CN105572749A - 地面三分量磁力定向方法及地面三分量磁力定向勘探装置 - Google Patents

地面三分量磁力定向方法及地面三分量磁力定向勘探装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种地面三分量磁力定向方法，可完成传感器三轴自身正交校正和传感器三轴坐标与地理坐标转换；本发明同时提供了一种基于上述定向方法的定向勘探装置，包括探头、控制器模块、时钟控制模块和电源模块，探头包括套管内置有无磁钛合金槽，槽内安装有传感器模块，传感器模块包括定位模块、磁通门传感器和惯性测量模块；控制器模块为控制器模块，定位模块、磁通门传感器、矩阵键盘和液晶显示模块均与控制器模块连接。本发明既可以进行快速测量，同时又可以获得比传统质子磁力仪更丰富的空间地磁场参数，为地质找矿提供全方位的地球物理数据，同时能够解决野外测网的定点问题，形成野外三分量磁测的“一键”完成。

Description

地面三分量磁力定向方法及地面三分量磁力定向勘探装置
技术领域
本发明涉及一种地面三分量磁力定向方法及地面三分量磁力定向勘探装置，属于地球物理勘探领域。
背景技术
磁法勘探是以岩石、矿石(地层)与其围岩的磁性差异为物质基础，用专门的磁法仪器设备观测和研究物理场的变化规律，进而达到查明地质构造、寻找矿产资源和解决水文、工程地质问题和环境监测等问题。纵观磁法勘探的趋势，第一阶段为标量测量，第二阶段为梯度张量测量，第三阶段为矢量测量。目前我国野外移动式磁测主要是以磁场总场的单一参数测量为主，属于第一阶段。FVM-400型三分量磁力仪是国内新引进的国外仪器，主要用来进行三个分量的全空间磁测，这是磁法勘探进入第二个阶段(梯度张量测量)的一个中间过程，这从矿产勘查方面来说，也扩大了磁法勘探的应用范围，即使在坑道等特殊的地区也可以得到应用。目前，我国的第二、三阶段还没有实现，所以制约了地质找矿和工程勘查。随着地质找矿和地质工程问题的要求越来越高，传统单一的总场磁测已不能满足地质勘探要求，多参数及矢量测量是目前的发展趋势。这是因为多参数测量对于地质找矿和工程勘查具有重要的应用价值。
目前国内外的“磁通门磁力仪”和“超导磁力仪”虽然已经实现了三分量的实测，但该仪器在地面勘探时，其探头的高精度水平平台及三轴定向装置问题难以实现，往往采用机械定向，即采用镜筒、标尺、人工观测的方法，费时、精度低、误差大。如国外生产的FVM-400三轴磁通门磁力仪能进行三分量磁测，在选用直角坐标模式下显示磁场的大小，磁倾角和磁偏角三个参数。这种三分量磁测在测量技术、资料处理、图示显示及解释等方面还没有以往仪器的那些较成熟的方法和规范，特别是三轴坐标的校正问题没有解决，往往工作人员在野外要花很多时间进行三轴的定向，因而工作效率低，这就是目前三分量磁力仪在我国没有普及和推广的主要原因之一。因而，目前使用三分量磁力仪的用户较少，为了克服以上地面三分量找矿中的种种弊端，特开展了该仪器的研发。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种地面三分量磁力定向方法及地面三分量磁力定向勘探装置，利用仪器可完成传感器三轴自身正交校正，也可以实现传感器三轴坐标与地理坐标转换，达到既可以进行快速测量，同时又可以获得比传统质子磁力仪更丰富的空间地磁场参数，为地质找矿提供全方位的地球物理数据；此外，为了解决野外测网的定点问题，系统还设计有GPS或北斗的定位系统，最终形成野外三分量磁测的“一键”完成。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种地面三分量磁力定向方法，包括以下步骤：
