CN104730589B - 一种航磁测量数据采集系统和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种航磁测量数据采集系统和装置，属于高精度弱磁检测和航磁测量领域。一种航磁测量数据采集系统，包括主控系统以及受主控系统控制的GPS定位子系统、光泵数据采集子系统、磁通门数据采集子系统、数据存储子系统、人机交互子系统和电源子系统；本系统可实时采集光泵数据、磁通门数据和GPS数据，并可与手持终端进行人机交互。本发明具有体积小、重量轻、安装使用简便等优点，且本发明的使用可为我国矿产勘查事业提供有力的支持。

Description

一种航磁测量数据采集系统和装置

技术领域

本发明属于高精度弱磁检测和航磁测量领域，特别涉及一种航磁测量数据采集系统和装置。

背景技术

在当今的信息时代，社会对矿产资源的需求日益增大，为了提高磁法勘探的工作效率，就要用先进勘探手段来代替原始的勘探手段，航空磁法测量就是其中最显著的代表。航磁是航空物探方法中使用时间最早、最成熟和最多的磁测方法。航空磁力测量(简称航磁测量)是将航空磁力仪及其配套的辅助设备装载在飞行器上，在测量地区上空按照预先设定的测线和高度对地磁场强度或梯度进行测量的地球物理方法。与地面磁测相比具有较高的测量效率，且不受水域、森林、沼泽、沙漠和高山的限制。同时由于飞行是在距地表一定的高度进行的，从而减弱了地表磁性不均匀体的影响，能够更加清楚地反映出深部地质体的磁场特征。

因为系统涉及到光泵、磁通门、GPS和数据存储等多个不同的技术领域，传统的航磁物探数采设备是从不同的厂家采购相应的设备，再制作一台主控仪器,通过RS232串口接收所有相关设备的数据，并将数据存储。从以往使用的情况来看，存在以下问题。

(1)设备整体体积大，分量重，不适合小型无人机使用。而且各个设备的大小形状不尽相同，组装复杂；

(2)数据接口复杂，数据通信效率低；

(3)数据同步问题。航磁测量过程中，希望每组记录的各个数据产生自各自传感器的同一时间，这样才能确保数据分析的准确性。但是，由于集成各个不同厂家的设备，各自的数据接口、数据更新频率均不尽相同，往往难以保证数据的同步性，因此会给随后的数据分析带来困难；

(4)传统的航磁数据采集设备一般配置显示器和键盘，对设备的工作状态进行显示和设置。在航磁测量使用中，受制于飞机机舱的限制，操作极其不方便，设置造成误操作，影响测量效果。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提供了一种航磁测量数据采集系统和装置，采集的数据同步，体积小，操作简单。

本发明的目的是这样实现的：

一种航磁测量数据采集系统，包括主控系统以及受主控系统控制的GPS定位子系统、光泵数据采集子系统、磁通门数据采集子系统、数据存储子系统、人机交互子系统和电源子系统；

所述GPS定位子系统用于采集实时的GPS数据；

所述光泵数据采集子系统用于对光泵磁力仪的信号进行捕捉，并实时计算出磁场数值；

所述磁通门数据采集子系统用于处理磁通门传感器的模拟信号，并将该模拟信号经放大、检波和积分处理后转换成数字信号；

所述数据存储子系统用于将GPS定位子系统、光泵数据采集子系统和磁通门数据采集子系统采集到的各种数据写入SD卡中；

所述人机交互子系统用于向主控系统发送命令以及接收主控系统发来的数据信息并显示；

所述电源子系统为前述各系统提供符合其各自要求的电压；

所述主控系统和各子系统均集成在一块电路板上，采用一个双核MCU，所有数据在核之间实现实时同步，这样避免了各个子系统之间复杂的数据通信，而且保证了各个子系统数据的同步性。

其中，所述双核MCU内部集成了一个ARM contex-M3核和一个DSP C28核，所述ARMcontex-M3核用于采集磁通门数据和GPS数据以及进行人机交互，所述DSP C28核用于采集和计算光泵数据，且将采集到的光泵数据通过IPC实时同步至contex-M3核。

