CN106772633A - 一种具有姿态记录功能的地空tem接收系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有姿态记录功能的地空TEM接收系统及测量方法，接收系统包括接收线圈、前端电路、信号采集模块、MPU9250姿态记录模块、主控制器和电源，其中接收线圈与前端电路的输入端相连接，前端电路的输出端与信号采集模块相连接，信号采集模块与主控制器相连接，MPU9250姿态记录模块也与主控制器相连接。其方法为：步骤一、接收二次场信号；步骤二、测量原始数据；步骤三、分为两个支路接入；步骤四、对二次场信号进行调理；步骤五、二次场信号采集；步骤六、通过串口通信传输至主控制器；步骤七、完成数据测量与存储过程。有益效果：解决了现有地空TEM探测由于传统惯导体积、质量大不适用旋翼飞行器挂载而无法记录姿态的问题。

Description

一种具有姿态记录功能的地空TEM接收系统及测量方法

技术领域

本发明涉及一种地空TEM接收系统及测量方法，特别涉及一种具有姿态记录功能的地空TEM接收系统及测量方法。

背景技术

当前，时间域瞬变电磁法(Time-domain Electromagnetic，简称TEM)是一种基于电磁感应原理的地球物理探测方法，根据接收机接收到的二次场的大小及衰减特性来分析地下介质的分布情况。接收系统决定二次场数据的接收质量，而二次场数据接收质量是探测效果好坏的关键因素。

地空TEM系统采用地面发射、空中接收的工作方式，在飞行过程中，接收线圈抖动姿态时刻变化，在测量数据中引发接收分量方向、系统收发距等参数误差，影响数据反演效果。地空TEM探测中为提高信噪比，常采用六旋翼飞行器挂载接收线圈实现低空近地飞行，但其载重有限制，常规适用于航空TEM中的高精度惯性导航传感器由于体积重量较大，不再适用于地空TEM探测；而通过软件基线校正进行处理，虽然算法上容易实现，但实际处理效果精度较低。

中国专利CN102096113B公开了一种时间域地空电磁探测系统及标定方法该系统由地面记录装置GPS同步单元连接的感应信号记录装置、闭合异常环、数据质量评价系统和时间域地空电磁探测系统的标定方法构成。在测量时，通过去除大地背景场数据，提取含几何误差的纯闭合异常环电磁信号，输入数据质量评价系统，与计算的闭合异常环理论值进行比较、拟合，确定系统误差、几何参数误差以及时间域地空电磁探测系统的探测分辨率，实现电磁探测系统性 能的测试和标定，未涉及地空电磁信号线圈姿态问题及解决方案。

中国专利CN201380075951.9公开了一种用于姿态校正的系统和方法，该系统包括：陀螺仪传感器、加速度传感器、磁力计传感器，姿态模块、校正模块。该发明实现了能够检测电子设备的加速度和姿态，用加速度来计算姿态校正。用所计算的姿态校正来校正所检测的电子设备的姿态，但并未涉及地空电磁信号问题及解决方案。

Yin等(2004a)研究发现，在一般情况下，机载电磁系统因姿态变化所引起的大部分(超过95％)的误差来自于几何影响，而不是电磁感应作用。在直升机吊舱姿态变化对电磁响应的影响研究中，只考虑几何影响，而不考虑电磁感应作用，有力证实了姿态校正的研究意义。

王琦等人在发表于《地球物理学报》的文献《固定翼航空电磁系统的线圈姿态及吊舱摆动影响研究与校正》中推导了任意姿态角度以及任意摆动角度情况下的固定翼航空电磁响应三分量计算表达式，仿真分析了三种角度同时存在情况下电磁响应的定量变化规律，给出了基于响应系数的固定翼航空电磁系统线圈姿态和摆动状态校正方法。

阳贵红《时域电性源地-空电磁探测数据预处理研究》中提出在对地空电磁数据处理时，利用插值法基线校正和小波多分辨率分析的基线校正算法来去除线圈运动噪声。通过软件算法对运动噪声进行基线校正，只对晚期数据过零有所改善，但姿态变化影响整个衰减曲线，因此无法彻底解决线圈姿态变化带来的问题。

