CN107511834B - 一种具有磁力仪延伸杆的水下机器人及磁力仪磁干扰的海上校正方法 - Google Patents

一种具有磁力仪延伸杆的水下机器人及磁力仪磁干扰的海上校正方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有磁力仪延伸杆的水下机器人及磁力仪磁干扰的海上校正方法，所述水下机器人包括水下机器人本体和磁力仪，磁力仪固定在磁力仪延伸杆上，所述磁力仪延伸杆固定在水下机器人本体的艉部，所述磁力仪的电子舱在磁力仪延伸杆靠近水下机器人本体端，磁探头在远离水下机器人本体端。本发明提出的延伸杆大大的减小了水下机器人的磁干扰，即由几千上万纳特的磁干扰减小到一千纳特以内；其次提出的海上磁校正方法，即基于水平转圈磁数据的磁校正公式参数拟合法，使近千纳特的磁干扰减小到60nT以内。因此，本发明为水下机器人获取高精度的近底磁数据提供了有力保障。

Description

一种具有磁力仪延伸杆的水下机器人及磁力仪磁干扰的海上 校正方法
技术领域
本发明涉及磁力勘探技术领域，具体为一种具有磁力仪延伸杆的水下机器人及磁力仪磁干扰的海上校正方法。
背景技术
近海底磁法勘探是获取埋藏于海底地层信息的有效手段之一。由于潜器(以下统称AUV)载体材质以及电机等存在固有磁场，在地球磁场中的运动和磁化会产生感应磁场。传统的质子磁力仪与光泵磁力仪在干扰较大的情况下不能很好的工作，而磁通门磁力仪对外磁场很灵敏，产生的是电磁感应信号，在干扰较大的情况下仍能工作，并且还能获取三分量磁场与磁场梯度等有用信息。目前在AUV上搭载的都是磁通门三分量磁力仪，如GEOMAR公司的“ABYSS”AUV,美国WHOI的“Sentry”与“ABE”AUV。
由于磁干扰影响，获取的磁测资料只有对载体固有的磁场和产生的感应磁场分别进行校正后，再进行常规的预处理工作，才能得到有效的磁异常数据。如搭载在“ABE”上的磁力仪，转圈过程中带来的转向差达近万纳特。当然经校正后仍存在最大达300nT的跳动。中国专利(申请号201510702596.4)《安装于潜器中磁力仪磁干扰的陆上校正方法》中，阐述了一种安装于潜器中磁力仪磁干扰的陆上校正方法，然而海上实际作业过程中，载体的磁干扰校正方法与陆地上校正方法还是有一定差异的。
发明内容
针对以上问题，本发明首先从减小磁干扰源着手，在水下机器人上设计了一延伸杆，使磁力仪远离电池舱、电机等磁干扰源；作业时在水下机器人到达作业高度后，让水下机器人先小半径(或悬停)转圈，获取各方位的磁测数据，用于调查数据的校正。
本发明通过下述技术方案得以实现：一种具有磁力仪延伸杆的水下机器人，包括水下机器人本体和磁力仪，所述磁力仪固定在磁力仪延伸杆上，所述磁力仪延伸杆固定在水下机器人本体的艉部，所述磁力仪的电子舱在磁力仪延伸杆靠近水下机器人本体端，磁探头在远离水下机器人本体端。
进一步地，所述磁力仪延伸杆的龙骨架、包裹龙骨架的浮力材料及固定的螺丝均为无磁性材料。
一种利用上述水下机器人进行磁力仪磁干扰的海上校正方法，包括以下步骤：
S1：在水下机器人到达作业高度时，进行水平转圈，获取各方位的磁测数据；在转圈过程中，保持水下机器人的横摇与纵摇变化均在设定阈值内；水平转圈的圈数至少一圈，可沿小半径转圈或悬停转圈；
S2：令水下机器人按规划的测线进行磁测数据的采集；
S3：回收水下机器人后，提取带姿态信息的转圈数据，代入拟合函数式(1)，拟合获取磁方位校正参数；
H′I＝a1cos(h-D+a2)+a3cos(2h-2D+a4)+a5 (1)
其中，H′I为感应磁场方位校正量，ai(i＝1,2,3,4,5)为待拟合参数，常数项a5包含水下机器人的固有磁场及测区的背景场，h为航向，D为磁偏角；
S4：利用步骤S3拟合得到的磁方位校正参数ai，对磁测数据进行方位校正，按式(2)进行固有磁场校正；
Hgeo(i)＝Hraw(i)-HIGRF(i)-H′I(i)-Hauv+a5 (2)
