專利名稱：差分梯度測量磁力計、系統(tǒng)及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施方式涉及用于通過感測磁場中斷來定位期望物體的裝置和系統(tǒng)以及使用該裝置的方法。
背景技術(shù)：
使用磁力測定搜尋和發(fā)現(xiàn)物品具有很長的歷史，特別是在物品埋藏于地下或者淹沒于水下的情況下。通過磁力測定來調(diào)查的項目類型眾多且各不相同，諸如作為示例但無疑并非限定的未爆彈藥(UXO)、地雷和水雷、潛水艇、簡易爆炸裝置(IED)、考古領(lǐng)域的物品、與石油或礦物勘探有關(guān)的地球物理學(xué)特征等等。搜尋、檢測和定位物體必定需要對某些探區(qū)的勘測。傳統(tǒng)的磁力計和磁力計系統(tǒng)通過如下方式來實現(xiàn)這種勘測，即，隨著儀器和/或傳感器沿著多條路徑(通常是形成蛇形線的一系列平行線)移動來采樣磁場測量。 這些采樣數(shù)據(jù)在時域中、連續(xù)地、逐個數(shù)據(jù)點地被記入日志或以其他方式記錄。在某些情況下，儀器或傳感器的地點或位置被與采樣數(shù)據(jù)點相關(guān)地進行記錄，并且隨后用于制作勘測圖，即，空間域中的有用信息。因此，傳統(tǒng)的系統(tǒng)收集大量的數(shù)據(jù)集合，其需要計算機軟件操作以將時域數(shù)據(jù)變換為空間域中的有意義信息，即，勘測圖或坐標網(wǎng)格上的物體的位置。這總是成立的，不論例如標量、矢量、梯度或者梯度率變化通量密度等被測磁場參數(shù)如何，也無論磁力計使用的磁場傳感器如何，該磁力計例如，一軸、二軸或三軸矢量類型通量門，磁性二極管，霍爾效應(yīng)，磁阻的、磁感應(yīng)的或旋轉(zhuǎn)穿隧接面(spin tunnel junction)裝置，和/或由所謂的總磁場傳感器使用的磁場傳感器，該總磁場傳感器諸如質(zhì)子銫(proton cesium)或質(zhì)子進動(Overhauser)裝置。

發(fā)明內(nèi)容
在磁力測定領(lǐng)域，術(shù)語“磁力計”經(jīng)常被可交換地用于表示整個系統(tǒng)或者單個磁場感測裝置。在指代單個裝置時，術(shù)語“磁力計”通常為標量裝置(總磁場)保留。然而，在研究文獻和產(chǎn)品手冊中存在反例。術(shù)語“傳感器”被排他地用于有關(guān)單個磁場感應(yīng)裝置，通常是矢量類型傳感器。在本公開中，術(shù)語“磁力計”和“傳感器”可互換地用于表示矢量或標量裝置。在本公開中，術(shù)語“磁力計”還用于表示完整的系統(tǒng)。檢測陣列架構(gòu)和特定的數(shù)字信號處理技術(shù)代表DGM儀器的關(guān)鍵。該陣列是排布成線性幾何圖案的多個個體磁性傳感器或者完整的磁力計的網(wǎng)絡(luò)。例如，該陣列可以包括裝配在簡單的碳纖維管中的一系列均勻分隔的傳感器。陣列長度的實際上限和下限非常寬泛，從微米規(guī)模到千米規(guī)模的范圍。在一個實施方式中，DGM陣列所需要的個體傳感器的最小數(shù)目是3個。然而，上限僅僅受到工程考慮的限制。例如，1千米長的陣列可以使用1000 個1米間隔的均勻分隔的傳感器。在陣列中可以使用任何類型或種類的磁性傳感器或計量器，上述類型或種類適合于應(yīng)用或任務(wù)。在陣列中使用的傳感器或計量器的解析度可以是適合于磁力測定目標的任何值。本發(fā)明的實施方式教導(dǎo)了一種設(shè)計和方法，由此當DGM陣列在物體之上、之下或旁邊移動時，在空間域中直接收集磁場信息。具有此能力是由于該陣列是多個磁場傳感器的線性排布，其橫跨磁場異常的兩側(cè)并且穿過它，由此同時測量背景地磁場以及圍繞物體的感應(yīng)磁場。圍繞與應(yīng)用的磁場相互作用的物體的感應(yīng)磁場的大小可以由對其進行測量的儀器的解析度限定，或者由某些信噪比限制限定。DGM陣列長度可被設(shè)計為涵蓋圍繞大多數(shù)通常受磁力測定影響的物體的感應(yīng)磁場。例如，具有1 ηΤ(1豪微特斯拉(nanotesla)= 10_9特斯拉(tesla)，通量密度單位)的解析度的3米長的陣列可以包圍圍繞手槍大小的任何物體的感應(yīng)磁場。以0. 5 ηΤ的解析度運作的6米長的陣列將足夠用于任何地雷。取決于本地磁場狀況，數(shù)字信號處理算法選擇陣列中的一個傳感器作為參照。從其余傳感器的輸出減去此參照傳感器的輸出，從而生成沿著陣列的長度規(guī)律分布的一系列差分測量。所有差分測量都在相同的時間點進行。由于感應(yīng)磁場異常的物理特性對所有上述磁場都是公知的并且常見的，因此有關(guān)磁場異常的形狀、幅值和梯度的信息可以與陣列中的傳感器的位置進行相關(guān)。這提供了一種向操作者實時呈現(xiàn)信息的途徑，因為數(shù)據(jù)是在一個時間點在空間域中被直接收集的。以這種方法收集信息轉(zhuǎn)化為低計算需求。這里不像傳統(tǒng)的系統(tǒng)那樣需要計算機軟件數(shù)據(jù)重建。除了由DGM陣列中的磁力計進行的差分測量之外，還可以提取磁場梯度數(shù)據(jù)。由于沿著該陣列的每個傳感器之間的距離都是固定的并且是已知的，因此可以確定在跨磁場異常的橢球體的整個橫截面的相關(guān)點處分布的磁場梯度信息。當提取梯度信息時，測量每個傳感器輸出與其最接近的鄰居之間的差值。將這些標量幅值除以每個傳感器之間的固定距離，從而提取同樣分布在沿陣列長度的相關(guān)位置處的矢量梯度數(shù)據(jù)。這種設(shè)計與用于輸出數(shù)據(jù)處理的雙模技術(shù)相結(jié)合，支持陣列同時以差分和梯度模式運作。同時具有關(guān)于圍繞物體的感應(yīng)磁場的標量差分和矢量梯度信息，這允許計算關(guān)于物體在χ-y水平面或圖平面以及沿著ζ軸或垂直軸的位置的解，從而在三維空間中對其進行定位。每當陣列進行采樣測量時，在矢量(包括方向和幅值信息二者的數(shù)據(jù))中捕捉物體的感應(yīng)磁場的完整橫截面圖。因此，當陣列在被檢查物體的之上、之下或旁邊移動時，一系列連續(xù)的橫截面圖在移動方向上以規(guī)律間隔跨越磁場異常而被收集。繼而對這些橫截面切片進行編譯，以揭示物體的完整三維磁場輪廓。因此，物體可以隨著測量的進行而被檢測、定位和繪圖，而不是像傳統(tǒng)系統(tǒng)一樣在某個后來的時間或日期。關(guān)于對勘測區(qū)域進行繪圖，在傳統(tǒng)系統(tǒng)和本發(fā)明的實施方式之間存在很多重要的區(qū)別。即使在收集流數(shù)據(jù)的同時對其進行記錄并將其與儀器位置相關(guān)，傳統(tǒng)的系統(tǒng)也不能實時生成有意義的勘測圖。無論是測量標量、矢量、總磁場、梯度還是比率變化梯度信息，都是在沿著搜尋路線或路徑、針對所記錄或繪圖的每個數(shù)據(jù)點的空間中的一個點處完成。