CN104567847B - 一种地下旋转测量数据的方位校正方法 - Google Patents

Abstract

一种地下旋转测量数据的方位校正方法，地下桩孔侧壁数据测量时，步进电机进行均速转动，转动头部的地磁传感器读到地磁强度值B，设置强度检测门限值为λ，假设当旋转点编号为X时地磁强度值大于λ，超过门限的转动步数为N，即：最后一个高于门限的旋转点编号为X+N，以编号为的点作为方位标识点，即可准确校正因检测装置自旋产生的数据方位误差。其中门限值λ采用浮动设置方式，其设置由上一圈地磁检测值的最大值，地磁检测A/D转换分辨率和步进电机每圈步进数计算确定。本发明避免了在地磁场极值点附近直接A/D采样准确度低，难以准确得到极值点编号，以及机械式方法的方位不精准问题。

Description

一种地下旋转测量数据的方位校正方法

技术领域

本发明一种地下旋转测量数据的方位校正方法，用于对地下孔洞旋转测量时所测数据的方位校正。

背景技术

地下成孔的侧壁测量中，利用旋转式超声探头进行测量是一种重要手段。旋转式超声检测仪器利用悬吊的探头上的旋转超声波换能器进行地下成孔侧壁测量，测量过程采用多圈旋转测量。由于探头悬吊和超声波换能器旋转，探头处于非稳定状态，导致各圈测量数据起始点的检测方位不一致。因此，需要对所测数据的方位进行校正，使各圈特定方位上的测量数据作为数据起始点，从而得到正确的测量结果。传统的方法采机械式指南针和光电对管检测指南针产生脉冲的方法进行方位校正，其机构结构复杂，受振动影响大，且检测精度较低。

发明内容

为避免了在地磁场极值点附近直接A/D采样准确度低，难以准确得到极值点编号的问题，以及机械式方法的方位不精准问题。本发明提供一种地下旋转测量数据的方位校正方法，使用动态门限方式对数据作分类，仅通过一个标识位就可以作为地磁场极值点计算的依据，不需要将地磁场强度值记录到数据中，从而减少冗余数据量和通信压力。

本发明采取的技术方案为：

一种地下旋转测量数据的方位校正方法，地下桩孔侧壁数据测量时，步进电机进行均速转动，转动头部的地磁传感器读到地磁强度值B，设置强度检测门限值为λ，假设当旋转点编号为X时地磁强度值大于λ，超过门限的转动步数为N，即：最后一个高于门限的旋转点编号为X+N，以编号为X+N/2的点作为方位标识点，即可准确校正因检测装置自旋产生的数据方位误差。

假设测量方位上的地磁强度值为B_ni，其中：n为所在圈的编号，i为一圈中测量点的编号，某一圈测量数据中地磁强度最大值为B_nmax；

则设置下一圈：第n+1圈的磁强度的门限值为λ＝B_nmax-ε，ε为一固定偏差值，可根据单圈测量次数和地磁强度A/D转换精度决定。

得到第n+1圈中第一个大于λ的测量点编号为X_n+1,最后一个大于λ的测量点编号为X_n+1+N_n+1，则将该圈起始点编号设为得到准确的地磁极值点数据编号。

在大深度测量时，不同地区不同外部环境的地磁场强度有较大变化范围，如果采用固定磁检测门限会容易因门限设置过高或过低，影响地磁极值点判断的准确性。而采用前一圈地磁强度值的最大值减去一个固定值，可得到一个浮动磁检测门限。该门限将随测量环境的变化而自行调整门限值，以适应外部磁场环境的变化。

由于固定值ε的大小由A/D采样分辨率和步进电机相关参数决定。这些参数均为固定参数，可事先计算得到。如果A/D采样分辨率较低时，导致ε相对较大，门限值下降。从而使超过门限的记录点数量增加，但由于步进电机匀速转动时，其地磁测试值以极值为中心呈对称分布(如图1所示)。记录点数量的增加会导致两极值点两侧记录点数量同时增加，因此不会对极值点计算产生影响。

采用浮动的磁检测门限和较低精度A/D采样。仍然可以得到准确的方位校正结果。

本发明地下旋转测量数据的方位校正方法，对每圈测量数据记录其地磁场强度大于设定门限的测量数据编号。通过编号的起点和终点差值除以2后与起点编号相加，得到地磁场强度最大点的编号。计算得到的地磁场强度极值点编号作为一圈数据的方位起点，实现各圈数据的起点对齐。

