CN105204076A - 直升机瞬变电磁探测运动噪声抑制装置及噪声抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直升机瞬变电磁探测运动噪声抑制装置及噪声抑制方法，装置是由在底板上设有的通孔固定圆环状腔体骨架，在圆环状腔体骨架内壁设有横向减震垫，在圆环状腔体骨架中间的底板上固定有纵向减震垫，底板用尼龙螺丝固定在吊舱支架十字形支架上，Z分量接收线圈安在减震装置圆环状腔体内设有的纵向减震垫上构成。采用梳状滤波方法对采集数据进行处理，有选择性地滤除经过减震装置后与有用信号频谱分开的运动噪声，通过减震装置抑制运动噪声能量以及搬移运动噪声频谱，结合有选择的梳状滤波的方法，达到较彻底地抑制运动噪声的目的，对后续数据处理提供了相当重要的帮助，使得对地下介质信息的解释更加真实准确。

Description

直升机瞬变电磁探测运动噪声抑制装置及噪声抑制方法

技术领域：

本发明涉及一种瞬变电磁探测噪声抑制装置及方法，尤其是吊舱式直升机瞬变电磁探测运动噪声抑制装置及噪声抑制方法。

背景技术：

吊舱式直升机瞬变电磁勘探装置通过直升机悬挂吊舱，吊舱上搭载发射装置和Z分量接收线圈，发射装置发射某一固定频率的大电流信号，激励地下介质，基于涡流效应地下介质会产生磁场信号，Z分量接收线圈接收该磁场信号，完成电磁信号转换并实时采集，实现对地下介质的分析解释。Z分量接收线圈是吊舱式直升机瞬变电磁勘探装置实现电磁信号转换的核心传感器，其基本原理是法拉第电磁感应定律。在实际飞行探测中，主要由于受到风力作用，Z分量接收线圈会在水平和竖直方向上振动，引起内部磁通量变化，此为运动噪声的产生来源；运动噪声会以电信号的形式混杂在采集到的有用电信号中，在频谱中与有用信号以混叠形式呈现，并且其频率集中在低频段，与发射电流频率重叠，导致晚期信号即深层地下介质信息无法解释。因此，抑制Z分量接收线圈带来的运动噪声是直升机瞬变电磁探测的一个重要研究方向。

CN102913587A公开的一种“磁流变减振器”其包括缸筒、左端盖、活塞杆、活塞、右端盖、连接筒、绕线筒、线圈、外部导磁体和盖母。是一种很有效的运动减震装置，其结构简单，可以有效地抑制目标装置的运动噪声；

CN102792190A公开的一种“用于移动平台上的传感器的稳定系统”该设备包括：泪滴状壳体；在壳体中的牵引架；环绕该架间隔开的多个振动隔离阻尼器；安装至阻尼器的基座组件；支承支座，其具有上自由端和固定至基座组件的底部；连接至支座的上自由端的单球面空气轴承；仪器平台，仪器平台具有下中空漏斗，该下中空漏斗具有被支撑在空气轴承上的用于单点支撑的上内部顶点；用于保持枢转和旋转稳定性的主和次陀螺仪稳定器；以及至少一个场传感器，其安装至仪器平台，用于采集场数据并同时针对运动噪声保持稳定，所述运动噪声包括来自基座组件、来自牵引架以及来自壳体的振动、枢转和旋转。设计了复杂但却有效的减震装置，其可以把运动噪声降低到赫兹级别的范围。

(MunkholmMetteS.Motion-inducednoisefromvibrationofamovingTEMdetectorcoil:characterizationandsuppression[J].JournalofAppliedGeophysics,1997,37(1):21-29)Munkholm通过分析TEM勘探系统装置的运动情况，采用三分量的测量方式来抑制运动噪声；

(DavisAaron,MacnaeJames,HodgesGreg.PredictionsofbirdswingfromGPScoordinates[J].GEOPHYSICS,2009,74(6):F119-F126)Davis只通过建立GPS坐标系的方法获取接收线圈运动情况，在测量数据中进行运动补偿，达到抑制运动噪声的目的。

