CN103353612B - 一种地下目标物体的测量定位设备及测量定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下目标物体的定位方法及系统，所述方法包含：步骤101）在目标物体上安装永磁体或电磁体产生磁场并使磁场旋转；步骤102）通过磁强计磁场探测器的探测，解算目标物体在磁强计三轴测量坐标系内的位置与方向，得到目标物体的本体和其镜像点在该测量坐标系中的具体位置；步骤103）分辨本体与其镜像点，滤除各个镜像点，得到地下目标物体的具体位置和旋转轴方向，完成地下目标的定位。本发明在目标物体上安装永磁体或电磁体产生磁场并旋转的方法，通过磁场探测器的探测，解算目标物体在测量坐标系内的位置与方向，并通过适当的策略分辨其本体与其镜像点，解决了地下旋转磁性物体的定位技术，本发明的技术方案也能对非磁性物体的定位。

Description

一种地下目标物体的测量定位设备及测量定位方法

技术领域

本发明涉及工程实践中物体定位的设备及技术，具体涉及旋转磁性物体的定位设备及技术。

背景技术

在工程实践中，经常需要对不能直接测量的物体进行定位。小到地下管线测量定位，大到石油地下钻头的测量定位。现有技术对待测物体进行定位的方法有很多，而根据其应用的范围，大致可以分为以下几类：

1、在小尺度范围内，通常采用微波探测器的方式对地面以下物体进行定位，此方法可以较准确的对待测物体进行定位，如管线的测量与定位，缺点是测量范围小，局限于地表附近几米范围内。

2、在较大尺度范围内，通常采用雷达照射的方式对天空中的物体进行定位，此方法在民用军用诸多方面应用广泛，如飞机、导弹的测量与定位，优点是测量范围大，精度高，技术成熟，缺点信号在地面以下衰减极快，无法在地面以下使用。

3、在地面以下较大尺度的范围内，通常在石油钻井平台的作业范围内，通过惯性测量的方式，对钻头前进的路径进行积分，进而得到钻头的位置，此方法定位的工作范围较大，但测量精度较差，有较大的累积误差。

4、水面以下通常使用声纳对水中的固定或移动物体，进行扫描定位。根据声纳的频率不同，而具有不同的探测范围和探测精度。声纳的方法技术比较成熟，应用较广泛，但基本局限在水中使用，地面以下较少使用。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有技术的上述缺陷，实现高精度的地下物体定位测量，本发明包含地下目标物体的测量设备及其定位方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种地下目标物体的定位方法，所述方法包含：

步骤101）在目标物体上安装永磁体或电磁体产生磁场并使磁场旋转；

步骤102）通过磁强计磁场探测器的探测，解算目标物体在磁强计三轴测量坐标系内的位置与方向，得到目标物体的本体和其镜像点在该测量坐标系中的具体位置；

步骤103）分辨本体与其镜像点，滤除各个镜像点，得到地下目标物体的本体的具体位置和旋转轴方向，完成地下目标的定位测量。

上述的步骤102）进一步包含：

步骤102-1）磁强计三轴构成正交的测量坐标系，记待测目标物体的等效偶极子磁矩为M，记待测目标物体在测量坐标系内的位置为(XYZ)，记磁强计传感器测量得到的旋转目标物体在该处产生的感应磁场的三分量为(b_x,b_y,b_z)，该三分量通过磁场的测量值去除地球本底磁场得到，记该感应场的磁场强度为 $B=\sqrt{{\left(b_x\right)}^2+{\left(b_y\right)}^2+{\left(b_z\right)}^2};$

步骤102-2）在被测磁性目标物体完成一个以上旋转周期之后，记测量磁场的磁场强度B的最小值为B_m，其对应时刻的磁场三分量为(b_xm,b_ym,b_zm)，记磁场强度B的最大值为B_n，其对应的磁场三分量为(b_xn,b_yn,b_zn),每组同一时刻采样的磁场三分量测量数据对应一个转换因子，记该转换因子为β，所述转换因子为β代表该时刻测量磁场的矢量方向与磁场强度最小值时刻对应的测量磁场的矢量方向的夹角的余弦值；

通过如下的计算方法，得到待测目标物体的本体镜像点与其他三个镜像点的位置坐标（X,Y,Z），其中每组磁场测量值对应四个镜像点位置，多组磁场测量值之间对应的镜像点是相同的，通过平均等统计方式对多组磁场值对应的镜像点的位置进行修正：

$\mathrm{\β}=\frac{b_{\mathrm{xm}}{b}_x+b_{\mathrm{ym}}{b}_y+b_{\mathrm{zm}}{b}_z}{B_{m}B}$

$\mathrm{\δ}=\±\frac{1}{2}{\left(\frac{{{4B}_m}^2-{3B}^2{\mathrm{\β}}^2-B^2}{B^2-{B_m}^2}\right)}^{\frac{1}{2}}$