(1)在探头中设置定位模块、磁通门传感器和惯性测量模块，将定位模块、磁通门传感器和惯性测量模块与控制器模块连接，将控制器模块与矩阵键盘和液晶显示模块连接；
(2)通过矩阵键盘发送16进制命令到控制器模块，控制器模块接收16进制命令后控制与其相连的磁通门传感器、定位模块和惯性测量进行测量；
(3)磁通门传感器将测量得到的三轴信号Gx、Gy和Gz传输至控制器模块，定位模块实时地将位置数据和时间数据传输至控制器模块，惯性测量模块实时地将姿态数据αx、αy、αz、ωx、ωy和ωz传输至控制器模块；
(4)控制器模块采用最小二乘拟合算法对三轴信号进行正交校正，以补偿因为磁通门传感器内部三轴直接的正交角度误差所带来的影响；同时控制器模块根据探头中的惯性测量模块传输的姿态数据确定姿态矩阵的初始值；再将αx、αy、αz、ωx、ωy和ωz变换到统一的选定坐标系，最后通过初始对准的误差补偿、姿态矩阵的计算，获得探头所在位置的姿态参数，所述姿态参数包括探头的三轴航向角俯仰角θ和滚转角γ；
(5)将姿态参数通过液晶显示模块进行显示。
步骤(4)所述的统一的选定坐标系采用地理坐标系或大地坐标系。
本发明同时提供了一种地面三分量磁力定向勘探装置，包括探头、控制器模块、用于同步的时钟控制模块和用于供电的电源模块，所述探头包括无磁塑制圆柱形套管及支撑部件，无磁塑制圆柱形套管内置有无磁钛合金槽，无磁钛合金槽内安装有传感器模块，所述传感器模块包括定位模块、磁通门传感器以及惯性测量模块，惯性测量模块与磁通门传感器的Z轴位于同一直线；所述控制器模块为MCU控制器模块，所述定位模块通过USART串口与MCU控制器模块双向连接，所述磁通门传感器的三轴各通过一组信号调理模块接入24位A/D转换模块，24位A/D转换模块通过SPI总线与MCU控制器模块进行双向通信，所述惯性测量模块通过USART串口与MCU控制器模块双向通信，矩阵键盘经ALG7209驱动模块驱动后通过IIC总线与MCU控制器模块双向通信，液晶显示模块通过USART串口与MCU控制器模块双向连接，TF卡存储模块通过SPI总线与MCU控制器模块双向通信，时钟控制模块和电源模块均与MCU控制器模块连接；所述MCU控制器模块采用芯片MC9S12XEP100；所述磁通门传感器采用FGM3D/100；所述惯性测量模块采用三轴加速度传感器ADIS16210。
所述24位A/D转换模块内部设有至少三个并行的用于实现三轴数据同步采集的ΔΣ转换器。
所述定位模块采用GPS模块和/或北斗模块。
所述定位模块采用GGSTAR-2000GPS模块。
所述SPI总线采用8位数据传输宽度，频率大小为500MHZ。
所述支撑部件为无磁支杆或无磁三脚架。
本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：
(1)本发明的地面三分量磁力定向方法可完成传感器三轴自身正交校正，也可以实现传感器三轴坐标与地理坐标转换，达到既可以进行快速测量，同时又可以获得比传统质子磁力仪更丰富的空间地磁场参数，为地质找矿提供全方位的地球物理数据；此外，为了解决野外测网的定点问题，系统还设计有GPS或北斗的定位系统，最终形成野外三分量磁测的“一键”完成；
(2)本发明的三分量磁通门传感器采用德国SENSYS公司产FGM3D/100，量程±100000nT；精度0.5％；轴间倾斜<9nT；总倾斜<14nT；分辨率<150pT，该传感器可以在三轴方向同时进行静态和交变磁场的高精度测量，模拟输出；
(3)本发明的三轴加速度传感器选用美国ADI公司的ADIS16210，倾角测量范围0～90°；方位角测量范围0～360°，可在空间全范围内精确测量出翻滚角和俯仰角，利用兼容串行接口SPI能方便的配置相关的控制参数并读取传感器的测量数据；