取決于儀器的采樣率和搜尋速度，隨著收集流化數(shù)據(jù)對其進行繪圖，產(chǎn)生出沿著特定的搜尋線以有規(guī)律的距離間隔的一系列數(shù)據(jù)點。圍繞與所應(yīng)用的感應(yīng)磁場相互作用的物體的感應(yīng)磁場具有物理大小、形狀以及方向。由于搜尋線可以在與物體有關(guān)的任何位置橫切該磁場， 即，穿過一個邊緣、越過中部，等等，因此在對來自足夠圍繞全部磁場的許多搜尋線的數(shù)據(jù)進行編譯之前，無法得知磁場大小、形狀以及方向的完整圖片。只有在此后才能確定物體的位置。在實時記錄數(shù)據(jù)與實際上實時定位和繪制物體之間存在重要的區(qū)別。由于本發(fā)明的實施方式可以捕捉感應(yīng)的磁場的完全的截面輪廓，隨著移動發(fā)生，對全部磁場輪廓進行繪圖，對磁場大小、形狀以及方向進行成像，以及實時對物體進行定位和繪圖。進一步，傳統(tǒng)的系統(tǒng)制作二維勘測圖。這些圖在最初被生成的時候僅僅包含X-y 水平面或投影圖平面的位置信息。如果在圖生成中沒有獲得或者包括檢測距離或深度信息，則勘測圖包含位置偏移誤差。偏移是所觀察到的物體的感應(yīng)磁場的最大幅值與物體的質(zhì)量的磁中心的實際位置之間的水平距離。這一觀察到的最大幅值(代表極值)在物體的任何一側(cè)的偶極磁場軸的交叉處出現(xiàn)，與地磁場矢量同軸，其中物體總是以距磁力計的某個距離沿著該軸。由于該軸線以某個對應(yīng)于地磁場矢量傾斜角的角度傾斜，因而該物體并非直接位于極值之下。當在磁極(地磁場矢量為90°上下時)以及沿著地磁赤道(地磁場矢量為0°北)時，偏移僅僅為零。對于地球上全部其他位置，偏移距離是地磁場矢量的傾斜角以及磁力計與物體之間的距離的三角函數(shù)。對于較大檢測距離(諸如被很深地埋藏或淹沒在水下的物體)，以及中部地理緯度(地磁場矢量為接近45° )，偏移距離可以是正在被檢查的物體的直徑的數(shù)倍。在由傳統(tǒng)的系統(tǒng)生成二維勘測圖的情況下，物體實際上位于由磁場輪廓極值指示的位置的北部或者南部。并非磁力測定領(lǐng)域技術(shù)人員的人可能不知道這種幾何學(xué)，在這種情況下，偏移誤差可能證明重要的事項，例如解釋低劣的勘測圖。相反地，本發(fā)明的實施方式包括一個陣列，其能夠同時在差分以及梯度模式操作。這支持系統(tǒng)對物體的感應(yīng)磁場的連續(xù)的截面輪廓以及檢測距離進行測量，即，收集三維數(shù)據(jù)集合。由于地磁場矢量的傾斜角是已知的，簡單的三角學(xué)計算可以對偏移距離進行求解，并且物體可以正確地位于勘測圖上。因此，不用考慮儀器的地理位置，DGM系統(tǒng)的偏移誤差總是零。線性幾何架構(gòu)以及陣列中多個傳感器的使用支持DGM進行差分磁場測量。盡管事實上傳統(tǒng)的梯度測量磁力計(有時稱為梯度計)通過將一個儀表的輸出從其同伴中減去來進行差分磁場測量，在這種技術(shù)和本發(fā)明的實施方式的差分測量技術(shù)之間存在重要的區(qū)別。憑借數(shù)字信號處理算法，從DGM陣列中除一個磁場傳感器以外的其余傳感器的輸出中減去該一個磁場傳感器的輸出。不同于傳統(tǒng)的梯度計所進行的矢量測量，這些測量值是標量幅值。進一步，由于在陣列的長度上獲得了多個這些差分標量磁場測量值，并且由于它們與陣列中的傳感器的物理位置是相關(guān)的，因此在空間域中直接捕捉了物體的感應(yīng)磁場的完整而連續(xù)的橫截面標量輪廓。這不同于在時域中從物體的感應(yīng)磁場的單個點收集信息的傳統(tǒng)磁力計。在本發(fā)明的實施方式的梯度測量技術(shù)與傳統(tǒng)的磁力計之間存在相同的區(qū)別。取代與陣列的差分測量一樣使用來自陣列中的單個傳感器的輸出信號作為參考運算數(shù)的是，第二數(shù)字信號處理算法將每個傳感器的輸出從其在陣列中最接近鄰居的輸出中減去，繼而用這個標量幅值除以每個傳感器之間的固定距離，從而提取沿著陣列分布的并且與陣列中的傳感器的位置相關(guān)的多個梯度矢量數(shù)據(jù)。這些矢量數(shù)據(jù)構(gòu)成物體的感應(yīng)磁場的連續(xù)截面梯度輪廓，在空間域中實時捕捉輪廓。這不同于在時域中從物體的感應(yīng)磁場的單個點收集類似信息的傳統(tǒng)磁力計。地球的磁場是動態(tài)的且多樣的。它的幅值和方向二者在從微秒到千年的范圍內(nèi)在時間上發(fā)生變化，并且在從米到半球比例的范圍(地磁的以及非周期的不連續(xù))內(nèi)在空間上發(fā)生變化。當磁場的周期可以與儀器樣本速率比較時，以及當磁場的幅值等于或者超
6過儀器解析度時，時間變化代表對勘測、監(jiān)視以及檢查磁力測定的源噪聲。對于傳統(tǒng)的磁力計，這個源噪聲或背景噪聲在信噪比和有效儀器解析度之間的關(guān)系起到負面作用。如果磁力計的測量解析度為1 ηΤ，并且地球的磁場在接近或少于儀器采樣率的時期期間上以 +/-3 ηT變化，在噪聲中可能會丟失1 JlT的信號，并且物體可能不會被檢測到。傳統(tǒng)的系統(tǒng)通常使用不同的數(shù)字信號處理和/或軟件數(shù)據(jù)操作技術(shù)作為緩解源噪聲的方法。盡管這些不同的電路和軟件技術(shù)在緩解源噪聲中是有效的，但它們不能完全消除源噪聲，也不能在以任何給定的采樣率與儀器的解析度相關(guān)時使信號與源噪聲的比率接近統(tǒng)一。此外，這些源噪聲緩解/管理技術(shù)需要附加于磁力計系統(tǒng)硬件/軟件自身的電路、固件和/或軟件。 在很多情況下，由于為了區(qū)域勘測針對便攜式操作需要解決很多重要問題，這可能會很復(fù)雜并且消耗電力。要求校準的和/或極度精確的磁場測量的傳統(tǒng)的磁力計或傳感器加重了這一問題。事實上，在周圍的地磁場和由物體生成的偶極磁場異常之間的差值中包含了檢測以及位置信息。在對物體進行檢測、定位或繪圖中不需要校準的測量。如前所述，創(chuàng)新的信號處理技術(shù)支持陣列中的任何一個傳感器充當關(guān)于地球磁場的參照。將這一個傳感器的輸出從陣列中其余傳感器的輸出中減去，由此提供相對于地球磁場的物體的截面磁場輪廓的差分測量。由于陣列中的所有傳感器一致地在相同的時間、以相同的輸出幅值對本地磁場中的變化做出響應(yīng)，因此在利用差分測量的情況下，信噪比的問題被預(yù)占為接近統(tǒng)一，并且DGM陣列實際上在任何儀器解析度或采樣率都不受源噪聲的影響。此外，這種相同的技術(shù)支持DGM陣列不受來自電磁能的干擾，該干擾諸如來自人造或自然來源(例如，太陽黑子或電暈放電)的射頻輻射。由于本發(fā)明的實施方式為了對物體的位置進行檢測、定位或繪圖而無需校準的磁場測量，因此完全不需要儀器校準。這種特征極大地降低了傳統(tǒng)的系統(tǒng)中的電路和軟件復(fù)雜性、操作需求以及維護。在磁力計是固定的并且感興趣的物體相對于該磁力計移出或者移入磁力計的鄰域的情況下，本發(fā)明的實時方式提供了某些附加的優(yōu)點。