$\left\{\begin{array}{c}x=(B_m{b}_x-{\mathrm{Bb}}_{\mathrm{xm}}\mathrm{\β})+\frac{\mathrm{\δ}}{B_m}(B_m{b}_y-{\mathrm{Bb}}_{\mathrm{ym}}\mathrm{\β})b_{\mathrm{zm}}-\frac{\mathrm{\δ}}{B_m}(B_m{b}_z-{\mathrm{Bb}}_{\mathrm{zm}}\mathrm{\β})b_{\mathrm{ym}}\\ y=(B_m{b}_y-{\mathrm{Bb}}_{\mathrm{ym}}\mathrm{\β})+\frac{\mathrm{\δ}}{B_m}(B_m{b}_z-{\mathrm{Bb}}_{\mathrm{zm}}\mathrm{\β})b_{\mathrm{xm}}-\frac{\mathrm{\δ}}{B_m}(B_m{b}_x-{\mathrm{Bb}}_{\mathrm{xm}}\mathrm{\β})b_{\mathrm{zm}}\\ z=(B_m{b}_z-{\mathrm{Bb}}_{\mathrm{zm}}\mathrm{\β})+\frac{\mathrm{\δ}}{B_m}(B_m{b}_x-{\mathrm{Bb}}_{\mathrm{xm}}\mathrm{\β})b_{\mathrm{ym}}-\frac{\mathrm{\δ}}{B_m}(B_m{b}_y-{\mathrm{Bb}}_{\mathrm{ym}}\mathrm{\β})b_{\mathrm{xm}}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}X=\±x{\left(\frac{M}{{10}^7{B}_m}\right)}^{\frac{1}{3}}/{(x^2+y^2+z^2)}^{\frac{1}{2}}\\ Y=\±y{\left(\frac{M}{{10}^7{B}_m}\right)}^{\frac{1}{3}}/{(x^2+y^2+z^2)}^{\frac{1}{2}}\\ Z=\±z{\left(\frac{M}{{10}^7{B}_m}\right)}^{\frac{1}{3}}/{(x^2+y^2+z^2)}^{\frac{1}{2}}\end{array}\right.$

其中，（x，y，z）和δ均为中间变量参与计算，由于上式中出现两次正负符号，所以镜像点总数为四个。

上述等效偶极子磁矩M采用如下策略获得：

在距离待测目标物体一设定距离的若干位置，测量待测物体产生的磁场，进而计算待测物体的等效偶极子磁矩M；

当上述等效偶极子磁矩M的准确度不能满足需求时，采用如下策略修正等效偶极子磁矩M：

待测目标重新标定磁矩前，其等效偶极子磁矩为M，通过将待测目标原地测量和移动某一设定距离d并再次测量，重新标定其磁矩设为M’，并同时标定待测物体的位置。

重新标定前的等效偶极子磁矩M为以前的标定值，或是某个预设值，首先进行原地的第一次旋转测量，代入计算得到该等效偶极子磁矩M情况下的第一次测量坐标；将待测物体按照其旋转轴方向移动一设定距离d，再次旋转目标物体测量并得到第二次测量坐标，排除目标物体的镜像点最终得到两次测量的坐标位置，记两次定位的位置分别为点P1(x₁y₁z₁)和点P2(x₂y₂z₂)，则按照如下方法分别重新标定：等效偶极子磁矩M、点P1和点P2为M’、P1’(x₁′y₁′z₁′)、P2’(x₂′y₂′z₂′)：

$M^{\′}=M*{\left(\frac{d}{{({(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2+{(z_1-z_2)}^2)}^{\frac{1}{2}}}\right)}^3$

$\left\{\begin{array}{c}{x_1}^{\′}=x_1*\frac{d}{{({(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2+{(z_1-z_2)}^2)}^{\frac{1}{2}}}\\ {y_1}^{\′}=y_1*\frac{d}{{({(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2+{(z_1-z_2)}^2)}^{\frac{1}{2}}}\\ {z_1}^{\′}=z_1*\frac{d}{{({(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2+{(z_1-z_2)}^2)}^{\frac{1}{2}}}\\ {x_2}^{\′}=x_2*\frac{d}{{({(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2+{(z_1-z_2)}^2)}^{\frac{1}{2}}}\\ {y_2}^{\′}=y_2*\frac{d}{{({(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2+{(z_1-z_2)}^2)}^{\frac{1}{2}}}\\ {z_2}^{\′}=z_2*\frac{d}{{({(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2+{(z_1-z_2)}^2)}^{\frac{1}{2}}}\end{array}\right.$

