CN108037536A - 基于三轴坐标系的半航空瞬变电磁接收线圈姿态矫正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三轴坐标系的半航空瞬变电磁接收线圈姿态矫正方法，以地球磁场矢量为基本坐标，建立固定的XYZ基准空间正交坐标系，以基准坐标系的X、Y两个坐标轴确定的以Z轴正向为法线方向的平面为基准平面，以接收线圈所在水平面为第一平面，建立线圈相对坐标系，测量线圈相对坐标系的z轴在基准平面上的投影与基准坐标系X轴之间的夹角α或Y轴之间的夹角β，确定磁通量的修正系数，对磁通量进行修正，得到瞬变电磁接收线圈的真实值；本发明可以修正线圈有效面积进而获得更为偏真实磁通量。

Description

基于三轴坐标系的半航空瞬变电磁接收线圈姿态矫正方法

技术领域

本发明涉及一种基于三轴坐标系的半航空瞬变电磁接收线圈姿态矫正方法。

背景技术

在电磁勘探领域，尤其瞬变电磁勘探技术的发展和在工程实际中的广泛应用，半航空瞬变电磁勘探因其成本较低、勘探效率高、可大面积勘查等优点而得到青睐，但是业内人士经过长期现场实际操作经验总结发现，半航空瞬变电磁勘探因为其工作条件为无人机或其他飞行器搭载接收装置，所以比较容易受到外界环境的干扰，这种干扰对于作为接收装置的线圈来说尤为突出。

这种干扰的产生是因为线圈搭载于无人机上时，采集到磁通量数据的前提是假设线圈是在飞行过程中保持水平姿态的，即通过线圈内部的磁通量Φ＝Φ_A，Φ_A为使用接收线圈所围面积A计算得到的磁通量，但是由于飞行器受到外部环境干扰，例如，大地磁场的变化，风力变化和天气因素和人员操作不当等原因，导致接受数据与实际真实数据存在一定的误差，即线圈的实际接收面积与A之间存在一定的夹角，这就使得测量数据比真实数据偏大，采集的初始数据存在误差，那么经过数据处理，模型计算后的数据的可靠度就更低了。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了基于三轴坐标系的半航空瞬变电磁接收线圈姿态矫正方法，本发明通过建立XYZ基准空间坐标系，定义的线圈xyz相对坐标系与XYZ基准空间坐标系的三个坐标轴之间的夹角α,β,γ与时间变量t形成了映射关系，根据映射关系确定准确的磁通量，实现修正线圈有效面积进而获得更为偏真实磁通量。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于三轴坐标系的半航空瞬变电磁接收线圈姿态矫正系统，包括GPS、电子罗盘、三分量倾角传感器和数据处理器，所述姿态记录装置固定于瞬变电磁接收线圈的圆心至线圈外边缘的任一位置，与线圈处于同一水平面，所述电子罗盘采集并记录地球磁场矢量的大小和方向，GPS采集定位信息，三分量倾角传感器采集线圈的倾角，采集的信息均传输给数据处理器，实现对瞬变电磁接收线圈的位置和姿态信息的采集与记录。

进一步的，所述姿态记录装置利用绝缘连接件设置于瞬变电磁接收线圈上。

进一步的，所述姿态记录装置与瞬变电磁接收线圈之间不存在相对角位移。

进一步的，利用陀螺仪替换所述电子罗盘。

优选的，所述GPS、电子罗盘和三分量倾角传感器采用集成式方式集中于一体，可以利用支架或壳体等固定件进行固定。

一种基于三轴坐标系的半航空瞬变电磁接收线圈姿态矫正方法，以地球磁场矢量为基本坐标，建立固定的XYZ基准空间正交坐标系，以基准坐标系的X、Y两个坐标轴确定的以Z轴正向为法线方向的平面为基准平面，以接收线圈所在水平面为第一平面，建立线圈相对坐标系，测量线圈相对坐标系的z轴在基准平面上的投影与基准坐标系X轴之间的夹角α或Y轴之间的夹角β，确定磁通量的修正系数，对磁通量进行修正，得到瞬变电磁接收线圈的真实值。