從等位磁通密度磁場線(用于描述圍繞物體的感應(yīng)磁場的特征的有用的構(gòu)造)方面來說，磁場的形狀是橢球體，該橢球體的長軸與地球的總磁場矢量(或者與人類應(yīng)用的磁場的總磁場矢量)平行并且同軸。在這種情況下，傳統(tǒng)的系統(tǒng)僅僅能夠沿著橫切磁場輪廓的單個線，當其經(jīng)過磁傳感器時，收集標量、矢量或梯度信息。因此，傳統(tǒng)的系統(tǒng)逐個數(shù)據(jù)點地按照儀器的采樣率以及經(jīng)過物體的相對速度在時域中收集信息?？梢栽O(shè)置DGM陣列的大小，以橫切物體的整個場輪廓，完全延伸穿過并且超出任何一側(cè)。例如，以0. 5 IiT的解析度運行的6米長的陣列包圍圍繞任何手提式的或者隱藏的武器(包括所稱的自殺炸彈背心)的感應(yīng)磁場。因此不同于傳統(tǒng)系統(tǒng)的是，隨著物體經(jīng)過DGM陣列，DGM通過構(gòu)成橫截面的連續(xù)平面而不是構(gòu)成線的單個線來收集場信息。這意味著本發(fā)明的實施方式直接在空間域中收集形式上為連續(xù)橫截面片的磁場信息。由于這些數(shù)據(jù)被實時地在空間上加以區(qū)分，并且沿著陣列長度與磁傳感器或儀表的已知位置相關(guān)，因此可以實時地對橫截面片進行編譯，從而隨著物體移動靠近或經(jīng)過陣列而生成該物體的磁場輪廓的完整三維圖像。在這種情況下，目的并不是生成勘測圖而是生成三維圖像，對于本發(fā)明的實施方式而言，該三維圖像可以通過顯示器被呈現(xiàn)給操作者，并且附帶有關(guān)于物體自身的附加信息，諸如表觀質(zhì)量、范圍、磁距以及磁場方向。本發(fā)明的實施方式有助于對汽車或行人交通或其他感興趣的物體進行感測、追蹤以及成像。例如，如果DGM陣列埋在行人阻塞點下或懸掛在行人阻塞點上，可以針對隱藏的武器(諸如，手槍、手榴彈，自殺炸彈背心等)而對在陣列之上或之下行走的人進行監(jiān)視。在工業(yè)應(yīng)用的情況下， 可以為了以下目的檢測移動物體(例如，機器零件)過程分級、計時、計數(shù)或以其他方式檢查缺陷和正確尺寸(質(zhì)量)等。本發(fā)明的實施方式關(guān)于空間解析度和采樣率之間的關(guān)系提供了優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)的某些其他優(yōu)點?？臻g解析度表示沿著任何方向軸(即，在χ-y水平面或圖投影平面，和/或代表垂直距離或深度的ζ軸)定位的、儀器可以確定的最小距離?？臻g解析度還表示可以分辨的距離很近的兩個物體的最小距離。例如，如果磁力計的空間解析度是1米，那么可以在直徑為1米的圓形區(qū)域內(nèi)(代表50厘米的最大位置誤差，S卩，在物體的任何一邊上的兩個數(shù)據(jù)點間的一半)對物體的磁質(zhì)量的中心進行定位。采樣率指在給定時期期間進行的磁場測量或其他測量的數(shù)量，通常表示為采樣/秒(S/秒)或者有時表示為頻率(Hz)，二者具有相同的意義并且數(shù)值上相等。由于傳統(tǒng)的系統(tǒng)在時域中收集信息，空間解析度是采樣率和儀器與被檢查的物體之間的相對速度的函數(shù)。例如，如果儀器的采樣率是IS/秒，并且它的相對速度是1米/秒，它的有效空間解析度將是1米。當對物體進行檢測的兩個數(shù)據(jù)點碰巧在物體的任何一側(cè)下降了相等的距離時，1米的有效空間解析度轉(zhuǎn)化為50厘米的最大位置誤差。在缺少檢測距離和表觀磁質(zhì)量信息的情況下，無法對這些數(shù)據(jù)進行插值以作為求解更精細位置的一種途徑。在缺少這些測量的情況下，無法得知空間比率變化或磁場輪廓的斜率。例如，非常接近磁力計的小物體呈現(xiàn)具有非常陡的幅值對距離斜率的磁場輪廓， 即，具有銳利的或尖的形狀的幅值輪廓。較大的物體或位于較大距離的相同物體呈現(xiàn)具有更加平緩的幅值對距離斜率的磁場輪廓，即，具有鈍的或者平坦的形狀的輪廓。由于在缺少檢測距離和表觀質(zhì)量信息時不可能得知這個斜率，因此沒有用于插值的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。這個位置誤差由于偏移誤差而被加劇。在偏移誤差接近零的較高和較低地理緯度，空間解析度誤差接近如采樣率和相對速度方面接近統(tǒng)一。然而，在中間緯度處，它可能會變成總的位置誤差的重要部分。與之相反，本發(fā)明的實施方式的空間解析度并不是采樣率和速度的函數(shù)，并且事實上完全獨立于它們。由于本發(fā)明的實施方式中的陣列在空間域中直接測量和收集信息，因此其空間解析度由陣列中的儀表或者傳感器之間的物理距離來確定。為了收集有意義的矢量斜度數(shù)據(jù)，DGM陣列中的傳感器被相互間相等地分隔開。例如，具有13個傳感器的6米長的陣列，每個傳感器之間(12個間隔)的間距為50厘米，得到25厘米的空間解析度。由于當陣列測量這些12個矢量斜度時同時測量檢測距離以及表觀磁質(zhì)量，因此可以對圍繞物體的感應(yīng)磁場的幅值/距離斜度進行量化，從而提供用于插值所必須的數(shù)學(xué)變量。 此外，不論勘測的地理位置如何，針對DGM陣列的偏移誤差總是零。這些特征代表了在勘測磁力測定領(lǐng)域中在位置誤差中超越傳統(tǒng)的系統(tǒng)的重要改進。本發(fā)明的實施方式提供了超越傳統(tǒng)的系統(tǒng)的一個優(yōu)點，因為它與來自并非所搜索、測試或檢查主體的附近固定物體的干擾有關(guān)。如果圍繞固定物體的感應(yīng)磁場的幅值大于接近鄰域內(nèi)的磁力計的解析度，該磁場可能會干擾儀器的操作、測量精確度或者校準。本上下文中的“固定”意指干擾物體和儀器之間的相對速度為零，例如被附著了磁力計的地面或空中的交通工具。同時發(fā)生的磁場矢量相加，因此取決于在何處進行測量，圍繞物體的感應(yīng)磁場可以多于或少于施加的磁場的幅值。接近鄰域內(nèi)的傳統(tǒng)磁力計測量干擾磁場和施加的磁場的矢量和，其所得到的值代表測量誤差。如果對矢量測量進行采樣，則誤差包括幅值和方向二者。這種類型的誤差在非常接近大型金屬物體(諸如船引擎)的普通羅盤的偏差中很明顯。傳統(tǒng)磁力計可以針對這種類型的誤差采用應(yīng)對措施，諸如可調(diào)整的或程序化的偏移、磁屏蔽、象限球(弗蘭德球或條)或者現(xiàn)場校準。這些技術(shù)具有操作上的缺點，包括附加的重量、增加的電路和/或軟件復(fù)雜性，增加的操作復(fù)雜性，以及在現(xiàn)場校準的情況下，附加的磁力計充當被用作磁場參照的所謂基站。本發(fā)明的實施方式能夠通過被稱為標準化的技術(shù)的方法來消除這種類型的干擾。與傳統(tǒng)的系統(tǒng)不同，差分儀器(諸如DGM陣列) 固有地適合于管理靜態(tài)的或非時變的干擾。由于陣列通過分布式差分測量方法從物體的感應(yīng)磁場提取信息，因此提供信息的是任何傳感器的基態(tài)的變化，而不是其輸出的絕對幅值。 