其中，所述人机交互子系统通过蓝牙与手持终端进行通信。

一种航磁测量数据采集装置，采用航磁测量数据采集系统，包括用于将本装置固定在机舱上的底板以及前后并列安装在底板上的电池盒和主机盒；

所述电池盒的顶部设有电源开关和电源输出接口；

所述主机盒内安装有主处理板、电源板，主机盒的顶部依次设有SD卡插槽、光泵磁力仪接口、磁通门传感器接口、GPS和蓝牙天线接口以及电源输入接口。

其中，所述电池盒和主机盒均使用松不脱螺丝固定安装在底板上。

其中，所述底板上开有与电池盒和主机盒相匹配的定位槽。

本发明的有益效果为：

1)设备整体结构体积小，重量轻，便于安装固定，对机舱空间要求低，SD卡和电源模块易于更换，非常适合小型无人机航磁测量要求；

2)高度集成设计，光泵、磁通门、GPS数据采集融为一体，很好地解决了各项数据接口复杂、数据通信效率低下和数据不同步等问题；

3)采用高性能双核MCU，单独一个核进行光泵数据采集，实现了高精度光泵磁场数据测量；

4)具有蓝牙通信接口用于进行人机交互，操作简便，功能齐全。

附图说明

图1为航磁测量数据采集系统的原理框图。

图2为MCU芯片的IPC功能原理框图。

图3为航磁测量数据采集装置的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明。

如图1所示，一种航磁测量数据采集系统，包括主控系统以及受主控系统控制的GPS定位子系统、光泵数据采集子系统、磁通门数据采集子系统、数据存储子系统、人机交互子系统和电源子系统。

前述主控系统和各子系统均采用同一个双核MCU，具体选用德州仪器的F28M35H52C型双核MCU，其内部集成了一个ARM contex-M3核和一个DSP C28核。其中，ARMcontex-M3核用于采集磁通门数据和GPS数据以及进行人机交互，DSP C28核用于采集和计算光泵数据，且DSP C28核采集到的数据通过IPC以总线级的速度实时同步到ARM contex-M3核，如图2所示。

其中，GPS定位子系统用于采集实时的GPS数据；光泵数据采集子系统用于对光泵磁力仪的信号进行捕捉，并实时计算出磁场数值；所述磁通门数据采集子系统用于读取磁通门传感器的模拟信号，并将该模拟信号经放大、检波和积分处理后转换成数字信号；数据存储子系统用于将GPS定位子系统、光泵数据采集子系统和磁通门数据采集子系统采集到的各种数据写入SD卡中；人机交互子系统用于向主控系统发送命令以及接收主控系统发来的数据信息并显示；电源子系统为各系统提供符合其各自要求的电压。

人机交互子系统还能通过蓝牙与手持终端进行通信。

如图3所示，一种航磁测量数据采集装置，采用航磁测量数据采集系统，包括用于将本装置固定在机舱上的底板1以及前后并列安装在底板上的电池盒2和主机盒3。电池盒2的顶部设有电源开关21和电源输出接口22。主机盒3内固定有双核MCU，主机盒3的顶部依次设有SD卡插槽31、光泵磁力仪接口32、磁通门传感器接口33、GPS和蓝牙天线接口34以及电源输入接口35。

其中，电池盒2和主机盒3均使用松不脱螺丝固定安装在底板1上，便于不同航次之间电池盒2的更换和设备的检修。底板1上开有与电池盒2和主机盒3相匹配的定位槽，便于电池盒2和主机盒3的定位。

本航磁测量数据采集系统中，由F28M35H52C型双核MCU中的C28核eCAP模块对光泵磁力仪发来的拉莫尔频率信号的上升沿进行捕捉，每次捕捉完上升沿后都对32位定时器进行置位，上升沿捕捉的计数值与频率信号f成比例关系。由于eCAP模块不可避免地会存在一个脉冲的计数误差，所以会导致测量磁场发生误差。F28M35H52C型双核MCU中的DSP C28核的主频为150MHz，以北京的磁场总量大概为55000nT，光泵磁力仪的旋磁比常数为3.498577Hz/nT为例标准的脉冲数为：

150×10⁶/(55000×3.49857)＝779.5377(个)

而实际测量的脉冲计数可能为779或780，由此带来的磁场值的误差为：

150×10⁶/(779×3.49857)-150×10⁶/(780×3.498577)＝70.5616(nT)

这显然不能满足航磁测量的精度要求，因此需要对拉莫尔信号进行分频测量，以降低eCAP模块捕捉误差率，提高磁场测量精度。对于N分频，则需要N个周期才能得到频率信息，即此时得到的测量频率是N个周期之前的频率所有信号的平均频率，则相应的测量误差为1/N。

当然，信号分频可以提高测量精度，同时也会降低测量的实时性。所以需要根据需求对分频系数进行设置，以获得满意的测量精度和测量的实时性。

这里，假设：

DSP C28核的主频为fn＝150×10⁶

被测磁场大小为M＝55000nT

光泵磁力仪的拉莫尔信号旋磁比常数为K＝3.498577

拉莫尔信号频率为FM；

单脉冲产生的Capture的计数个数Cycle为C

Capture采集被测信号的次数为N；

光泵磁力仪的测量精度为S(单位为pT)

