Estudio de la compensación magnética de plataformas navales. Compensación de la anomalía producida en el campo magnético terrestre mediante algoritmos genéticos. Análisis y compensación de anomalías magnéticas locales

Abstract

[SPA] En esta Tesis se recopilan una serie de técnicas para la minimización de la anomalía magnética que produce un buque en el campo magnético terrestre. Dichas técnicas se han centrado en la reducción de la influencia que un buque tiene sobre el campo magnético terrestre en el entorno de su posición y en la minimización de la influencia magnética de las magnetizaciones del buque en las operaciones de vuelo sobre la cubierta. La primera parte de la Tesis está orientada al uso de nuevos algoritmos de minimización 0de la anomalía en el campo magnético terrestre que producen las magnetizaciones del buque. En concreto se ha centrado en la aplicación de los Algoritmos Genéticos. La compensación de esta influencia sobre el campo magnético terrestre se realiza mediante un campo magnético de signo contrario generado por las diferentes bobinas que componen el sistema de desmagnetización propio del buque. Un sistema de desmagnetización o sistema de degaussing puede presentar diferentes configuraciones dependiendo de la disposición de las bobinas, su número y el tipo de control de la corriente responsable de crear el campo magnético de compensación. En general, un sistema completo tiene bobinas para compensar las componentes del campo magnético estático vertical, longitudinal y transversal, tanto permanente como inducido. En general, el procedimiento de minimización de las anomalías magnéticas producidas por un buque en el campo magnético terrestre se realiza en polígonos de calibración denominados open range, dónde los buques bajo calibración realizan evoluciones a rumbo y velocidad constantes y perpendiculares a una línea de sensores. En este tipo de polígonos existen una serie de factores que producen errores en el proceso de calibración. Son los siguientes: • La variabilidad temporal del campo magnético terrestre en la zona, es decir, el ruido ambiente del campo magnético. • El ruido propio del sistema de medida. • Los efectos de la cabezada y el balanceo durante la pasada. • La variación de rumbo del buque durante las pasadas. • La posición en superficie del buque respecto de los sensores. • Imprecisiones de lectura de los magnetómetros. • Imprecisiones en el modelo de buque utilizado para extraer las componentes del campo magnético. • No linealidades del material magnético en el punto de trabajo. Los buques de acero y los diferentes sistemas que se montan en su interior tienen propiedades ferromagnéticas y el campo magnético total va a variar dentro de una zona lineal proporcional al campo magnético de la tierra. En la primera parte de la Tesis se desarrolla un método novedoso basado en los Algoritmos Genéticos (GAS) para calcular los valores de corriente y número de espiras necesarios para la compensación en un procedimiento iterativo de pasadas por una estación de calibración. Según los autores ésta es la primera vez que este tipo de algoritmos se usan para la calibración magnética de un buque. Diferentes mecanismos de selección, estrategias de la función objetivo y métodos de escalado han sido evaluados, y sus ventajas e inconvenientes han sido expuestos incluyendo la velocidad de convergencia de cada configuración. Los resultados obtenidos muestran que la técnica empleada es muy eficiente, y puede ser empleada para una rápida y óptima calibración magnética de un buque. Además, se ha diseñado una novedosa función objetivo para evitar que la minimización genere rizados en torno a la función objetivo. El uso de funciones objetivo como los mínimos cuadrados implicaría que el propio sistema de desmagnetización del buque generaría artificialmente un campo magnético que posteriormente debería ser compensado. Dicho campo magnético produciría un elevado gradiente y sería una señal inequívoca de la presencia de un buque en la zona de influencia. Este nuevo método se ha denominado método de Contención, y con él se han conseguido reducciones de la perturbación magnética de hasta un 95% y, de su gradiente de hasta un 75%, frente a otros métodos como los que utilizan funciones objetivo basadas en mínimos cuadrados (reducción del 75% del nivel y empeoramiento del gradiente entorno al 20% ). En algunos casos una compensación global de la influencia magnética (calibración magnética) no garantiza la compensación local en ciertas zonas del buque dónde puede tener influencias no deseadas en sensores de tipo magnético. Este tipo de situaciones son objetivo de la segunda parte de la Tesis. Para estudiar esto, se ha desarrollado un procedimiento para la medida, estudio y compensación de anomalías magnéticas, que incluye la elaboración de un dispositivo para la adquisición sistemática del campo magnético existente en los diferentes puntos de un mallado. La solución tradicional a este nivel de campo magnético local no deseado es la aplicación de una desmagnetización global al buque. Esta desmagnetización o deperming consiste en rodear a la plataforma completamente con un cable conductor por el que se hace pasar entre 500 y 1.500 amperios por metro, referida esta longitud a la separación de las espiras de corriente. Este proceso de compensación magnética presenta los siguientes inconvenientes: • Instalaciones costosas de mantener. • El cableado necesita entre 50 y 200 personas para su montaje, dependiendo del desplazamiento1 del buque. • El riesgo es elevado por la magnitud de la corriente que circula por las espiras (varios miles de amperios). Por todo esto, en el caso de una anomalía magnética local se propone un procedimiento original basado en tres actuaciones novedosas: 1 El desplazamiento de un buque (Δ) es el peso del agua desalojada en su flotabilidad según el Principio de Arquímedes. • Elaboración de una herramienta que permita el levantamiento sistemático y automatizado de un mapa magnético en superficies ferromagnéticas. Actualmente no existe en el mercado una herramienta similar para este tipo de aplicaciones. • Implementación de un procedimiento de evaluación de los datos que permita establecer la existencia de una anomalía magnética cuando se trabaja en estructuras ferromagnéticas. • Resolución con una configuración de bobinas discretas una anomalía magnética localizada cuando se conozca la fuente que la produce o sea imposible de actuar sobre la fuente. Se presentan los resultados obtenidos en cuatro plataformas para demostrar la efectividad de la nueva estrategia desarrollada para la medida, análisis y compensación de anomalías magnéticas locales.