因此，陣列中的任何穩(wěn)定的非時變輸出均可被注冊為其基態(tài)，而無需考慮它的輸出值。一旦沿著陣列的每個傳感器的基態(tài)被注冊，每個傳感器的輸出都被認為是零，而無需考慮它的最初輸出幅值。這就是傳感器輸出標準化。在這個過程之后，傳感器輸出中的任何變化代表本地磁場中的變化，其在搜索、監(jiān)視或檢查操作期間必定是感興趣的物體。這個特征代表了超越傳統(tǒng)系統(tǒng)的重要改進。本發(fā)明的實施方式涉及檢測、測量和表征圍繞與地球磁場或者人工施加的磁場相互作用的物體的感應(yīng)磁場。在與地球磁場相互作用的情況下，本發(fā)明的實施方式還涉及測量物體本身的某些性質(zhì)，諸如表觀磁質(zhì)量，其為與施加磁場、磁矩以及相對于某些參照點或者基本方向的方向相互作用的部分物體的質(zhì)量。在與人工施加的人造磁場相互作用的情況下，本發(fā)明的實施方式還涉及檢測并且測量正在被測試或檢查的某些物體的表面或者內(nèi)部的裂縫、缺陷或其他中斷。在與地球或人造磁場相互作用的任何一種情況下，本發(fā)明的實施方式進一步涉及相對于差分梯度測量磁力計(DGM)檢測陣列和/或相對于格網(wǎng)、圖或GPS 參照而在三維空間中定位物體。所述實施方式包括測量檢測陣列與感興趣的物體或被檢查的物體之間的距離(點到點的檢測距離)。在某些情況下，當物體位于地下或淹沒在水下時，這轉(zhuǎn)化為深度測量。在其他情況下，它可以轉(zhuǎn)化為目標范圍。本發(fā)明的實施方式包括獨特的特征，其包括但不限于磁場感測陣列的架構(gòu)，在陣列中使用多個磁場傳感器或者磁力計，陣列的物理長度以及用于支持陣列同時以差分和梯度模式二者進行操作的陣列的信號處理的雙模技術(shù)。其他獨特特征在于一種途徑，用于在空間域中直接捕捉差分和梯度磁場數(shù)據(jù)，從而提取定位和繪圖所需要的三維信息，以及關(guān)于物體自身的信息，諸如表觀質(zhì)量和磁矩。由于在空間域中直接捕捉信息，因此可以實時地對這些數(shù)據(jù)進行顯示、存儲/記錄以及繪圖。又一特性在于一種途徑，用于將時間變量源噪聲消除到接近零，從而使得針對任何給定解析度和采樣率的信噪比接近統(tǒng)一，消除電子噪聲到接近零，并且通過傳感器標準化方法消除固定物體非時變性干擾。在一個實施方式中，該陣列包括在物理上以線性幾何圖案排布的多個磁場傳感器或磁力計。該磁場傳感器均勻地間隔開。在使用標量或所謂的總磁場儀表的情況下，所有總磁場儀表共享共同的同軸準線。如果使用1軸或2軸矢量傳感器，所有傳感器共享共同的同軸準線。這種架構(gòu)的一個示例是安置在直的非鐵管(諸如，玻璃纖維、碳纖維和鋁等) 中的一系列傳感器。另一個示例是布置在構(gòu)成維陣列或納米級陣列的半導(dǎo)體襯底上的一系列磁傳感器。這種架構(gòu)的又一示例是附接到數(shù)據(jù)傳輸電纜的若干傳感器。在一個實施方式中，在陣列中使用的傳感器的數(shù)量下限為3。然而，上限僅由諸如所使用的傳感器或儀表的重量、能量消耗以及物理尺寸等實踐考慮來限制。例如，設(shè)計用于針對隱藏的武器而監(jiān)視行人交通的陣列可以是2米長，并且使用間隔10厘米的、均勻分隔開的21個傳感器。這個陣列的空間解析度是期望的5厘米。設(shè)計用于沿著井深來檢查地磁層的陣列可以利用連接到長數(shù)據(jù)傳輸電纜的數(shù)千個傳感器。這類電纜陣列可以沿著車行道連成一串或者環(huán)繞物體(如機器零件)以用于檢查目的，或者圍繞一個區(qū)域(如建筑物) 以用于監(jiān)視目的。取決于任務(wù)以及主要的操作要求，在陣列中可以使用任何類型或種類的標量或矢量磁場傳感器。轉(zhuǎn)而，傳感器或者磁力計可以按照可能適合應(yīng)用或任務(wù)的任何磁場幅值或矢量角解析度進行操作。圍繞與所施加磁場相互作用的物體的感應(yīng)磁場的大小可以被定義為等電位球狀體，其幅值等于儀器的解析度。針對DGM陣列的適當功能的必要條件是其長度足夠圍繞物體的磁場球狀體，如以上定義的，延伸穿過物體并且超過任何一側(cè)達到至少一個傳感器之間的間隔。例如，針對設(shè)計用于檢測和測量圍繞地雷的感應(yīng)磁場的以0. 5 IlT的解析度進行操作的陣列，6米的長度足夠針對任何大小或質(zhì)量的地雷。在操作之前，通過以下方式對陣列進行規(guī)則化將其相對于任何固定物體放置，并且使其遠離任何感興趣的搜索、監(jiān)視或檢查物體。通過簡單的軟件算法，將陣列中所有傳感器或儀表的輸出幅值通過采樣和保持技術(shù)存儲在計算機存儲器中。在由主高速時鐘進行相關(guān)的同一時間點，獲取全部這樣的采樣。計算這些傳感器輸出幅值與呈現(xiàn)最低值的一個傳感器的輸出幅值之間的差值，并將其存儲在存儲器寄存器中，每個寄存器與單個傳感器關(guān)聯(lián)并且專用于該傳感器。這些差值繼而變成操作數(shù)，它們從包括參照傳感器的每個傳感器的實際輸出幅值被減去，從而形成與每個傳感器關(guān)聯(lián)并且專用于這個傳感器的第三數(shù)據(jù)集合。這一相關(guān)幅值的第三集合變成陣列中的傳感器的標準化輸出，并且在某些感興趣的物體接近陣列或陣列接近感興趣的物體前保持值為零。在類似于對陣列進行初始化的標準化過程之后，根據(jù)針對所進行的每個采樣測量的傳感器輸出，允許第一數(shù)據(jù)集合有所變化。注冊的數(shù)據(jù)(操作數(shù))的第二集合被存儲在計算機存儲器中，并且在下一標準化過程之前保持不變，其中下一標準化過程可以通過操作狀態(tài)或環(huán)境中的變化在任何需要的時間發(fā)起。 第三集合，即輸出幅值與所注冊的操作數(shù)之間的差值，代表用于函數(shù)算法的原始數(shù)據(jù)。當圍繞搜索、監(jiān)視或檢查的物體的磁場被呈現(xiàn)給陣列中的傳感器時，在每次采樣磁場時，將存儲中的已注冊操作數(shù)的值從實際傳感器輸出中減去，因此，輸出數(shù)據(jù)集合僅僅反映傳感器的幅值變化。這三個數(shù)據(jù)集合允許系統(tǒng)對呈現(xiàn)給陣列的磁場的變化做出響應(yīng)，在搜尋/勘測、 監(jiān)視或檢查的任一情況中，磁場的變化是表征感興趣物體的場數(shù)據(jù)。此信息還由系統(tǒng)使用以計算或以其他方式提取關(guān)于物體本身的信息。這個過程因為兩個原因具有功用。第一， 它消除了來自固定物體的磁場干擾，這是對任何磁力測定應(yīng)用都有用的特征。第二，它有效地消除了設(shè)備響應(yīng)中固有的任何傳感器與傳感器的差值，接口和信號處理電路中固有的電路與電路的差值，以及連接線、電纜和連接器等中固有的其他差值。在一個實施方式中，在正常操作期間，通過常規(guī)的采樣和保持技術(shù)以某些適合的比率對磁場數(shù)據(jù)進行采樣。