其中，M’为重新标定后的等效偶极子磁矩，P1’(x₁′y₁′z₁′)和P2’(x₂′y₂′z₂′)为修正后的待测物体位置。

上述的步骤103）具体为：

将地下待测目标物体的四个镜像点分为三类：

第一类镜像点表示待测目标物体本体的实际位置；

第二类镜像点表示第一类镜像点关于测量点的对称位置；

第三类镜像点表示第一和第二类镜像点的镜像点；

步骤103-1）辨别第三类镜像点：

改变被测物体的旋转轴，不改变被测物体的位置再次重复步骤102），其中第一、二类镜像点位置不动，第三类两个镜像点位置将发生改变，舍弃改变位置的第三类镜像点；或

改变被测物体的位置，沿着旋转轴方向前进或后退一定距离，按照如下公式计算分辨系数γ，所述γ是评价位移方向与旋转轴方向的函数，当γ=1时表示位移方向与旋转轴方向相同；上述四个镜像点中第一、二类镜像点的分辨系数约为1，而第三类镜像点的分辨系数不为1，舍弃第三类镜像点：

其中，记移动前定位的位置为(XYZ)，移动后的位置为(X′Y′Z′)，镜像点的分辨系数γ的计算公式为：

$\mathrm{\α}=\frac{{((B_{\mathrm{yn}}{B}_{\mathrm{zm}}-B_{\mathrm{zn}}{B}_{\mathrm{ym}})X+(B_{\mathrm{zn}}{B}_{\mathrm{xm}}-B_{\mathrm{xn}}{B}_{\mathrm{zm}})Y+(B_{\mathrm{xn}}{B}_{\mathrm{ym}}-B_{\mathrm{yn}}{B}_{\mathrm{xm}})Z)}^2}{({(B_{\mathrm{yn}}{B}_{\mathrm{zm}}-B_{\mathrm{zn}}{B}_{\mathrm{ym}})}^2+{(B_{\mathrm{zn}}{B}_{\mathrm{xm}}-B_{\mathrm{xn}}{B}_{\mathrm{zm}})}^2+{(B_{\mathrm{xn}}{B}_{\mathrm{ym}}-B_{\mathrm{yn}}{B}_{\mathrm{xm}})}^2)(X^2+Y^2+Z^2)}$

$\mathrm{\γ}=\frac{4\mathrm{\α}({(X-X^{\′})}^2+{(Y-Y^{\′})}^2+{(Z-Z^{\′})}^2)(X^2+Y^2+Z^2)}{(1+3\mathrm{\α}){((X-X^{\′})X+(Y-Y^{\′})Y+(Z-Z^{\′})Z)}^2};$

步骤103-2）辨别第二类镜像点：

第二类镜像点是待测物体真实位置关于测量点的对称点，其位置与第一类镜像点分别位于测量点的两侧，第二类镜像点根据测量点与待测物体的已知位置关系进行判断，舍弃测量点另一侧的镜像点。

上述的步骤102）之后和步骤103)之前还包含：

将得到的目标物体的本体及其镜像点在测量坐标系的位置坐标转换为大地坐标系下的坐标。

此外，本发明还提供了一种地下目标物体的定位测量系统，所述系统包含：

永磁体或电磁体，磁场探测器和数据处理定位终端；

所述永磁体或电磁体，安装在目标物体上，用于使目标物体产生磁场并使磁场旋转；

所述磁场探测器，用于测量产生的旋转磁场的磁场强度，该磁场探测器部署在定位目标物体附近；

所述数据处理定位终端，用于依据测量的磁场强度值解算目标物体在磁强计三轴测量坐标系内的位置与方向，得到目标物体的本体和其镜像点在该测量坐标系中的具体位置，并将位置最终转化到大地坐标系内；分辨本体与其镜像点，滤除各个镜像点，得到地下目标物体的具体位置和旋转轴方向，完成地下目标的定位。

上述数据处理定位终端进一步包含：

目标物体的本体与镜像点位置获取模块，用于依据测量的磁场强度值解算目标物体在磁强计三轴测量坐标系内的位置与方向，得到目标物体的本体和其镜像点在该测量坐标系中的具体位置；和

