CN104345348A - 航空超导全张量磁梯度测量系统相关参数获取装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种航空地球物理磁法勘探数据处理方法，能够获取精确的五个平面超导磁梯度传感器相对于惯导坐标系的基线方向单位向量与传感器平面法向量以及相对于三分量磁力仪坐标系的传感器平面法向量，为精确获取相对于地理坐标系的全张量磁梯度五个独立分量提供了前提；采用坐标系变换的方法计算全张量磁梯度五个独立分量，省略了计算五个平面超导磁梯度传感器相对于地理坐标系姿态角度的中间过程，采用惯导坐标系作为测量系统的坐标系，利用惯导测得的姿态数据通过一次坐标系变换便可获得相对于地理坐标系的全张量磁梯度五个独立分量，降低了计算难度，提高了计算效率，更适用于航空磁测等测量平台的姿态时变的测量。

Description

航空超导全张量磁梯度测量系统相关参数获取装置及方法

技术领域：

本发明涉及一种航空地球物理磁法勘探数据处理方法,尤其是航空超导全张量磁梯度测量系统相关参数获取装置及方法，该航空超导全张量磁梯度测量系统采用超导全张量磁梯度仪配以三分量磁力仪、惯导与GPS全球定位系统进行测量相对于地理坐标系的全张量磁梯度五个独立分量。

背景技术：

航空全张量磁梯度测量系统是最新一代(第三代)的航空磁测系统，相比于第一代的航空标量或单分量磁测系统与第二代的航空磁矢量数据测量系统，该系统可获取更多、更精确的磁场信息，更利于对地下矿藏的解释。

超导量子干涉器件(SQUID)是目前灵敏度最高的磁传感器，能够测量非常微弱的磁信号(fT量级)，所以可以感知位于地球深处的矿藏所引起的微弱的磁异常信号，大幅度提高设备对矿产资源的探测深度；利用超导量子干涉器件(SQUID)制成的磁梯度噪声量级为的磁梯度传感器的基线长度为厘米级，非常符合航磁测量设备小型化、低功耗、高精度的要求；因此，由SQUID制成的磁梯度传感器是目前实现航空全张量磁梯度测量的最佳选择。

Supercond.Sci.Technol.24(2120)026030(8pp)发表的《A high-Tcflip-chip SQUID gradiometer for mobile underwater magnetic sensing》介绍了一种平面超导磁梯度传感器，该传感器由基底、两个拾取环、耦合线圈与SQUID组成，其中SQUID通过耦合线圈读取两个拾取环上的磁通差值，因此该传感器直接测得磁场垂直于传感器平面的分量的梯度值，可极大地抑制环境中幅值较大的共模背景磁场噪声，此外该传感器还具有体积小、精度高、便于制造、利于架构超导全张量磁梯度测量探头的优点，因此该传感器是目前为止最适合架构超导全张量磁梯度测量探头的传感器。

US54210056公开了一种由平面超导磁梯度传感器架构的超导全张量磁梯度测量探头(即张量测量探头)。如图3和4所示：该探头为五棱台结构，其中五个平面超导磁梯度传感器分布于五棱台的五个侧面上，且传感器的基线与所在棱台侧面的上、下底边的中垂线重合。如式(1)所示，利用五个平面超导磁梯度传感器测得的磁梯度值，便可求出全张量磁梯度的五个独立分量。OCEANS 2120IEEE–Sydney发表的《Development of a high temperaturesuperconducting magnetic tensor gradiometer for underwater UXOdetection》介绍了一种六棱台结构的张量测量探头，该探头同样采用平面超导磁梯度传感器作为核心器件，算法与上述的五棱台结构的张量测量探头所采用的算法类似。

${\left(B_{\mathrm{xx}}{B}_{\mathrm{yy}}{B}_{\mathrm{xy}}{B}_{\mathrm{xz}}{B}_{\mathrm{yz}}\right)}^T={(\stackrel{\→}{f_1};\stackrel{\→}{f_2};\stackrel{\→}{f_3};\stackrel{\→}{f_4};\stackrel{\→}{f_5})}^{-1}\·{\left({\mathrm{\ΔB}}_1{\mathrm{\ΔB}}_2{\mathrm{\ΔB}}_3{\mathrm{\ΔB}}_4{\mathrm{\ΔB}}_5\right)}^T\·\·\·\·\·\·\left(1\right)$

式中：

①式(1)所采用的坐标系为张量测量探头坐标系，其XOY平面为棱台的底面，

原心为棱台底面的中心，Z轴垂直向上。

②(B_xx B_yy B_xy B_xz B_yz)^T为全张量磁梯度的五个独立分量构成的向量；

③为五个平面磁梯度传感器相对于张量测量探头坐标系的系数向量，值为：

$\left(\frac{\left({1+\cos }^2{\mathrm{\φ}}_i\right)\sin \left(2{\mathrm{\θ}}_i\right)}{2}\frac{\left({1+\sin }^2{\mathrm{\φ}}_i\right)\sin \left({2\mathrm{\θ}}_i\right)}{2}\frac{\sin \left({2\mathrm{\φ}}_i\right)\sin \left({2\mathrm{\θ}}_i\right)}{2}{\cos \mathrm{\φ}}_i\cos \left({2\mathrm{\θ}}_i\right){\sin \mathrm{\φ}}_i\cos \left({2\mathrm{\θ}}_i\right)\right)$ (式中θ_i为传感器平面与XOY平面的夹角；φ_i为传感器基线在XOY平面上的投影与X轴的夹角)；

④(ΔB₁ ΔB₂ ΔB₃ ΔB₄ ΔB₅)^T为五个平面超导磁梯度传感器测得的磁梯度值组成的向量；

式(1)所采用的坐标系始终为张量测量探头的坐标系，而航空全张量磁梯度测量所采用的坐标系为地理坐标系，在航空全张量磁梯度测量过程中，由于风向及人为操控等因素的影响，航空平台的姿态时刻在随机变化，因此很难使探头坐标系与地理坐标系保持一致，所以该系统所采用的计算全张量磁梯度五个独立分量的方法不适用于航磁测量。

除此以外，式(1)中，θ_i取值为棱台的各侧面与底面的夹角，φ_i取值为棱台侧面的上、下底边中点的连线在底面上的投影与X轴的夹角，这两个角度值实际上为传感器在理想情况下的安装角度，但是由于加工工艺和安装水平的限制，在安装传感器的过程中，各传感器在探头上的实际安装角度与理想安装角度存在着差异，因此不可以将两者等同。

《Calibrating a Tensor Magnetic Gradiometer Using Spin Data》介绍了一种利用已知的低梯度的磁场(匀强磁场)校准由四个三分量磁力仪构成的全张量磁梯度仪的装置及方法，其核心为利用全张量磁梯度仪在匀强磁场中旋转产生的数据进行校正每个三分量磁力仪的姿态及位置。但是由于平面超导磁梯度传感器直接测得非轴向的磁梯度值，而对共模磁场(匀强磁场)有很强的抑制作用，因此采用该文章所述的装置及方法无法对由平面超导磁梯度传感器构成的全张量磁梯度测量探头进行校准。

CN202421522U公开了一种“三轴无磁转台”，各转轴的优先级从高到低分别为航向转轴、俯仰转轴及摇摆转轴，该优先级与获取全张量磁梯度测量系统各结构参数的操作顺序不符；此外，该三轴平台为框架结构，不适于负载重物；最后该装置通过蜗轮蜗杆进行微调或锁定俯仰平台(摇摆平台)，若平台负载过重，将对蜗轮蜗杆磨损严重，且也不易锁定俯仰角(摇摆角)，因此该装置不适用于全张量磁梯度测量系统结构参数的获取。

