吉林大学学报(地球科学版) ›› 2025, Vol. 55 ›› Issue (6): 2088-2099.doi: 10.13278/j.cnki.jjuese.20250234

• 地球探测与信息技术 • 上一篇    下一篇

基于MagTrack-CNN的磁性目标运动轨迹实时定位跟踪方法

高全明1,2,尚复庆2,柴进1,王一1,孙伟3,赵静1   

  1. 1.吉林大学仪器科学与电气工程学院,长春130061
    2.青岛大学电子信息工程学院,山东青岛266071
    3.国家石油天然气管网集团有限公司华中分公司,武汉430000
  • 出版日期:2025-11-26 发布日期:2025-12-30
  • 通讯作者: 孙伟(1975-),男,高级工程师,主要从事油气管道探测与管理研究,E-mail: sunwei@pipeline.com.cn
  • 作者简介:高全明(1989—),男,副教授,硕士生导师,主要从事弱磁探测技术研究,E-mail: gaoquanming@qdu.edu.cn
  • 基金资助:
    吉林省教育厅青年项目(JJKH20241274KJ);山东省科技厅青年基金项目(ZR2024QD155);国家石油天然气管网集团有限公司科研项目(GWHT20230038719)

Real-Time Localization and Tracking of Magnetic Object Motion Trajectory Based on MagTrack-CNN

Gao Quanming1,2, Shang Fuqing2, Chai Jin1, Wang Yi1, Sun Wei3, Zhao Jing1   

  1. 1. College of Instrumentation & Electrical Engineering, Jilin University, Changchun 130061, China
    2. College of Electronics and Information, Qingdao University, Qingdao 266071, Shandong, China
    3. Central China Branch of National Petroleum and Natural Gas Pipeline Network Group Co., Ltd., Wuhan 430000, China
  • Online:2025-11-26 Published:2025-12-30
  • Supported by:
    Supported by the Scientific Research Foundation of the Education Department of Jilin Province (JJKH20241274KJ), the Natural Science Foundation of Department of Science & Technology of Shandong Province (ZR2024QD155) and the Research Project of National Petroleum and Natural Gas Pipeline Network Group Co., Ltd. (GWHT20230038719)

摘要: 磁性物体在磁场中产生的扰动信号为目标定位与跟踪提供了非接触式、无源的技术手段。传统基于物理建模的磁矢量定位方法在复杂环境中面临精度下降和鲁棒性不足的挑战。本文提出了一种磁异常跟踪卷积神经网络(MagTrack-CNN),旨在解决磁性物体的高精度空间动态定位。该方法采用双层磁矢量数据观测架构,通过垂直梯度信息增强深度方向的定位敏感性,设计了双分支独立预测网络结构,避免各维度间的梯度竞争;构建了多尺度特征提取框架,有效捕获不同空间尺度的磁异常模式。稳定磁场区域内、单个均匀磁化目标定位场景下的实验结果表明,MagTrack-CNN在测试集上实现了1.98 cm的整体定位精度以及良好的z轴定位效果。实验针对不同运动轨迹类型的测试均实现了有效的定位跟踪。同时,噪声敏感性实验表明,在0.5%~3.0%的测量噪声水平下,模型仍能保持较低误差(平均绝对误差由0.42 cm增至0.46 cm)。此外,该方法的单样本推理时间保持在2.3 ms以内,展示了良好的应用前景。


关键词: 磁目标定位, 卷积神经网络, 多尺度特征, 轨迹跟踪

Abstract:  The disturbance signals generated by ferromagnetic objects in a magnetic field provide a non-contact and passive means for target localization and tracking. However, traditional magnetic vector localization methods based on physical modeling suffer from degraded accuracy and limited robustness in complex environments. In this paper, we propose a magnetic anomaly tracking convolutional neural network (MagTrack-CNN) for high-precision spatial dynamic localization of ferromagnetic objects. The proposed method employs a dual-layer magnetic vector observation architecture to enhance localization sensitivity along the depth direction by incorporating vertical gradient information. A dual-branch independent prediction network is designed to mitigate gradient competition among spatial components, while a multi-scale feature extraction framework is constructed to effectively capture magnetic anomaly patterns at different spatial scales. Experimental results in stable magnetic field regions for localization scenarios involving a single uniformly magnetized target demonstrate that MagTrack-CNN achieves an overall positioning accuracy of 1.98 cm on the test set, and exhibits superior accuracy in z-axis localization. In dynamic localization tests across different trajectory types, the method consistently produces correct dynamic positioning. Meanwhile, noise sensitivity experiments show that under measurement noise levels of 0.5%-3.0%, the model maintains low errors (the mean absolute error  increases from 0.42 cm to 0.46 cm). Furthermore, the per-sample inference time remains within 2.3 ms, highlighting its promising potential for practical applications.