(4)本发明的定位模块选用GGSTAR-2000GPS模块，其为24通道频率L11575.42MHz，C/A码，跟踪灵敏度-158dBm，捕获灵敏度-140dBm，自主定位精度3m(CEP)，精度高，灵敏度高；
(5)与现有技术相比，本发明克服了目前原始的人工定向测量方法，实现了快速、准确的野外数据采集工作，同时，又可以获得比传统质子磁力仪所测参数更多的空间地磁场参数，可为地质找矿提供全方位的地球物理数据；此外，为了解决野外测网的定点问题，系统还设计有GPS或北斗的定位系统，实现智能化；
(6)本发明的信号获取可以采取两种方式，一是三分量磁通门和陀螺仪可自动动态循环采集并实时进行数据修正，二是三分量磁通门和陀螺仪手动测量(点位测量)并实时数据修正；
(7)本发明尤其适合地面三分量磁测，不需人工定向，模块精简便于携带，为一键完成多个参数测量提供硬件。
附图说明
图1是地面三分量磁力定向勘探装置的模块连接示意图。
图2是地面三分量磁力定向勘探装置的移动模式应用示意图。
图3是地面三分量磁力定向勘探装置的基站模式应用示意图。
图中：1-主安装盒，2-探头，3-钛管探杆，4-背带，5-电缆，6-钛纤维三脚架。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明提供了一种地面三分量磁力定向方法，包括以下步骤：
(1)在探头中设置定位模块、磁通门传感器和惯性测量模块，将定位模块、磁通门传感器和惯性测量模块与控制器模块连接，将控制器模块与矩阵键盘和液晶显示模块连接；
(2)通过矩阵键盘发送16进制命令到控制器模块，控制器模块接收16进制命令后控制与其相连的磁通门传感器、定位模块和惯性测量进行测量；
(3)磁通门传感器将测量得到的三轴信号Gx、Gy和Gz传输至控制器模块，定位模块实时地将位置数据和时间数据传输至控制器模块，惯性测量模块实时地将姿态数据αx、αy、αz、ωx、ωy和ωz传输至控制器模块；
(4)控制器模块采用最小二乘拟合算法对三轴信号进行正交校正，以补偿因为磁通门传感器内部三轴直接的正交角度误差所带来的影响；同时控制器模块根据探头中的惯性测量模块传输的姿态数据确定姿态矩阵的初始值；再将αx、αy、αz、ωx、ωy和ωz变换到统一的选定坐标系，最后通过初始对准的误差补偿、姿态矩阵的计算，获得探头所在位置的姿态参数，所述姿态参数包括探头的三轴航向角俯仰角θ和滚转角γ；
(5)将姿态参数通过液晶显示模块进行显示。
参照图1，本发明同时提供了一种地面三分量磁力定向勘探装置，包括探头、控制器模块、用于同步的时钟控制模块和用于供电的电源模块，所述探头包括无磁塑制圆柱形套管及支撑部件，无磁塑制圆柱形套管内置有无磁钛合金槽，无磁钛合金槽内安装有传感器模块，所述传感器模块包括定位模块、磁通门传感器以及惯性测量模块，惯性测量模块与磁通门传感器的Z轴位于同一直线；所述控制器模块为MCU控制器模块，所述定位模块通过USART串口与MCU控制器模块双向连接，所述磁通门传感器的三轴模拟信号各通过一组信号调理模块接入24位A/D转换模块，则所述磁通门传感器输出的Gx、Gy和Gz三路模拟信号分别通过信号调理模块后与24位A/D转换模块三个输入通道相连；24位A/D转换模块通过SPI总线与MCU控制器模块进行双向通信。所述惯性测量模块通过USART串口与MCU控制器模块双向通信，矩阵键盘经ALG7209驱动模块驱动后通过IIC总线与MCU控制器模块双向通信，液晶显示模块通过USART串口与MCU控制器模块双向连接，TF卡存储模块通过SPI总线与MCU控制器模块双向通信，时钟控制模块和电源模块均与MCU控制器模块连接；所述MCU控制器模块采用芯片MC9S12XEP100；所述磁通门传感器采用FGM3D/100；所述惯性测量模块采用三轴加速度传感器ADIS16210。