发明内容：

本发明的目的在于针对目前采用由平面超导磁梯度传感器构成的张量测量探头的超导全张量磁梯度仪所采用的计算全张量磁梯度五个独立分量的方法不适合航空全张量磁梯度测量的情况，提供了一种适用于航空超导全张量磁梯度测量的获取相对于地理坐标系的全张量磁梯度五个独立分量的方法。

本发明的另一目的是提供一种精确获取构五个平面超导磁梯度传感器相对于惯导4坐标系的基线方向单位向量与传感器平面法向量以及相对于三分量磁力仪3坐标系的传感器平面法向量的获取装置与获取方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种航空超导全张量磁梯度测量系统相关参数获取装置，航空超导全张量磁梯度测量系统21固定在三轴平台20之上，且杜瓦瓶10底部圆心与三轴平台20航向转台的圆心重合，三轴平台20置于螺线管平台19之上，且位于螺线管平台19中央，摇摆轴线与螺线管的中轴线平行。

航空超导全张量磁梯度测量系统21，是由超导全张量磁梯度仪2、三分量磁力仪3、惯导4、固定在刚性底板1之上，超导全张量磁梯度仪2、三分量磁力仪3、惯导4经多通道采集模块5与上位机7连接，GPS6与上位机7连接构成，惯导4坐标系为航空超导全张量磁梯度测量系统21的坐标系。

三轴平台20是由3个水平调节螺杆29固定在基准平台30底面，3个水平调节底座28分别与3个水平调节螺杆29螺纹连接，摇摆平台35底面的2个摇摆旋转轴32分别穿过基准平台30上表面的摇摆转轴底座31所设的圆形通孔与摇摆转轴底座31转动连接，2个摇摆旋转轴32的中轴线重合且与基准平台30及摇摆平台35平行；摇摆调节底座33固定在基准平台30上表面，2个摇摆调节底座33的连线与摇摆轴线垂直，摇摆调节螺杆34与摇摆调节底座33螺纹连接；俯仰平台40底面的2个俯仰旋转轴37分别穿过摇摆平台35上表面的俯仰转轴底座36设有的圆形通孔与俯仰转轴底座36转动连接，2个俯仰旋转轴37的中轴线重合与摇摆平台35及俯仰平台40平行并与摇摆轴线垂直；2个俯仰调节底座38固定在摇摆平台35上表面，2个俯仰调节底座38的连线与俯仰轴线垂直，俯仰调节螺杆39与俯仰调节底座38螺纹连接；固定于航向转台41底面的航向转轴42穿过俯仰平台40中心通孔与俯仰平台40转动连接；航向固定底座43固定于俯仰平台40的底面，航向固定螺杆44通过航向固定底座43上的螺孔与航向固定底座43螺纹连接构成。

螺线管平台19是由电流源22与螺线管27连接，固定于载台23底面的螺线管水平调节底座24与螺线管水平调节螺杆25一端螺纹连接，螺线管水平调节螺杆25的另一端与螺线管27的管壁螺纹连接；水平仪26固定于螺线管27的管壁上，且水平仪26的平面与螺线管水平调节螺杆25垂直。

摇摆调节螺杆34控制摇摆平台35摇摆，将摇摆调节装置与摇摆转轴分离既利于锁定又便于微调转台的摇摆角；俯仰调节螺杆39控制俯仰平台40俯仰，将俯仰调节装置与俯仰转轴分离既利于锁定又便于微调转台的俯仰角；3个旋转轴的优先级从低到高分别为：先航向转轴42，其次俯仰转轴37，最后摇摆转轴32。

一种获取五个平面超导磁梯度传感器相对于惯导(4)坐标系的基线方向单位向量与传感器平面法向量的方法，在屏蔽室内利用螺线管平台19产生的校准磁场，通过调节三轴平台20，使航空超导全张量磁梯度测量系统21由初始姿态，即惯导4坐标系与校准磁场的坐标系平行，进行旋转使五个平面超导磁梯度传感器依次测得最大值，并在旋转过程中利用惯导4依次获取相应的惯导4坐标系的姿态角度变化量，包括方位角俯仰角θ_i、摇摆角δ_i，利用这些角度参数计算得到五个平面超导磁梯度传感器相对于惯导4坐标系的基线方向单位向量与传感器平面法向量。

i为五个平面超导磁梯度传感器编号。

一种获取五个平面超导磁梯度传感器相对于三分量磁力仪3坐标系的传感器平面法向量的方法，在屏蔽室内利用通电螺线管27产生的校准磁场，通过调节三轴平台20，使航空超导全张量磁梯度测量系统21由初始姿态旋转至使三分量磁力仪3坐标系与校准磁场的坐标系平行，在旋转过程中利用惯导4获取惯导4坐标系的姿态角度变化量，包括方位角ε、俯仰角σ和摇摆角υ，利用这些角度参数，结合五个平面超导磁梯度传感器相对于惯导4坐标系的传感器平面法向量，进行坐标系变换便可得到五个平面超导磁梯度传感器相对于三分量磁力仪3坐标系的传感器平面法向量。

一种获取相对于地理坐标系的全张量磁梯度五个独立分量的方法，用五个平面超导磁梯度传感器相对于惯导4坐标系的基线方向单位向量及传感器平面法向量，五个平面超导磁梯度传感器相对于三分量磁力仪坐标系的传感器平面法向量，五个平面超导磁梯度传感器测得到磁梯度数据，三分量磁力仪测得的磁场三分量数据与惯导测得的姿态角度数据，采用坐标系变换的方法，计算相对于地理坐标系的全张量磁梯度的五个独立分量并存储在上位机7中，包括以下步骤：

A、同步提取五个平面超导磁梯度传感器测得的磁梯度数据，三分量磁力仪3测得的磁场的三分量数据，惯导4测得姿态角度数据，GPS6测得地理位置信息；

B、利用惯导4测得的姿态角度数据(方位角α、俯仰角β、摇摆角γ)，进行坐标系变换，获取五个平面超导磁梯度传感器在数据采集时刻的相对于地理坐标系的基线方向单位向量与传感器平面法向量。包括：如式(1)所示，将五个平面超导磁梯度传感器相对于惯导4坐标系的基线方向单位向量变换到地理坐标系上；如式(2)所示，将五个平面超导磁梯度传感器的相对于惯导4坐标系的传感器平面法向量变换到地理坐标系上。

${\stackrel{\→}{{l_i}^{\′}}}^T=T_r\·{\stackrel{\→}{l_i}}^T\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(1\right)$

${\stackrel{\→}{{n_i}^{\′}}}^T=T_r\·{\stackrel{\→}{n_i}}^T\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(2\right)$

式中：

i为五个平面超导磁梯度传感器编号，

① $\stackrel{\→}{l_i}=\left(\begin{array}{ccc}\mathrm{\Δ}{x}_i& \mathrm{\Δ}{y}_i& \mathrm{\Δ}{z}_i\end{array}\right)$ 为五个平面超导磁梯度传感器相对于惯导4坐标系的基线方向单位向量，式中为其转置的列向量；

② $\stackrel{\→}{n_i}=\left(\begin{array}{ccc}n{x}_i& n{y}_i& n{z}_i\end{array}\right)$ 为五个平面超导磁梯度传感器相对于惯导4坐标系的传感器平面法向量，式中为其转置的列向量；

③T_r为将惯导4坐标系变换为地理坐标系的变换矩阵，

$T_r=\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& -\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}+\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}+\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}\\ \sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}+\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}& -\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}+\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}\\ -\sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}\end{array}\right);$

C、如式(3)所示，利用步骤2计算得到的五个平面超导磁梯度传感器相对于地理坐标系的基线方向单位向量 $\stackrel{\→}{l_i^{\′}}=\left(\begin{array}{ccc}\mathrm{\Δ}{x}_i^{\′}& \mathrm{\Δ}{y}_i^{\′}& \mathrm{\Δ}{z}_i^{\′}\end{array}\right)$ 及传感器平面法向量 $\stackrel{\→}{n_i^{\′}}=\left(\begin{array}{ccc}n{x}_i^{\′}& n{y}_i^{\′}& n{z}_i^{\′}\end{array}\right)$ 的各分量计算五个平面超导磁梯度传感器相对于地理坐标系的投影系数行向量并将其组成投影系数矩阵后求该矩阵的逆矩阵式中的数字下标为相应平面超导磁梯度传感器的编号