可以得到：F_M＝M×K，即

当地磁场为55000nT时，拉莫尔信号频率大约为192.4213KHz

则有：

如果假设分频系数N，这可以推出光泵磁力仪的分辨率为(单位为nT)

将单位nT换算成pT，

如果要求分辨率为S(单位为pT)，反推需要的采集次数N

将代入可以得到

假如某次测量要求磁场精度为0.01nT(10pT),有上式可以计算出相应的分频系数N为7055。相应地，数据更新频率为拉莫尔信号频率的1/N，即27.2Hz。

通过以上分析可知，磁场值的测量精度和数据更新频率是相互矛盾的，需要在测量前根据需要进行设定。

因此，用户在使用本航磁测量数据采集装置之前，需要根据实际需求对设备进行初始化设定，包括数据更新频率、光泵磁力仪测量精度等，同时还需要了解设备工作状况，包括GPS定位信息、SD卡存储状态等。考虑到航磁测量的使用环境和工况，本装置采用蓝牙实现对外通信，并开发了APP客户端程序，用户可以通过手持iPad实现与设备的交互。

本航磁测量数据采集装置的具体使用步骤如下：

(1)将本装置的底板固定安装在飞机机舱中，再将主机盒和电池盒放置在底板的定位槽中，拧紧螺丝固定。

(2)连接电源电缆，并将磁通门传感器、光泵磁力仪、GPS模块连接至主机盒顶部的相应的接口，将SD卡插入SD卡插槽中，盖上橡皮保护罩。

(3)打开电源，本装置开始按照默认模式工作。

(4)打开手持iPad终端，运行APP客户端程序。在蓝牙连接建立后，系统会自动将所有的测量数据和设备工作状态发送至手持iPad终端并显示。用户可以根据需要对设备进行初始化设定，包括数据更新频率、光泵测量精度等。

(5)确认所有的设置都已经完成后，断开蓝牙连接，此时本装置会自动终止向手持iPad终端发送数据，以实现较高的数据存储频率。

(6)最后，飞机起飞进行预订路线的航空磁测，本装置会将所有的测量数据记录在SD卡中。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种航磁测量数据采集系统，包括主控系统以及受主控系统控制的GPS定位子系统、光泵数据采集子系统、磁通门数据采集子系统、数据存储子系统、人机交互子系统和电源子系统；

所述GPS定位子系统用于采集实时的GPS数据；

所述光泵数据采集子系统用于对光泵磁力仪的信号进行捕捉，并实时计算出磁场数值；

所述磁通门数据采集子系统用于处理磁通门传感器的模拟信号，并将该模拟信号经放大、检波和积分处理后转换成数字信号；

所述数据存储子系统用于将GPS定位子系统、光泵数据采集子系统和磁通门数据采集子系统采集到的各种数据写入SD卡中；

所述人机交互子系统用于向主控系统发送命令以及接收主控系统发来的数据信息并显示；

所述电源子系统为前述各系统提供符合其各自要求的电压；

所述主控系统和各子系统均集成在一个双核MCU上，所述双核MCU内部集成了一个ARMcontex-M3核和一个DSP C28核，所述ARM contex-M3核用于采集磁通门数据和GPS数据以及进行人机交互，所述DSP C28核用于采集和计算光泵数据，且该双核MCU采集到的数据通过IPC实现实时同步至contex-M3核。

2.根据权利要求1所述的一种航磁测量数据采集系统，其特征在于，所述人机交互子系统通过蓝牙与手持终端进行通信。

3.一种航磁测量数据采集装置，采用航磁测量数据采集系统，包括用于将本装置固定在机舱上的底板以及前后并列安装在底板上的电池盒和主机盒；

所述电池盒的顶部设有电源开关和电源输出接口；

所述主机盒内安装有主处理板、电源板，主机盒的顶部依次设有SD卡插槽、光泵磁力仪接口、磁通门传感器接口、GPS和蓝牙天线接口以及电源输入接口。

4.根据权利要求3所述的一种航磁测量数据采集系统，其特征在于，所述电池盒和主机盒均使用松不脱螺丝固定安装在底板上， 所有的接口均设置在设备盒的顶部，这样可以尽可能节省机舱空间，便于工作人员操作。

5.根据权利要求3所述的一种航磁测量数据采集系统，其特征在于，所述底板上开有与电池盒和主机盒相匹配的定位槽。