滤除模块，用于分辨本体与其镜像点，滤除各个镜像点，得到地下目标物体的具体位置和旋转轴方向，完成地下目标的定位；

磁矩修正模块，用于修正安装了磁体的目标物体的磁矩。

上述目标物体的本体与镜像点位置获取模块进一步包含：

信号处理子模块，该模块接收磁强计的磁场探测信号，滤除噪声，提取由定位目标体旋转而产生的磁场信号；

定位计算子模块，该模块使用信号处理子模块提供的目标体旋转的磁信号，计算目标体的本体与镜像点在测量坐标系中的位置与旋转轴方向；和

坐标系转化子模块，用于将定位计算子模块提供的本体与镜像点在测量坐标系中的位置转化为大地坐标系内的位置与旋转轴方向。

上述滤除模块进一步包含：

第三类镜像点滤除子模块，用于通过改变被测物体旋转轴或通过改变被测物体位置，分辨并滤除第三类镜像点；和

第二类镜像点滤除子模块，用于滤除第二类镜像点，进而保留第一类镜像点；

其中，所述第一类镜像点表示待测物体本体的实际位置；第二类镜像点表示第一类镜像点关于测量点的对称位置；第三类镜像点表示第一和第二类镜像点的镜像点。

与现有技术相比，本发明的技术优势在于：

本发明于现有技术相比，技术优势在于定位精度高。本发明可以广泛使用在石油钻井平台及其他不可直接测量的区域内。在100米的范围内，提供高精度的定位测量。对于钻井平台的地下钻头而言，可以作为最后100米内的精确定位工具。与定位范围大但精度低的现有钻头定位技术形成优势互补，大大提高地下钻头的打井精度，在地面以下较深尺度内提供精确定位。本发明提供的地下目标物体定位系统及方法弥补了国内在石油钻井平台地下钻头定位及其与地下目标物体的定位技术方面的空白。

附图说明

图1是本发明提供的地下目标物体的定位方法的流程框图；

图2是一周期仿真测量结果（旋转1度一个测量点，共360个测量点）；

图3是反演定位得到四个镜像点，XY平面视角；

图4是改变钻头旋转轴，前后两次定位的结果对比；

图5是改变钻头位置，前后两次定位的结果对比。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述方法进行详细说明。

本发明定义磁强计三轴构成正交的测量坐标系，记待测钻头的偶极子磁矩为M，记待测钻头在测量坐标系内的位置为(XYZ)，记旋转磁体在传感器处产生的磁场三分量为(b_x，b_y，b_z)，该三分量可以通过适当的信号处理，去除地磁本底得到，记磁场强度。在被测物体完成一个以上旋转周期之后，记磁场强度B的最小值为B_m，其对应的磁场三分量为(b_xm，b_ym，b_zm)，记磁场强度B的最大值为B_n，其对应的磁场三分量为(b_xn，b_yn，b_zn)，每组磁场测量数据对应一个转换因子，记该转换因子为β，其代表该时刻测量磁场的矢量方向与磁场强度最小值时刻对应的测量磁场的矢量方向的夹角的余弦值。通过如下的计算方法，可以得到待测目标物体的本体与镜像点的位置（X,Y,Z），考虑到公式中的两处±号，其结果每组磁场测量值共对应四个位置点（X,Y,Z）：

$\mathrm{\β}=\frac{b_{\mathrm{xm}}{b}_x+b_{\mathrm{ym}}{b}_y+b_{\mathrm{zm}}{b}_z}{B_{m}B}$

$\mathrm{\δ}=\±\frac{1}{2}{\left(\frac{{{4B}_m}^2-{3B}^2{\mathrm{\β}}^2-B^2}{B^2-{B_m}^2}\right)}^{\frac{1}{2}}$

$\left\{\begin{array}{c}x=(B_m{b}_x-{\mathrm{Bb}}_{\mathrm{xm}}\mathrm{\β})+\frac{\mathrm{\δ}}{B_m}(B_m{b}_y-{\mathrm{Bb}}_{\mathrm{ym}}\mathrm{\β})b_{\mathrm{zm}}-\frac{\mathrm{\δ}}{B_m}(B_m{b}_z-{\mathrm{Bb}}_{\mathrm{zm}}\mathrm{\β})b_{\mathrm{ym}}\\ y=(B_m{b}_y-{\mathrm{Bb}}_{\mathrm{ym}}\mathrm{\β})+\frac{\mathrm{\δ}}{B_m}(B_m{b}_z-{\mathrm{Bb}}_{\mathrm{zm}}\mathrm{\β})b_{\mathrm{xm}}-\frac{\mathrm{\δ}}{B_m}(B_m{b}_x-{\mathrm{Bb}}_{\mathrm{xm}}\mathrm{\β})b_{\mathrm{zm}}\\ z=(B_m{b}_z-{\mathrm{Bb}}_{\mathrm{zm}}\mathrm{\β})+\frac{\mathrm{\δ}}{B_m}(B_m{b}_x-{\mathrm{Bb}}_{\mathrm{xm}}\mathrm{\β})b_{\mathrm{ym}}-\frac{\mathrm{\δ}}{B_m}(B_m{b}_y-{\mathrm{Bb}}_{\mathrm{ym}}\mathrm{\β})b_{\mathrm{xm}}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}X=\±x{\left(\frac{M}{{10}^7{B}_m}\right)}^{\frac{1}{3}}/{(x^2+y^2+z^2)}^{\frac{1}{2}}\\ Y=\±y{\left(\frac{M}{{10}^7{B}_m}\right)}^{\frac{1}{3}}/{(x^2+y^2+z^2)}^{\frac{1}{2}}\\ Z=\±z{\left(\frac{M}{{10}^7{B}_m}\right)}^{\frac{1}{3}}/{(x^2+y^2+z^2)}^{\frac{1}{2}}\end{array}\right.$