以上所述系统公布了地空TEM接收系统组成及通过仿真分析、基线校正等方式解决地空电磁探测中线圈姿态变化引发的问题，现有地空TEM接收系统没有记录姿态信息，国内外专利还未涉及将MPU9250传感器应用于地空TEM测量 系统。

发明内容

本发明的目的是为了解决在地空TEM测量系统中接收线圈姿态变化给测量系统数据采集及处理所带来的问题，而提供的一种具有姿态记录功能的地空TEM接收系统及测量方法。

本发明提供的具有姿态记录功能的地空TEM接收系统包括接收线圈、前端电路、信号采集模块、MPU9250姿态记录模块、主控制器和电源，其中接收线圈与前端电路的输入端相连接，前端电路的输出端与信号采集模块相连接，信号采集模块与主控制器相连接，MPU9250姿态记录模块也与主控制器相连接，电源为前端电路、信号采集模块、MPU9250姿态记录模块和主控制器提供电能。

前端电路由带有正向输入端、反向输入端的运放电路组成，其中接收线圈两端分别与运放电路正向输入端、反向输入端相连接，运放电路正向输出端与信号采集模块正向输入端相连接，运放电路反向输出端与信号采集模块反向输入端连接。

信号采集模块包括有A/D采集电路、数字隔离电路和时序控制电路，其中A/D采集电路的正向输入端与前端电路正向输出端相连接，A/D采集电路的反向输入端与前端电路反向输出端相连接，A/D采集电路的输出端与数字隔离电路输入端相连接，A/D采集电路还与时序控制电路相连接，数字隔离电路输出端与主控制器相连接，A/D采集电路为24-Bit采集电路。

MPU9250姿态记录模块包括有MPU9250传感器和从控制器，其中MPU9250传感器输出端与从控制器相连接，从控制器通过串口通信与主控制器相连接，MPU9250传感器中集成了三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计。

主控制器中设置有中央处理单元CPU，主控制器还连接有SD卡、液晶显示 器和GPS同步控制电路，主控制器接收来自GPS同步控制电路的同步信号，SD卡中数据由计算机运算处理进行姿态校正。

电源包括锂电池和稳压电路，锂电池与稳压电路连接后形成正电源和负电源，其中正电源和负电源均与前端电路相连接，正电源还与信号采集模块、MPU9250姿态记录模块和主控制器相连接。

接收线圈、数字隔离电路、稳压电路为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进一步进行赘述。

本发明提供的具有姿态记录功能的地空TEM接收系统测量方法，其方法如下所述：

步骤一、利用接收线圈接收瞬变电磁探测中的二次场信号；

步骤二、利用MPU9250传感器测量其内部集成的三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计原始数据；

步骤三、将步骤一中所述的二次场信号经屏蔽电缆分为两个支路接入前端电路正向输入端和前端电路反向输入端；

步骤四、对二次场信号进行前端信号调理，即信号的保护、滤波、电平抬升；

步骤五、二次场信号采集，信号经过屏蔽线传输至信号采集电路，利用A/D采集电路采集二次场信号；

步骤六、将步骤二中所述的姿态原始数据送入从控制器进行卡尔曼滤波处理进行姿态解算，并将解算后的姿态数据通过串口通信传输至主控制器；

步骤七、主控制器接收来自GPS同步控制电路的同步信号，将步骤五中所述的二次场信号和步骤六中所述的姿态数据同步后存储至SD卡中，至此，完成了地空瞬变电磁信号探测中具有姿态记录功能的地空TEM接收系统的数据测量 与存储过程。

步骤六中利用卡尔曼滤波，建立卡尔曼滤波状态方程和测量方程，并通过姿态角噪声估计得到滤波的测量噪声协方差来实现卡尔曼滤波自回归数据更新，经过不断最优自回归得到最优的姿态角，实现姿态的快速解算。