$\stackrel{\→}{S_i}={\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Δx}}_i^{\′}{\mathrm{nx}}_i^{\′}-{\mathrm{\Δz}}_i^{\′}{\mathrm{nz}}_i^{\′}\\ {\mathrm{\Δy}}_i^{\′}{\mathrm{ny}}_i^{\′}-{\mathrm{\Δ}{z}_i^{\′}\mathrm{nz}}_i^{\′}\\ {\mathrm{\Δy}}_i^{\′}{\mathrm{nx}}_i^{\′}+{\mathrm{\Δx}}_i^{\′}{\mathrm{ny}}_i^{\′}\\ {\mathrm{\Δz}}_i^{\′}{\mathrm{nx}}_i^{\′}+{\mathrm{\Δx}}_i^{\′}{\mathrm{nz}}_i^{\′}\\ {\mathrm{\Δz}}_i^{\′}{\mathrm{ny}}_i^{\′}+{\mathrm{\Δy}}_i^{\′}{\mathrm{nz}}_i^{\′}\end{array}\right)}^T\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(3\right)$

D、如式(4)所示，利用三分量磁力仪3测得的磁场的三分量数据(B_x B_y B_z)^T计算五个平面超导磁梯度传感器的共模误差组成的列向量(Bc₁ Bc₂ Bc₃ Bc₄ Bc₅)^T；

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{Bc}}_1\\ {\mathrm{Bc}}_2\\ {\mathrm{Bc}}_3\\ {\mathrm{Bc}}_4\\ {\mathrm{Bc}}_5\end{array}\right)=\mathrm{diag}\left(\begin{array}{ccccc}{\mathrm{\λ}}_1& {\mathrm{\λ}}_2& {\mathrm{\λ}}_3& {\mathrm{\λ}}_4& {\mathrm{\λ}}_5\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\stackrel{\→}{m_1}\\ \stackrel{\→}{m_2}\\ \stackrel{\→}{m_3}\\ \stackrel{\→}{m_4}\\ \stackrel{\→}{m_5}\end{array}\right)\·\begin{array}{c}\left(\begin{array}{c}{B}_x\\ B_y\\ B_z\end{array}\right)\end{array}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(4\right)$

式中：

①diag(λ₁ λ₂ λ₃ λ₄ λ₅)为以五个平面超导磁梯度传感器的共模修正因子λ_i(λ_i为已知量)组成的向量(λ₁ λ₂ λ₃ λ₄ λ₅)为对角元素建立的对角矩阵；

②为五个平面超导磁梯度传感器相对于三分量磁力仪3坐标系的传感器平面法向量 $(\stackrel{\→}{m_i}=\left(\begin{array}{ccc}m{x}_i& m{y}_i& m{z}_i\end{array}\right))$ 为行分量组成的矩阵；

③ $\stackrel{\→}{B}={\left(\begin{array}{ccc}{B}_x& B_y& B_z\end{array}\right)}^T$ 为三分量磁力仪3测得的磁场相对于三分量磁力仪3坐标系的三分量数据。

E、如式(5)所示，利用上述步骤得到的各参数计算GPS6测得的地理位置处的数据采集时刻的相对于地理坐标系的全张量磁梯度五个独立分量组成的向量并存储在上位机(7)中。

$\left(\begin{array}{c}{B}_{\mathrm{xx}}\\ B_{\mathrm{yy}}\\ B_{\mathrm{xy}}\\ B_{\mathrm{xz}}\\ B_{\mathrm{yz}}\end{array}\right)={\left(\begin{array}{c}\stackrel{\→}{s_1}\\ \stackrel{\→}{s_2}\\ \stackrel{\→}{s_3}\\ \stackrel{\→}{s_4}\\ \stackrel{\→}{s_5}\end{array}\right)}^{-1}\·(\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔB}}_1\\ {\mathrm{\ΔB}}_2\\ {\mathrm{\ΔB}}_3\\ {\mathrm{\ΔB}}_4\\ {\mathrm{\ΔB}}_5\end{array}\right)-\left(\begin{array}{c}{\mathrm{Bc}}_1\\ {\mathrm{Bc}}_2\\ {\mathrm{Bc}}_3\\ {\mathrm{Bc}}_4\\ {\mathrm{Bc}}_5\end{array}\right)-\left(\begin{array}{c}{B0}_1\\ {B0}_2\\ {B0}_3\\ {B0}_4\\ {B0}_5\end{array}\right))\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(5\right)$

式中：

①(B_xx B_yy B_xy B_xz B_yz)^T为相对于地理坐标系的全张量磁梯度五个独立分量值组成的向量；

②(ΔB₁ ΔB₂ ΔB₃ ΔB₄ ΔB₅)^T为五个平面超导磁梯度传感器测得的磁梯度数据组成的列向量；

③(B0₁ B0₂ B0₃ B0₄ B0₅)^T为五个平面超导磁梯度传感器的零点漂移组成的列向量。

有益效果：本发明可获取精确的五个平面超导磁梯度传感器相对于惯导坐标系的基线方向单位向量与传感器平面法向量以及相对于三分量磁力仪坐标系的传感器平面法向量，为精确获取相对于地理坐标系的全张量磁梯度五个独立分量提供了前提；采用坐标系变换的方法计算全张量磁梯度五个独立分量，省略了计算五个平面超导磁梯度传感器相对于地理坐标系姿态角度的中间过程，采用惯导坐标系作为测量系统的坐标系，利用惯导测得的姿态数据通过一次坐标系变换便可获得相对于地理坐标系的全张量磁梯度五个独立分量，降低了计算难度，提高了计算效率，更适用于航空磁测等测量平台的姿态时变的测量。

附图说明：

附图1为航空超导全张量磁梯度相关参数获取装置结构图；

附图2为航空超导全张量磁梯度测量系统主要模块结构图；

附图3为五棱台张量测量探头俯视图；

附图4为五棱台张量测量探头侧视图；

1刚性底板，2超导全张量磁梯度仪，3三分量磁力仪，4惯导，5多通道采集模块，6GPS，7上位机，8张量测量探头，9液氮或液氦，10杜瓦瓶，11杜瓦盖，12读出电路，13五棱台，141#平面超导磁梯度传感器，152#平面超导磁梯度传感器，163#平面超导磁梯度传感器，174#平面超导磁梯度传感器，185#平面超导磁梯度传感器，19螺线管平台，20三轴平台，21航空超导全张量磁梯度测量系统，22电流源，23载台，24螺线管水平调节底座，25螺线管水平调节螺杆，26水平仪，27螺线管，28水平调节底座，29水平调节螺杆，30基准平台，31摇摆转轴底座，32摇摆旋转轴，33摇摆调节底座，34摇摆调节螺杆，35摇摆平台，36俯仰转轴底座，37俯仰旋转轴，38俯仰调节底座，39俯仰调节螺杆，40俯仰平台，41航向转台，42航向转轴，43航向固定底座，44航向固定螺杆。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明做作一步详细说明：

