航空超導全張量磁梯度測量系統相關參數獲取裝置及方法
2023-10-06 04:08:59
航空超導全張量磁梯度測量系統相關參數獲取裝置及方法
【專利摘要】本發明涉及一種航空地球物理磁法勘探數據處理方法，能夠獲取精確的五個平面超導磁梯度傳感器相對於慣導坐標系的基線方向單位向量與傳感器平面法向量以及相對於三分量磁力儀坐標系的傳感器平面法向量，為精確獲取相對於地理坐標系的全張量磁梯度五個獨立分量提供了前提；採用坐標系變換的方法計算全張量磁梯度五個獨立分量，省略了計算五個平面超導磁梯度傳感器相對於地理坐標系姿態角度的中間過程，採用慣導坐標系作為測量系統的坐標系，利用慣導測得的姿態數據通過一次坐標系變換便可獲得相對於地理坐標系的全張量磁梯度五個獨立分量，降低了計算難度，提高了計算效率，更適用於航空磁測等測量平臺的姿態時變的測量。
【專利說明】航空超導全張量磁梯度測量系統相關參數獲取裝置及方法
【技術領域】：
[0001] 本發明涉及一種航空地球物理磁法勘探數據處理方法，尤其是航空超導全張量 磁梯度測量系統相關參數獲取裝置及方法，該航空超導全張量磁梯度測量系統採用超導全 張量磁梯度儀配以三分量磁力儀、慣導與GPS全球定位系統進行測量相對於地理坐標系的 全張量磁梯度五個獨立分量。
【背景技術】：
[0002] 航空全張量磁梯度測量系統是最新一代（第三代）的航空磁測系統，相比於第一 代的航空標量或單分量磁測系統與第二代的航空磁矢量數據測量系統，該系統可獲取更 多、更精確的磁場信息，更利於對地下礦藏的解釋。
[0003] 超導量子幹涉器件（SQUID)是目前靈敏度最高的磁傳感器，能夠測量非常微弱的 磁信號（fT量級），所以可以感知位於地球深處的礦藏所引起的微弱的磁異常信號，大幅度 提高設備對礦產資源的探測深度；利用超導量子幹涉器件（SQUID)製成的磁梯度噪聲量級 為PT/m/ 的磁梯度傳感器的基線長度為釐米級，非常符合航磁測量設備小型化、低功 耗、高精度的要求；因此，由SQUID製成的磁梯度傳感器是目前實現航空全張量磁梯度測量 的最佳選擇。
[0004]Supercond.Sci.Technol. 24 (2120) 026030 (8pp)發表的《Ahigh-Tcflip-chip SQUIDgradiometerformobileunderwatermagneticsensing》介紹了一種平面超導磁 梯度傳感器，該傳感器由基底、兩個拾取環、耦合線圈與SQUID組成，其中SQUID通過耦合線 圈讀取兩個拾取環上的磁通差值，因此該傳感器直接測得磁場垂直於傳感器平面的分量的 梯度值，可極大地抑制環境中幅值較大的共模背景磁場噪聲，此外該傳感器還具有體積小、 精度高、便於製造、利於架構超導全張量磁梯度測量探頭的優點，因此該傳感器是目前為止 最適合架構超導全張量磁梯度測量探頭的傳感器。
[0005]US54210056公開了一種由平面超導磁梯度傳感器架構的超導全張量磁梯度測量 探頭（即張量測量探頭）。如圖3和4所示：該探頭為五稜台結構，其中五個平面超導磁 梯度傳感器分布於五稜台的五個側面上，且傳感器的基線與所在稜台側面的上、下底邊的 中垂線重合。如式（1)所示，利用五個平面超導磁梯度傳感器測得的磁梯度值，便可求出 全張量磁梯度的五個獨立分量。OCEANS2120IEEE-Sydney發表的《Developmentofa hightemperaturesuperconductingmagnetictensorgradiometerforunderwaterUXO detection》介紹了一種六稜台結構的張量測量探頭，該探頭同樣採用平面超導磁梯度傳感 器作為核心器件，算法與上述的五稜台結構的張量測量探頭所採用的算法類似。
[0006]
【權利要求】
1. 一種航空超導全張量磁梯度測量系統相關參數獲取裝置，其特徵在於，航空超導全 張量磁梯度測量系統（21)固定在三軸平臺（20)之上，且杜瓦瓶（10)底部圓心與三軸平臺 (20)航向轉臺的圓心重合，三軸平臺（20)置於螺線管平臺（19)之上，且位於螺線管平臺 (19)中央，搖擺軸線與螺線管的中軸線平行。