所述24位A/D转换模块内部设有至少三个并行的用于实现三轴数据同步采集的ΔΣ转换器。一般24位A/D转换芯片内部有四个并行的ΔΣ转换器，可以实现四通道数据同步采集。磁通门传感器输出三轴模拟信号通过信号调理模块后，连接至A/D转换芯片的三个数据采集道，完成三轴信号同步采集，由模拟量转化成数字量通过SPI总线与CPU连接，完成三轴数据同步采集功能。
所述定位模块采用GPS模块和/或北斗模块。
所述定位模块采用GGSTAR-2000GPS模块。
所述SPI串口采用8位数据传输宽度，频率大小为500MHZ。
所述支撑部件为无磁支杆或无磁三脚架。
以下为本发明的模块说明和设计原理：
本发明的控制器模块采用MC9S12XEP100，该芯片属于MC9S12XE系列单片机，是FreescaleS12XD系列的后续扩展系列，该系列具有集成度高、系统功能强、功耗低、编程效率高、价格便宜等特点。MC9S12XE系列的外设主要有：异步串行通信接口SCI、SPI串行通信接口、IIC通信接口、8通道增强型输入捕捉/输出比较器ECT、脉宽调制器PEM、模数转换器A/D、24位中断定时器PIT、16位标准时钟模块TIM和64Kbytes存储RAM。本发明采用的MC9S12XEP100采用LQFP封装，有112个引脚。设计中，除了跟最小系统相关的模块之外，用到的外围设备主要有：PIT定时中断、SCI异步串行通信、I2C通信、SPI串行通信。单片机接收的传感器数据为数字信号，不需要在单片机中进行A/D转换。微控制器MC9S12XEP100的角色是作为三分量仪的控制器和数值的运算中心，通过SPI获取三轴加速度传感器测得的原始数据，通过SCI获取三分量磁通门的原始数据，经滤波后用计算的校准参数对数据进行校准运算，最后解算出姿态角。
本发明的磁通门传感器采用FGM3D/100，其经过以下几步处理完成数据采集。由于经过激励产生的感应电动势增量中有偶次谐波，首先采用谐波选择法将磁通门模拟信号选择出来，获得二次谐波电压，经过选频放大器放大后进行相敏检波，输出与外磁场成正比的直流电压，外磁场的方向决定了电压的正负极性。将这个电压输入到积分滤波器，对电压进行积分，最后将电压反馈到传感器中形成反馈环节，同时输出直流电压供后续A/D等数据处理。其中反馈环节的目地是使传感器本身产生的磁场接近于0。当相敏检波输出一个负的阶跃信号时，经过积分滤波器输出的电压就为正，经反馈回传感器中产生补偿电流，该电流产生的磁场方向同外磁场相反，相互抵消，从而使得传感器上作用的磁场接近为0，进而二次谐波电压及相敏检波输出的电压都为0。而积分滤波器输出的电压稳定在某个数值维持补偿电流，从而形成自动平衡。当外磁场发生变化时，磁通门的磁场平衡被破坏，二次谐波和相敏检波都有电压输出，通过积分滤波器得到较平稳的积分电压，该电压与外磁场成正比，外磁场方向决定正负极性，故可根据该电压对外磁场进行测量。所以将从磁通门信号选择出的二次谐波电压分别经过选频、相敏检波和积分滤波转化为稳定的电压信号，并反馈回磁通门，同时输出电压信号实现磁通门磁场测量的功能。三分量磁通门传感器的尺寸为26mm×26mm×140mm长方体，分辨率达到0.5nT，正交度为0.5°，工作温度为-40°～180℃。该传感器可通过旋转外壳上的螺丝来调整磁通门三轴的正交性，将其放在无磁水平台上，调整螺丝使得磁通门三轴两两垂直并垂直对应底面。