该方法避免了在地磁场极值点附近直接A/D采样准确度低，难以准确得到极值点编号的问题，以及机械式方法的方位不精准问题。

附图说明

图1为本发明方法的基本原理示意图。

具体实施方式

一种地下旋转测量数据的方位校正方法，地下桩孔侧壁数据测量时，步进电机进行均速转动，探头的超声波换能器安装在步进电机上，同时，步进电机另一端安装有地磁传感器。步进电机每转动一个角度，地磁传感器读取一次地磁强度值B。每圈设置地磁强度检测门限值λ，假设旋转点编号为X的点开始地磁强度值大于λ，超过门限的转动步数为N，即：最后一个高于门限的旋转点编号为X+N，以编号为的点作为本圈的地磁极值点，即可准确校正方位误差。

假设测量方位上的地磁强度值为B_ni，其中：n为所在圈的编号，i为一圈中测量点的编号，某一圈测量数据中地磁强度最大值为B_nmax；则设置下一圈：第n+1圈的磁强度的门限值为λ＝B_nmax-ε，ε为一固定偏差值，可根据单圈测量次数和地磁转换精度决定；其值取大于编号为k+1时的ΔB_n(k+1)值。此时k+1应满足：

这里ΔB_nk＝B_nmax(1-sin(π/2+2kπ/M))，即相对于极值点，转动一定角度后地磁场强度值的变化值。式中k表示距离地磁极值点的转动次步数，M表示步进电机转动一圈的总步数；

然后对第n+1圈中各点与门限值进行比较，得到第一个大于λ的测量点编号为X_n+1,最后一个大于λ的测量点编号为X_n+1+N_n+1，将该圈起始点编号设为得到地磁极值点数据编号。

在步进电机旋转过程中，记录本圈地磁强度最大值作为下一圈地磁门限设置的依据。可减小因外部磁场影响产生的磁场强度变化。同时下一圈的地磁门限设置由λ＝B_nmax-ε决定，ε将随A/D采样分辨率变化而变化，即使A/D采样分辨率较低，也可以通过调整ε的方式得到合适的门限，以区别不同转动角度的读取。如A/D采样分辨率较低，导致ε相对较大，门限值下降。使超过门限的记录点数量增加，但由于步进电机匀速转动，其地磁测试值以极值为中心呈对称分布。记录点数量的增加会导致两极值点两侧记录点数量同时增加(如图1所示)，因此不会对极值点计算产生影响。

采用浮动的磁检测门限和较低精度A/D采样。仍然可以得到准确的方位校正结果。另外，对地磁强度的A/D采样，仅用于与门限判断和获取本圈最大值，本圈最大值用于设置下一圈门限值，门限判断的标识用于计算极值点所在编号。故测量中不需要对每个转动角度编号的地磁强度进行记录，比较后便可以放弃该强度值。

实施例：

设测量时超声波换能器的旋转一圈总步数为M，则第n圈地磁场强度与转动步数k的关系可表示为：

B_ni＝B_nmaxsin(ω₀+k2π/M)

其中B_nmax表示第n圈的最大地磁场强度值，t_i表示时间，ω₀表示起始相位，k表示旋转步数，M表示每圈步进电机步数(该值大于等于400且为200的整数倍)。

当ω₀+k2π/M＝π/2时(该方位可视为正南或正北方位)，地磁场强度值为最大，以该方位上的数据作为起始位置，可保证测量数据的起始点具有相同方位，从而保证数据正确描述桩孔内壁状态。因此，问题转换为当已知B_ni和k时，如何找到B_ni的最大值所对应的k，该k值即为一圈地磁极值点出现位置，以此作为一圈的起点位置，可将各圈数据正确对齐。

设初始位置为0时地磁强度为最大值B_nmax，此时步进电机转动，地磁强度变化为：

ΔB_nk＝B_nmax(1-sin(π/2+2kπ/M))

不防设M为400，则可得到ΔB_nk在地磁极值两侧的变化情况如下表：

表1地磁数据最大值两侧值与转动角度的关系1

由表1可见，地磁场强度变化呈非线性状态，在最大值附近，每个转动角地磁强度相对于前一个角度上的地磁场强度的差值，最小时仅为极值的0.1‰(k＝±1时)，最大仅为极值的1.3‰(k＝±6时)。即使采用12位A/D采样(采样分辨率为0.25‰)，也无法正确区分π/2，99π/200，101π/200的地磁强度值。而且由于步进机电引起的磁场干扰，实际测试中即使k＝±5，时也可很容易误判为极值点。因此，采用直接A/D转换判断极值点的方式十分困难。