Key words:  , magnetic target localization, convolutional neural network, multi-scale feature, trajectory tracking

中图分类号: 

  • P318.6
[1] 李海港, 王涛, 杨艳伟, 董学征, 廖利勇, 付晓东, 刘硕磊, 倪雨苗.  基于深度学习的地下管线探地雷达数据反演[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(3): 1026-1037.
[2] 冯媛媛, 李朝奎, 刘松焕, 田沁. SSC-SeNet:一种融合点云与影像数据的露天矿区建筑物语义分割算法[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2025, 55(5): 1757-1773.
[3] 王威, 熊艺舟, 王新. NHNet——新型层次化遥感图像语义分割网络[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2024, 54(5): 1764-1772.
[4] 林雨准, 刘智, 王淑香, 芮杰, 金飞. 基于卷积神经网络的光学遥感影像道路提取方法研究进展[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2024, 54(3): 1068-1080.
[5] 刘 霞, 孙英杰. 基于融合残差注意力机制的卷积神经网络地震信号去噪[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2023, 53(2): 609-.
[6] 张岩, 刘小秋, 李杰, 董宏丽, . 基于时频联合深度学习的地震数据重建[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2023, 53(1): 283-296.
[7] 李邦, 蒋川东, 王远, 田宝凤, 段清明, 尚新磊, .

基于卷积神经网络的地下水磁共振数据随机噪声压制方法 [J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2022, 52(3): 775-784.

[8] 董旭日, 冯晅, 刘财, 田有, 李静, 王天琪, 王鑫, 衣文索. 基于DAS信号和CNN分类算法的人员运动轨迹监测方法[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2022, 52(3): 1004-1015.
[9] 李忠潭, 薛林福, 冉祥金, 李永胜, 董国强, 李玉博, 戴均豪. 基于卷积神经网络的智能找矿预测方法:以甘肃龙首山地区铜矿为例[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2022, 52(2): 418-433.
[10] 熊越晗, 刘东燕, 刘东升, 王艳磊, 唐小山. 基于岩样细观图像深度学习的岩性自动分类方法[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2021, 51(5): 1597-1604.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
[1] 于 平,李瑞磊,付 雷,郝 雪,张向军,廉国芬. 松辽盆地滨北地区区域构造特征及意义--地震长剖面给出的证据[J]. J4, 2005, 35(05): 611 -615 .
[2] 张原庆, 宋炳忠, 王玉福, 张宁. 鲁西铜石岩体金成矿规律和成矿预测[J]. J4, 2010, 40(6): 1287 -1294 .
[3] 李建平,李桐林,张 辉,徐凯军. 不规则回线源层状介质瞬变电磁场正反演研究及应用[J]. J4, 2005, 35(06): 790 -0795 .
[4] 高松, 宋莹, 王琳,蒋步新. 水体中秋兰姆特效降解菌的筛选及其降解性能研究[J]. J4, 2006, 36(03): 455 -457 .
[5] 张凤君,李 卿,马玖彤,于广菊. 膜蒸馏处理糠醛废水的实验研究[J]. J4, 2006, 36(02): 270 -0273 .
[6] 卢双舫,李吉君,薛海涛,徐立恒. 油成甲烷碳同位素分馏的化学动力学及其初步应用[J]. J4, 2006, 36(05): 825 -829 .
[7] 丁志宏,冯平,毛慧慧. 考虑径流年内分布影响的丰枯划分方法及其应用[J]. J4, 2009, 39(2): 276 -0280 .
[8] 任何军, 刘娜,高松,张兰英,张玉玲,周睿. 假单胞菌DN2对多氯联苯的降解及bphA1核心序列测定[J]. J4, 2009, 39(2): 312 -0316 .
[9] 黄奇波, 覃小群, 刘朋雨, 康志强, 唐萍萍. 半干旱区岩溶碳汇原位监测方法适宜性研究[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2015, 45(1): 240 -246 .
[10] 熊晓亮,孙红月,张世华,蔡岳良. 高扬程虹吸保障条件分析与合理管径选择数值模拟[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2014, 44(5): 1595 -1601 .