进一步的，定位正北方向，以正北方向为X轴正方向，正东方向为Y轴正方向，竖直向上为Z轴正方向。

进一步的，瞬变电磁接收线圈的真实值为测量的磁通量与修正系数的乘积。

进一步的，修正系数η为cosα与cosβ的乘积。

进一步的，结合线圈自身的尺寸大小来确定各个时刻中工作中的线圈的空间位置和姿态，进而根据线圈倾角确定线圈通过磁通量的有效面积。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

需要获得半航空瞬变电磁实验真实的磁通量时，本发明只需测得线圈相对坐标系的z轴在基准平面上的投影与基准坐标系X轴之间的夹角α或Y轴之间的夹角β即可，本发明装置可以测得并存储计算上述变量，从而获得半航空瞬变电磁实验真实的磁通量。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的安装位置示意图；

图2是本发明的工作原理示意图；

图3是本发明的基准坐标系示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在半航空瞬变电磁接收线圈搭载与无人机上，由于受到外部环境干扰致，接收的数据与实际真实数据存在一定的误差，即线圈的实际接收面积与线圈所围面积之间存在一定的夹角，这就使得测量数据比真实数据偏大，采集的初始数据存在误差不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种可以修正线圈有效面积进而获得更为偏真实磁通量的一种数据测量、传输、计算装置。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了集成了测量和记录角度的三分量倾角传感器、GPS(全球定位系统)和陀螺仪(或高精度电子罗盘)以及数据计算传输装置。目的在于记录工作中的半航空瞬变电磁接收线圈因某些因素导致线圈姿态发生变化的装置。

选用的GPS、电子罗盘和陀螺仪均为现有器件，其型号等选择能够进行灵活选择，属于简单替换。

采用绝缘的连接材料，将线圈姿态测量记录装置固定在如图1所示半航空瞬变电磁接收线圈的1、2、3或4的任意位置，线圈圆心至线圈外边缘均可，保证本装置与接收线圈之间牢靠无松动，不存在相对角位移。

线圈姿态矫正装置的初始角度的调平与矫正：想要测量接收线圈相对于水平面的倾角α和β，就要确定线圈与固结于线圈上的线圈姿态测量装置的初始位置和姿态。本装置内置有电子罗盘，可以准确定位水平面和正北方向，利用此原理可以进行装置的矫正和调平。

由无人机搭载的半航空瞬变电磁接收线圈内通有变化的工作电流，进而线圈内产生磁通量，线圈上嵌固的线圈姿态测量装置自线圈开始通电时开启工作，记录每个t时刻的线圈倾角α，并存储于装置的存储计算器内进行数据处理。

上述装置紧密结合在工作中的瞬变电磁接收线圈上，具体位置可以是图2中标且自身建立了一个不随环境变化的基准空间坐标系，由X,Y,Z三个相互垂直的坐标轴正交而成，本发明依靠陀螺仪(高精度电子罗盘，采集并记录地球磁场矢量的大小和方向),可以自动定位正北方向，以正北方向为X轴正方向，正东方向为Y轴正方向，竖直向上为Z轴正方向，从而建立了一个不随线圈姿态改变而变化的XYZ基准空间正交坐标系，并且确定了一个基本水平面，即由基准坐标系的X,Y两个坐标轴确定的一个以Z轴正向为法线方向的平面，此处记为XY基准平面。接收线圈因为需要形成闭合回路，所以通常为圆形，此圆形线圈可以确定一个平面，此处记为平面1，平面1的法线(向上为法线正方向)记为z。如图3所示。

当平面1呈现稳定的水平面状态，即平面1与XY基准平面平行时(此时平面1与XY基准平面夹角为0，Z轴与z轴的夹角γ为0)，此时半航空瞬变电磁实验真实的磁通量即为实验测得磁通量：

Φ_真＝Φ_测·1

当平面1因为无人机晃动或其他因素使得接收线圈所在平面呈现不稳定的非水平面工作状态，即平面1与XY基准平面不平行时(此时平面1与XY基准平面夹角不为0，线圈相对坐标系z轴在XY基准平面上的投影z’与基准坐标系X轴Y轴之间的夹角分别为α，β，也不同时为0)，即接收线圈平面与水平面存在一定的偏移，此时半航空瞬变电磁实验真实的磁通量即为实验测得磁通量乘以修正系数η：