如图1所示：航空超导全张量磁梯度测量系统21(后简称测量系统21)主要由刚性固定于刚性底板1之上的超导全张量磁梯度仪2、三分量磁力仪3与惯导4并行通过多通道采集模块5与上位机7连接，GPS6与上位机7连接构成。其中，超导全张量磁梯度仪2、三分量磁力仪3与惯导4构成了测量系统21的核心测量组件，分别测量磁场相对于张量测量探头坐标系(o_tx_ty_tz_t)的磁梯度数据、磁场相对于三分量磁力仪坐标系(o_mx_my_mz_m)的三分量数据与惯导4坐标系(o_nx_ny_nz_n)相对于地理坐标系(x_go_gy_g平面为水平面，x_g轴指向正东方向，z_g轴垂直水平面向上)的姿态角度差；多通道数据采集模块5同步采集上述核心测量组件测得的各项数据，并将其传送给上位机7；GPS6接收测量系统21所处的地理位置数据，并将该位置信息发送给上位机7；上位机7接收多通道数据采集模块5采集的各项测量数据以及GPS6接收的位置信息，并对两种渠道获取的数据进行同步、处理、显示及存储等操作。

如图2所示：所述的超导全张量磁梯度仪2由浸没于杜瓦瓶10内的液氮或液氦9中的张量测量探头8通过杜瓦盖11与读出电路12连接构成。读出电路12读取张量测量探头8中的五个平面超导磁梯度传感器测得的磁梯度值并将其传送给多通道采集模块5。此外，采用张量测量探头8的坐标系(o_tx_ty_tz_t)作为该超导全张量磁梯度仪2的坐标系。

如图3所示：所述的张量测量探头8由五棱台13、1#平面超导磁梯度传感器14、2#平面超导磁梯度传感器15、3#平面超导磁梯度传感器16、4#平面超导磁梯度传感器17、5#平面超导磁梯度传感器18组成。五个平面超导磁梯度传感器刚性固定于五棱台13的五个侧面上，且五个平面超导磁梯度传感器的基线与其所在侧面的上下底边中点的连线重合。如图3所示：以五棱台13底面的中心点为原点o_t，底面所在的平面为x_to_ty_t平面，1#平面超导磁梯度传感器14与5#平面超导磁梯度传感器18所在平面的交线在x_to_ty_t平面上的投影为x_t轴，x_to_ty_t平面过原点向上的法线为z_t轴建立张量测量探头8坐标系(o_tx_ty_tz_t)。如图4所示：各个平面超导磁梯度传感器的基线在x_to_ty_t平面上的投影与x_t轴的夹角为φ_i，五个平面超导磁梯度传感器平面与x_to_ty_t平面的夹角为θ_i，(式中下标i为五个平面超导磁梯度传感器的编号)。

如图2所示：由于安装工艺的限制，刚性固定超导全张量磁梯度仪2、三分量磁力仪3与惯导4时三者的坐标系(o_tx_ty_tz_t、o_mx_my_mz_m、o_nx_ny_nz_n)之间不可能完全平行，因此本发明采用惯导4坐标系作为测量系统21的坐标系。由于上述原因，准确测量全张量磁梯度五个独立分量的前提是精确获知以下三种结构参数：①五个平面超导磁梯度传感器相对于惯导4坐标系的基线方向单位向量；②五个平面超导磁梯度传感器相对于惯导4坐标系的传感器平面法向量；③五个平面超导磁梯度传感器相对于三分量磁力仪3坐标系的传感器平面法向量。为此，本发明提供了一种精确获取上述三种结构参数的装置及方法。

如图1所示，获取上述的三种结构参数的装置由螺线管平台19、三轴平台20与测量系统21组成。测量系统21刚性固定于三轴平台20之上，且杜瓦瓶10底部的圆心与航向转台41的圆心重合；三轴平台20置于螺线管平台19之上，且位于载台23的中央，摇摆旋转轴32的中轴线(即摇摆轴线)与螺线管27的中轴线平行。其中，螺线管平台19用于产生一个已知的非轴向梯度的校准磁场，三轴平台20用于调节测量系统21在校准磁场中的姿态，三者相互配合可得出上述的三种结构参数。

所述的螺线管平台19由电流源22，载台23，螺线管水平调节底座24，螺线管水平调节螺杆25，水平仪26，螺线管27组成。电流源22与螺线管27连接，以产生非轴向梯度的校准磁场；刚性固定于载台23底面的螺线管水平调节底座24与螺线管水平调节螺杆25的一端螺纹连接，螺线管水平调节螺杆25的另一端与螺线管27的管壁螺纹连接，通过旋转螺线管水平调节螺杆25可调节螺线管27的高度与水平姿态；水平仪26刚性固定于螺线管27的管壁上，且水平仪26的平面与螺线管水平调节螺杆25垂直，用以观测螺线管27的水平姿态。

所述的三轴平台20由3个水平调节底座28、3个水平调节螺杆29、基准平台30、2个摇摆转轴底座31、2个摇摆旋转轴32、2个摇摆调节底座33、2个摇摆调节螺杆34、摇摆平台35、2个俯仰转轴底座36、2个俯仰旋转轴37、2个俯仰调节底座38、2个俯仰调节螺杆39、俯仰平台40、航向转台41、航向转轴42、航向固定底座43与航向固定螺杆44组成。各部件的连接情况及作用如下：①刚性固定于基准平台30底面的水平调节螺杆29与水平调节底座28螺纹连接，通过旋转水平调节底座28可调节基准平台30的水平姿态；②刚性固定于摇摆平台35底面的摇摆旋转轴32穿过刚性固定于基准平台30上表面的摇摆转轴底座31所设的圆形通孔与摇摆转轴底座31转动连接，2个摇摆旋转轴32的中轴线重合(即摇摆轴线)且与基准平台30及摇摆平台35平行，此结构实现了摇摆平台35绕摇摆轴线摇摆；③摇摆调节底座33刚性固定于基准平台30上表面，2个摇摆调节底座33的连线与摇摆轴线垂直，摇摆调节螺杆34与摇摆调节底座33螺纹连接，通过旋转摇摆调节螺杆34可调节或锁定摇摆平台35的摇摆角；④刚性固定于俯仰平台40底面的俯仰旋转轴37穿过刚性固定于摇摆平台35上表面的俯仰转轴底座36中所设的圆形通孔与俯仰转轴底座36转动连接，2个俯仰旋转轴37的中轴线重合(即俯仰轴线)与摇摆平台35及俯仰平台40平行并与摇摆轴线垂直，此结构实现了俯仰平台40绕俯仰轴线俯仰；⑤俯仰调节底座38刚性固定于摇摆平台35上表面，2个俯仰调节底座38的连线与俯仰轴线垂直，俯仰调节螺杆39与俯仰调节底座38螺纹连接，通过旋转俯仰调节螺杆39可调节或锁定俯仰平台40的俯仰角；⑥刚性固定于航向转台41底面的航向转轴42穿过俯仰平台40中心的通孔与俯仰平台40转动连接，实现航向转台41的航向转动；⑦航向固定底座43刚性固定于俯仰平台40的底面，航向固定螺杆44通过航向固定底座43上的螺孔与航向固定底座43螺纹连接，通过旋转航向固定螺杆44可将航向转台41锁定。

所述的三轴平台20的各部件均由无磁性的材料构成：①采用台面结构，利于承载重物；②采用摇摆调节螺杆34控制摇摆平台35摇摆，将摇摆调节装置与摇摆转轴分离既利于锁定又便于微调转台的摇摆角；③采用俯仰调节螺杆39控制俯仰平台40俯仰，将俯仰调节装置与俯仰转轴分离既利于锁定又便于微调转台的俯仰角；④3个旋转轴的优先级从低到高分别为：航向转轴42、俯仰转轴37与摇摆转轴32，与获取三种结构参数的操作步骤(先旋转航向转台，其次俯仰平台，最后摇摆平台)相对应，便于获取上述的三种结构参数。