依此方法共得到包括本体的四个镜像点，分为三类，其中：

第一类镜像点表示待测物体本体的实际位置；

第二类镜像点表示第一类镜像点关于测量点的对称位置；

第三类镜像点表示其余的两个镜像点，他们是第一第二类镜像点的镜像点。

通过以下的方式可以区分第三类镜像点，然后可以根据常理判断去除第二类镜像点。

镜像点辨别方式：

首先辨别上述定义的第三类镜像点，具体为：改变被测物体的旋转轴，不改变被测物体的位置再次重复测量，其中第一、二类镜像点位置不动，第三类两个镜像点位置将发生改变，舍弃改变位置的第三类镜像点；或改变被测物体的位置，沿着旋转轴方向（对于地下钻井钻头，可以将旋转轴方向设置为前进方向）前进或后退一定距离。按照如下公式计算分辨系数γ，γ是评价位移方向与旋转轴方向的函数。γ=1表示位移方向与旋转轴方向相同。四个镜像点中第一、二类镜像点的分辨系数约为1，而第三类镜像点的分辨系数不为1。

记移动前定位的位置为(XYZ)，移动后的位置为(X′Y′Z′)，镜像点的分辨系数计算公式为：

$\mathrm{\α}=\frac{{((B_{\mathrm{yn}}{B}_{\mathrm{zm}}-B_{\mathrm{zn}}{B}_{\mathrm{ym}})X+(B_{\mathrm{zn}}{B}_{\mathrm{xm}}-B_{\mathrm{xn}}{B}_{\mathrm{zm}})Y+(B_{\mathrm{xn}}{B}_{\mathrm{ym}}-B_{\mathrm{yn}}{B}_{\mathrm{xm}})Z)}^2}{({(B_{\mathrm{yn}}{B}_{\mathrm{zm}}-B_{\mathrm{zn}}{B}_{\mathrm{ym}})}^2+{(B_{\mathrm{zn}}{B}_{\mathrm{xm}}-B_{\mathrm{xn}}{B}_{\mathrm{zm}})}^2+{(B_{\mathrm{xn}}{B}_{\mathrm{ym}}-B_{\mathrm{yn}}{B}_{\mathrm{xm}})}^2)(X^2+Y^2+Z^2)}$

$\mathrm{\γ}=\frac{4\mathrm{\α}({(X-X^{\′})}^2+{(Y-Y^{\′})}^2+{(Z-Z^{\′})}^2)(X^2+Y^2+Z^2)}{(1+3\mathrm{\α}){((X-X^{\′})X+(Y-Y^{\′})Y+(Z-Z^{\′})Z)}^2}$

其中字母的定义如前面所述。

辨别第二类镜像点：第二类镜像点是待测物体真实位置关于测量点的对称点，其位置与第一类镜像点分别位于测量点的两侧。第二类镜像点可以根据常理进行判断。

本发明提供的补充解决方案为：

若被测物体的磁矩M未知或并不准确，则可以在工作环境内进一步修正磁矩M，通过将钻头移动已知距离d并再次测量，可以计算出准确的磁矩M和钻头的位置。预设磁矩M=500Am²，或预设M为实验室测量值。进行第一次测量，代入计算得到假定的镜像点。将钻头移动特定已知长度，设为d，再次测量并通过上述解决方案排除其它镜像点。记两次定位的位置分别为P1点(x₁y₁z₁)和P2点(x₂y₂z₂)。则可以按照如下方法修正磁矩M、P1、P2为M’、P1(x₁′y₁′z₁′)、P2’(x₂′y₂′z₂′)：

$M^{\′}=500*{\left(\frac{d}{{({(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2+{(z_1-z_2)}^2)}^{\frac{1}{2}}}\right)}^3$

$\left\{\begin{array}{c}{x_1}^{\′}=x_1*\frac{d}{{({(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2+{(z_1-z_2)}^2)}^{\frac{1}{2}}}\\ {y_1}^{\′}=y_1*\frac{d}{{({(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2+{(z_1-z_2)}^2)}^{\frac{1}{2}}}\\ {z_1}^{\′}=z_1*\frac{d}{{({(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2+{(z_1-z_2)}^2)}^{\frac{1}{2}}}\\ {x_2}^{\′}=x_2*\frac{d}{{({(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2+{(z_1-z_2)}^2)}^{\frac{1}{2}}}\\ {y_2}^{\′}=y_2*\frac{d}{{({(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2+{(z_1-z_2)}^2)}^{\frac{1}{2}}}\\ {z_2}^{\′}=z_2*\frac{d}{{({(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2+{(z_1-z_2)}^2)}^{\frac{1}{2}}}\end{array}\right.$