本发明的有益效果：

本发明与现有地空瞬变电磁测量系统相比：一是准确记录接收线圈姿态，通过姿态校正二次场信号有效减小了线圈姿态变化对地空TEM探测效果的影响弥补了现有基线校正等数据处理方法无法解决地空TEM探测中姿态变化问题的不足；二是基于MPU9250的姿态记录电路小巧轻便，姿态解算快速、准确，解决了现有地空TEM探测由于传统惯导体积、质量大不适用旋翼飞行器挂载而无法记录姿态的问题。

附图说明

图1为本发明所述系统整体结构示意图。

图2为本发明所述姿态解算原理示意图。

图3为本发明所述接收系统二次场数据与姿态数据同步示意图。

1、接收线圈 2、前端电路 3、信号采集模块 4、MPU9250姿态记录模块 5、主控制器6、电源 7、SD卡 8、液晶显示器 9、GPS同步控制电路 10、锂电池 11、稳压电路。

具体实施方式

请参阅图1、图2和图3所示：

本发明提供的具有姿态记录功能的地空TEM接收系统包括接收线圈1、前端电路2、信号采集模块3、MPU9250姿态记录模块4、主控制器5和电源6，其中接收线圈1与前端电路2的输入端相连接，前端电路2的输出端与信号采集模 块3相连接，信号采集模块3与主控制器5相连接，MPU9250姿态记录模块4也与主控制器5相连接，电源6为前端电路2、信号采集模块3、MPU9250姿态记录模块4和主控制器5提供电能。

前端电路2由带有正向输入端、反向输入端的运放电路组成，其中接收线圈1两端分别与运放电路正向输入端、反向输入端相连接，运放电路正向输出端与信号采集模块3正向输入端相连接，运放电路反向输出端与信号采集模块3反向输入端连接。

信号采集模块3包括有A/D采集电路、数字隔离电路和时序控制电路，其中A/D采集电路的正向输入端与前端电路2正向输出端相连接，A/D采集电路的反向输入端与前端电路2反向输出端相连接，A/D采集电路的输出端与数字隔离电路输入端相连接，A/D采集电路还与时序控制电路相连接，数字隔离电路输出端与主控制器5相连接，A/D采集电路为24-Bit采集电路，ADC芯片选择ADS1271芯片。

MPU9250姿态记录模块4包括有MPU9250传感器和从控制器，其中MPU9250传感器输出端与从控制器相连接，从控制器通过串口通信与主控制器5相连接。

MPU9250传感器中集成了三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计。

主控制器5中设置有中央处理单元CPU，主控制器5还连接有SD卡7、液晶显示器8和GPS同步控制电路9，主控制器5接收来自GPS同步控制电路9的同步信号，SD卡7中数据由计算机运算处理进行姿态校正。在本实施例中主控制器5选择ARM Cortex-M4架构的STM32F407芯片。

电源6包括锂电池10和稳压电路11，锂电池10与稳压电路11连接后形成正电源和负电源，其中正电源和负电源均与前端电路2相连接，正电源还与信号采集模块3、MPU9250姿态记录模块4和主控制器5相连接。

接收线圈1、数字隔离电路、稳压电路为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进一步进行赘述。

本发明提供的具有姿态记录功能的地空TEM接收系统测量方法，其方法如下所述：

步骤一、利用接收线圈1接收瞬变电磁探测中的二次场信号；

步骤二、利用MPU9250传感器测量其内部集成的三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计原始数据；

步骤三、将步骤一中所述的二次场信号经屏蔽电缆分为两个支路接入前端电路2正向输入端和前端电路反向输入端；

步骤四、对二次场信号进行前端信号调理，即信号的保护、滤波、电平抬升；

步骤五、二次场信号采集，信号经过屏蔽线传输至信号采集电路，利用A/D采集电路采集二次场信号；

步骤六、将步骤二中所述的姿态原始数据送入从控制器进行卡尔曼滤波处理进行姿态解算，并将解算后的姿态数据通过串口通信传输至主控制器5；

步骤七、主控制器5接收来自GPS同步控制电路9的同步信号，将步骤五中所述的二次场信号和步骤六中所述的姿态数据同步后存储至SD卡7中，至此，完成了地空瞬变电磁信号探测中具有姿态记录功能的地空TEM接收系统的数据测量与存储过程。