[ENG] In this thesis I collect a sequence of techniques for the minimization of the magnetic anomalies produced by a vessel in the Earth's magnetic field. These techniques have been focused in the reduction of the influence of a vessel in the Earth's magnetic field measured by sensors in the vicinity of the environment of the vessel's position and on the minimization of the magnetic influence of the magnetizations of the vessel in the platform's sensors. The first part of the Thesis is focused to the use of the Genetics Algorithms (GAs) to compensate the perturbation in the Earth's magnetic field of the magnetizations of the vessels. The compensation of this anomaly is obtained by a degaussing system´s coils installed in the vessels. These coils are used for the compensation in three axis of the local magnetic perturbation produced by a vessel when it moves inside the Earth's magnetic field. A System of demagnetization can give several configurations depending on the disposition of the coils, its number and the control of the current responsible for creating the magnetic field of compensation. Normally, a complete system has coils to compensate the vertical static magnetic field, the longitudinal and transversal components, as well as the permanent and the induced magnetic field contributions. Generally, the procedure of minimization of the magnetic anomalies produced by a vessel is performed with a set of calibrations called "open range", where the vessels under calibrations perform evolutions to following different paths along some lines of sensors. In this type of calibration there are some series of factors that produce errors in the process of calibration. They are the following: • The temporal variability of the magnetic field of the Earth in the zone, namely the environmental noise of the magnetic field. • The noise generated by the own measurement system. • The effects of the pitch and roll during the calibration process. • The variation of heading of the vessel during the running. • The position of the vessel with respect of the sensors. • Imprecisions of lecture of the magnetometers. • Imprecisions in the model of the vessel used to extract the components of the magnetic field. • Nonlinearities of the magnetic material in the point of measurement. The vessels and the components inside have ferromagnetic properties. The magnetic field perturbation measured in a given range will vary linearly proportional to the Earth´s magnetic field. In the first part of the Thesis a new method has been developed based in the GA's to calculate the values of current and number of turns required for each compensation with iterative algorithms. According to the authors this is the first time that this type of algorithms has been used to the magnetic calibration of a vessel. Different mechanisms of selection, objective function´s strategies and methods of scaling have been evaluated. Its pros and cons have been shown including the speed of convergence of each option. Results obtained show that the technique used is very efficient, and can be used for a quick and better magnetic calibration of a vessel as compared to currently used techniques. Also, It has been designed a new objective function to avoid that the minimization process generates ripples around the objective function. That would indicate that the system of demagnetization of the vessel creates artificially its own magnetic field that later on should also be compensated. That compensated magnetic field would involve a higher gradient and would be an indication of the presence of a vessel in the influence zone. This new method has been called the boundary method, and with it we have achieved reductions of the magnetic signature of 95% and of its gradient of 75% against traditional methods based on minimum squares. In some cases the global compensation of the magnetic perturbation or magnetic calibration does not guarantee compensation in certain local areas of the ship where you can have unwanted influences in magnetic sensors. This type of situations is the objective of the second part of the Thesis. For that a procedure for its study and its resolution has been developed, that includes also the fabrication of a novel device for a systematic acquisition of magnetic data. The traditional solution to this unwanted local magnetic perturbation is the application of a global demagnetization to the vessel (also call deperming). This demagnetization consists in winding completely the platform with a conductor cable for which it acts between 500 and 1500 Amps per meter referred to the separation of the coils. This process of magnetic compensation presents the following problems: • Expensive facilities to maintain. • The complete wires need between 50 and 200 persons for its maintenance depending on the displacement of the vessel (length). • The risk is really high because of the high magnitude of the current that goes through the spirals (some thousands of Amps) Due to all these factors, in the case of a local magnetic anomaly we propose an original procedure based in three new actuations: • Implementation of a tool that allows the systematic acquisition of a magnetic map in ferromagnetic surfaces. Actually it does not exist in the market a similar tool of this type that can be used for this application. • Elaboration of a procedure to evaluate magnetic data and to allow the detection of a magnetic anomaly in ferromagnetic structures. • Compensate the magnetic local anomaly with several coils around the magnetic source. Results are presented for the compensation of local anomalies in several naval platforms. They indicate that the new technique is indeed effective and leads to a considerable reduction in the local anomalies treated, considering real scenarios.