上述针对运动噪声的抑制方法都可以作为解决方案应用到直升机瞬变电磁探测中，但它们都不同程度地存在一些缺陷。如磁流变减振器为磁性材料，在直升机瞬变电磁探测中会引入新的干扰，影响勘探效果。淡水河谷公司采用单一硬件减震系统对运动噪声进行滤除，没有在把运动噪声和有用信号分离后，提供针对性地滤除运动噪声的方法，导致无法彻底地抑制直升机瞬变电磁探测运动噪声。Munkholm和Davis采用硬件姿态检测和软件数据补偿的方法，但利用此类方法运动噪声依然混杂在有用信号中无法分离，在数据处理时，无法彻底地抑制运动噪声。

发明内容：

本发明的目的在于针对Z分量接收线圈姿态在水平和竖直方向上振动而引入运动噪声的问题，提供一种适用于直升机瞬变电磁探测运动噪声抑制装置；

本发明的另一目的是提供一种适用于直升机瞬变电磁探测运动噪声的抑制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

直升机瞬变电磁探测运动噪声抑制装置，是由减震装置4在底板上按等圆心角设有的固定通孔a421、固定通孔b422、固定通孔c423、固定通孔d424、固定通孔e425和固定通孔f426固定圆环状腔体骨架41，在圆环状腔体骨架41内壁按等圆心角设有横向减震垫a431、横向减震垫b432、横向减震垫c433和横向减震垫d434，Z分量接收线圈5安放在由横向减震垫所构成的圆环内，在圆环状腔体骨架41中间的底板上按等圆心角固定有纵向减震垫a441、纵向减震垫b442、纵向减震垫c443和纵向减震垫d444，Z分量接收线圈5置于纵向减震垫之上，通过横向减震垫所构圆环将Z分量接收线圈5夹紧，使Z分量接收线圈5得以固定，底板用尼龙螺丝固定在吊舱支架3的十字形支架上构成。

直升机瞬变电磁探测运动噪声抑制装置的运动噪声抑制方法，包括以下步骤：

A、在航测飞行前，将减震装置4固定在吊舱支架3上，Z分量接收线圈5放置于减震装置4的圆环状腔体骨架41内设有的纵向减震垫a441、纵向减震垫b442、纵向减震垫c443和纵向减震垫d444上，用横向减震垫a431、横向减震垫b432、横向减震垫c433和横向减震垫d434将Z分量接收线圈5夹紧，使Z分量接收线圈5得以固定，同时解决了横向机械运动的减震，数据采集系统7置于机舱中；

B、通过吊挂缆绳2将吊舱支架3挂载在直升机下部，Z分量接收线圈5通过屏蔽绞合电缆6与数据采集系统7连接；

C、直升机按设计的测线航测飞行，在飞行过程中，Z分量接收线圈5实时检测二次磁场信号并将其转换成电信号，通过减震装置(4)中的纵横减震垫改变Z分量接收线圈(5)的震动频率，进而实现实时搬移Z分量接收线圈(5)的运动噪声，使其与有用磁场信号分离，削弱绝大部分运动噪声的能量；

D、电信号通过电缆6实时上传到数据采集系统7，数据采集系统7完成数据采集并保存；

E、航测飞行结束后，提取数据采集系统7存储的数据，初步分析数据频谱，确定运动噪声频带范围；

F、根据运动噪声在频域中的分布情况，设定梳状滤波器的初始参数；

G、将数据采集系统7存储的数据经过梳状滤波器进行数字滤波处理，提取滤波后的数据，分析滤波后的数据，满足要求，结束滤波，数据处理完成，将数据交给后期解释人员；

H、经过梳状滤波器滤波处理后的数据不能够满足要求，则改变梳状滤波器的参数，重新进行梳状滤波处理，重复F-G步骤，直到经过梳状滤波后的数据满足要求，则结束梳状滤波；