步骤六中，卡尔曼滤波解算角度，具体方法如下：

建立卡尔曼滤波状态方程，根据陀螺仪输出角速度值计算姿态角的过程，看作是当前状态的预测，建立滤波系统的状态方程，建立四元数Q＝(q₀,q₁,q₂,q₃)(q₀,q₁,q₂,q₃是时间的函数)，微分方程如式(1)，反推姿态角作为当前预测值；

其中，姿态矩阵角速度ω＝[ω_x ω_y ω_z]^T，将上式展开为：

利用四阶龙格库塔法，求出当前时刻的姿态四元数，进而求出当前时刻的姿态角。设更新时间为T，递推形式如式(3)：

其中，

输出的预测角度，可以看作是真实角度和误差角度的合成，如式(5)所示：

其中，为经微分方程求解的姿态角，为真实姿态角，为根据陀螺仪输出角速度预测姿态角度的估计误差；

建立卡尔曼滤波测量方程，根据加速度计测量的三轴重力场加速度和磁强计得到的三轴磁场强度计算出当前时刻的姿态角作为观测量；

通过加速度计和磁强计计算出的姿态角，如式(6)所示：

其中：为观测量，为真实姿态角，为测量姿态角度与真实角度的误差；

为陀螺仪角度的估计误差，为加速计和磁强计的角度估计误差，为相互独立的零均值白噪声序列，满足：

分别计算出相邻两时刻角度估计的差值得到两时刻的融合误差：

求融合误差协方差：

陀螺仪、加速度计和磁力计的误差为相互独立的零均值白噪声序列，单一传感器，上一时刻和此时刻的误差为相互独立的， 则有：

在短时间内，误差的变化为平稳过程，陀螺仪稳定度好、测量精度高、误差小其误差可以忽略，则误差协方差:

得到误差的2阶中心距，即加速度计和磁强计的协方差：

为姿态角噪声估计，作为滤波融合的测量噪声协方差R，用于卡尔曼滤波的自回归数据更新，经过不断的最优自回归，可解算出姿态角。

Claims (8)

1.一种具有姿态记录功能的地空TEM接收系统，其特征在于：包括接收线圈、前端电路、信号采集模块、MPU9250姿态记录模块、主控制器和电源，其中接收线圈与前端电路的输入端相连接，前端电路的输出端与信号采集模块相连接，信号采集模块与主控制器相连接，MPU9250姿态记录模块也与主控制器相连接，电源为前端电路、信号采集模块、MPU9250姿态记录模块和主控制器提供电能。

2.根据权利要求1所述的一种具有姿态记录功能的地空TEM接收系统，其特征在于：所述的前端电路由带有正向输入端、反向输入端的运放电路组成，其中接收线圈两端分别与运放电路正向输入端、反向输入端相连接，运放电路正向输出端与信号采集模块正向输入端相连接，运放电路反向输出端与信号采集模块反向输入端连接。

3.根据权利要求1所述的一种具有姿态记录功能的地空TEM接收系统，其特征在于：所述的信号采集模块包括有A/D采集电路、数字隔离电路和时序控制电路，其中A/D采集电路的正向输入端与前端电路正向输出端相连接，A/D采集电路的反向输入端与前端电路反向输出端相连接，A/D采集电路的输出端与数字隔离电路输入端相连接，A/D采集电路还与时序控制电路相连接，数字隔离电路输出端与主控制器相连接，A/D采集电路为24-Bit采集电路，ADC芯片选择ADS1271芯片。

4.根据权利要求1所述的一种具有姿态记录功能的地空TEM接收系统，其特征在于：所述的MPU9250姿态记录模块包括有MPU9250传感器和从控制器，其中MPU9250传感器输出端与从控制器相连接，从控制器通过串口通信与主控制器相连接，MPU9250传感器中集成了三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计。