其中，M’为修正后的磁矩，P1’(x₁′y₁′z₁′)和P2’(x₂′y₂′z₂′)为修正后的待测物体位置，修正后的位置与两次测量中的实际位置相符。

仿真及定位实施例

设钻头的磁矩为M=500Am²，其在测量坐标系内的初始位置为(60,10,15)m，其旋转轴在测量坐标系内的方向（按照球坐标的定义法则定义角度）为θ＝5度，度。

根据旋转一周的理论仿真结果，测量点在进行适当的去噪声信号处理，与去除地磁场本底后，将测量到如图1所示的磁场分量，所述图2为旋转钻头在测量坐标系内特定位置、特定旋转轴的理论仿真测量数据，时间长度设定为一个旋转周期，共设定360个等时间隔测量点。可以看到每个轴的测量数据均为正弦曲线。

图3为通过反演计算得到的360*4=1440个镜像点，坐标系为测量坐标系，原点代表磁强计测量点，由于噪声和地磁场去除的非常干净，仿真结果中的1440个镜像点高度重合。

图3中最右侧的点为1类镜像点即真实位置点，最左侧的点为2类镜像点，另两个点为3类镜像点，可进一步采用上一节提到的方式加以区分。

最终得到第一类镜像点(图3中最右侧的点)即目标本体在坐标系中的坐标值（X,Y,Z）为（60,10,15）。

按照第一种区分方式，改变钻头的旋转轴后，重新定位。新的θ＝10度，度。图4中圆点镜像点与图2相同，十字点为新镜像点，其中1、2类镜像点位置不变（圆点与十字点重合），3类镜像点位置发生改变。

按照第二种区分方式，钻头沿其旋转轴方向前进10米，新的位置为（50.19,9.142,13.26），重新定位。图5中圆点镜像点与图2相同，十字点为新镜像点，其中1、2类镜像点的分辨系数为1,而3类点得分辨系数为1.9698。

通过上述两种方式的镜像点区分，可以得到真实位置点为最右侧的圆点，坐标为(60,10,15)。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种地下目标物体的定位方法，所述方法包含：

步骤101)在目标物体上安装永磁体或电磁体产生磁场并使磁场旋转；

步骤102)通过磁强计磁场探测器的探测，解算目标物体在磁强计三轴测量坐标系内的位置与方向，得到目标物体的本体和其镜像点在该测量坐标系中的具体位置；

步骤103)分辨本体与其镜像点，滤除各个镜像点，得到地下目标物体的本体的具体位置和旋转轴方向，完成地下目标的定位测量；

所述的步骤102)进一步包含：

步骤102-1)磁强计三轴构成正交的测量坐标系，记待测目标物体的等效偶极子磁矩为M，记待测目标物体在测量坐标系内的位置为(XYZ)，记磁强计传感器测量得到的旋转的目标物体在该处产生的感应磁场的三分量为(b_x，b_y，b_z)，该三分量通过磁场的测量值去除地球本底磁场得到，记该感应场的磁场强度为 $B=\sqrt{{\left(b_x\right)}^2+{\left(b_y\right)}^2+{\left(b_z\right)}^2};$

步骤102-2)在被测磁性目标物体完成一个以上旋转周期之后，记测量磁场的磁场强度B的最小值为B_m，其对应时刻的磁场三分量为(b_xm，b_ym，b_zm)，记磁场强度B的最大值为B_n，其对应的磁场三分量为(b_xn，b_yn，b_zn)，每组同一时刻采样的磁场三分量测量数据对应一个转换因子，记该转换因子为β，所述转换因子为β代表该时刻测量磁场的矢量方向与磁场强度最小值时刻对应的测量磁场的矢量方向的夹角的余弦值；

通过如下的计算方法，得到待测目标物体的本体镜像点与其他三个镜像点的位置坐标(X,Y,Z)，其中每组磁场测量值对应四个镜像点位置，多组磁场测量值之间对应的镜像点是相同的，通过平均等统计方式对多组磁场值对应的镜像点的位置进行修正：

$\mathrm{\β}=\frac{b_{xm}{b}_x+b_{ym}{b}_y+b_{zm}{b}_z}{B_{m}B}$

$\mathrm{\δ}=\±\frac{1}{2}{\left(\frac{4{B_m}^2-3B^2{\mathrm{\β}}^2-B^2}{B^2-{B_m}^2}\right)}^{\frac{1}{2}}$