I、数据处理人员分析解释经过梳状滤波器的数据，获得瞬变电磁探测数据；

J、根据瞬变电磁探测数据绘制出视电阻率图。

有益效果：本发明的减震装置，不会引入电磁干扰，对采集数据没有影响。减震装置采用圆环形腔体结构，使Z分量接收线圈放置在磁场比较均匀的吊舱支架3的中心位置。根据隔振原理计算获得减震垫的杨氏模量和尺寸，横向减震垫和纵向减震垫均粘在木制腔体骨架41中，一方面抑制运动噪声的能量，另一方面把运动噪声搬移到一个理想频率，使其与有用磁场信号实现频谱分离，为滤除运动噪声提供必要条件。采用梳状滤波器的的软件滤除方法对采集数据进行处理，可以有选择性地滤除经过减震装置后与有用信号频谱分开的运动噪声，从而在不削弱有用信号的前提下进一步减小运动噪声。通过减震装置抑制运动噪声能量以及搬移运动噪声频谱，结合有选择的滤除梳状波的方法，实现了在不削弱有用信号的条件下，达到较彻底地抑制运动噪声的目的，对后续数据处理提供了相当重要的帮助，使得对地下介质信息的解释更加真实准确。

附图说明：

图1直升机瞬变电磁探测运动噪声抑制装置结构图

图2附图1中的的减震装置4结构图

图3附图1中的的减震装置4主视图

图4附图1中的的减震装置4俯视图

图5直升机瞬变电磁探测运动噪声抑制装置的运动噪声抑制方法流程图

1直升机，2吊挂缆绳，3吊舱支架，4硬件减震装置，5Z分量接收线圈，6电缆，7数据采集系统，41木制腔体骨架，421固定通孔a，422固定通孔b，423固定通孔c，424固定通孔d，425固定通孔e，426固定通孔f，431横向减震垫a，432横向减震垫b，433横向减震垫c，434横向减震垫d，441纵向减震垫a，442纵向减震垫b，443纵向减震垫c，444纵向减震垫d。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

直升机瞬变电磁探测运动噪声抑制装置，是由减震装置4在底板上按等圆心角设有的固定通孔a421、固定通孔b422、固定通孔c423、固定通孔d424、固定通孔e425和固定通孔f426固定圆环状腔体骨架41，在圆环状腔体骨架41内壁按等圆心角设有横向减震垫a431、横向减震垫b432、横向减震垫c433和横向减震垫d434，在圆环状腔体骨架41中间的底板上按等圆心角固定有纵向减震垫a441、纵向减震垫b442、纵向减震垫c443和纵向减震垫d444，底板用尼龙螺丝固定在吊舱支架3的十字形支架上，Z分量接收线圈5安放在减震装置4的圆环状腔体内设有的纵向减震垫a441、纵向减震垫b442、纵向减震垫c443和纵向减震垫d444上构成。

直升机瞬变电磁探测运动噪声抑制装置的运动噪声抑制方法，包括以下步骤：

A、在航测飞行前，将减震装置4固定在吊舱支架3上，Z分量接收线圈5放置于减震装置4的圆环状腔体骨架41内设有的纵向减震垫a441、纵向减震垫b442、纵向减震垫c443和纵向减震垫d444上，用横向减震垫a431、横向减震垫b432、横向减震垫c433和横向减震垫d434将Z分量接收线圈5挤住，使Z分量接收线圈5得以固定，同时解决了横向机械运动的减震，数据采集系统7置于机舱；

B、通过吊挂缆绳2将吊舱支架3挂载在直升机下部，Z分量接收线圈5通过屏蔽绞合电缆6与数据采集系统7连接；

C、直升机按设计的测线航测飞行，在飞行过程中，Z分量接收线圈5实时检测二次磁场信号并将其转换成电信号，通过减震装置(4)中的纵横减震垫改变Z分量接收线圈(5)的震动频率，进而实现实时搬移Z分量接收线圈(5)的运动噪声，使其与有用磁场信号分离，削弱绝大部分运动噪声的能量；

