CN102520455B - 航空地磁矢量检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种航空地磁矢量检测装置。是由三分量磁场传感器经三分量磁场接收电路和惯导控制器与GPS天线连接，惯导传感器经惯导控制器与处理系统连接，三分量磁场接收电路与主处理系统连接，主处理系统与电源变换连接构成。相互正交的地磁三分量(X、Y、Z)，可推导计算出地球磁场的各个参数，比单一分量或总场测量获得的信息量更多，在解释时受影响因素较少、多解性更小。航空地磁矢量检测具有速度快，受地形地貌限制少的特点。本发明中的三分量数据和姿态数据采集硬件同步方法消除了由于飞行器速度快产生的三分量数据和姿态数据不同步产生的数据偏差。

Description

航空地磁矢量检测装置

技术领域：

本发明涉及一种地球物理勘探仪器领域中的应用于磁法勘探的航空地磁矢量检测装置。

背景技术：

磁法勘测用于普查石油和天然气以及其他矿产，在地质调查、矿产普查和地球科学研究工作中发挥着重要的作用，是地球物理勘探的一种主要的方法。

各种地质体都能产生强弱不同的磁场，这种磁场叠加在地球的正常磁场上，称为磁异常。磁法勘探就是利用磁力仪按照规定的测线测定这种磁异常、掌握其分布规律并对异常做出解释，从而达到找矿和解决地质问题的目的。

描述地球磁场的特征，也同研究其他磁场问题一样，利用了磁场强度

和它的分量。通常采取直角坐标系，x轴沿地理子午线的方向(即正北方向)，y轴沿纬度圈方向(即正东方向)，z轴为垂直方向，以下为正。

取观测点做为坐标原点，则该点的地磁场矢量

的大小和方位如图2中

在x轴上的投影叫北向强度，以X表示，在y轴上的投影叫东向强度Y。在z轴上的投影叫垂直强度Z。

在水平面xoy上的投影叫水平强度

矢量

所在的垂直平面Hoz名为磁子平面，

与x轴的夹角，就是磁偏角，以D表示。水平面与矢量

的夹角∠HOT叫磁倾角I。这种坐标系中，不难看出矢量

由北向东的偏角为正，向西则是负偏角。

矢量在北半球是指向地平线之下的，倾角I为正，在南半球，

是向上的倾角为负。

磁偏角D，磁倾角I，水平强度H及各种分强度X、Y、Z，统称为地磁要素。从图中可以看出，由各要素可以计算出地磁场的总强度矢量，并可以看出；各要素之间也具有一定关系，例如：

$H=\sqrt{X^2+Y^2};$ $T=\sqrt{H^2+Z^2};$ $\mathrm{tgI}=\frac{Z}{H};$ $\mathrm{tgD}=\frac{Y}{X}.$

Z＝Htgl；Y＝HsinD；X＝HcosD；

T＝Z cscI＝H cesI

以上的关系说明，可以将总要素分成三组，即(X、Y、Z)；(H、Z、D)；(H、D、I)。只要测定出每一组中的三个要素就可以求出其他的要素。这三组地磁要素分别对应于三种坐标系，即直角坐标系，柱坐标系和球坐标系。本发明是的地球磁场矢量测量采用的是地球地理坐标的直角坐标系。

传统的地磁测量仪器测的是地球磁场的磁场强度T，或沿地磁场方向的某单一磁场分量(如垂直分量Z)。如能测量相互正交的三分量(X、Y、Z)，可推导出地球磁场的全部参数，比单一分量或总场测量信息量更多、在解释时受影响因素较少、多解性更小。航空地磁矢量检测具有速度快，受地形地貌限制少的特点，因此具有重要发展前景。

目前，在地球磁测方面，国内未见航空地磁矢量测量技术的成功报道，《地球物理学进展》2011年第26卷第3期“海洋地磁三分量测量技术”，介绍了船载三分量测量和拖曳三分量测量两个方面总结了国外的发展现状，分析了海洋地磁三分量测量中船磁(载体磁场)标定和载体定姿两个关键技术，并结合我国海洋磁测发展现状建议首先发展船载海洋地磁三分量测量系统，对技术方案进行了探讨。该系统使用船载，速度较慢，对数据采集及数据同步要求较低。