采樣數(shù)據(jù)在由主高速時鐘進行相關(guān)的同一時間點從全部傳感器被獲取，并且被臨時存儲在計算機存儲器中作為如上所述的對應(yīng)于陣列中每個傳感器的輸出數(shù)據(jù)集合。在連續(xù)樣本之間的周期，兩個獨立的數(shù)字信號處理算法同時對標準化的數(shù)據(jù)集合進行操作。一個算法通過首先分析所有經(jīng)標準化的數(shù)據(jù)點并且選擇具有最低幅值(值)的一個，來計算物體的感應(yīng)磁場的差分標量通量密度。這通過常規(guī)的下確界 (infimum)軟件引擎得以實現(xiàn)。此傳感器的經(jīng)標準化的輸出被標記為參照數(shù)據(jù)，并且從其余傳感器或儀表的標準化輸出值中被減去。這些標量幅值數(shù)據(jù)是針對該采樣周期的差分磁場測量。這些數(shù)據(jù)點繼而與陣列中的傳感器的位置或地點進行相關(guān)，并且被用于生成被檢查的磁場的空間區(qū)分橫截面輪廓。相關(guān)的數(shù)據(jù)集合繼而可以被存儲在計算機存儲器中或以其他方式記錄以供稍后使用，在搜尋或監(jiān)視操作期間實時向操作者立即顯示，或者隨著勘測的進行與之前的輪廓數(shù)據(jù)集合編譯以生成位置圖，或者隨著檢查的實施生成瑕疵/缺點圖。在提取和計算信息的過程中，圖數(shù)據(jù)僅僅包括二維信息，即，僅僅在x_y平面中的信息。在一個實施方式中，在差分算法操作的同一時期期間，第二獨立運行軟件算法對相同的標準化傳感器輸出數(shù)據(jù)進行操作，以用于提取同時梯度磁場測量值這一目的。此軟件算法將陣列中的每個傳感器的標準化輸出從其最接近的鄰居減去，并且將這些所得值存儲在與沿每個傳感器之間的陣列中線的位置相關(guān)并專用于該位置的存儲器寄存器中。該算法繼而用這些作為結(jié)果的值除以每個傳感器之間的固定距離，從而將標量幅值變換為代表磁場梯度信息的矢量。這些數(shù)據(jù)對所檢查的磁場的梯度橫截面輪廓進行表征，直接在空間域中對其進行捕捉。作為最后的步驟，這些數(shù)據(jù)被用做操作數(shù)，以計算作為范圍的檢測距離，當物體位于地下或被淹沒時計算深度，計算物體的表觀磁質(zhì)量，以及物體的磁矩。距離、 質(zhì)量和力矩信息繼而被添加到所計算出的信息并且由差分算法進行編譯以向操作者立即顯示數(shù)據(jù)存儲或者記錄，并且最為重要地，將二維圖信息轉(zhuǎn)化為包括作為范圍的檢測距離， 或物體深度的三維圖信息。DGM系統(tǒng)具有以下用途對表面、地下的和水下的地雷或水雷、簡易爆炸裝置 (IED)、爆炸成形彈(EFP)、未爆彈藥(UXO)，以及考古對象或者寶藏進行檢測、定位、繪圖以及物體表征。DGM系統(tǒng)還在以對物體本身或隱藏的物體(諸如武器和自殺炸彈背心)進行檢測、定位、計算和物體表征為目的，監(jiān)視水下船只、地面車輛以及行人交通中具有效用。進一步的效用可以是針對瑕疵、缺點和其他中斷，以及針對關(guān)于尺寸(質(zhì)量)、過程進行、過程計時和過程計數(shù)等的物體表征，檢查零件或者材料。再進一步的效用可以是用于測量和/ 或監(jiān)測地磁特征(諸如沿著井向下地磁層)，或者監(jiān)測沿著地震斷層線的地磁特征中的變化。通過以下詳細描述、附圖和權(quán)利要求，本發(fā)明的其他變形、實施方式和特征將變得明顯。


圖1描繪了完整的DGM系統(tǒng)的一個示例，其示出了兩個感測陣列的選擇，一個通過電纜或光纖連接，另一個通過無線電遙測鏈路連接；圖2描繪了使用13個磁力計或者傳感器的6米長的DGM陣列的一個示例的幾何架構(gòu)；圖3a、圖北和圖3c描繪了 DGM陣列中的儀表或者傳感器的軸向調(diào)準，其在圖3a 中示出了針對標量儀表的同軸調(diào)準，在圖北中示出了針對1軸傳感器的正交調(diào)準，以及在圖3c中示出了針對2軸傳感器的正交調(diào)準；圖4示出了針對傳感器數(shù)據(jù)標準化算法的步驟、數(shù)據(jù)流和公式集，其中該算法對
11關(guān)于傳感器與傳感器的變化以及來自非時變性或靜態(tài)的接近固定物體的傳感器輸出數(shù)據(jù)進行標準化；圖5描繪了由陣列收集、存儲在計算機存儲器中，并且由具有示出的3個數(shù)據(jù)集合 (M。，Ms*Mn)的傳感器數(shù)據(jù)標準化算法操作的傳感器輸出標準化數(shù)據(jù)的示例；圖6示出了針對差分測量算法的步驟、數(shù)據(jù)流和公式集，其中該算法對經(jīng)標準化的傳感器輸出進行操作以作為生成標量差分磁場測量的途徑；圖7描繪了由陣列收集、存儲在計算機存儲器中，并且由具有示出的7個數(shù)據(jù)集合 (M0, Ms, Mn, Mr, Ma, M，r和Md)的差分測量算法操作的差分測量數(shù)據(jù)的示例；圖8示出了針對梯度測量算法的步驟、數(shù)據(jù)流和公式集，其中該算法對經(jīng)標準化的傳感器輸出進行操作以作為生成矢量梯度磁場測量的途徑；圖9描繪了由陣列收集、存儲在計算機存儲器中，并且由具有示出的8個數(shù)據(jù)集合 (M0, Ms, Mn, Mr, Ma, M，r, Md和Mg)的梯度測量算法操作的梯度測量數(shù)據(jù)的示例；圖10描繪了在傳感器輸出標準化后并且在向陣列呈現(xiàn)感興趣的物體之前(無目標)的差分磁性數(shù)據(jù)的實時顯示的示例；以及圖11描繪了當向陣列呈現(xiàn)感興趣的物體時(目標正在被檢測)的差分磁性數(shù)據(jù)的實時顯示的示例。
具體實施例方式本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將會領(lǐng)會到本發(fā)明可以體現(xiàn)為其他具體形式而不會背離本發(fā)明的精神或基本特征。當前公開的實施方式因此在各個方面都被認為是示例性并且非限制性的。圖1描繪了一個示例性DGM系統(tǒng)。取決于DGM如何工作，也可能使用其他完整系統(tǒng)配置。提供本示例作為說明DGM陣列和信號處理算法如何整合到針對磁力測定勘測、監(jiān)視和/或檢查功能的功能性系統(tǒng)中的途徑。該陣列是多個磁性傳感器或磁力計的線性排布。在圖1中，示出了兩個陣列100以說明其可以通過導(dǎo)電電纜線路或光纖電纜線路111與中央電子單元101對接，或者通過無線電傳輸遙測經(jīng)由發(fā)射器107和接收器106與中央電子單元101對接?？梢蕴峁P聲器、 耳機或頭戴式耳機108作為向操作者就檢測感興趣的物體進行報警的途徑，該感興趣的物體在磁力勘測的情況下是例如地雷，在磁場監(jiān)視的情況下是攜帶隱藏的武器的交通工具或行人，或者在檢查作業(yè)的情況下是瑕疵、缺點、計數(shù)、質(zhì)量不足或超過質(zhì)量或過程計時或過程進行錯誤。實時顯示器109可以是任何操作者顯示器，諸如IXD，CRT和等離子屏幕等。 實時顯示器109實時呈現(xiàn)圍繞物體的磁場的橫截面輪廓(注意，圖11中的這種類型的顯示的示例)。