必須測量目標(biāo)的三分量磁場數(shù)據(jù)，此時采用低噪聲、高靈敏度的磁傳感器進行磁場三分量數(shù)據(jù)采集。若磁傳感器性能不好，由于干擾磁場噪聲的影響，導(dǎo)致目標(biāo)磁場的數(shù)據(jù)淹沒在噪聲中，很難進行目標(biāo)定位和大小判斷。因此，需要磁傳感器噪聲很低。
在標(biāo)量模型分析中，可以利用高精度光泵磁強計測量磁場數(shù)據(jù)，經(jīng)過軟件補償后精度可以達到1nT 以下。該分析中，通過高通濾波器得到目標(biāo)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(jīng)化簡，得到3 個非線性方程，偶極子標(biāo)量信號可以由這3 個非線性函數(shù)的線性疊加來表示。經(jīng)過信號子空間檢測和參數(shù)估計方法，可以得到目標(biāo)磁源的位置及坐標(biāo)。
本研究中，采用矢量模型進行目標(biāo)磁源的定位。
4.2、系統(tǒng)組成
根據(jù)系統(tǒng)定位要求，本系統(tǒng)包含以下子模塊：
1)、磁傳感器模塊，功能：實現(xiàn)信號的變換、檢測及放大。
2)、數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊，功能：將檢測到的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并完成遠(yuǎn)程傳輸。
3)、數(shù)據(jù)處理與現(xiàn)實模塊，功能：將檢測的數(shù)字信號進行算法處理，計算出目標(biāo)磁源的大小和位置信息，并顯示計算結(jié)果值。
其結(jié)果示意圖如圖4-1 所示：
圖 4-1 系統(tǒng)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(xiàn)磁場信號的三分量檢測。數(shù)據(jù)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(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，并經(jīng)過USB 傳輸線，將采集到的數(shù)據(jù)上傳到系統(tǒng)測試軟件，經(jīng)軟件處理后，計算出目標(biāo)磁源的位置和大小。
4.3 目標(biāo)磁源定位算法
根據(jù)磁偶極子模式，通過矢量磁場強度計算公式得到目標(biāo)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(biāo)磁源的3 分量磁感應(yīng)強度，再通過公式4-4 可以算出磁場3 分量的磁場強度。
在以上公式中，我們使用了假設(shè)磁源的位置數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)，而磁定位的最終目的是計算出目標(biāo)磁源的位置數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)。這兩者看似矛盾，其實并不矛盾。通過假設(shè)的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)與實際計算出的數(shù)據(jù)比較求差值，使得差值最小最優(yōu)，當(dāng)達到這個最小最優(yōu)的條件時，我們可以認(rèn)為假設(shè)值可以表示目標(biāo)磁源的實際位置和大小。這樣就可以把求解目標(biāo)磁源數(shù)據(jù)問題轉(zhuǎn)換為求解方程組最小最優(yōu)化問題，實現(xiàn)實際問題與數(shù)學(xué)問題的轉(zhuǎn)變。
對于求解非線性方程組的最小最優(yōu)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。這些算法各有各的優(yōu)缺點，綜合世界運算速度、定位精度和編程難易程度，最后選用牛頓迭代算法。
4.4、數(shù)據(jù)保存
系統(tǒng)軟件將每次監(jiān)測計算出的磁源位置、大小數(shù)據(jù)保存為文本形式，同時添加保存當(dāng)前系統(tǒng)的時間。待監(jiān)測任務(wù)完成后，點擊圖形繪制按鈕，軟件通過MathScript 節(jié)點調(diào)用MATLAB 程序，將保存的位置、大小數(shù)據(jù)與對應(yīng)的時間繪制成一個三維立體圖形，并直觀的表現(xiàn)出目標(biāo)磁源的位置和大小。
五． 軟件實現(xiàn)和實驗結(jié)果
目標(biāo)磁定位系統(tǒng)測試軟件是由Labview2012 評估版軟件編寫實現(xiàn)，軟件主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)讀取、定位計算、結(jié)果顯示、信號波形顯示、數(shù)據(jù)保存等功能模塊。數(shù)據(jù)采集過程中，通過物理通道讀取NI9239 采集的磁場3 分量數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳給定位算法模塊，由其計算出目標(biāo)磁源的位置、大小和姿態(tài)參數(shù)，并在系統(tǒng)軟件上顯示計算結(jié)果。定位系統(tǒng)在小于2s 的時間內(nèi)完成1 組數(shù)據(jù)的處理，計算并顯示出目標(biāo)磁源的位置及大小。根據(jù)目標(biāo)移動的位置和時間關(guān)系，系統(tǒng)軟件就可以繪制出目標(biāo)移動軌跡。從而，基本實現(xiàn)目標(biāo)的實時跟蹤和定位。
系統(tǒng)軟件顯示界面如圖5-1 所示：
圖 5-1 系統(tǒng)軟件界面
圖5-2 部分程序
通過實驗測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，測量精度比較高。目標(biāo)磁源位置定位比較準(zhǔn)確，定位誤差小于5cm，夾角誤差小于1 度，磁矩大小誤差小于0.5Am2。并且對織物、人體等費金屬介質(zhì)不敏感。測試環(huán)境要求空曠無大的金屬體。
六． 結(jié)論
實驗中的定位誤差主要來源于以下幾個方面：磁偶極子模型誤差、算法誤差、數(shù)據(jù)測量誤差、硬件電路誤差及外界噪聲干擾誤差等。實驗中磁源的空間磁場分布是由磁偶極子模型建立的，而模型有假設(shè)條件，這與實際情況存在差異，由此帶來模型誤差。定位算法通過牛頓迭代算法來逼近設(shè)置的誤差最小值來求解的，因此計算值與實際值有一定誤差。另外，實驗中各種測量儀器也會引入誤差，以及周圍環(huán)境噪聲干擾因素，這些都影響了定位精度。
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