本发明的惯性测量模块采用三轴加速度传感器ADIS16210，它集成了以下几种功能：一个MEMS三轴加速度计、用于数据收集及编程的可寻址用户寄存器、一个SPI串行接口、信号处理功能、数字温度传感器和电源测量，还有内部校准、采样速率、I/O配置、电源管理以及报警功能。其中内部MEMS加速度计同铝制外壳装配在一起，保证了机械稳定性，并实现了牢固的平台耦合。ADIS16210可在空间全范围内精确测量出翻滚角和俯仰角，因此它也具备数字倾角测量系统的功能。ADIS16210存在内部时钟，不需要外部时钟源就可驱动数据采集，利用兼容串行接口SPI能方便的配置相关的控制参数并读取传感器的测量数据。ADIS16210的封装尺寸为15mm×24mm×15mm，可在-40℃～+125℃范围内正常工作，有方便安装的M2尺寸的安装孔，连接接口方便灵活。其应用范围广，包括：平台控制、稳定和对准；检测倾斜、调平及倾角的测量；运动位置测量；监控、报警设备(包括保安、医疗和安全等)以及导航等。ADIS16210内部三轴数字加速度传感器测量范围为±1.7g，轴间对准误差为±0.05°，敏感度误差为±0.0244％，偏移误差为±1mg。
本发明的GPS模块和/或北斗模块是为了获取仪器探头的测量时的坐标(经纬度)和时间。有以下用途：经纬度对应于每一个三分量磁测数据，用来作为磁测数据的平面坐标或剖面坐标，可绘制等值线图或剖面曲线图或三维立体图；时间是用来获取测量数据时的时间，这个时间可以用来作为提取该时的地磁日变数据，从而达到该测量数据的日变改正。本发明的定位模块可以采用北斗+GPS双模定位导航模块，采集地面三分量磁测数据对应的经纬度坐标，该功能可适用于磁法勘探的中小比例尺的普查和详查工作。
本发明的矩阵键盘通过发送16进制命令66990001到MCU控制器模块，MCU控制器模块接受指令并响应后并执行相应的操作，显示在液晶显示模块上的数据为解算后的三分量磁场和总量值结果，并同时实时显示解算后的三分量磁场和总量值的曲线，达到及时指导找矿或空间磁矢量异常信息。
本发明的传感器模块安装在无磁钛合金槽内，能够防止线路松动或损坏，用无磁铜螺钉将硬件板和线路固定，钛合金槽对电路和传感器起到了防震和保护作用。装配时要尽量保证三轴加速度传感器和三分量磁通门的Z轴在同一条直线上，加速度计和磁通门三轴尽可能重合。最后将设备放入无磁塑制圆柱形套管内进一步防护。
参照图2和图3，利用本发明的一种地面三分量磁力定向勘探装置，可以完成移动模式和基站模式两种应用。移动模式，即为地面任意点位的三分量磁场测量，也即人工测量，探头2下为钛管探杆3，探头内的传感器模块的接线通过电缆5封装整合，与封装于主安装盒1内的其他模块连接，矩阵键盘和液晶显示模块位于主安装盒的预设位，主安装盒1还可以安装背带4，便于携带。基站模式，即为固定点的三分量磁场测量，主要是按一定的时间间隔进行自动循环测量，区别在于探头2下为钛纤维三脚架6。
以下为本发明的数据处理过程：
将磁通门传感器和惯性测量模块的测量数据经过信号获取模块初步调理转换，通过SPI总线或USART串口传输至MCU控制器模块，至MCU控制器模块进行采集、处理和姿态解算，然后通过SPI总线存入TF卡存储模块进行存储，该过程中GPS模块和/或北斗模块不断获取探头测量时的经纬度坐标和时间，经纬度对应于每一个三分量磁测数据，用来作为磁测数据的平面坐标或剖面坐标，可绘制等值线图或剖面曲线图或三维立体图；时间是用来获取测量数据时的时间，这个时间可以用来作为提取该时的地磁日变数据，从而达到该测量数据的日变改正，矩阵键盘和液晶显示模块用于对MCU控制器模块进行指令输入和结果显示。MCU控制器模块可以采用卡尔曼滤波算法，三轴的正交校正采用最小二乘法，姿态解算根据磁力仪探头的初始位置和初始信息，确定姿态矩阵的初始值，再将αx、αy、αz和ωy、ωy、ωz变换到地理或大地坐标系，再通过初始对准的误差补偿、姿态矩阵和导航的计算，获得探头所在位置的姿态参数(磁力仪探头三轴的航向角俯仰角θ和滚转角γ)。