此信息有助于關(guān)于相對于陣列、羅盤方向或者某些其他參照點的方向的檢測、定位以及物體表征。假設(shè)陣列的高度是已知的，也可以實時顯示關(guān)于物體位置、質(zhì)量和檢測距離(如果是地下的或者水下的，則是深度)的信息。取決于任務(wù)和/或電能的可用性，電源 102可以是電池、阻擋層光電元件或者電力線路。示出的GPS單元103用以說明可以整合 DGM系統(tǒng)或僅僅是陣列的位置，以用于對所檢測的物體的功能和/或位置進行繪圖之目的。 操作者輸入104包括系統(tǒng)輸入功能可能需要的輸入開關(guān)、撥號設(shè)置以及指示燈。外部圖顯示器105區(qū)別于實時顯示器109，這是由于它將三維信息顯示為圖或格柵參照系上的覆蓋。DGM系統(tǒng)能夠?qū)崟r向操作者繪制并且顯示所檢測的物體?？梢蕴峁?shù)字存儲110作為在搜尋、監(jiān)視或檢查操作期間收集磁場信息的途徑并且可以在稍后被用于分析。虛線113指示這些組件根據(jù)磁力測定目標的需要可以包括任何數(shù)量的其他組件。圖2描繪了使用13個傳感器或磁力計122的6米長的示例性DGM陣列120。傳感器122被標記為Mtl到M12 121，其中陣列的中心線被標記為M6。尺寸123指示不論所使用的傳感器數(shù)目如何，每個傳感器之間的距離是相等的，并且是所有傳感器共同的。這個相等的距離有益于適合的梯度測量。在上述實施方式中，傳感器的最小數(shù)目為3個。然而，上限僅僅受到工程學(xué)和/或環(huán)境考慮(諸如重量、能量消耗、任務(wù)或責任、陣列的長度等)的限制。 任何類型(包括矢量、標量或梯度類型)的磁性傳感器122或儀表都可以在陣列120中使用。圖3a、圖北和圖3c描繪了沿DGM傳感陣列120的傳感器調(diào)準。在這三幅附圖的每一個中，χ軸132、142和152與平行于地球平面切線的水平方向相關(guān)聯(lián)，y軸133、143和 153是χ軸132、142和152的向頁內(nèi)或頁外的正交補，同樣與水平方向相關(guān)聯(lián)。Z軸134、 144和IM與和地球平面切線垂直的垂直方向相關(guān)聯(lián)。在標量(總場)類型磁力計131的情況下，如圖3a中所示，磁力計122的中央響應(yīng)點沿著與陣列120相關(guān)聯(lián)的公共線或軸133 同軸排成一行。這個公共軸的位置可以在陣列內(nèi)部的中心，諸如如所示沿著管130、140或 150的中央軸，沿著陣列的邊，諸如沿著數(shù)據(jù)傳輸電纜的一邊(未示出)，或沿著基板表面上的公共線(未示出)。圖: 詳述了單軸矢量類型傳感器141的調(diào)準。傳感器141的主響應(yīng)軸沿著三條位置軸χ、y或ζ中的一條排成一行，并且共享共同的正交方向。相同的調(diào)準用于如圖3c中所示的2軸矢量傳感器151。所有傳感器的主響應(yīng)軸與6個位置x-y、y-χ、 x-z、y-z、z-x或z-y中的一個對齊，并且共享共同的正交方向。多個磁場傳感器連同多個接口和支持電子電路必然展示出傳感器到傳感器或電子單元到單元的輸出變化，即使存在均質(zhì)的非時變性磁場也是如此。此外，根據(jù)操作和/或設(shè)備溫度的改變以及導(dǎo)致儀器漂移或不穩(wěn)定的其他因素，這些單元到單元的變化隨著時間的推移而改變或漂移。因此，在短時段期間，這樣的變化可以被認為是非時變性的，然而在長時段期間，它們可能會變化，即使很緩慢。因此，這些類型的儀器輸出變化可以被認為是非時變性的或類似非時變性的。在磁力測定勘測、監(jiān)視或檢查操作期間，與本地磁場相互作用的附近的固定物體可以向代表干擾的磁力計呈現(xiàn)感應(yīng)磁場。例如，附著到搜尋地雷的地面交通工具上的磁力計處于圍繞該交通工具的感應(yīng)磁場中。這個磁場可以代表針對傳統(tǒng)磁力計的解析度、靈敏度或者校準干擾。對于傳統(tǒng)磁力計而言這尤其存在問題，因為圍繞附近的固定物體的感應(yīng)磁場改變本地磁場的梯度。隨著地球的周圍磁場變化，這些感應(yīng)磁場將改變方向、方位和幅值。因此，雖然在短時期期間是些微非時變性的，這些類型的干擾也可以被認為是類似非時變性的。由于DGM陣列120被設(shè)計用于實現(xiàn)差分磁場測量，它獨特地能夠通過計算機軟件算法的方法減輕上述變化。陣列120通過分布式差分測量的方法從物體的感應(yīng)磁場提取信息。提供信息的是任何傳感器122的輸出變化，而不是其輸出的絕對幅值。因此，陣列120 中的傳感器的任何穩(wěn)定的非時變性輸出均可被注冊作為其基態(tài)，而無需考慮它的輸出值。 一旦沿著陣列120的每個傳感器122的輸出被注冊，每個傳感器122的輸出被認為是零而無需考慮它的最初輸出幅值。這是傳感器輸出標準化。在這個過程之后，傳感器輸出中的任何變化都代表本地磁場中的變化，其在搜尋、監(jiān)視或檢查操作期間必定是感興趣的物體。傳感器輸出標準化消除了非時變性的變化以及干擾。對于類似非時變性的變化以及干擾(即，在長時期期間緩慢改變的變化以及干擾)，可以周期性地重新發(fā)起傳感器輸出標準化。例如，在日周期，地球的周圍磁場矢量在幅值、方向以及傾斜角中發(fā)生改變。取決于地理位置，白天的變化的幅值可以是大約+/-100 ηT，其導(dǎo)致每小時中大約10秒或更多的ητ上的速率變化。這對于具有長操作周期的搜尋、勘測或監(jiān)視磁力測定可能會存在問題。在最初的傳感器輸出標準化之后，可以容易地監(jiān)測類似非時變性的變化和/或干擾，并且當其過高時，可以重復(fù)進行傳感器輸出標準化作為補償?shù)耐緩?。由于本發(fā)明的實施方式并不要求校準或者經(jīng)校準的測量，因此定期的傳感器輸出標準化可以在需要時由操作者輸入發(fā)起，或者借助于計算機軟件和電子電路自動實現(xiàn)，無需DGM系統(tǒng)本身以外的任何參照。圖4通過示出主要步驟、邏輯、數(shù)據(jù)流以及公式集而詳述了用于本發(fā)明的實施方式的傳感器輸出標準化的算法200的操作。它開始于操作者輸入，如操作者標準化發(fā)起205 所示，或自動開始(未示出)。地帶一致性210是存儲在計算機存儲器中的傳感器輸出變化或干擾的范圍，它的值取決于先前操作和環(huán)境狀況。如果變化或干擾的幅值超過了預(yù)設(shè)的地帶限制215，標準化失敗220。這由被標記為“地帶一致？ ”的是/否邏輯步驟指示。為了清楚起見示出了“失敗” 220、“待命” 221以及“經(jīng)標準化的” 222的指示符。如果變化或干擾在地帶限制之內(nèi)，算法通過首先清除基態(tài)寄存器225 (計算機存儲器)中的任何數(shù)據(jù)而繼續(xù)進行。接著，陣列120中的傳感器122或儀表的輸出值被采樣一次，并且被加載或存儲在計算機存儲器中。這由被標記為“采樣和保持傳感器輸出” 230和“加載數(shù)據(jù)字段#1:Μ?！?的步驟指示。Μ。為代表傳感器/儀表輸出值的術(shù)語，下標“ο ”表示“輸出”。Μ。