2005年3月《东北地震研究》“数字三分量磁通门磁变仪定向的研究”，对磁通门磁变仪定向标准、定向稳定性、影响定向的因素进行了分析，将定向标准分为定向操作标准和定向期望标准，讨论了实际记录精度等问题，但未涉及矢量测量。

发明内容：

本发明的目的就在于克服上述测量装置的不足，提出航空地磁矢量测量装置，尤其是提出了一种数据采集硬件同步技术，以满足航空磁测航空器速度快的特点，并且将三分量磁场传感器、惯导传感器和GPS(全球卫星定位)天线组合在一起，采用吊舱或硬架结构安置于飞行器之外，以减小飞行器对磁场测量的影响。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

航空地磁矢量检测装置，是由三分量磁场传感器1经三分量磁场接收电路2和惯导控制器4与GPS天线5连接，惯导传感器3经惯导控制器4与处理系统6连接，三分量磁场接收电路2与主处理系统6连接，主处理系统6与电源变换连接构成。

三分量磁场接收电路2是由单片机系统分别与采集电路，放大滤波II，反馈选择，增益选择，放大滤波I，探头驱动电路，数据存储器，主处理系统6经惯导控制器4与GPS天线5连接，单片机系统经信号处理电路II与单轴磁传感器II连接，单片机系统经信号处理电路III与单轴磁传感器III连接，单轴磁传感器I经反馈选择、检波积分与采集电路连接，单轴磁传感器I经增益选择和放大滤波II与检波积分连接，单轴磁传感器I分别与放大滤波I和探头驱动电路连接构成。

惯导传感器3和三分量磁场传感器1刚性固定在无磁性平台上。

三分量磁场传感器1是由三个结构上互相垂直的单轴磁场传感器构成，该单轴磁场传感器采用磁饱和式或磁阻式磁敏传感器。三分量磁场传感器1输出的与被测磁场成对应关系模拟电压信号连接到三分量磁场接收电路2。将三分量磁场传感器1得到的模拟电压信号转换为相应的数字信号，并进行现场保存。三分量磁场接收电路2还连接惯导控制器4，接收惯导控制器4的时间同步信号，使其转换的磁场三分量数据的采样时间点与惯导传感器4获得的飞行器的姿态数据从时间上严格同步，从而消除了由于飞行器速度快产生的三分量数据和姿态数据不同步产生的数据偏差。三分量磁场接收电路2还连接主处理系统6，将同步的实时三分量磁场数据传输到主处理系统6。

三分量磁场接收电路2是将磁传感器的信号进行处理、数字化，并实现数据采集同步及实时数据存储和将数据定时传输给主处理器。三分量磁场接收电路2中的信号处理电路I、信号处理电路II、信号处理电路III是三个结构相同的电路，分别连接三分量磁场传感器1中的三个单轴磁传感器的输出。信号处理电路I、II、III各路都包含各自的数据采集电路，由惯导控制器来的同步信号控制，进行同步采用。三分量磁场接收电路2中的数据存储器用来保存三分量的实时数据。

惯导传感器3和GPS天线5分别连接到惯导控制器4，用以获取飞行器的实时运动姿态和实时位置数据，惯导控制器4连接到主处理系统6，将飞行器的实时运动姿态和实时位置数据传输到主处理系统6。惯导控制器4还对惯导传感器3进行控制和供电。

主处理系统6对接收的实时三分量磁场数据和获取的飞行器实时运动姿态和实时位置数据进行处理，绘制出地球磁场X、Y、Z分量的三张矢量曲线图和地磁场矢量

图。

为保证进行地球磁场矢量测量，惯导传感器3和三分量磁场传感器1刚性平行固定在无磁性平台上，并在安装过程中要保证惯导传感器3和三分量磁场传感器1互相平行。将三分量磁场传感器、惯导传感器和GPS(全球卫星定位)天线组合在一起，采用吊舱或硬架结构安置于飞行器之外。