Φ_真＝Φ_测·cosα·cosβ

又因为α+β＝90°，所以上式转化为：

Φ_真＝Φ_测·sinα·cosα

或者：

Φ_真＝Φ_测·sinβ·cosβ

磁通量的修正系数：η＝cosα·cosβ

由以上可知，当Z轴与z轴的夹角γ不为0时，Φ_真恒小于Φ_测，因此，此矫正装置对于实验数据的准确性有重大意义。需要获得半航空瞬变电磁实验真实的磁通量时，本发明只需测得一个角度值α或者β即可，本发明装置可以测得并存储计算这一变量，从而获得半航空瞬变电磁实验真实的磁通量。

三分量倾角传感器会以此基准坐标系为基准，从而测量线圈各部位相对于基准空间坐标系的倾角，设线圈相对于X,Y,Z轴正方向的倾角分别为α,β,γ，本发明就可以依据建立的坐标系和测量得到的倾角分量，结合线圈自身的尺寸大小来确定本时刻工作中的线圈的空间位置和姿态，进而根据线圈倾角确定线圈通过磁通量的有效面积A₀，确定此时刻线圈内通过的真实磁通量的值。进而可以在后期数据处理阶段对线圈的磁通量进行矫正和调整。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于三轴坐标系的半航空瞬变电磁接收线圈姿态矫正系统，其特征是：包括GPS、电子罗盘、三分量倾角传感器和数据处理器，所述姿态记录装置固定于瞬变电磁接收线圈的圆心至线圈外边缘的任一位置，与线圈处于同一水平面，所述电子罗盘采集并记录地球磁场矢量的大小和方向，GPS采集定位信息，三分量倾角传感器采集线圈的倾角，采集的信息均传输给数据处理器，实现对瞬变电磁接收线圈的位置和姿态信息的采集与记录。

2.如权利要求1所述的一种基于三轴坐标系的半航空瞬变电磁接收线圈姿态矫正系统，其特征是：所述姿态记录装置利用绝缘连接件设置于瞬变电磁接收线圈上。

3.如权利要求1所述的一种基于三轴坐标系的半航空瞬变电磁接收线圈姿态矫正系统，其特征是：所述姿态记录装置与瞬变电磁接收线圈之间不存在相对角位移。

4.如权利要求1所述的一种基于三轴坐标系的半航空瞬变电磁接收线圈姿态矫正系统，其特征是：利用陀螺仪替换所述电子罗盘。

5.如权利要求1所述的一种基于三轴坐标系的半航空瞬变电磁接收线圈姿态矫正系统，其特征是：所述GPS、电子罗盘和三分量倾角传感器采用集成式方式集中于一体。

6.一种基于三轴坐标系的半航空瞬变电磁接收线圈姿态矫正方法，其特征是：以地球磁场矢量为基本坐标，建立固定的XYZ基准空间正交坐标系，以基准坐标系的X、Y两个坐标轴确定的以Z轴正向为法线方向的平面为基准平面，以接收线圈所在水平面为第一平面，建立线圈相对坐标系，测量线圈相对坐标系的z轴在基准平面上的投影与基准坐标系X轴之间的夹角α或Y轴之间的夹角β，确定磁通量的修正系数，对磁通量进行修正，得到瞬变电磁接收线圈的真实值。

7.如权利要求6所述的一种基于三轴坐标系的半航空瞬变电磁接收线圈姿态矫正方法，其特征是：定位正北方向，以正北方向为X轴正方向，正东方向为Y轴正方向，竖直向上为Z轴正方向。

8.如权利要求6所述的一种基于三轴坐标系的半航空瞬变电磁接收线圈姿态矫正方法，其特征是：瞬变电磁接收线圈的真实值为测量的磁通量与修正系数的乘积。

9.如权利要求6所述的一种基于三轴坐标系的半航空瞬变电磁接收线圈姿态矫正方法，其特征是：修正系数η为cosα与cosβ的乘积。

10.如权利要求6所述的一种基于三轴坐标系的半航空瞬变电磁接收线圈姿态矫正方法，其特征是：结合线圈自身的尺寸大小来确定各个时刻中工作中的线圈的空间位置和姿态，进而根据线圈倾角确定线圈通过磁通量的有效面积。