五个平面超导磁梯度传感器相对于惯导4坐标系的基线方向单位向量与传感器平面法向量的获取方法：

如图1所示，利用螺线管平台19产生的已知的非轴向梯度的校准磁场，通过调节三轴平台20，使测量系统21由初始姿态(即惯导4坐标系与校准磁场的坐标系平行)进行旋转使五个平面超导磁梯度传感器依次测得最大值，并在旋转过程中利用惯导4依此获取对应的惯导4坐标系的姿态角度变化量(方位角俯仰角θ_i、摇摆角δ_i，式中下标i为平面超导磁梯度传感器编号)，利用这些角度参数进行相关计算便可得到五个平面超导磁梯度传感器相对于惯导4坐标系的基线方向单位向量与传感器平面法向量。详细步骤如下(所有步骤均在屏蔽室内完成)：

步骤1：建立校准磁场坐标系o_cx_cy_cz_c：①边观察水平仪26边旋转螺线管水平调节螺杆25，使螺线管27水平放置；②以螺线管27的中轴线为x_c轴，螺线管27中轴线的中点为原点o_c，过原点o_c并垂直于水平面向上的线为z_c轴，运用右手定则建立校准磁场坐标系o_cx_cy_cz_c；

步骤2：调节三轴平台20，建立初始姿态。步骤如下：①旋转水平调节螺杆29，使惯导4坐标系的x_no_ny_n平面与校准磁场坐标系的x_co_cy_c平面平行；②保持两平面平行摆正三轴平台20使摇摆轴线与校准磁场坐标系的x_c轴平行；③旋转航向转台41使惯导4坐标系的x_n轴与校准磁场坐标系的x_c轴平行；④记录初始姿态下，惯导4坐标系相对于地理坐标系的姿态角度差；

步骤3：设置电流源22向螺线管27中通入直流电流，在测量系统21处产生一个稳定的非轴向梯度的磁场，而后通过调节三轴平台20改变测量系统21的姿态并利用上位机7观察1#平面超导磁梯度传感器的测得信号，详细过程如下：①首先沿顺时针方向缓慢转动航向转台41，当1#平面超导磁梯度传感器14测得值达到峰值时停止转动航向转台41并旋转航向固定螺杆44将航向转台41锁定；②然后旋转俯仰调节螺杆39，该传感器的测得值将随着俯仰平台40的俯仰继续变化，当测得值达到峰值时停止旋转俯仰调节螺杆39并将俯仰平台40锁定；③最后旋转摇摆调节螺杆34，该传感器的测得值又将随着摇摆平台35的摇摆继续变化，当该传感器的测得值再次达到峰值时停止旋转摇摆调节螺杆34并将摇摆平台35锁定；④再次记录此时惯导4坐标系相对于地理坐标系的姿态角度差，并用该姿态角度差减去步骤2测得的角度值，获取惯导4坐标系相对于校准磁场坐标系的姿态角度差(即惯导4坐标系的姿态角度变化量，包括方位角俯仰角θ₁、摇摆角δ₁)；

步骤4：重设电流源22将通入螺线管27的电流变为交流电流，获取1#超导磁梯度传感器14的零点漂移B0₁；

步骤5：经过上述步骤便可获得1#平面超导磁梯度传感器14相对于惯导4坐标系的姿态角度与零点漂移；以同样原理重复步骤3与步骤4，获得其余四个平面超导磁梯度传感器达到最大值时对应的惯导4坐标系的姿态角度变化量(方位角俯仰角θ_i、摇摆角δ_i)与零点漂移B0i；

步骤6：利用上述步骤获取的五个平面超导磁梯度传感器获得最大值时对应的惯导4坐标系的姿态角度变化量(方位角俯仰角θ_i、摇摆角δ_i)，根据式(2)计算五个平面超导磁梯度传感器相对于惯导4坐标系的传感器平面法向量根据式(3)计算五个平面超导磁梯度传感器相对于惯导4坐标系的基线方向单位向量

${\stackrel{\→}{l}}_i=\left(\begin{array}{ccc}{-\sin \mathrm{\θ}}_i& {\cos \mathrm{\θ}}_i{\sin \mathrm{\δ}}_i& {\cos \mathrm{\θ}}_i{\cos \mathrm{\δ}}_i\end{array}\right)\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(3\right)$

五个平面超导磁梯度传感器相对于三分量磁力仪3坐标系的传感器平面法向量的获取方法：

如图1所示，利用通电螺线管27产生的已知方向的校准磁场，通过调节三轴平台20，使测量系统21由初始姿态(即惯导4坐标系与校准磁场坐标系平行)旋转至使三分量磁力仪3坐标系与校准磁场的坐标系平行，在旋转过程中利用惯导4获取惯导4坐标系的姿态角度变化量，包括方位角ε、俯仰角σ和摇摆角υ，利用这些角度参数，结合五个平面超导磁梯度传感器相对于惯导4坐标系的传感器平面法向量，进行坐标系变换便可得到五个平面超导磁梯度传感器相对于三分量磁力仪3坐标系的传感器平面法向量。详细步骤如下(所有步骤均在屏蔽室内中完成)：

步骤1：建立校准磁场坐标系(o_cx_cy_cz_c)，步骤如下：①边观察水平仪26边旋转螺线管水平调节螺杆25，使螺线管27水平放置；②以螺线管27的中轴线为x_c轴，螺线管27中轴线的中点为原点o_c，过原点o_c并垂直于水平面向上的线为z_c轴，运用右手定则建立校准磁场坐标系(o_cx_cy_cz_c)；

步骤2：调节三轴平台20，建立初始姿态。步骤如下：①旋转水平调节螺杆29，使惯导4坐标系x_no_ny_n平面与校准磁场坐标系的x_co_cy_c平面平行；②保持两平面平行摆正三轴平台20使摇摆轴线与校准磁场坐标系的x_c轴平行；③旋转航向转台41使惯导4坐标系的x_n轴与校准磁场坐标系的x_c轴平行；④记录初始姿态下，惯导4坐标系相对于地理坐标系的姿态角度差；

步骤3：设置电流源22向螺线管27中通入直流电流，在测量系统21处产生一个稳定的x_c轴向的磁场，而后通过调节三轴平台20改变测量系统21的姿态并利用上位机7观察三分量磁力仪3测得的磁场的三分量数据，详细过程如下：①首先缓慢转动航向转台41，当测得的磁场x_m轴向分量达到峰值时停止转动航向转台41并旋转航向固定螺杆44将航向转台41锁定；②然后旋转俯仰调节螺杆39，测得的磁场x_m轴向分量将随着俯仰平台40的俯仰继续变化，当该分量再次达到峰值时停止旋转俯仰调节螺杆39并将俯仰平台40锁定；③将航向转台41顺时针旋转90°，随后旋转航向固定螺杆44将航向转台41锁定，此时测得的磁场y_m轴向分量将随着航向转台41的旋转达到最大值；④旋转摇摆调节螺杆34，磁场的y_m轴分量将随着摇摆平台35的摇摆继续变化，当该分量再次达到峰值时停止旋转摇摆调节螺杆34并将摇摆平台35锁定；⑤将航向转台41逆时针旋转90°后旋转航向固定螺杆44将航向转台41锁定；⑥再次记录此时惯导4坐标系相对于地理坐标系的姿态角度差，并用该姿态角度差减去步骤2测得的角度值，获取惯导4坐标系相对于三分量磁力仪3坐标系的安装姿态角度差(即惯导4坐标系的姿态角度变化量，包括方位角ε、俯仰角σ、摇摆角υ)；

步骤4：如式(4)所示，利用步骤3获得的惯导4坐标系相对于三分量磁力仪3坐标系的安装姿态角度差，结合五个平面超导磁梯度传感器相对于惯导4坐标系的传感器平面法向量，进行坐标变换，将获得五个平面超导磁梯度传感器相对于三分量磁力仪3坐标系的传感器平面法向量组成的矩阵；