其中，Hgeo(i)为地质体的磁异常，Hraw(i)为实测值，其中i为对应序列，即作业过程中采集的磁测数据序列，及后续校正相对应的各参数序列；H′I(i)为对应的航向h(i)的函数，可通过水下机器人上的姿态传感器获取；a5通过感应磁场校正拟合得到；HIGRF(i)为国际参考场，其为地球基本磁场和长期变化场的数学模型，自变量为地球表面及向外空间的位置参数，具体实现为查找相对磁测量时间最近的球谐系数，将磁测的空间坐标(经度、纬度与高程)带入正常场计算表达式获取国际参考场的各参数值，包括磁总场T，X、Y、Z三分量及正常场的地磁倾角与地磁偏角；对于Hauv值可以在同一条件下，利用校正磁力仪获取同一位置的磁场，与去除感应场后的水下机器人磁测值间的差值即为Hauv的场值，也可以通过获取水下机器人的磁异常分布，利用其磁异常反演估算其固有磁矩，再由理论计算其载体在安置磁探头位置处产生的固有磁场。
本发明的有益效果是：首先设计的延伸杆大大的减小了水下机器人的磁干扰(包括固有的与感应的磁干扰)，即由几千上万纳特的磁干扰减小到一千纳特以内；其次提出的海上磁校正方法，即基于水平转圈磁数据的磁校正公式参数拟合法，使近千纳特的磁干扰减小到60nT以内。因此，本发明为水下机器人获取高精度的近底磁数据提供了有力保障。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为穿过AUV载体的磁通量随姿态的变化关系示意图；其中(a)为AUV简化的直六面体示意图，(b)为磁感线穿过与Z向平行的四个面的等效面积变化示意图(以面BCC’B’为例)，(c)为AUV切割磁感线等效长度与速度变化示意图；
图2为电机对磁测的干扰，其中(a)为电机距磁力仪远近的磁干扰曲线，(b)为AUV电机各工作状态对磁测结果的影响；
图3中，(a)为试验区磁场分布，(b)为AUV静态放置时的磁异常分布，图中黑点为测点，五角星为AUV所在位置，当地IGRF为54034.0nT；
图4为AUV(“潜龙二号”)磁力仪的延伸杆安装位置；
图5为湖试时AUV某潜次转圈数据的方位校正结果；
图6为海试时AUV某潜次测线数据基于转圈资料的方位校正结果；
图7为实际潜次三分量磁力仪磁方位校正结果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例的结果。
实施例1：
一种具有磁力仪延伸杆的水下机器人，通过设计磁力仪延伸杆以减小水下机器人对磁力仪的干扰，包括：
1)AUV载体各部件的磁干扰摸底
AUV航行过程中电机的运转可能会对磁测结果产生干扰。因此早期在地磁台就有专门测试电机对三分量磁力仪磁测结果的影响。试验表明电机距离适当，干扰可大大减小(见图2(a))。因AUV各电机离磁力仪较远(1m左右)，其对磁测结果影响并不大。如图2(b)中给出的是艉部电机转速固定为200r/min时艏部电机各工作状态下的磁测结果。可知电机启动开始工作能带来40nT左右的影响，随电机工作状态不同产生20nT左右的波动。因其波动范围较小，且实际工作中电机工作状态较稳定，电机对磁测的干扰研究不是我们考虑的重点。
(一次/二次)电池仓，作为AUV动力泉源，其本身以及工作过程中供给的达十多，甚至几十安培变化的电流，势必对磁测结果带来很大的干扰。我们曾有在试验湖域的小岛，单独就AUV的一次和二次电池仓对磁力仪干扰进行试验。测试结果可知，磁力仪受其一次电池仓影响变化幅值达15000nT，受其二次电池干扰幅值更是达2万多nT。
2)AUV固有磁矩计算
所谓AUV的固有磁场Hauv，即一旦磁力仪位置确定后，其位置处所获取的AUV载体的固有磁异常。当磁力仪安装位置改变，Hauv值将是另外一个固有场值。但AUV的磁矩是不随着磁力仪的位置改变的固有值，已知AUV的磁矩的话，可以根据磁力仪所在位置求取固有场值Hauv。在这里我们尝试利用获取的AUV载体磁异常分布，反演估算其固有磁矩。按图1(a)所示假设AUV为磁化强度均一的矩形，由图3(b)中的AUV静态的总磁场分布，去除试验区的磁背景场(图3(a))得到AUV的磁异常分布，再通过反演得到其磁矩约为7.2A·m2。最后由理论计算其载体在安置磁探头T1位置处产生的固有磁场值。在为设计延伸杆时，我们通过该方法确定了当时AUV的固有场值约为2333nT，其与陆上试验利用校正磁力仪GSM推算的Hauv值～2322nT相当。