有益效果：相互正交的地磁三分量(X、Y、Z)，可推导计算出地球磁场的各个参数，比单一分量或总场测量获得的信息量更多，在解释时受影响因素较少、多解性更小。航空地磁矢量检测具有速度快，受地形地貌限制少的特点。本发明中的三分量数据和姿态数据采集硬件同步方法消除了由于飞行器速度快产生的三分量数据和姿态数据不同步产生的数据偏差。

附图说明：

附图1为航空地磁矢量检测装置结构框图

附图2为地磁地理坐标矢量示意图

附图3为附图1中的三分量磁场接收电路2的结构框图

附图4为惯导传感器3和三分量磁场传感器1的安装示意图

具体实施方式：

下面结合附图和实施例作进一步的详细说明：

航空地磁矢量检测装置，是由三分量磁场传感器1经三分量磁场接收电路2和惯导控制器4与GPS天线5连接，惯导传感器3经惯导控制器4与处理系统6连接，三分量磁场接收电路2与主处理系统6连接，主处理系统6与电源变换连接构成。

三分量磁场接收电路2是由单片机系统分别与采集电路，放大滤波II，反馈选择，增益选择，放大滤波I，探头驱动电路，数据存储器，主处理系统6和GPS天线5连接，单片机系统经信号处理电路II与单轴磁传感器II连接，单片机系统经信号处理电路III与单轴磁传感器III连接，单轴磁传感器I经反馈选择、检波积分与采集电路连接，单轴磁传感器I经增益选择和放大滤波II与检波积分连接，单轴磁传感器I分别与放大滤波I和探头驱动电路连接构成。

惯导传感器3和三分量磁场传感器1刚性平行固定在无磁性平台上。

三分量磁场传感器1是由三个结构上互相垂直的单轴磁场传感器构成，该单轴磁场传感器采用磁饱和式。三分量磁场传感器1输出的与被测磁场成对应关系模拟电压信号连接到三分量磁场接收电路2。将三分量磁场传感器1得到的模拟电压信号转换为相应的数字信号，并进行现场保存。三分量磁场接收电路2还连接惯导控制器4，接收惯导控制器4的时间同步信号，使其转换的磁场三分量数据的采样时间点与惯导传感器4获得的飞行器的姿态数据从时间上严格同步。三分量磁场接收电路2还连接主处理系统6，将同步的实时三分量磁场数据传输到主处理系统6。

三分量磁场接收电路2中的信号处理电路I、信号处理电路II、信号处理电路III是三个结构相同的电路，分别连接三分量磁场传感器1中的三个单轴磁传感器的输出。单轴磁传感器的输出与放大滤波I的输出都连接到增益选择，由单片机系统控制切换至放大滤波II的输入端。放大滤波电路对磁传感器的输出信号进行滤波、放大，输出幅值与被测磁场成正比的二次谐波送给检波与积分电路，将放大滤波II输出的二次谐波变为直流电压。检波与积分电路连接反馈选择电路，其在单片机系统控制下将合适的反馈量送到磁通门探头进行反馈，使探头工作在零磁场附近。三分量磁场接收电路2连接惯导控制器4，接收惯导控制器4的时间同步信号，由三分量磁场接收电路2中的单片机系统控制三个通道同时进行数据采集。三分量磁场接收电路2中的数据存储器用来保存三分量的实时数据。

惯导传感器3和GPS天线5分别连接到惯导控制器4，用以获取飞行器的实时运动姿态和实时位置数据，惯导控制器4连接到主处理系统6，将飞行器的实时运动姿态和实时位置数据传输到主处理系统6。惯导控制器4还对惯导传感器3进行控制和供电。