2. 按照權利要求1所述的航空超導全張量磁梯度測量系統相關參數獲取裝置，其特徵 在於，航空超導全張量磁梯度測量系統（21)，是由超導全張量磁梯度儀（2)、三分量磁力儀 (3) 和慣導（4)固定在剛性底板（1)之上，超導全張量磁梯度儀（2)、三分量磁力儀（3)和 慣導（4)經多通道採集模塊（5)與上位機（7)連接，GPS(6)與上位機（7)連接構成，慣導 (4) 坐標係為航空超導全張量磁梯度測量系統（21)的坐標系。
3. 按照權利要求1所述的航空超導全張量磁梯度測量系統相關參數獲取裝置，其特徵 在於，三軸平臺（20)是由3個水平調節螺杆（29)固定在基準平臺（30)底面，3個水平調節 底座（28)分別與3個水平調節螺杆（29)螺紋連接，搖擺平臺（35)底面的2個搖擺旋轉軸 (32)分別穿過基準平臺（30)上表面的搖擺轉軸底座（31)所設的圓形通孔與搖擺轉軸底座 (31)轉動連接，2個搖擺旋轉軸（32)的中軸線重合且與基準平臺（30)及搖擺平臺（35)平 行；搖擺調節底座（33)固定在基準平臺（30)上表面，2個搖擺調節底座（33)的連線與搖擺 軸線垂直，搖擺調節螺杆（34)與搖擺調節底座（33)螺紋連接；俯仰平臺（40)底面的2個 俯仰旋轉軸（37)風別穿過搖擺平臺（35)上表面的俯仰轉軸底座（36)設有的圓形通孔與 俯仰轉軸底座（36)轉動連接，2個俯仰旋轉軸（37)的中軸線重合與搖擺平臺（35)及俯仰 平臺（40)平行並與搖擺軸線垂直；2個俯仰調節底座（38)固定在搖擺平臺（35)上表面，2 個俯仰調節底座（38)的連線與俯仰軸線垂直，俯仰調節螺杆（39)與俯仰調節底座（38)螺 紋連接；固定於航向轉臺（41)底面的航向轉軸（42)穿過俯仰平臺（40)中心通孔與俯仰平 臺（40)轉動連接；航向固定底座（43)固定於俯仰平臺（40)的底面，航向固定螺杆（44)通 過航向固定底座（43)上的螺孔與航向固定底座（43)螺紋連接構成。
4. 按照權利要求1所述的航空超導全張量磁梯度測量系統相關參數獲取裝置，其特徵 在於，螺線管平臺（19)是由電流源（22)與螺線管（27)連接，固定於載臺（23)底面的螺 線管水平調節底座（24)與螺線管水平調節螺杆（25) -端螺紋連接，螺線管水平調節螺杆 (25)的另一端與螺線管（27)的管壁螺紋連接；水平儀（26)固定於螺線管（27)的管壁上， 且水平儀（26)的平面與螺線管水平調節螺杆（25)垂直。
5. 按照權利要求1所述的航空超導全張量磁梯度測量系統相關參數獲取裝置，其特徵 在於，三軸平臺（20)為無磁性材料構成，搖擺調節螺杆（34)控制搖擺平臺（35)搖擺，將搖 擺調節裝置與搖擺轉軸分離既利於鎖定又便於微調轉臺的搖擺角；俯仰調節螺杆（39)控 制俯仰平臺（40)俯仰，將俯仰調節裝置與俯仰轉軸分離既利於鎖定又便於微調轉臺的俯 仰角；3個旋轉軸的優先級從低到高分別為：先航向轉軸（42)，其次俯仰轉軸（37)，最後搖 擺轉軸（32)。
6. -種航空超導全張量磁梯度測量系統相關參數獲取方法，其特徵在於：獲取五個平 面超導磁梯度傳感器相對於慣導（4)坐標系的基線方向單位向量與傳感器平面法向量，在 屏蔽室內利用螺線管平臺（19)產生的校準磁場，通過調節三軸平臺（20)，使航空超導全張 量磁梯度測量系統（21)由初始姿態，即慣導（4)坐標系與校準磁場的坐標系平行，進行旋 轉使五個平面超導磁梯度傳感器依次測得最大值，並在旋轉過程中利用慣導（4)依次獲取 對應的慣導（4)坐標系的姿態角度變化量，包括方位角奶、俯仰角0 i、翻滾角S i，利用這些 角度參數計算得到五個平面超導磁梯度傳感器相對於慣導（4)坐標系的基線方向單位向 量與傳感器平面法向量。 i為五個平面超導磁梯度傳感器編號。
7. 按照權利要求6所述的航空超導全張量磁梯度測量系統相關參數獲取方法，其特徵 在於：獲取五個平面超導磁梯度傳感器相對於三分量磁力儀（3)坐標系的傳感器平面法向 量，在屏蔽室內利用通電螺線管（27)產生的校準磁場，通過調節三軸平臺（20)，使航空超 導全張量磁梯度測量系統（21)由初始姿態旋轉至使三分量磁力儀（3)坐標系與校準磁場 的坐標系平行，在旋轉過程中利用慣導（4)獲取慣導（4)坐標系的姿態角度變化量，包括方 位角￡、俯仰角〇和搖擺角u，利用這些角度參數，結合五個平面超導磁梯度傳感器相對 於慣導（4)坐標系的傳感器平面法向量，進行坐標系變換便可得到五個平面超導磁梯度傳 感器相對於三分量磁力儀（3)坐標系的傳感器平面法向量。