3)延伸杆的安置
所述磁力仪延伸杆的长度设计具体为：通过试验，获取磁探头随着干扰源(如电机)的距离增大的指数衰减关系；在不影响水下机器人平衡性的条件下，合理地设计延伸杆的长度。
一般而言，AUV艏部装有前视声呐，不能有障碍物抵挡，不宜安置延伸杆；而AUV底部，为了AUV回收安放方便，也不宜安置延伸杆；考虑AUV流线型在AUV上方也不宜安置延伸杆；最后认为AUV艉部是安置延伸杆的有利位置。磁力仪固定在磁力仪延伸杆上，磁力仪的电子舱在磁力仪延伸杆靠近水下机器人本体端，磁探头在远离水下机器人本体端。
由于三度体引起的磁感应强度与距离的三次方成反比衰减，而磁力仪安置在延伸杆上，所以延伸杆的龙骨架应为无磁性材质，否则徒增了磁测的干扰；包裹龙骨架的浮力材也应确定无磁性。此外，用于固定的螺丝也应为钛合金等无磁性的材质。
如图4为一AUV搭载的磁力仪延伸杆其安置位置示意图。将磁力仪安装于尾部支架上，其长度为1.3m，以拉开磁探头距载体尤其是电池舱的距离。由图5可见因探头与电池仓的距离被远远拉大，磁力仪转向差小于±400nT，校正后磁力精度在±30nT(±3σ，σ为标准差)内。基于转圈数据对测线数据也能进行一很好的校正，如图6为海试过程中在地磁背景干扰很小的试验区获取的磁测资料与校正结果。
实施例2：
一种利用搭载磁力仪延伸杆的水下机器人进行磁力仪磁干扰的海上校正方法，包括以下步骤：
S1：在水下机器人到达作业高度时，进行水平转圈，获取各方位的磁测数据；在转圈过程中，保持水下机器人的横摇与纵摇变化均在设定阈值内(横摇±2°内；纵摇±5°内)；水平转圈优选为匀速转动，圈数2-3圈为宜(至少一圈)，可沿小半径转圈(<20m，认为较小范围内的磁背景场稳定)，或悬停转圈；
S2：令水下机器人按规划的测线进行磁测数据的采集；
S3：回收水下机器人后，提取带姿态信息的转圈数据，代入拟合函数式(3)，拟合获取磁方位校正参数；
H′I＝a1cos(h-D+a2)+a3cos(2h-2D+a4)+a5 (3)
其中，H′I为感应磁场方位校正量，ai(i＝1,2,3,4,5)为待拟合参数，常数项a5包含水下机器人的固有磁场及测区的背景场，h为航向，D为磁偏角；
式(3)的推导过程如下：
AUV载体切割磁感线产生变化的电动势，其电磁感应满足式(2)的变化关系，即穿过AUV载体的电流回路中的磁通量改变与AUV载体作为导体切割磁感线扫过的有效面积变化，共同引起电动势的变化；
其中，E为变化的电场；k为一常数，等效于原定义里的线圈匝数；ΔHI为变化的感应磁场；t为时间；H为磁场强度，其是与地理坐标相关的，可计算或查询的已知参数；S为磁感线实际穿过的面积，可根据AUV的尺寸求取；ω为AUV转向角频率，可通过对航向角h求时间的导数，见式(5)；L为导体的有效长度，v为导体切割磁感线的速度，皆可根据航向角h与AUV尺寸参数间的关系求取；
在计算AUV电流回路穿过磁感线的有效面积时，认为垂向的磁通量不变，只受水平方向的磁通量变化影响，即暂没有考虑横摇与纵摇的影响；同时为了便于分析，将AUV简化为直六面体(见图1(a))。当AUV航向改变时，穿过与Z向平行的四个面的有效面积sV是随航向改变的(见图1(b))，其与航向h呈式(6)的函数关系；而同Z向垂直的两个面因与水平方向的磁场强度在同一个平面，有效切割磁感线面积为零。
sV＝(sABB′A′+sDCC′D′)+(sBCC′B′+SADD′A′)
＝2bc sin(h-D)+2ac cos(h-D) (6)
其中SABB′A′、SDCC′D′、SBCC′B′与SADD′A′对应图1(a)中面ABB′A′、DCC′D′、BCC′B′与ADD′A′穿过的磁感线有效面积；a、b、c为直六面体的尺寸参数；D为磁偏角。
当将AUV视为导体，其水平方向与垂直方向都有切割磁感线，HLv乘积满足式(7)关系