$\left\{\begin{array}{c}x=\left(B_m{b}_x-{\mathrm{Bb}}_{xm}\mathrm{\β}\right)+\frac{\mathrm{\δ}}{B_m}\left(B_m{b}_y-{\mathrm{Bb}}_{ym}\mathrm{\β}\right)b_{zm}-\frac{\mathrm{\δ}}{B_m}\left(B_m{b}_z-{\mathrm{Bb}}_{zm}\mathrm{\β}\right)b_{ym}\\ y=\left(B_m{b}_y-{\mathrm{Bb}}_{ym}\mathrm{\β}\right)+\frac{\mathrm{\δ}}{B_m}\left(B_m{b}_z-{\mathrm{Bb}}_{zm}\mathrm{\β}\right)b_{xm}-\frac{\mathrm{\δ}}{B_m}\left(B_m{b}_x-{\mathrm{Bb}}_{xm}\mathrm{\β}\right)b_{zm}\\ z=\left(B_m{b}_z-{\mathrm{Bb}}_{zm}\mathrm{\β}\right)+\frac{\mathrm{\δ}}{B_m}\left(B_m{b}_x-{\mathrm{Bb}}_{xm}\mathrm{\β}\right)b_{ym}-\frac{\mathrm{\δ}}{B_m}\left(B_m{b}_y-{\mathrm{Bb}}_{ym}\mathrm{\β}\right)b_{xm}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}X=\±x{\left(\frac{M}{{10}^7{B}_m}\right)}^{\frac{1}{3}}/{\left(x^2+y^2+z^2\right)}^{\frac{1}{2}}\\ Y=\±y{\left(\frac{M}{{10}^7{B}_m}\right)}^{\frac{1}{3}}/{\left(x^2+y^2+z^2\right)}^{\frac{1}{2}}\\ Z=\±x{\left(\frac{M}{{10}^7{B}_m}\right)}^{\frac{1}{3}}/{\left(x^2+y^2+z^2\right)}^{\frac{1}{2}}\end{array}\right..$

2.根据权利要求1所述的地下目标物体的定位方法，其特征在于，所述待测目标物体的等效偶极子磁矩M采用如下策略获得：

将待测目标置于磁场稳定且均匀的空间内，在距离待测目标物体某个特定距离的若干位置，测量待测物体产生的磁场，进而计算待测物体的等效偶极子磁矩M。

3.根据权利要求1所述的地下目标物体的定位方法，其特征在于，当上述等效偶极子磁矩M的准确度不能满足需求时，采用如下策略修正等效偶极子磁矩M：

待测目标重新标定磁矩前，其等效偶极子磁矩为M，通过将待测目标原地测量和移动某一设定距离d并再次测量，重新标定其磁矩设为M’，并同时标定待测物体的位置；

重新标定前的等效偶极子磁矩M为以前的标定值，或是某个预设值，首先进行原地的第一次旋转测量，代入计算得到该等效偶极子磁矩M情况下的第一次测量坐标；将待测物体按照其旋转轴方向移动一设定距离d，再次旋转目标物体测量并得到第二次测量坐标，排除目标物体的镜像点最终得到两次测量的坐标位置，记两次定位的位置分别为点P1(x₁y₁z₁)和点P2(x₂y₂z₂)，则按照如下方法分别重新标定：等效偶极子磁矩M、点P1和点P2为M’、P1’(x₁′y₁′z₁′)、P2’(x₂′y₂′z₂′)：

$M^{\′}=M*{\left(\frac{d}{{\left({\left(x_1-x_2\right)}^2+{\left(y_1-y_2\right)}^2+{\left(z_1-z_2\right)}^2\right)}^{\frac{1}{2}}}\right)}^3$

$\left\{\begin{array}{c}{x_1}^{\′}=x_1*\frac{d}{{\left({\left(x_1-x_2\right)}^2+{\left(y_1-y_2\right)}^2+{\left(z_1-z_2\right)}^2\right)}^{\frac{1}{2}}}\\ {y_1}^{\′}=y_1*\frac{d}{{\left({\left(x_1-x_2\right)}^2+{\left(y_1-y_2\right)}^2+{\left(z_1-z_2\right)}^2\right)}^{\frac{1}{2}}}\\ {z_1}^{\′}=z_1*\frac{d}{{\left({\left(x_1-x_2\right)}^2+{\left(y_1-y_2\right)}^2+{\left(z_1-z_2\right)}^2\right)}^{\frac{1}{2}}}\\ {x_2}^{\′}=x_2*\frac{d}{{\left({\left(x_1-x_2\right)}^2+{\left(y_1-y_2\right)}^2+{\left(z_1-z_2\right)}^2\right)}^{\frac{1}{2}}}\\ {y_2}^{\′}=y_2*\frac{d}{{\left({\left(x_1-x_2\right)}^2+{\left(y_1-y_2\right)}^2+{\left(z_1-z_2\right)}^2\right)}^{\frac{1}{2}}}\\ {z_2}^{\′}=z_2*\frac{d}{{\left({\left(x_1-x_2\right)}^2+{\left(y_1-y_2\right)}^2+{\left(z_1-z_2\right)}^2\right)}^{\frac{1}{2}}}\end{array}\right.$

其中，M’为重新标定后的等效偶极子磁矩，P1’(x₁′y₁′z₁′)和P2’(x₂′y₂′z₂′)为修正后的待测物体位置。

4.根据权利要求1所述的地下目标物体的定位方法，其特征在于，所述的步骤103)具体为：

将地下待测目标物体的四个镜像点分为三类：

第一类镜像点表示待测目标物体本体的实际位置；

第二类镜像点表示第一类镜像点关于测量点的对称位置；

第三类镜像点表示第一和第二类镜像点的镜像点；

步骤103-1)辨别第三类镜像点：

改变被测物体的旋转轴，不改变被测物体的位置再次重复步骤102)，其中第一、二类镜像点位置不动，第三类两个镜像点位置将发生改变，舍弃改变位置的第三类镜像点；或

改变被测物体的位置，沿着旋转轴方向前进或后退一定距离，按照如下公式计算分辨系数γ，所述γ是评价位移方向与旋转轴方向的函数，当γ＝1时表示位移方向与旋转轴方向相同；上述四个镜像点中第一、二类镜像点的分辨系数约为1，而第三类镜像点的分辨系数不为1，舍弃第三类镜像点：