8. 按照權利要求6所述的航空超導全張量磁梯度相關參數獲取方法，其特徵在於：獲 取相對於地理坐標系的全張量磁梯度五個獨立分量，用五個平面超導磁梯度傳感器相對於 慣導（4)坐標系的基線方向單位向量及傳感器平面法向量，五個平面超導磁梯度傳感器相 對於三分量磁力儀坐標系的傳感器平面法向量，五個平面超導磁梯度傳感器測得到磁梯度 數據，三分量磁力儀測得的磁場三分量數據與慣導測得的姿態角度數據，採用坐標系變換 的方法，計算相對於地理坐標系的全張量磁梯度的五個獨立分量並存儲在上位機（7)中， 包括以下步驟： A、 同步提取五個平面超導磁梯度傳感器測得的磁梯度數據、三分量磁力儀（3)測得的 磁場的三分量數據、慣導（4)測得的姿態角度數據，GPS(6)測得的地理位置信息； B、 利用慣導（4)測得的方位角a、俯仰角P、翻滾角Y姿態角度數據，進行坐標系變 換，獲取五個平面超導磁梯度傳感器在數據採集時刻的相對於地理坐標系的傳感器平面法 向量與基線方向單位向量，包括：如式（1)所示，將五個平面超導磁梯度傳感器相對於慣導 (4)坐標系的基線方向單位向量變換到地理坐標系上；如式（2)所示，將五個平面超導磁梯 度傳感器的相對於慣導（4)坐標系的傳感器平面法向量變換到地理坐標系上； =Tr T-...............⑴ ",=Tr Hi ............(2) 式中：i為五個平面超導磁梯度傳感器編號， ① /I=CAx,. Ay AzJ為五個平面超導磁梯度傳感器相對於慣導（4)坐標系的基線 I V I t/ I I / 方向單位向量，式中為其轉置的列向量； ② ％ 為五個平面超導磁梯度傳感器相對於慣導⑷坐標系的傳感 器平面法向量，式中為其轉置的列向量； ③ I；為將慣導4坐標系變換為地理坐標系的變換矩陣，
C、 如式（3)所示，利用步驟B計算得到的五個平面超導磁梯度傳感器相對於地理坐標 系的基線方向單位向量Ay. AzJ及傳感器平面法向量& a^計 算五個平面超導磁梯度傳感器相對於地理坐標系的投影係數行向量^，並將其組成投影系 數矩陣^；;€;；^;5;；^)後求該矩陣的逆矩陣^；;：^ ;：^;：^;：^廣；式中的數字下標為五個 平面超導磁梯度傳感器的編號；
D、 如式（4)所示，利用三分量磁力儀（3)測得的磁場的三分量數據（Bx By Bz)1計算五 個平面超導磁梯度傳感器的共模誤差組成的列向量（Bc1 Bc2 Bc3 Bc4 Bc5)1 ;
式中： ① CliagU1 X2 X3 X4 X5)為以五個平面超導磁梯度傳感器的共模修正因子XJAi為已知量）組成的向量（Xi A2 A3 A4 A5)為對角元素建立的對角矩陣； ② (叫；/h2 為五個平面超導磁梯度傳感器相對於三分量磁力儀（3)坐標 系的傳感器平面法向量（《% = (/〃..V,. /〃.V,. /〃z,.)):為行分量組成的矩陣； ◎雲=(4為三分量磁力儀⑶測得的磁場相對於三分量磁力儀⑶坐標系的 三分量數據； E、 如式（5)所示，利用上述步驟得到的各項參數計算數據採集時刻的GPS6測得的地 理位置處的相對於地理坐標系的全張量磁梯度五個獨立分量組成的向量並存儲在上位機 (7)；
式中： ① （Bxx Byy Bxy Bxz Byz)T為相對於地理坐標系的全張量磁梯度五個獨立分量值組成的向 量； ② （AB1 AB2 AB3 AB4 AB5)T為五個平面超導磁梯度傳感器測得的磁梯度數據組成 的列向量； ③ （BO1 BO2 BO3 BO4 BO5)1為五個平面超導磁梯度傳感器的零點漂移組成的列向量。
【文檔編號】G01V3/00GK104345348SQ201410634524
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年11月7日 優先權日:2014年11月7日
【發明者】申茂冬, 安戰鋒, 程德福, 趙靜, 王一, 李君輝, 馬超, 李東時, 王君 申請人:吉林大學, 中國國土資源航空物探遙感中心