5.根据权利要求1所述的一种具有姿态记录功能的地空TEM接收系统，其 特征在于：所述的主控制器中设置有中央处理单元CPU，主控制器还连接有SD卡、液晶显示器和GPS同步控制电路，主控制器接收来自GPS同步控制电路的同步信号，SD卡中数据由计算机运算处理进行姿态校正，主控制器选择ARMCortex-M4架构的STM32F407芯片。

6.根据权利要求1所述的一种具有姿态记录功能的地空TEM接收系统，其特征在于：所述的电源包括锂电池和稳压电路，锂电池与稳压电路连接后形成正电源和负电源，其中正电源和负电源均与前端电路相连接，正电源还与信号采集模块、MPU9250姿态记录模块和主控制器相连接。

7.一种具有姿态记录功能的地空TEM接收系统测量方法，其特征在于：其方法如下所述：

步骤一、利用接收线圈接收瞬变电磁探测中的二次场信号；

步骤二、利用MPU9250传感器测量其内部集成的三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计原始数据；

步骤三、将步骤一中所述的二次场信号经屏蔽电缆分为两个支路接入前端电路正向输入端和前端电路反向输入端；

步骤四、对二次场信号进行前端信号调理，即信号的保护、滤波、电平抬升；

步骤五、二次场信号采集，信号经过屏蔽线传输至信号采集电路，利用A/D采集电路采集二次场信号；

步骤六、将步骤二中所述的姿态原始数据送入从控制器进行卡尔曼滤波处理进行姿态解算，并将解算后的姿态数据通过串口通信传输至主控制器；

步骤七、主控制器接收来自GPS同步控制电路的同步信号，将步骤五中所述的二次场信号和步骤六中所述的姿态数据同步后存储至SD卡中，至此，完成 了地空瞬变电磁信号探测中具有姿态记录功能的地空TEM接收系统的数据测量与存储过程。

8.根据权利要求7所述的一种具有姿态记录功能的地空TEM接收系统测量方法，其特征在于：所述的步骤六中利用卡尔曼滤波，建立卡尔曼滤波状态方程和测量方程，并通过姿态角噪声估计得到滤波的测量噪声协方差来实现卡尔曼滤波自回归数据更新，经过不断最优自回归得到最优的姿态角，实现姿态的快速解算，具体方法如下：

建立卡尔曼滤波状态方程，根据陀螺仪输出角速度值计算姿态角的过程，看作是当前状态的预测，建立滤波系统的状态方程，建立四元数Q＝(q₀,q₁,q₂,q₃)(q₀,q₁,q₂,q₃是时间的函数)，微分方程如式(1)，反推姿态角作为当前预测值；

其中，姿态矩阵角速度ω＝[ω_x ω_y ω_z]^T，将上式展开为：

利用四阶龙格库塔法，求出当前时刻的姿态四元数，进而求出当前时刻的姿态角，设更新时间为T，递推形式如式(3)：

其中，

输出的预测角度，可以看作是真实角度和误差角度的合成，如式(5)所示：

其中，为经微分方程求解的姿态角，为真实姿态角，为根据陀螺仪输出角速度预测姿态角度的估计误差；

建立卡尔曼滤波测量方程，根据加速度计测量的三轴重力场加速度和磁强计得到的三轴磁场强度计算出当前时刻的姿态角作为观测量；

通过加速度计和磁强计计算出的姿态角，如式(6)所示：

其中：为观测量，为真实姿态角，为测量姿态角度与真实角度的误差；

为陀螺仪角度的估计误差，为加速计和磁强计的角度估计误差，为相互独立的零均值白噪声序列，满足：

分别计算出相邻两时刻角度估计的差值得到两时刻的融合误差：

求融合误差协方差：

陀螺仪、加速度计和磁力计的误差为相互独立的零均值白噪声序列，单一传感器，上一时刻和此时刻的误差为相互独立的， 则有：

在短时间内，误差的变化为平稳过程，陀螺仪稳定度好、测量精度高、误差小其误差可以忽略，则误差协方差:

得到误差的2阶中心距，即加速度计和磁强计的协方差：

为姿态角噪声估计，作为滤波融合的测量噪声协方差R，用于卡尔曼滤波的自回归数据更新，经过不断的最优自回归，可解算出姿态角。