其中，记移动前定位的位置为(XYZ)，移动后的位置为(X′Y′Z′)，镜像点的分辨系数γ的计算公式为：

$\mathrm{\α}=\frac{{\left(\left(B_{yn}{B}_{zm}-B_{zn}{B}_{ym}\right)X+\left(B_{zn}{B}_{xm}-B_{xn}{B}_{zm}\right)Y+\left(B_{xn}{B}_{ym}-B_{yn}{B}_{xm}\right)Z\right)}^2}{\left({\left(B_{yn}{B}_{zm}-B_{zn}{B}_{ym}\right)}^2+{\left(B_{zn}{B}_{xm}-B_{xn}{B}_{zm}\right)}^2+{\left(B_{xn}{B}_{ym}-B_{yn}{B}_{xm}\right)}^2\right)\left(X^2+Y^2+Z^2\right)}$

$\mathrm{\γ}=\frac{4\mathrm{\α}\left({\left(X-X^{\′}\right)}^2+{\left(Y-Y^{\′}\right)}^2+{\left(Z-Z^{\′}\right)}^2\right)\left(X^2+Y^2+Z^2\right)}{\left(1-3\mathrm{\α}\right){\left(\left(X-X^{\′}\right)X+\left(Y-Y^{\′}\right)Y+\left(Z-Z^{\′}\right)Z\right)}^2};$

步骤103-2)辨别第二类镜像点：

第二类镜像点是待测物体真实位置关于测量点的对称点，其位置与第一类镜像点分别位于测量点的两侧，第二类镜像点根据测量点与待测物体的已知位置关系进行判断，舍弃测量点另一侧的镜像点。

5.根据权利要求1所述的地下目标物体的定位方法，其特征在于，所述的步骤102)之后和步骤103)之前还包含：

将得到的目标物体的本体及其镜像点在测量坐标系的位置坐标转换为大地坐标系下的坐标。

6.一种地下目标物体的定位测量系统，其特征在于，所述系统包含：

永磁体或电磁体，磁场探测器和数据处理定位终端；

所述永磁体或电磁体，安装在目标物体上，用于使目标物体产生磁场并使磁场旋转；

所述磁场探测器，用于测量产生的旋转磁场的磁场强度，该磁场探测器部署在定位目标物体附近；

所述数据处理定位终端，用于依据测量的磁场强度值解算目标物体在磁强计三轴测量坐标系内的位置与方向，得到目标物体的本体和其镜像点在该测量坐标系中的具体位置，并将位置最终转化到大地坐标系内；分辨本体与其镜像点，滤除各个镜像点，得到地下目标物体的具体位置和旋转轴方向，完成地下目标的定位；

所述数据处理定位终端进一步包含：

目标物体的本体与镜像点位置获取模块，用于依据测量的磁场强度值解算目标物体在磁强计三轴测量坐标系内的位置与方向，得到目标物体的本体和其镜像点在该测量坐标系中的具体位置；和

滤除模块，用于分辨本体与其镜像点，滤除各个镜像点，得到地下目标物体的具体位置和旋转轴方向，完成地下目标的定位；

磁矩修正模块，用于修正安装了磁体的目标物体的磁矩。

7.根据权利要求6所述的地下目标物体的定位测量系统，其特征在于，所述目标物体的本体与镜像点位置获取模块进一步包含：

信号处理子模块，该模块接收磁强计的磁场探测信号，滤除噪声，提取由定位目标体旋转而产生的磁场信号；

定位计算子模块，该模块使用信号处理子模块提供的目标体旋转的磁信号，计算目标体的本体与镜像点在测量坐标系中的位置与旋转轴方向；和

坐标系转化子模块，用于将定位计算子模块提供的本体与镜像点在测量坐标系中的位置转化为大地坐标系内的位置与旋转轴方向。

8.根据权利要求6所述的地下目标物体的定位测量系统，其特征在于，所述滤除模块进一步包含：

第三类镜像点滤除子模块，用于通过改变被测物体旋转轴或通过改变被测物体位置，分辨并滤除第三类镜像点；和

第二类镜像点滤除子模块，用于滤除第二类镜像点，进而保留第一类镜像点；

其中，所述第一类镜像点表示待测物体本体的实际位置；第二类镜像点表示第一类镜像点关于测量点的对称位置；第三类镜像点表示第一和第二类镜像点的镜像点。