${\left(\begin{array}{c}\stackrel{\→}{m_1}\\ \stackrel{\→}{m_2}\\ \stackrel{\→}{m_3}\\ \stackrel{\→}{m_4}\\ \stackrel{\→}{m_5}\end{array}\right)}^T=\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ϵ}\cos \mathrm{\σ}& -\sin \mathrm{\ϵ}\cos \mathrm{\υ}+\cos \mathrm{\ϵ}\cos \mathrm{\σ}\sin \mathrm{\υ}& \sin \mathrm{\ϵ}\sin \mathrm{\υ}+\cos \mathrm{\ϵ}\sin \mathrm{\σ}\cos \mathrm{\υ}\\ \sin \mathrm{\ϵ}\cos \mathrm{\σ}& \cos \mathrm{\ϵ}\cos \mathrm{\υ}+\sin \mathrm{\ϵ}\sin \mathrm{\σ}\sin \mathrm{\υ}& -\cos \mathrm{\ϵ}\sin \mathrm{\υ}+\sin \mathrm{\ϵ}\sin \mathrm{\σ}\cos \mathrm{\υ}\\ -\sin \mathrm{\σ}& \cos \mathrm{\σ}\sin \mathrm{\υ}& \cos \mathrm{\σ}\cos \mathrm{\υ}\end{array}\right)\·{\left(\begin{array}{c}\stackrel{\→}{n_1}\\ \stackrel{\→}{n_2}\\ \stackrel{\→}{n_3}\\ \stackrel{\→}{n_4}\\ \stackrel{\→}{n_5}\end{array}\right)}^T\·\·\·\left(4\right)$

式中：

①为五个平面超导磁梯度传感器相对于三分量磁力仪3坐标系的传感器平面法向量 $\stackrel{\→}{m_i}=\left(\begin{array}{ccc}m{x}_i& m{y}_i& m{z}_i\end{array}\right)$ 为行分量组成的矩阵，式中为其转置矩阵；

②为五个平面超导磁梯度传感器基相对于惯导4坐标系的传感器平面法向量 $(\stackrel{\→}{n_i}=\left(\begin{array}{ccc}n{x}_i& n{y}_i& n{z}_i\end{array}\right))$ 为行分量组成的矩阵，式中为其转置矩阵。

运动状态下的全张量磁梯度测量：

利用上述步骤获取的三种结构参数与五个平面超导磁梯度传感器的零点漂移结合五个平面超导磁梯度传感器测得的磁梯度数据、三分量磁力仪3测得的磁场的三分量数据以及惯导4测得的惯导4坐标系相对于地理坐标系的姿态数据，采用坐标系变换的方法，便可计算出相对于地理坐标系的全张量磁梯度五个独立分量并存储在上位机7中。具体步骤如下：

步骤1：同步提取五个平面超导磁梯度传感器测得的磁梯度数据ΔB_i(下标i为五个平面超导磁梯度传感器编号)、三分量磁力仪3测得的磁场的三分量数据(B_x B_y B_z)^T、惯导4测得的方位角α、俯仰角β、摇摆角γ姿态角度数据，GPS6测得的地理位置信息；

步骤2：利用惯导4测得的姿态角度数据(方位角α、俯仰角β、摇摆角γ)，进行坐标系变换，获取五个平面超导磁梯度传感器在数据采集时刻的相对于地理坐标系的基线方向单位向量与传感器平面法向量。包括：如式(5)所示，将五个平面超导磁梯度传感器相对于惯导4坐标系的基线方向单位向量变换到地理坐标系上；如式(6)所示，将五个平面超导磁梯度传感器的相对于惯导4坐标系的传感器平面法向量变换到地理坐标系上。

${\stackrel{\→}{{l_i}^{\′}}}^T=T_r\·{\stackrel{\→}{l_i}}^T\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(5\right)$

${\stackrel{\→}{{n_i}^{\′}}}^T=T_r\·{\stackrel{\→}{n_i}}^T\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(6\right)$

式中：

① $\stackrel{\→}{l_i}=\left(\begin{array}{ccc}\mathrm{\Δ}{x}_i& \mathrm{\Δ}{y}_i& \mathrm{\Δ}{z}_i\end{array}\right)$ 为五个平面超导磁梯度传感器相对于惯导4坐标系的基线方向单位向量，式中为其转置的列向量；

② $\stackrel{\→}{n_i}=\left(\begin{array}{ccc}n{x}_i& n{y}_i& n{z}_i\end{array}\right)$ 为五个平面超导磁梯度传感器相对于惯导4坐标系的传感器平面法向量，式中为其转置的列向量；

③T_r为将惯导4坐标系变换为地理坐标系的变换矩阵，其值为

$T_r=\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& -\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}+\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\β}& \sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}+\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}\\ \sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}+\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}& -\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}+\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}\\ -\sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}\end{array}\right)\·\·\·\left(7\right)$

步骤3：如式(8)所示，利用步骤2计算得到的五个平面超导磁梯度传感器相对于地理坐标系的基线方向单位向量 $\stackrel{\→}{l_i^{\′}}=\left(\begin{array}{ccc}\mathrm{\Δ}{x}_i^{\′}& \mathrm{\Δ}{y}_i^{\′}& \mathrm{\Δ}{z}_i^{\′}\end{array}\right)$ 与传感器平面法向量 $\stackrel{\→}{n_i^{\′}}=\left(\begin{array}{ccc}n{x}_i^{\′}& n{y}_i^{\′}& n{z}_i^{\′}\end{array}\right)$ 的各分量计算五个平面超导磁梯度传感器相对于地理坐标系的投影系数行向量并将其组成投影系数矩阵后求该矩阵的逆矩阵(式中的数字下标为相应平面超导磁梯度传感器的编号)

$\stackrel{\→}{S_i}={\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Δx}}_i^{\′}{\mathrm{nx}}_i^{\′}-{\mathrm{\Δz}}_i^{\′}{\mathrm{nz}}_i^{\′}\\ {\mathrm{\Δy}}_i^{\′}{\mathrm{ny}}_i^{\′}-{\mathrm{\Δ}{z}_i^{\′}\mathrm{nz}}_i^{\′}\\ {\mathrm{\Δy}}_i^{\′}{\mathrm{nx}}_i^{\′}+{\mathrm{\Δx}}_i^{\′}{\mathrm{ny}}_i^{\′}\\ {\mathrm{\Δz}}_i^{\′}{\mathrm{nx}}_i^{\′}+{\mathrm{\Δx}}_i^{\′}{\mathrm{nz}}_i^{\′}\\ {\mathrm{\Δz}}_i^{\′}{\mathrm{ny}}_i^{\′}+{\mathrm{\Δy}}_i^{\′}{\mathrm{nz}}_i^{\′}\end{array}\right)}^T\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(8\right)$

步骤4：如式(9)所示，利用三分量磁力仪3测得的磁场的三分量数据(B_x B_y B_z)^T计算五个平面超导磁梯度传感器的共模误差组成的列向量(Bc₁ Bc₂ Bc₃ Bc₄ Bc₅)^T；

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{Bc}}_1\\ {\mathrm{Bc}}_2\\ {\mathrm{Bc}}_3\\ {\mathrm{Bc}}_4\\ {\mathrm{Bc}}_5\end{array}\right)=\mathrm{diag}\left(\begin{array}{ccccc}{\mathrm{\λ}}_1& {\mathrm{\λ}}_2& {\mathrm{\λ}}_3& {\mathrm{\λ}}_4& {\mathrm{\λ}}_5\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\stackrel{\→}{m_1}\\ \stackrel{\→}{m_2}\\ \stackrel{\→}{m_3}\\ \stackrel{\→}{m_4}\\ \stackrel{\→}{m_5}\end{array}\right)\·\begin{array}{c}\left(\begin{array}{c}{B}_x\\ B_y\\ B_z\end{array}\right)\end{array}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(9\right)$

式中：

①diag(λ₁ λ₂ λ₃ λ₄ λ₅)为以五个平面超导磁梯度传感器的共模修正因子λ_i(已知量)组成的向量(λ₁ λ₂ λ₃ λ₄ λ₅)为对角元素建立的对角矩阵；

