CN108227037B - 一种降低三分量磁测系统载体干扰的差分磁补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种降低三分量磁测系统载体干扰的差分磁补偿方法，建立差分磁补偿工作平台，建立笛卡尔坐标系，对磁原体初始位置参数进行修正，计算干扰磁场值，通过两路磁力仪测量值差分，便可计算出干扰磁场Hd，将计算出的ΔK、Hd带入便求出背景地磁场He。与现有的椭圆拟合法和参数估计法相比，本发明采用磁源体和两路三分量磁力仪位置参数以及磁测数据求解出每一组磁测数据对应的干扰磁场强度，有效地解决了因剩磁变化导致补偿精度偏低问题；本发明引入差分思想，有效消除了外界环境干扰，求取的干扰磁场强度更加准确；补偿处理计算量小，能够对磁测数据进行实时高精度补偿，缩短了测量时间，提高了效率，降低了野外工作成本，具有较高的实用性。

Description

一种降低三分量磁测系统载体干扰的差分磁补偿方法
技术领域
本发明涉及一种降低三分量磁测系统载体干扰的差分磁补偿方法，尤其是对三分量磁测系统载体上的磁源体产生的固定干扰磁场和感应干扰磁场进行有效补偿。
技术背景
三分量磁测方法利用三分量磁力仪测量地磁场分量信息，与传统的总场测量相比，可获得更丰富的地磁场信息，有效减少反演中的多解性，有助于对磁性体定量解释，提高地下矿体探测分辨率和定位精度，在地质调查、矿产勘探和地球科学研究工作中发挥着重要作用。
三分量磁测系统一般由三分量磁力仪和载体组成，载体上的磁源体会产生磁干扰，因此需要对磁测数据进行补偿处理。Tolles和Lawson提出了Tolles-Lawson磁补偿模型补偿飞机产生的磁干扰；李季,张琦,潘孟春,等.《载体干扰磁场补偿方法》国防科技大学学报，2013，35(3)，将参数估计方法与Tolles-Lawson模型有效结合，引入信赖域法估计模型中的12个补偿参数，但是该方法所使用的Tolles-Lawson模型过于理想化，无法全面、准确表达干扰磁场特性，且长时间磁测后磁源体的剩磁会发生变化，因此需要从新估计补偿参数。
张晓明等《基于椭圆约束的新型载体磁场标定及补偿技术》，仪器仪表学报，2009，30(11)，提出了一种基于椭圆假设的补偿方法，该方法通过磁测数据拟合出一个椭圆，进而求解出各补偿参数；这种方法要求磁测数据必须确保能够拟合出一个椭圆，限制了其实用性。
杨云涛等《一种基于磁偶极子磁场分布理论的磁场干扰补偿方法》，兵工学报，2008，29(12)，基于磁偶极子磁场分布理论提出了一种补偿方法；该方法首先建立了地磁测量模型，然后测量4组载体处于不同姿态下三分量磁力仪的测量值以及该姿态所对应的无外界干扰情况下的地磁场强度，最后利用这4组测量值和地磁场强度计算出磁源体的固定干扰磁场和载体三轴方向的磁化系数，进而求解出地磁测量模型中的12个补偿参数；该方法求解出的补偿参数精度较低，而且该方法未给出明确的磁源体位置参数获取方法，导致建立的地磁测量模型无法准确表达磁源体产生的干扰磁场特性，限制了其补偿精度。
现有的磁补偿方法主要有椭圆拟合法和基于Tolles-Lawson磁补偿模型的参数估计法；其中，椭球拟合法需要获取载体全空间姿态下磁测数据，进而确保磁测数据能够拟合出一个椭圆，该方法计算量大，补偿过程过于复杂，实用性大高；参数估计法所使用的Tolles-Lawson磁补偿模型过于理想化，无法全面、准确表达干扰磁场特性；杨云涛建立的地磁测量模型存在求解出的补偿参数精度低，无法准确表达磁源体产生的干扰磁场特性问题，限制了其补偿精度；此外，长时间磁测后磁源体的剩磁会发生变化，降低补偿精度，因此长时间磁测后上述方法均需要从新估计补偿参数。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足，尤其是三分量磁测过程中容易受到载体上的磁源体干扰的问题，提出一种降低三分量磁测系统载体干扰的差分磁补偿方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种降低三分量磁测系统载体干扰的差分磁补偿方法，包括以下步骤：
a、建立差分磁补偿工作平台；选取一块平整的无磁平板作为工作平台，然后将磁源体和两路三分量磁力仪刚性固定在工作平台上，建立差分磁补偿工作平台；
b、建立笛卡尔坐标系，确定磁源体和两路三分量磁力仪的位置参数；以磁源体所在位置中心为坐标系原点构建笛卡尔坐标系，定义两路三分量磁力仪位置(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)，设定磁源体几何中心点作为其在差分补偿模型中的初始位置参数(x0,y0,z0)；
c、对磁原体初始位置参数进行修正；
d、计算干扰磁场值；将两路三分量磁力仪和磁源体位置参数带入
计算出矩阵ΔK＝K1-K2，