当测量点与最大地磁场旋转角度相对较大时，地磁场变化速率明显增加。表2列出了，当相对地磁极值点转动角度超过20步以后的地磁强度值变化情况。

表2地磁数据最大值两侧值与转动角度的关系2

由表2可见，在距离地磁极值点20步以后，每个转动角地磁强度相对于前一地磁强度值的差值，最小时为极值的4.9‰(当k＝±21时)，最大时为极值的5.9‰(当k＝±25时)。这时即使采用10位A/D(分辨率为1‰)，很容易区分两个不同的转动角度的地磁强度值。假设使用10位A/D进行地磁强度采样，由于ΔBn21-ΔBn20>2*1‰。此时可设ε＝ΔBn21，如果B(n-1)max读数为1000，则ε＝0.053915*1000≈54。λ＝Bn-1max-ε＝1000-54＝946。则在该圈数据读取时，地磁强度值大于946的角度上的编号将被标识为大于门限，设第1个大于门限的点(距离极值点为20个转动角时)编号为Xn则下最后一个大于门限的点的编号应为Xn+20*2+1，根据计算公式可得，极值点的编号为Xn+20，与大于门限的起始点距离极值点的转动角为20相符。

同理如果使用8位A/D采样(分辨率为4‰)，则ΔBn35-ΔBn34>2*4‰。ε＝ΔBn-135＝0.139Bn-1max，同样设Bn-1max＝1000，ε＝139，λ＝Bn-1max-ε＝1000-139＝861。则测量时大于门限值的起始点距离极值点的转动角度应为k＝35,其编号为X’_n则最后一个大于门限点的编号应为X’_n+2*35+1。由地磁极值点计算公式可得极值点编号为X’_n+35，与大于门限的起始点距离极值点的转动角为35相符。

误差范围：门限设定后，由于不同转动角度上地磁强度差值至少为2*A/D采样分辨率，使得大于门限的起始点编号X_n+1与结束点编号X_n+1+N_n+1的偏差均不会超过±1。则有各种误差产生情况分析如下：

1、起始点编号X_n+1与实际位置大于门限位置偏差为+1，结束点X_n+1+N_n+1与实际大于门限位置偏差为-1，得到的偏差为0。偏差为-1和+1时情况相同。

2、起始点编号X_n+1与实际位置大于门限位置偏差为+1，结束点X_n+1+N_n+1与实际大于门限位置偏差为0，得到的偏差仍然为0。

3、起始点编号X_n+1与实际位置大于门限位置偏差为-1，结束点X_n+1+N_n+1与实际大于门限位置偏差为0，得到的偏差为-1。

4、起始点编号X_n+1与实际位置偏差为+1，结束点X_n+1+N_n+1与实际大于门限的位置同样偏差为+1，得到的偏差为+1。

5、起始点编号X_n+1与实际位置偏差为-1，结束点X_n+1+N_n+1与实际大于门限的位置同样偏差为-1，得到的偏差为-1。

由此可见，采用此方法进行地磁方位极值判断的误差范围为±1个转动角度。而对于转动角度的确定，只能以整数方式表达，所以其精度不可能小于1个转动角度。这是实际旋转测量过程也必然存在的一个误差范围。因此，该方法能够通过低精度A/D采样方式准确获得地磁场强度极值点所在编号，进而为各转动角度上的测量数据提供准确的方位校正。

Claims (3)

1.一种地下旋转测量数据的方位校正方法，其特征在于：地下桩孔侧壁数据测量时，步进电机进行均速转动，转动头部的地磁传感器读到地磁强度值B，设置强度检测门限值为λ，假设当旋转点编号为X时地磁强度值大于λ，超过门限的转动步数为N，即：最后一个高于门限的旋转点编号为X+N，以编号为X+N/2的点作为方位标识点，即可准确校正因检测装置自旋产生的数据方位误差；

假设测量方位上的地磁强度值为B_ni，其中：n为所在圈的编号，i为一圈中测量点的编号，某一圈测量数据中地磁强度最大值为B_nmax；

则设置下一圈：第n+1圈的磁强度的门限值为λ＝B_nmax-ε，ε为一固定偏差值，可根据单圈测量次数和地磁转换精度决定；

得到第n+1圈中第一个大于λ的测量点编号为X_n+1,最后一个大于λ的测量点编号为X_n+1+N_n+1，则将该圈起始点编号设为得到准确的地磁极值点数据编号；

设测量时超声波换能器的旋转一圈总步数为M，则第n圈地磁场强度与转动步数k的关系可表示为：

B_ni＝B_nmaxsin(ω₀+k2π/M)

其中B_nmax表示第n圈的最大地磁场强度值，ω₀表示起始相位，k表示旋转步数，M表示每圈步进电机步数，该值大于等于400且为200的整数倍。

2.根据权利要求1所述一种地下旋转测量数据的方位校正方法，其特征在于，采用浮动的磁检测门限和较低精度A/D采样，采样分辨率为0.25‰。

3.根据权利要求1所述一种地下旋转测量数据的方位校正方法，其特征在于，地磁强度值仅用于同门限进行判断，该值不需要记录或保存在数据中，数据中仅标明其地磁强度值是否大于门限，即可对地磁强度最大值进行正确计算。