D、电信号通过电缆6实时上传到数据采集系统7，数据采集系统7完成数据采集并保存；

E、航测飞行结束后，提取数据采集系统7存储的数据，初步分析数据频谱，确定运动噪声频带范围；

F、根据运动噪声在频域中的分布情况，设定梳状滤波器的初始参数；

G、将数据采集系统7存储的数据经过梳状滤波器进行数字滤波处理，提取滤波后的数据，分析滤波后的数据，满足要求，结束滤波，数据处理完成，将数据交给后期解释人员；

H、经过梳状滤波器滤波处理后的数据不能够满足要求，则改变梳状滤波器的参数，重新进行梳状滤波处理，重复F-G步骤，直到经过梳状滤波后的数据满足要求，则结束梳状滤波；

I、数据处理人员分析解释经过梳状滤波器的数据，获得瞬变电磁探测数据；

J、根据瞬变电磁探测数据绘制出视电阻率图。

如图1所示，直升机1通过吊挂缆绳2挂载吊舱支架3，吊挂缆绳2和吊舱支架3和减震装置4均采用无磁性材料制做。

如图2所示，减震装置4是由圆环状腔体骨架41上设有固定通孔a421、固定通孔b422、固定通孔c423、固定通孔d424、固定通孔e425、固定通孔f426，横向减震垫a431、横向减震垫b432、横向减震垫c433和横向减震垫d434，纵向减震垫a441、纵向减震垫b442、纵向减震垫c443和纵向减震垫d444固定在吊舱支架3中心十字形支架上的底板上，横向减震垫和纵向减震垫的杨氏模量和尺寸是根据隔振原理计算设计的。

减震装置4固定在吊舱支架3的中心位置，Z分量接收线圈5安置在减震装置4的圆环状腔体内的纵向减震垫a441、纵向减震垫b442、纵向减震垫c443和纵向减震垫d444之上，电磁信号转换为电信号后经过屏蔽绞合形式的电缆6传输到置于直升机1机舱内的数据采集系统7中。

直升机1通过吊挂缆绳2挂载吊舱支架3，吊挂缆绳2和吊舱支架3和减震装置4都由无磁性材料制成，吊舱支架3为刚体结构。吊舱支架3的中心位置利用尼龙螺丝固定硬件减震装置4，硬件减震装置4为圆环形腔体结构；Z分量接收线圈5放置于硬件减震装置4的圆环形腔体内部，其完成电磁信号转换后的电信号经过电缆6传输到数据采集系统7，电缆6采用屏蔽绞合形式，在不引入干扰的条件下长距离传输；数据采集系统7置于直升机1的机舱内部，负责数据采集和存储。

减震装置4一方面抑制运动噪声的能量，另一方面把运动噪声搬移到一个理想频率，使其与有用磁场信号实现频谱分离；而梳妆滤波器可以通过参数设定，有针对性地滤除特定频率范围内的噪声，通过设置该频率范围为经过频谱搬移后的运动噪声的范围，便可在软件方法上进一步抑制运动噪声。

实施例1

在直升机1下方通过吊挂缆绳2挂载吊舱支架3，吊舱支架3上装有减震装置4，吊挂缆绳2和吊舱支架3和减震装置4都由无磁性材料制成。

减震装置4为圆环形腔体结构，用木制腔体骨架41上设有的固定通孔a421、固定通孔b422、固定通孔c423、固定通孔d424、固定通孔e425和固定通孔f426通过尼龙螺丝将减震装置4固定在吊舱支架3中心的十字形支架上，航测飞行前，将减震装置4固定在吊舱支架3上，数据采集系统7置于机舱内；Z分量接收线圈5放置于减震装置4圆环状腔体骨架41内设有的纵向减震垫a441、纵向减震垫b442、纵向减震垫c443和纵向减震垫d444上，腔体骨架41内壁装有的横向减震垫a431、横向减震垫b432、横向减震垫c433和横向减震垫d434将Z分量接收线圈5夹紧，使Z分量接收线圈5得以固定，同时解决横向机械运动的减震，