Claims (8)

1.一种地面三分量磁力定向方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)在探头中设置定位模块、磁通门传感器和惯性测量模块，将定位模块、磁通门传感器和惯性测量模块与控制器模块连接，将控制器模块与矩阵键盘和液晶显示模块连接；
(2)通过矩阵键盘发送16进制命令到控制器模块，控制器模块接收16进制命令后控制与其相连的磁通门传感器、定位模块和惯性测量进行测量；
(3)磁通门传感器将测量得到的三轴信号Gx、Gy和Gz传输至控制器模块，定位模块实时地将位置数据和时间数据传输至控制器模块，惯性测量模块实时地将姿态数据αx、αy、αz、ωx、ωy和ωz传输至控制器模块；
(4)控制器模块采用最小二乘拟合算法对三轴信号进行正交校正，以补偿因为磁通门传感器内部三轴直接的正交角度误差所带来的影响；同时控制器模块根据探头中的惯性测量模块传输的姿态数据确定姿态矩阵的初始值；再将αx、αy、αz、ωx、ωy和ωz变换到统一的选定坐标系，最后通过初始对准的误差补偿、姿态矩阵的计算，获得探头所在位置的姿态参数，所述姿态参数包括探头的三轴航向角φ、俯仰角θ和滚转角γ；
(5)将姿态参数通过液晶显示模块进行显示。
2.根据权利要求1所述的地面三分量磁力定向方法，其特征在于：步骤(4)所述的统一的选定坐标系采用地理坐标系或大地坐标系。
3.一种基于权利要求1所述定向方法的地面三分量磁力定向勘探装置，包括探头、控制器模块、用于同步的时钟控制模块和用于供电的电源模块，其特征在于：所述探头包括无磁塑制圆柱形套管及支撑部件，无磁塑制圆柱形套管内置有无磁钛合金槽，无磁钛合金槽内安装有传感器模块，所述传感器模块包括定位模块、磁通门传感器以及惯性测量模块，惯性测量模块与磁通门传感器的Z轴位于同一直线；所述控制器模块为MCU控制器模块，所述定位模块通过USART串口与MCU控制器模块双向连接，所述磁通门传感器的三轴各通过一组信号调理模块接入24位A/D转换模块，24位A/D转换模块通过SPI总线与MCU控制器模块进行双向通信，所述惯性测量模块通过USART串口与MCU控制器模块双向通信，矩阵键盘经ALG7209驱动模块驱动后通过IIC总线与MCU控制器模块双向通信，液晶显示模块通过USART串口与MCU控制器模块双向连接，TF卡存储模块通过SPI总线与MCU控制器模块双向通信，时钟控制模块和电源模块均与MCU控制器模块连接；所述MCU控制器模块采用芯片MC9S12XEP100；所述磁通门传感器采用FGM3D/100；所述惯性测量模块采用三轴加速度传感器ADIS16210。
4.根据权利要求3所述的地面三分量磁力定向勘探装置，其特征在于：所述24位A/D转换模块内部设有至少三个并行的用于实现三轴数据同步采集的ΔΣ转换器。
5.根据权利要求3所述的地面三分量磁力定向勘探装置，其特征在于：所述定位模块采用GPS模块和/或北斗模块。
6.根据权利要求3所述的地面三分量磁力定向勘探装置，其特征在于：所述定位模块采用GGSTAR-2000GPS模块。
7.根据权利要求3所述的地面三分量磁力定向勘探装置，其特征在于：所述SPI总线采用8位数据传输宽度，频率大小为500MHZ。
8.根据权利要求3所述的地面三分量磁力定向勘探装置，其特征在于：所述支撑部件为无磁支杆或无磁三脚架。
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