的值繼而被存儲在獨立的計算機數(shù)據(jù)磁場存儲器中，作為針對陣列120中的每個傳感器或者儀表的 Ms。術(shù)語Ms代表基態(tài)傳感器值，下標“s ”表示“基態(tài)”。這個步驟被標記為“設(shè)定注冊操作數(shù)”235以及“加載數(shù)據(jù)字段#2:MS”。繼而在步驟“釋放傳感器輸出保持”240中釋放傳感器采樣保持。算法繼而開始按照可由先前操作、工程或環(huán)境狀況要求的預(yù)設(shè)采樣率，對傳感器輸出值進行采樣。這些值242被保持在針對每個采樣時期的計算機存儲器中作為M。。標簽 “以采樣率進行采樣”對5以及“加載字段#1:M。”指示這個步驟。標簽“執(zhí)行差值M。-MS = Mn"250以及“加載字段#3:Mn”表示最后的算法級，其中Mn表示經(jīng)標準化的傳感器輸出值或數(shù)據(jù)，下標“η”表示“經(jīng)標準化”。這通過公式⑴進行了數(shù)學(xué)表示Mn = M。_MS。(1)圖5是在傳感器標準化過程期間收集并存儲的數(shù)據(jù)的示例。表160中最上面的一行表示傳感器/儀表名稱。在這個示例中示出了十三個傳感器122，命名為MO至Ml2，但是取決于陣列120中的傳感器的數(shù)量，從3個傳感器到某個不確定的上限的任何數(shù)目都可以是此技術(shù)的對象。標記為“傳感器/儀表輸出M。”的表中的第二行是代表陣列120中的每個傳感器122的輸出值的數(shù)據(jù)字段#1 161。標記為“基態(tài)注冊MS”的表中的第三行是代表由算法用于計算經(jīng)標準化的數(shù)據(jù)輸出的操作數(shù)Ms的數(shù)據(jù)字段#2 162。標記為“經(jīng)標準化的輸出Mn”是代表如Mn = M0-Ms的經(jīng)標準化的輸出數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)字段#316。所呈現(xiàn)的值為任意單位。使用本發(fā)明實施方式的特定線性幾何架構(gòu)中排布的多個磁性傳感器，這允許DGM 系統(tǒng)提取或者以其他方式測量差分磁場信息。在此方面的特點在于磁場信息是如下方式被采樣的，即，取得代表參照的陣列120中的僅僅一個傳感器122與陣列120中的全部其他傳感器122之間的差值。由于陣列120中的每個傳感器122同時并且以相同的幅值經(jīng)歷并且測量短周期時變來源，因此從經(jīng)標準化的輸出值Mn減去被命名為M，r的參照傳感器的輸出值，會將此類噪聲有效地消除為接近零的值。由于地球的磁場呈現(xiàn)大約為0. 2pT/米量(IpT =1微微特斯拉=10_12特斯拉)的自然梯度這一事實，這些差分輸出值Md(下標“d”表示 “差分”的)被賦予接近零的水平。由于DGM陣列可以有數(shù)米長，這導(dǎo)致了 Md的差分測量中表示的少量梯度源噪聲。通過差分測量算法中的最后步驟來求解差分測量值Md = Mn-M，r。(2)通過首先編譯來自由系統(tǒng)的操作者或設(shè)計者建立的傳感器集合“S”的經(jīng)標準化的輸出值Mn，差分測量算法選擇參照傳感器。集合S被存儲在計算機存儲器中以供差分測量算法使用。在經(jīng)標準化的輸出值Mn被編譯為S的元素之后，算法計算S的下確界元素。在這種情況下，下確界表示來自集合S的最接近零值的經(jīng)標準化的輸出值Mn。對于隨后的公式集，允許集合S包括陣列120中的第一個和最后一個傳感器的經(jīng)標準化的輸出值，表示為 Mf*^，其中下標“f”和“1”分別表示“第一”和“最后”。集合S可以包括來自陣列120中任意有限數(shù)目的元素(從一個到全部傳感器)。針對本示例，算法的此層級如下給出S' = {|Mf|, IM1II,(3)其中質(zhì)數(shù)S，代表特定集合{Mf，MJ，并且Mr e S，:inf(S' ) = {|Mf|，M1Il, (4)其具有代數(shù)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的某些值可能是負的，因此使用Mf和M1的絕對值。M^是參照傳感器的缺省值。然而，在某些情況中，陣列120可以橫切物體的感應(yīng)磁場，其中陣列120的末端仍然完全位于感應(yīng)磁場中時，即，沒有延伸到未受擾動的地球周圍磁場中。當陣列120比物體所呈現(xiàn)的感應(yīng)磁場短或者與之接近時，情況將會如此。在這種情況中，由等式( 計算出的虬包括的誤差等于向軋呈現(xiàn)的地球磁場的磁場幅值。通常， Mr的值將是S中這樣的元素，其最接近零值，并且因此最接近所測量的地球磁場的經(jīng)標準化的基態(tài)值。為了將其納入考慮，差分測量算法對禮的先前的η個值取平均，并且編譯被包括為{Ma，Mj的數(shù)據(jù)集合P，其中Mr是η個采樣的回歸平均值，下標“η”表示“回歸平均值”。 η個采樣由DGM系統(tǒng)的操作者或設(shè)計者建立，并存儲在計算機存儲器中以供差分測量算法使用。繼而，確定集合P的下確界以生成代表等式O)中的的值的P的最大下界。Mr被保持在計算機存儲器中，以作為將其值與Mr的先前η個值的平均值Ma進行對比的途徑，其中
^cq1{Mr^+Mr-2 + - + MrJ--(、
Ma=η，(6 )其中η是構(gòu)成針對Ma的范圍的、Mr的先前值的數(shù)目，Ma具有解
權(quán)利要求
1.一種差分梯度測量磁力計，包括被配置為間隔排布的磁場傳感器的陣列；以及用于將所述傳感器保持為所述間隔排布的支撐物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁力計，其中所述磁場傳感器線形排布。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁力計，其中所述磁場傳感器均勻地間隔開。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁力計，其中所述磁場傳感器同軸排布或正交排布。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁力計，還包括三個或更多磁場傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁力計，還包括可操作計算機軟件，配置用于分析由所述磁場傳感器獲得的數(shù)據(jù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的磁力計，其中所述可操作計算機軟件配置用于消除來自地球磁場、外部射頻傳輸以及電磁噪聲的源噪聲。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的磁力計，其中所述可操作計算機軟件配置用于同時收集和處理差分數(shù)據(jù)和梯度數(shù)據(jù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁力計，其中至少一個磁場傳感器被用作磁場參照傳感器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的磁力計，還包括可操作計算機軟件，配置用于識別傳感器數(shù)據(jù)集合中最接近零的一個元素，并且配置用于指定一個或更多磁場傳感器作為參照傳感。