e、ΔH＝H1-H2通过两路磁力仪测量值差分获取，将ΔK和ΔH带入公式(7)便计算出干扰磁场Hd；
f、求解地磁场He，将步骤d计算出的ΔK、Hd带入
便求出背景地磁场He。
步骤c所述的磁源体位置参数修正，包括以下步骤：
c1首先选取一块磁场变化平缓且周围无磁干扰物的区域，测量出该区域的地磁总场强度T；
c2然后改变差分磁补偿系统的姿态，记录不同姿态下两路三分量磁力仪的测量值c＝1,2,3...N；以磁源体位置参数为待估计参数，测量值和磁源体的初始位置参数带入公式(8)计算出N组干扰磁场
c3最后将求取的干扰磁场带入式(5)计算出补偿后的地磁场He，进而利用非限制最小二乘法对磁源体位置参数进行修正。
有益效果：本发明与现有常用的椭圆拟合法和参数估计法两种磁补偿方法相比，本发明采用磁源体和两路三分量磁力仪位置参数以及磁测数据求解出每一组磁测数据对应的干扰磁场强度，有效地解决了因剩磁变化导致补偿精度偏低问题；本发明与现有最接近的“基于磁偶极子磁场分布理论的磁补偿方法”相比，本发明采用非线性最小二乘法对磁源体位置参数进行修正，建立的差分磁补偿模型能够更加准确地表达磁源体产生的干扰磁场特性，而且本发明引入差分思想，有效消除了外界环境干扰，求取的干扰磁场强度更加准确；本发明补偿处理计算量小，能够对磁测数据进行实时高精度补偿，缩短了测量时间，提高了效率，降低了野外工作成本，具有较高的实用性。
附图说明：
附图1为一种降低三分量磁测系统载体干扰的差分磁补偿方法流程图
附图2为磁源体与磁力仪在补偿平台相对位置示意图
附图3为补偿前后误差对比图
附图4为位置参数修正前后误差对比图
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：
一种降低三分量磁测系统载体干扰的差分磁补偿方法，包括以下步骤：
a、建立差分磁补偿工作平台；选取一块平整的无磁平板作为工作平台，然后将磁源体和两路三分量磁力仪刚性固定在工作平台上，建立差分磁补偿工作平台；
b、建立笛卡尔坐标系，确定磁源体和两路三分量磁力仪的位置参数；以磁源体所在位置中心为坐标系原点构建笛卡尔坐标系，定义两路三分量磁力仪位置(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)，设定磁源体几何中心点作为其在差分补偿模型中的初始位置参数(x0,y0,z0)；
c、对磁原体初始位置参数进行修正；
d、计算干扰磁场值；将两路三分量磁力仪和磁源体位置参数带入
计算出矩阵ΔK＝K1-K2，
e、ΔH＝H1-H2通过两路磁力仪测量值差分获取，将ΔK和ΔH带入公式(7)便计算出干扰磁场Hd；
f、求解地磁场He，将步骤d计算出的ΔK、Hd带入
便求出背景地磁场He。
步骤c所述的磁源体位置参数修正，包括以下步骤：
c1首先选取一块磁场变化平缓且周围无磁干扰物的区域，测量出该区域的地磁总场强度T；
c2然后改变差分磁补偿系统的姿态，记录不同姿态下两路三分量磁力仪的测量值c＝1,2,3...N；以磁源体位置参数为待估计参数，测量值和磁源体的初始位置参数带入公式(8)计算出N组干扰磁场
c3最后将求取的干扰磁场带入式(5)计算出补偿后的地磁场He，进而利用非限制最小二乘法对磁源体位置参数进行修正。
实施例1
建立差分磁补偿模型：
磁场解析模型；根据磁偶极子磁场解析模型，空间一点P(x′,y′,z′)处的感应矢量磁异常为：
其中，μ(Tm/A)为磁导率，空气的磁导率μ＝4π×10-7Tm/A；B＝Bxi+Byj+Bzk(T)为点P处的感应矢量磁异常；M＝Mxi+Myj+Mzk(Agm2)为磁源矢量磁矩；r＝rxi+ryj+rzk(m)为点P到磁源中心间矢径。
定义磁偶极子位置为(x,y,z)，用矩阵的形式展开式(1)：
定义矩阵K为：
则式(2)可化简为：
B＝K·M (4)
a：建立差分磁补偿模型；根据式(4)，两路三分量磁力仪测量值表达式为：
其中，Hp为固定干扰磁场；Hi为感应干扰磁场；为两路三分量磁力仪对应的背景地磁场；K为3×3系数矩阵。
由于地磁场各分量的梯度较小，对于两路三分量磁力仪来说，背景地磁场属于共模信号，即：根据以上分析，对式(5)进行差分处理，得到差分磁补偿模型：
H1-H2＝(K1-K2)·(Hp+Hi) (6)
b：建立笛卡尔坐标系，确定磁源体和两路三分量磁力仪的位置参数；选取一块平整的无磁平板作为工作平台，然后将磁源体和两路三分量磁力仪刚性固定在工作平面上，以磁源体所在位置的中心点为坐标系原点构建笛卡尔坐标系，定义两路三分量磁力仪位置(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)；设定磁源体几何中心点作为其在差分补偿模型中的位置参数(x0,y0,z0)；则式(6)可以展开为：
其中，ΔH＝H1-H2,ΔK＝K1-K2,Hd＝Hp+Hi.