主处理系统6对接收的实时三分量磁场数据和获取的飞行器实时运动姿态和实时位置数据进行处理，绘制出地球磁场X、Y、Z分量的三张矢量曲线图和地磁场矢量图。

为保证进行地球磁场矢量测量，惯导传感器3和三分量磁场传感器1刚性平行固定在无磁性平台上，并在安装过程中要保证惯导传感器3和三分量磁场传感器1互相平行。将三分量磁场传感器、惯导传感器和GPS(全球卫星定位)天线组合在一起，采用吊舱或硬架结构安置于飞行器之外。

Claims (1)

1.一种航空地磁矢量检测装置，其特征在于，是由三分量磁场传感器(1)经三分量磁场接收电路(2)和惯导控制器(4)与GPS天线(5)连接，惯导传感器(3)经惯导控制器(4)与处理系统(6)连接，三分量磁场接收电路(2)与主处理系统(6)连接，主处理系统(6)与电源变换连接构成；

三分量磁场接收电路(2)是由单片机系统分别与采集电路，放大滤波Ⅱ，反馈选择，增益选择，放大滤波Ⅰ，探头驱动电路，数据存储器，主处理系统(6)经惯导控制器(4)与GPS天线(5)连接，单片机系统经信号处理电路Ⅱ与单轴磁传感器Ⅱ连接，单片机系统经信号处理电路Ⅲ与单轴磁传感器Ⅲ连接，单轴磁传感器Ⅰ经反馈选择、检波积分与采集电路连接，单轴磁传感器Ⅰ经增益选择和放大滤波Ⅱ与检波积分连接，单轴磁传感器Ⅰ分别与放大滤波Ⅰ和探头驱动电路连接构成；

惯导传感器(3)和三分量磁场传感器1刚性固定在无磁性平台上；

三分量磁场传感器(1)是由三个结构上互相垂直的单轴磁场传感器构成，该单轴磁  场传感器采用磁饱和式或磁阻式磁敏传感器，三分量磁场传感器(1)输出的与被测磁场成对应关系模拟电压信号连接到三分量磁场接收电路(2)；将三分量磁场传感器(1)得到的模拟电压信号转换为相应的数字信号，并进行现场保存;三分量磁场接收电路(2)还连接惯导控制器(4)，接收惯导控制器(4)的时间同步信号，使其转换的磁场三分量数据的采样时间点与惯导传感器(4)获得的飞行器的姿态数据从时间上严格同步，从而消除了由于飞行器速度快产生的三分量数据和姿态数据不同步产生的数据偏差,三分量磁场接收电路(2)还连接主处理系统 (6)，将同步的实时三分量磁场数据传输到主处理系统(6)；

三分量磁场接收电路(2)是将磁传感器的信号进行处理、数字化，并实现数据采集  同步及实时数据存储和将数据定时传输给主处理器，三分量磁场接收电路(2)中的信号处理电路I、信号处理电路II、信号处理电路III 是三个结构相同的电路，分别连接三分量磁场  传感器(1)中的三个单轴磁传感器的输出，信号处理电路I、II、III 各路都包含各自的数据采集电路，由惯导控制器来的同步信号控制，进行同步采集；

惯导传感器(3)和GPS天线(5)分别连接到惯导控制器(4)，用以获取飞行器的实时运动姿态和实时位置数据，惯导控制器(4)连接到主处理系统(6)，将飞行器的实时运动姿态和实时位置数据传输到主处理系统(6)，惯导控制器(4)还对惯导传感器(3)进行控制和供电；

主处理系统(6)对接收的实时三分量磁场数据和获取的飞行器实时运动姿态和实时位置数据进行处理，绘制出地球磁场 X、Y、Z 分量的三张矢量曲线图和地磁场矢量图；

为保证进行地球磁场矢量测量，惯导传感器(3)和三分量磁场传感器(1)刚性平行固定在无磁性平台上，并在安装过程中要保证惯导传感器(3)和三分量磁场传感器(1)互相平行；

将三分量磁场传感器、惯导传感器和 GPS天线组合在一起，采用吊舱或硬  架结构安置于飞行器之外。

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