11.一種使用磁力計的方法，包括將所述磁力計放置在待考察的區(qū)域或物品附近；分析所獲得的數(shù)據(jù)以確定以下一個或多個所定位物體的位置、形狀、尺寸以及質(zhì)量；以及其中所述磁力計包括被配置為間隔排布的磁場傳感器的陣列，以及用于將所述傳感器保持為所述間隔排布的支撐物。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括靜態(tài)地放置所述磁力計，使得有待考察的物品可經(jīng)過所述磁力計。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括使所述磁力計在有待考察的區(qū)域之上經(jīng)過。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括將所述磁場傳感器的陣列的所有傳感器的輸出標準化為共同的數(shù)據(jù)參照。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括從一個或多個參照磁場傳感器的輸出中減去所述陣列中的每個磁場傳感器的輸出，以便生成差分標量磁場測量值的集合，其中所述差分測量值分布于所述陣列長度上，并且與沿所述陣列的所述磁場傳感器的位置相關(guān)。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括消除來自地球磁場的源噪聲。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括消除與環(huán)境電磁噪聲相關(guān)聯(lián)的外部射頻傳輸。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括消除與環(huán)境電磁噪聲相關(guān)聯(lián)的外部射頻傳輸。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括對與所述陣列附近的固定物體相關(guān)聯(lián)的磁場干擾進行標準化。
20.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括從一個或多個其他指定的磁場傳感器的輸出中減去所述陣列中的每個磁場傳感器的輸出，以便生成梯度矢量磁場測量值的集合，其中所述梯度測量值分布于所述陣列的長度上，并且與沿所述陣列的所述磁場傳感器的位置相關(guān)。
21.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括在空間域中收集磁場數(shù)據(jù)。
22.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括同時收集和處理差分磁場數(shù)據(jù)和梯度磁場數(shù)據(jù)，以確定所定位物體的位置、軸向定向、表觀磁質(zhì)量以及磁矩。
23.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括同時收集和處理差分數(shù)據(jù)和梯度數(shù)據(jù)。
24.—種差分梯度測量磁力計系統(tǒng)，包括磁力計，包括被配置為間隔排布的磁場傳感器的陣列；以及用于將所述傳感器保持為所述間隔排布的支撐物；以及可操作計算機軟件，配置用于分析由所述磁場傳感器獲得的數(shù)據(jù)。
25.根據(jù)權(quán)利要求M所述的系統(tǒng)，其中所述可操作計算機軟件還配置用于將所述磁場傳感器的陣列的所有傳感器的輸出標準化為共同的數(shù)據(jù)參照。
26.根據(jù)權(quán)利要求M所述的系統(tǒng)，其中所述可操作計算機軟件還配置用于從一個或多個參照磁場傳感器的輸出中減去所述陣列中的每個磁場傳感器的輸出，以便生成差分標量磁場測量值的集合，其中所述差分測量值分布于所述陣列長度上，并且與沿所述陣列的所述磁場傳感器的位置相關(guān)。
27.根據(jù)權(quán)利要求M所述的系統(tǒng)，其中所述可操作計算機軟件還配置用于消除來自地球磁場的源噪聲。
28.根據(jù)權(quán)利要求M所述的系統(tǒng)，其中所述可操作計算機軟件還配置用于消除與環(huán)境電磁噪聲相關(guān)聯(lián)的外部射頻傳輸。
29.根據(jù)權(quán)利要求M所述的系統(tǒng)，其中所述可操作計算機軟件還配置用于消除與環(huán)境電磁噪聲相關(guān)聯(lián)的外部射頻傳輸。
30.根據(jù)權(quán)利要求M所述的系統(tǒng)，其中所述可操作計算機軟件還配置用于對與所述陣列附近的固定物體相關(guān)聯(lián)的磁場干擾進行標準化。
31.根據(jù)權(quán)利要求M所述的系統(tǒng)，其中所述可操作計算機軟件還配置用于從一個或多個其他指定的磁場傳感器的輸出中減去所述陣列中的每個磁場傳感器的輸出，以便生成梯度矢量磁場測量值的集合，其中所述梯度測量值分布于所述陣列的長度上，并且與沿所述陣列的所述磁場傳感器的位置相關(guān)。
32.根據(jù)權(quán)利要求M所述的系統(tǒng)，其中所述可操作計算機軟件還配置用于在空間域中收集磁場數(shù)據(jù)。
33.根據(jù)權(quán)利要求M所述的系統(tǒng)，其中所述可操作計算機軟件還配置用于同時收集和處理差分磁場數(shù)據(jù)和梯度磁場數(shù)據(jù)，以確定所定位物體的位置、軸向定向、表觀磁質(zhì)量以及磁矩。
全文摘要
一種三維實時差分梯度測量磁力計(DGM)陣列、系統(tǒng)以及使用方法。DGM利用圍繞與施加的磁場相互作用的物體的感應(yīng)磁場異常的差分和梯度參數(shù)。DGM將差分磁場測量與梯度磁場測量整合到單個系統(tǒng)中。DGM在測量DGM檢測陣列與物體之間的距離、軸向定向、表觀磁質(zhì)量和磁矩的情況下，對物體進行檢測、定位以及繪圖。DGM使用信號處理技術(shù)來消除來自地球磁場、外部射頻傳輸以及電磁噪聲的源噪聲。一種線性幾何架構(gòu)，包括形成陣列的多個磁力計，支持DGM在空間域中直接收集信息。當陣列在物體之上、之下或鄰近物體移動時，DGM能夠捕捉三維完整磁場異常輪廓。
文檔編號G01R33/022GK102171588SQ200980139386
公開日2011年8月31日 申請日期2009年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月5日
發(fā)明者W·A·梅 申請人:Mr技術(shù)公司