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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，系統運行穩定，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。
磁場是一種看不見，而又摸不著的特殊物質，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的物質。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，磁場越弱，磁場強度呈梯度變化。
地磁場是從地心至磁層頂的空間范圍內的磁場。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，起源于地球內部，比較穩定，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%，產生于地球液態外核內的電磁流體力學過程，即自激發電機效應在人類科技發展的長河中，人們不僅認識靜磁場的特性，而且不斷的認知動磁場特性，并利用它來研發新的設備，并不斷擴展其應用領域，比如：生物醫學、電子通信等領域。
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生的磁場有特定的分布規律這一特點，通過檢測目標永磁體或交變磁源的空間磁場來逆求出目標磁體的位置、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、消化道生理參數提取等方面，對于微型診療裝置在體內的實時定位于跟蹤在實際應用中有重要意義。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，并能實現實時定位于連續跟蹤等優點。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。系統整體監測的指標參數有：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 平面上的投影與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于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、高靈敏度的磁傳感器進行磁場三分量數據采集。若磁傳感器性能不好，由于干擾磁場噪聲的影響，導致目標磁場的數據淹沒在噪聲中，很難進行目標定位和大小判斷。因此，需要磁傳感器噪聲很低。
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、系統組成
根據系統定位要求，本系統包含以下子模塊：
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，并完成遠程傳輸。
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，并顯示計算結果值。
其結果示意圖如圖4-1 所示：
圖 4-1 系統組成框圖
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，并經過USB 傳輸線，將采集到的數據上傳到系統測試軟件，經軟件處理后，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。
在以上公式中，我們使用了假設磁源的位置數據和姿態數據，而磁定位的最終目的是計算出目標磁源的位置數據和姿態數據。這兩者看似矛盾，其實并不矛盾。通過假設的位置和姿態數據與實際計算出的數據比較求差值，使得差值最小最優，當達到這個最小最優的條件時，我們可以認為假設值可以表示目標磁源的實際位置和大小。這樣就可以把求解目標磁源數據問題轉換為求解方程組最小最優化問題，實現實際問題與數學問題的轉變。
對于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，最后選用牛頓迭代算法。
4.4、數據保存
系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，同時添加保存當前系統的時間。待監測任務完成后，點擊圖形繪制按鈕，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制成一個三維立體圖形，并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
目標磁定位系統測試軟件是由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，并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，并在系統軟件上顯示計算結果。定位系統在小于2s 的時間內完成1 組數據的處理，計算并顯示出目標磁源的位置及大小。根據目標移動的位置和時間關系，系統軟件就可以繪制出目標移動軌跡。從而，基本實現目標的實時跟蹤和定位。
系統軟件顯示界面如圖5-1 所示：
圖 5-1 系統軟件界面
圖5-2 部分程序
通過實驗測試，系統運行穩定，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于以下幾個方面：磁偶極子模型誤差、算法誤差、數據測量誤差、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，以及周圍環境噪聲干擾因素，這些都影響了定位精度。
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