其中HH为水平方向磁场强度；Hv为垂直方向磁化强度。将(5)、(6)与(7)式带入(4)式，可得
对h求导，可得
由于k、a、b、c为常数，实际资料采集过程中，因测区范围相对较小，HH与D也可视为常数，拟合函数可简化为式(3)；
S4：利用步骤S3拟合得到的磁方位校正参数ai，对磁测数据进行方位校正，按式(11)进行固有磁场校正；
Hgeo(i)＝Hraw(i)-HIGRF(i)-H′I(i)-Hauv+a5 (11)
Hgeo(i)为地质体的磁异常，Hraw(i)为实测值，其中i为对应序列，即作业过程中采集的磁测数据序列，及后续校正相对应的各参数序列；H′I(i)为对应的航向h(i)的函数，其可通过AUV上的姿态传感器获取；a5通过感应磁场校正拟合得到；HIGRF(i)为国际参考场，其为地球基本磁场和长期变化场的数学模型，自变量为地球表面及向外空间的位置参数，具体实现为查找最近(相对磁测量时间)的球谐系数，将磁测的空间坐标(经度、纬度与高程)带入正常场计算表达式获取国际参考场的各参数值(磁总场T，X、Y、Z三分量，及正常场的地磁倾角与地磁偏角)；对于Hauv值可以在同一条件下，利用校正磁力仪获取同一位置的磁场，与去除感应场后的AUV磁测值间的差值即为Hauv的场值，也可以通过获取潜器的磁异常分布，利用其磁异常反演估算其固有磁矩，再由理论计算其载体在安置磁探头位置处产生的固有磁场。
如图7为某一潜次AUV悬停转圈校正效果，其中黑色为原始数据，灰色为校正结果，正前转向差250nT，校正后数据平稳，精度可达±30nT左右。

Claims (2)

1.一种磁力仪磁干扰的海上校正方法，其特征在于，该方法通过具有磁力仪延伸杆的水下机器人实现，所述水下机器人包括水下机器人本体和磁力仪，所述磁力仪固定在磁力仪延伸杆上，所述磁力仪延伸杆固定在水下机器人本体的艉部，所述磁力仪的电子舱在磁力仪延伸杆靠近水下机器人本体端，磁探头在远离水下机器人本体端；该方法包括以下步骤：
S1：在水下机器人到达作业高度时，进行水平转圈，获取各方位的磁测数据；在转圈过程中，保持水下机器人的横摇与纵摇变化均在设定阈值内；水平转圈的圈数至少一圈，可沿小半径转圈或悬停转圈；
S2：令水下机器人按规划的测线进行磁测数据的采集；
S3：回收水下机器人后，提取带姿态信息的转圈数据，代入拟合函数式(1)，拟合获取磁方位校正参数；
H′I＝a1cos(h-D+a2)+a3cos(2h-2D+a4)+a5 (1)
其中，H′I为感应磁场方位校正量，ai(i＝1,2,3,4,5)为待拟合参数，常数项a5包含水下机器人的固有磁场及测区的背景场，h为航向，D为磁偏角；
S4：利用步骤S3拟合得到的磁方位校正参数ai，对磁测数据进行方位校正，按式(2)进行固有磁场校正；
Hgeo(i)＝Hraw(i)-HIGRF(i)-H′I(i)-Hauv+a5 (2)
其中，Hgeo(i)为地质体的磁异常，Hraw(i)为实测值，其中i为对应序列，即作业过程中采集的磁测数据序列，及后续校正相对应的各参数序列；H′I(i)为对应的航向h(i)的函数，可通过水下机器人上的姿态传感器获取；a5通过感应磁场校正拟合得到；HIGRF(i)为国际参考场，其为地球基本磁场和长期变化场的数学模型，自变量为地球表面及向外空间的位置参数，具体实现为查找相对磁测量时间最近的球谐系数，将磁测的空间坐标带入正常场计算表达式获取国际参考场的各参数值，包括磁总场T，X、Y、Z三分量及正常场的地磁倾角与地磁偏角；对于Hauv值可以在同一条件下，利用校正磁力仪获取同一位置的磁场，与去除感应场后的水下机器人磁测值间的差值即为Hauv的场值，也可以通过获取水下机器人的磁异常分布，利用其磁异常反演估算其固有磁矩，再由理论计算其载体在安置磁探头位置处产生的固有磁场。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磁力仪延伸杆的龙骨架、包裹龙骨架的浮力材料及固定的螺丝均为无磁性材料。
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