通过减震装置4中的纵横减震垫改变Z分量接收线圈5的震动频率，进而实现实时搬移Z分量接收线圈5的运动噪声，使其与有用磁场信号分离，削弱绝大部分运动噪声的能量。

腔体骨架41内外环尺寸由Z分量接收线圈5的直径决定，用密度较轻的木材制成；固定通孔a421、固定通孔b422、固定通孔c423、固定通孔d424、固定通孔e425和固定通孔f426等间隔分布在木制腔体骨架41的圆环上，直径都为10mm的圆形通孔，通过尼龙螺丝将减震装置4水平固定在吊舱支架3的中心位置；横向减震垫a431、横向减震垫b432、横向减震垫c433、横向减震垫d434以及纵向减震垫a441、纵向减震垫b442、纵向减震垫c443和纵向减震垫d444是基于隔振原理设计。

根据探测深度要求，直升机瞬变电磁探测发射的大电流激发信号基频较低，同时二次磁场晚期有用信号(即深层地下介质信息)主要集中在发射大电流的基频处，与Z分量接收线圈的运动噪声频率混叠。在航测飞行时，运动噪声是由Z分量接收线圈在水平和竖直方向上运动，引起磁通量变化所致。因此，需要根据隔振原理计算设计合适的减震垫抑制运动噪声。

以竖直方向为例，设Z分量接收线圈竖直方向加速度为a，质量为m，运动噪声频率为f，在其激励下，减震垫会产生相应的固有频率为f_n，有

$f_n=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{K^{\′}}{m}}---\left(1\right)$

K′为减震垫的动刚度，单位是N·mm^-1，通过选取特定K′的材料来获得期望f_n值。

为了使Z分量接收线圈各部分减震效果一致，采用4个完全相同的减震垫，每个减震垫受力F为

$F=\frac{ma}{4}---\left(2\right)$

每个减震垫的最小受力面积S′为

$S^{\′}=\frac{F}{\mathrm{\σ}}---\left(3\right)$

σ为减震垫的极限静态应力，不同材料对应不同数值。

设定减震垫振动传输率η_A，则对应的减震率η＝1-η_A，

${\mathrm{\η}}_A=\sqrt{\frac{1+{\left(\mathrm{\ν}tan\mathrm{\δ}\right)}^2}{{({\mathrm{\ν}}^2-1)}^2+{\left(\mathrm{\ν}tan\mathrm{\δ}\right)}^2}}---\left(4\right)$

式中，tanδ为减震垫损耗因子，根据期望值设定；

根据f_n、σ、tanδ值选取减震垫材料为橡胶,并且确定其最小受力面积S′，采用圆柱体结构。

减震垫的静刚度K_s为

$K_s=\frac{{\mathrm{sE}}_C}{h}---\left(5\right)$

式中，E_C为减震垫的有效压缩模量，S为减震垫的有效受力面积，要求S≥S′,h为减震垫的高度。为保证减震垫不发生弯曲变形，对于圆柱形结构要求h/D＜1,并且对应橡胶材料有1.2≤K′/K_S≤2。由此，根据期望值可以获取理想的S、h和E_C值。

E_C＝E₀(1+2kC²)(6)

式中，E₀为减震垫的杨氏模量，C为减震垫的形状因数，k为材料特性校正因数。

由此确定减震垫具体参数为：减震垫杨氏模量：0.24Mpa，减震垫材料为发泡橡胶；减震垫底面直径D＝1cm；高度h＝1.2cm。

Z分量接收线圈5为圆柱体结构，水平放置于硬件减震装置4的圆环形腔体内部，基于法拉第电磁感应定律，其可以将二次磁场信号转换为电信号；转换后的电信号经过屏蔽绞合形式的电缆6传输到数据采集系统7；数据采集系统7置于直升机1的机舱内部，负责数据采集和存储。

在飞行任务结束后，工作人员通过数据采集系统7获取当次航测数据，然后通过梳状滤波器的软件滤波方法处理航测数据；梳状滤波器为有限脉冲响应数字滤波器，是带通滤波器，其系数根据公式(7)获得，