②为五个平面超导磁梯度传感器相对于三分量磁力仪3坐标系的传感器平面法向量 $(\stackrel{\→}{m_i}=\left(\begin{array}{ccc}m{x}_i& m{y}_i& m{z}_i\end{array}\right))$ 为行分量组成的矩阵；

③ $\stackrel{\→}{B}={\left(\begin{array}{ccc}{B}_x& B_y& B_z\end{array}\right)}^T$ 为三分量磁力仪3测得的磁场相对于三分量磁力仪3坐标系的三分量数据。

步骤5：如式(10)所示，利用上述步骤得到的各参数计算GPS6测得的地理位置处的数据采集时刻的相对于地理坐标系的全张量磁梯度五个独立分量组成的向量并存储在上位机(7)中。

$\left(\begin{array}{c}{B}_{\mathrm{xx}}\\ B_{\mathrm{yy}}\\ B_{\mathrm{xy}}\\ B_{\mathrm{xz}}\\ B_{\mathrm{yz}}\end{array}\right)={\left(\begin{array}{c}\stackrel{\→}{s_1}\\ \stackrel{\→}{s_2}\\ \stackrel{\→}{s_3}\\ \stackrel{\→}{s_4}\\ \stackrel{\→}{s_5}\end{array}\right)}^{-1}\·(\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔB}}_1\\ {\mathrm{\ΔB}}_2\\ {\mathrm{\ΔB}}_3\\ {\mathrm{\ΔB}}_4\\ {\mathrm{\ΔB}}_5\end{array}\right)-\left(\begin{array}{c}{\mathrm{Bc}}_1\\ {\mathrm{Bc}}_2\\ {\mathrm{Bc}}_3\\ {\mathrm{Bc}}_4\\ {\mathrm{Bc}}_5\end{array}\right)-\left(\begin{array}{c}{B0}_1\\ {B0}_2\\ {B0}_3\\ {B0}_4\\ {B0}_5\end{array}\right))\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(10\right)$

式中：

①(B_xx B_yy B_xy B_xz B_yz)^T为相对于地理坐标系的全张量磁梯度五个独立分量值组成的向量；

②为五个平面超导磁梯度传感器相对于地理坐标系的基线方向单位向量与传感器平面法向量的各分量构成的五个平面超导磁梯度传感器相对于地理坐标系的投影系数矩阵的逆矩阵；

③(ΔB₁ ΔB₂ ΔB₃ ΔB₄ ΔB₅)^T为五个平面超导磁梯度传感器测得的磁梯度数据组成的列向量；

④(Bc₁ Bc₂ Bc₃ Bc₄ Bc₅)^T为五个平面超导磁梯度传感器的共模误差组成的列向量；

⑤(B0₁ B0₂ B0₃ B0₄ B0₅)^T为五个平面超导磁梯度传感器的零点漂移组成的列向量。

本发明适用于所有的采用平面超导磁梯度传感器构成的测量探头的全张量磁梯度测量系统的修正。

Claims (8)

1.一种航空超导全张量磁梯度测量系统相关参数获取装置，其特征在于，航空超导全张量磁梯度测量系统(21)固定在三轴平台(20)之上，且杜瓦瓶(10)底部圆心与三轴平台(20)航向转台的圆心重合，三轴平台(20)置于螺线管平台(19)之上，且位于螺线管平台(19)中央，摇摆轴线与螺线管的中轴线平行。

2.按照权利要求1所述的航空超导全张量磁梯度测量系统相关参数获取装置，其特征在于，航空超导全张量磁梯度测量系统(21)，是由超导全张量磁梯度仪(2)、三分量磁力仪(3)和惯导(4)固定在刚性底板(1)之上，超导全张量磁梯度仪(2)、三分量磁力仪(3)和惯导(4)经多通道采集模块(5)与上位机(7)连接，GPS(6)与上位机(7)连接构成，惯导(4)坐标系为航空超导全张量磁梯度测量系统(21)的坐标系。

3.按照权利要求1所述的航空超导全张量磁梯度测量系统相关参数获取装置，其特征在于，三轴平台(20)是由3个水平调节螺杆(29)固定在基准平台(30)底面，3个水平调节底座(28)分别与3个水平调节螺杆(29)螺纹连接，摇摆平台(35)底面的2个摇摆旋转轴(32)分别穿过基准平台(30)上表面的摇摆转轴底座(31)所设的圆形通孔与摇摆转轴底座(31)转动连接，2个摇摆旋转轴(32)的中轴线重合且与基准平台(30)及摇摆平台(35)平行；摇摆调节底座(33)固定在基准平台(30)上表面，2个摇摆调节底座(33)的连线与摇摆轴线垂直，摇摆调节螺杆(34)与摇摆调节底座(33)螺纹连接；俯仰平台(40)底面的2个俯仰旋转轴(37)风别穿过摇摆平台(35)上表面的俯仰转轴底座(36)设有的圆形通孔与俯仰转轴底座(36)转动连接，2个俯仰旋转轴(37)的中轴线重合与摇摆平台(35)及俯仰平台(40)平行并与摇摆轴线垂直；2个俯仰调节底座(38)固定在摇摆平台(35)上表面，2个俯仰调节底座(38)的连线与俯仰轴线垂直，俯仰调节螺杆(39)与俯仰调节底座(38)螺纹连接；固定于航向转台(41)底面的航向转轴(42)穿过俯仰平台(40)中心通孔与俯仰平台(40)转动连接；航向固定底座(43)固定于俯仰平台(40)的底面，航向固定螺杆(44)通过航向固定底座(43)上的螺孔与航向固定底座(43)螺纹连接构成。

4.按照权利要求1所述的航空超导全张量磁梯度测量系统相关参数获取装置，其特征在于，螺线管平台(19)是由电流源(22)与螺线管(27)连接，固定于载台(23)底面的螺线管水平调节底座(24)与螺线管水平调节螺杆(25)一端螺纹连接，螺线管水平调节螺杆(25)的另一端与螺线管(27)的管壁螺纹连接；水平仪(26)固定于螺线管(27)的管壁上，且水平仪(26)的平面与螺线管水平调节螺杆(25)垂直。

5.按照权利要求1所述的航空超导全张量磁梯度测量系统相关参数获取装置，其特征在于，三轴平台(20)为无磁性材料构成，摇摆调节螺杆(34)控制摇摆平台(35)摇摆，将摇摆调节装置与摇摆转轴分离既利于锁定又便于微调转台的摇摆角；俯仰调节螺杆(39)控制俯仰平台(40)俯仰，将俯仰调节装置与俯仰转轴分离既利于锁定又便于微调转台的俯仰角；3个旋转轴的优先级从低到高分别为：先航向转轴(42)，其次俯仰转轴(37)，最后摇摆转轴(32)。

6.一种航空超导全张量磁梯度测量系统相关参数获取方法，其特征在于：获取五个平面超导磁梯度传感器相对于惯导(4)坐标系的基线方向单位向量与传感器平面法向量，在屏蔽室内利用螺线管平台(19)产生的校准磁场，通过调节三轴平台(20)，使航空超导全张量磁梯度测量系统(21)由初始姿态，即惯导(4)坐标系与校准磁场的坐标系平行，进行旋转使五个平面超导磁梯度传感器依次测得最大值，并在旋转过程中利用惯导(4)依次获取对应的惯导(4)坐标系的姿态角度变化量，包括方位角俯仰角θ_i、翻滚角δ_i，利用这些角度参数计算得到五个平面超导磁梯度传感器相对于惯导(4)坐标系的基线方向单位向量与传感器平面法向量。

i为五个平面超导磁梯度传感器编号。

7.按照权利要求6所述的航空超导全张量磁梯度测量系统相关参数获取方法，其特征在于：获取五个平面超导磁梯度传感器相对于三分量磁力仪(3)坐标系的传感器平面法向量，在屏蔽室内利用通电螺线管(27)产生的校准磁场，通过调节三轴平台(20)，使航空超导全张量磁梯度测量系统(21)由初始姿态旋转至使三分量磁力仪(3)坐标系与校准磁场的坐标系平行，在旋转过程中利用惯导(4)获取惯导(4)坐标系的姿态角度变化量，包括方位角ε、俯仰角σ和摇摆角υ，利用这些角度参数，结合五个平面超导磁梯度传感器相对于惯导(4)坐标系的传感器平面法向量，进行坐标系变换便可得到五个平面超导磁梯度传感器相对于三分量磁力仪(3)坐标系的传感器平面法向量。