式(7)中矩阵ΔK为常数矩阵，此外ΔH可通过两路磁力仪测量值差分获取，因此可利用式(7)计算出干扰磁场Hd：
将计算出的Hd带入式(5)便可求取地磁场He。
磁源体位置参数修正方法如下：
D、首先选取一块磁场变化平缓且周围无磁干扰物的区域，测量出该区域的地磁总场强度T；然后改变差分磁补偿平台的姿态，记录不同姿态下两路三分量磁力仪的测量值(c＝1,2,3...N)。
E、以磁源体位置参数为待估计参数，设定磁源体几何中心点作为其位置参数初始值，将测量值和磁源体位置参数带入公式(8)计算出N组干扰磁场最后将求取的干扰磁场带入式(5)计算出补偿后的地磁场He。
F、非线性最小二乘法的目标函数可设定为：
其中，Δε表示绝对误差和。
根据非线性最小二乘法准则，待估计参数应使绝对误差和最小，即：
Δε→min (11)
三分量磁测数据实时补偿：
G、将修正后的磁源体位置参数和两路三分量磁力仪位置参数带入式(3)计算出矩阵ΔK；
H、将ΔK和两路三分量磁力仪测量值带入式(8)求取出干扰磁场Hd；
I、将矩阵ΔK和干扰磁场Hd带入式(5)，计算出补偿后的地磁场He。

Claims (2)

1.一种降低三分量磁测系统载体干扰的差分磁补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、建立差分磁补偿工作平台；选取一块平整的无磁平板作为工作平台，然后将磁源体和两路三分量磁力仪刚性固定在工作平台上，建立差分磁补偿工作平台；
b、建立笛卡尔坐标系，确定磁源体和两路三分量磁力仪的位置参数；以磁源体所在位置中心为坐标系原点构建笛卡尔坐标系，定义两路三分量磁力仪位置(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)，设定磁源体几何中心点作为其在差分补偿模型中的初始位置参数(x0,y0,z0)；
c、对磁原体初始位置参数进行修正；
d、计算干扰磁场值；将两路三分量磁力仪和磁源体位置参数带入
计算出矩阵ΔK＝K1-K2；
e、ΔH＝H1-H2通过两路磁力仪测量值差分获取，将ΔK和ΔH带入公式(7)便计算出干扰磁场Hd；
计算出干扰磁场强度Hd；
f、求解背景地磁场He，将步骤d计算出的ΔK、Hd带入
计算出背景地磁场He；
其中，Hp为固定干扰磁场；Hi为感应干扰磁场；为两路三分量磁力仪对应的背景地磁场；
由于地磁场各分量的梯度较小，对于两路三分量磁力仪来说，背景地磁场属于共模信号，即：
2.按照权利要求1所述的一种降低三分量磁测系统载体干扰的差分磁补偿方法，其特征在于，步骤c所述的磁源体位置参数修正，包括以下步骤：
c1 首先选取一块磁场变化平缓且周围无磁干扰物的区域，测量出该区域的地磁总场强度T；
c2 然后改变差分磁补偿系统的姿态，记录不同姿态下两路三分量磁力仪的测量值表示测量数据组数；以磁源体位置参数为待估计参数，将测量值和磁源体的初始位置参数带入
计算出N组干扰磁场强度
c3 最后将求取的干扰磁场带入
计算出补偿后的背景地磁场He，进而利用非限制最小二乘法对磁源体位置参数进行修正。
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