L为梳状滤波器的阶数，其可以根据不同要求情况设置为不同数值。

通过减震装置4中的纵横减震垫改变Z分量接收线圈的运动噪声频率，实时搬移Z分量接收线圈5的运动噪声到更低频区，使之与有用信号频谱分离，再通过设置相应参数的梳状滤波将发射大电流基频及各谐波两侧绝大部分噪声滤除，尤其是滤除经过频谱搬移后的更低频区的运动噪声，这样便能彻底地抑制运动噪声，使得经过梳状滤波处理后的数据能够更真实地反映深层的地下介质信息。

Claims (2)

1.一种直升机瞬变电磁探测运动噪声抑制装置，是由减震装置(4)固定在挂载吊舱支架(3)的十字形中心，其上固定有Z分量接收线圈(5)组成；其特征在于，所述的减震装置(4)在底板上按等圆心角设有的固定通孔a(421)、固定通孔b(422)、固定通孔c(423)、固定通孔d(424)、固定通孔e(425)和固定通孔f(426)固定圆环状腔体骨架(41)，在圆环状腔体骨架(41)内壁按等圆心角设有横向减震垫a(431)、横向减震垫b(432)、横向减震垫c(433)和横向减震垫d(434)，Z分量接收线圈(5)安放在由横向减震垫所构成的圆环内，在圆环状腔体骨架(41)中间的底板上按等圆心角固定有纵向减震垫a(441)、纵向减震垫b(442)、纵向减震垫c(443)和纵向减震垫d(444)，Z分量接收线圈(5)置于纵向减震垫之上，通过横向减震垫所构圆环将Z分量接收线圈(5)夹紧，使Z分量接收线圈(5)得以固定，底板用尼龙螺丝固定在吊舱支架(3)的十字形支架上构成。

2.按照权利要求1所述的直升机瞬变电磁探测运动噪声抑制装置的运动噪声抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、在航测飞行前，将减震装置(4)固定在吊舱支架(3)上，Z分量接收线圈(5)放置于减震装置(4)的圆环状腔体骨架(41)内设有的纵向减震垫a(441)、纵向减震垫b(442)、纵向减震垫c(443)和纵向减震垫d(444)之上，用横向减震垫a(431)、横向减震垫b(432)、横向减震垫c(433)和横向减震垫d(434)将Z分量接收线圈(5)夹紧，使Z分量接收线圈(5)得以固定，同时解决了横向机械运动的减震，数据采集系统7置于机舱内；

B、通过吊挂缆绳(2)将吊舱支架(3)挂载在直升机下部，Z分量接收线圈(5)通过屏蔽绞合电缆(6)与数据采集系统(7)连接；

C、直升机按设计的测线航测飞行，在飞行过程中，Z分量接收线圈(5)实时检测二次磁场信号并将其转换成电信号，通过减震装置(4)中的纵横减震垫改变Z分量接收线圈(5)的震动频率，进而实现实时搬移Z分量接收线圈(5)的运动噪声，使其与有用磁场信号分离，削弱绝大部分运动噪声的能量；

D、电信号通过电缆(6)实时上传到数据采集系统(7)，数据采集系统(7)完成数据采集并保存；

E、航测飞行结束后，提取数据采集系统(7)存储的数据，初步分析数据频谱，确定运动噪声频带范围；

F、根据运动噪声在频域中的分布情况，设定梳状滤波器的初始参数；

G、将数据采集系统(7)存储的数据经过梳状滤波器进行数字滤波处理，提取滤波后的数据，分析滤波后的数据，满足要求，结束滤波，数据处理完成，将数据交给后期解释人员；

H、经过梳状滤波器滤波处理后的数据不能够满足要求，则改变梳状滤波器的参数，重新进行梳状滤波处理，重复F-G步骤，直到经过梳状滤波后的数据满足要求，则结束梳状滤波；

I、数据处理人员分析解释经过梳状滤波器的数据，获得瞬变电磁探测数据；

J、根据瞬变电磁探测数据绘制出视电阻率图。