8.按照权利要求6所述的航空超导全张量磁梯度相关参数获取方法，其特征在于：获取相对于地理坐标系的全张量磁梯度五个独立分量，用五个平面超导磁梯度传感器相对于惯导(4)坐标系的基线方向单位向量及传感器平面法向量，五个平面超导磁梯度传感器相对于三分量磁力仪坐标系的传感器平面法向量，五个平面超导磁梯度传感器测得到磁梯度数据，三分量磁力仪测得的磁场三分量数据与惯导测得的姿态角度数据，采用坐标系变换的方法，计算相对于地理坐标系的全张量磁梯度的五个独立分量并存储在上位机(7)中，包括以下步骤：

A、同步提取五个平面超导磁梯度传感器测得的磁梯度数据、三分量磁力仪(3)测得的磁场的三分量数据、惯导(4)测得的姿态角度数据，GPS(6)测得的地理位置信息；

B、利用惯导(4)测得的方位角α、俯仰角β、翻滚角γ姿态角度数据，进行坐标系变换，获取五个平面超导磁梯度传感器在数据采集时刻的相对于地理坐标系的传感器平面法向量与基线方向单位向量，包括：如式(1)所示，将五个平面超导磁梯度传感器相对于惯导(4)坐标系的基线方向单位向量变换到地理坐标系上；如式(2)所示，将五个平面超导磁梯度传感器的相对于惯导(4)坐标系的传感器平面法向量变换到地理坐标系上；

${\stackrel{\→}{{l_i}^{\′}}}^T=T_r\·{\stackrel{\→}{l_i}}^T...........\left(1\right)$

${\stackrel{\→}{{n_i}^{\′}}}^T=T_r\·{\stackrel{\→}{n_i}}^T...............\left(2\right)$

式中：i为五个平面超导磁梯度传感器编号，

①为五个平面超导磁梯度传感器相对于惯导(4)坐标系的基线方向单位向量，式中为其转置的列向量；

②为五个平面超导磁梯度传感器相对于惯导(4)坐标系的传感器平面法向量，式中为其转置的列向量；

③T_r为将惯导4坐标系变换为地理坐标系的变换矩阵，

$T_r=\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& -\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}+\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}+\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\mathrm{cos\γ}\\ \sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}+\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}& -\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}+\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}\\ -\sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}\end{array}\right);$

C、如式(3)所示，利用步骤B计算得到的五个平面超导磁梯度传感器相对于地理坐标系的基线方向单位向量及传感器平面法向量计算五个平面超导磁梯度传感器相对于地理坐标系的投影系数行向量并将其组成投影系数矩阵后求该矩阵的逆矩阵式中的数字下标为五个平面超导磁梯度传感器的编号；

$\stackrel{\→}{S_i}={\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Δx}}_i^{\′}{\mathrm{nx}}_i^{\′}-{\mathrm{\Δz}}_i^{\′}{\mathrm{nz}}_i^{\′}\\ {\mathrm{\Δy}}_i^{\′}{\mathrm{ny}}_i^{\′}-{\mathrm{\Δz}}_i^{\′}{\mathrm{nz}}_i^{\′}\\ {\mathrm{\Δy}}_i^{\′}{\mathrm{nx}}_i^{\′}+{\mathrm{\Δx}}_i^{\′}{\mathrm{ny}}_i^{\′}\\ {\mathrm{\Δz}}_i^{\′}{\mathrm{nx}}_i^{\′}+{\mathrm{\Δx}}_i^{\′}{\mathrm{nz}}_i^{\′}\\ {\mathrm{\Δz}}_i^{\′}{\mathrm{ny}}_i^{\′}+{\mathrm{\Δy}}_i^{\′}{\mathrm{nz}}_i^{\′}\end{array}\right)}^T.....................\left(3\right)$

D、如式(4)所示，利用三分量磁力仪(3)测得的磁场的三分量数据(B_x B_y B_z)^T计算五个平面超导磁梯度传感器的共模误差组成的列向量(Bc₁ Bc₂ Bc₃ Bc₄ Bc₅)^T；

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{Bc}}_1\\ {\mathrm{Bc}}_2\\ {\mathrm{Bc}}_3\\ {\mathrm{Bc}}_4\\ {\mathrm{Bc}}_5\end{array}\right)=\mathrm{diag}\left({\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2{\mathrm{\λ}}_3{\mathrm{\λ}}_4{\mathrm{\λ}}_5\right)\·\left(\begin{array}{c}\stackrel{\→}{m_1}\\ \stackrel{\→}{m_2}\\ \stackrel{\→}{m_3}\\ \stackrel{\→}{m_4}\\ \stackrel{\→}{m_5}\end{array}\right)\·\begin{array}{c}\left(\begin{array}{c}{B}_x\\ B_y\\ B_z\end{array}\right)\end{array}............\left(4\right)$

式中：

①diag(λ₁ λ₂ λ₃ λ₄ λ₅)为以五个平面超导磁梯度传感器的共模修正因子λ_i(λ_i为已知量)组成的向量(λ₁ λ₂ λ₃ λ₄ λ₅)为对角元素建立的对角矩阵；

②为五个平面超导磁梯度传感器相对于三分量磁力仪(3)坐标系的传感器平面法向量为行分量组成的矩阵；

③为三分量磁力仪(3)测得的磁场相对于三分量磁力仪(3)坐标系的三分量数据；

E、如式(5)所示，利用上述步骤得到的各项参数计算数据采集时刻的GPS6测得的地理位置处的相对于地理坐标系的全张量磁梯度五个独立分量组成的向量并存储在上位机(7)；

$\left(\begin{array}{c}{B}_{\mathrm{xx}}\\ B_{\mathrm{yy}}\\ B_{\mathrm{xy}}\\ B_{\mathrm{xz}}\\ B_{\mathrm{yz}}\end{array}\right)={\left(\begin{array}{c}\stackrel{\→}{s_1}\\ \stackrel{\→}{s_2}\\ \stackrel{\→}{s_3}\\ \stackrel{\→}{s_4}\\ \stackrel{\→}{s_5}\end{array}\right)}^{-1}\·(\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔB}}_1\\ {\mathrm{\ΔB}}_2\\ {\mathrm{\ΔB}}_3\\ {\mathrm{\ΔB}}_4\\ {\mathrm{\ΔB}}_5\end{array}\right)-\left(\begin{array}{c}{\mathrm{Bc}}_1\\ {\mathrm{Bc}}_2\\ {\mathrm{Bc}}_3\\ {\mathrm{Bc}}_4\\ {\mathrm{Bc}}_5\end{array}\right)-\left(\begin{array}{c}{B0}_1\\ {B0}_2\\ {B0}_3\\ {B0}_4\\ {B0}_5\end{array}\right)).........\left(5\right)$

式中：

①(B_xx B_yy B_xy B_xz B_yz)^T为相对于地理坐标系的全张量磁梯度五个独立分量值组成的向量；

②(ΔB₁ ΔB₂ ΔB₃ ΔB₄ ΔB₅)^T为五个平面超导磁梯度传感器测得的磁梯度数据组成的列向量；

③(B0₁ B0₂ B0₃ B0₄ B0₅)^T为五个平面超导磁梯度传感器的零点漂移组成的列向量。