CN108917750A - 海底沉积物原位探测设备的准实时方位角测量机构及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种海底沉积物原位探测设备的准实时方位角测量机构及方法，包括固定安装于科考船上的船上地磁矢量测量仪以及与原位探测设备固定到一起的水下测量单元；水下测量单元包括方位角测量传感模块、数据采集记录模块和供电电池；方位角测量传感模块包括MEMS微型固体摆以及水下地磁矢量测量仪。优点为：是一种用于在深海环境下开展海底沉积物原位探测过程中，调查设备的高精度、低附加值、操作简易的准实时方位角测量机构，本发明基于双矢量磁力仪测量数据，可在强磁场背景下精确获得原位探测设备的艏向角，具有抗干扰能力强、稳定性好以及测量重复性高等优点，有助于在海洋地质调查中有效开展定向的海底沉积物取样和原位探测。
Description
技术领域
本发明属于定向测量技术领域，具体涉及一种带定向功能的海底沉积物原位探测设备的准实时方位角测量机构及方法。
背景技术
海底沉积物原位探测设备广泛应用于海洋地学研究和调查领域，在海洋地质调查中，有效开展“带定向功能的”海底沉积物原位探测和取样，可丰富海洋地质-地球物理调查信息，提高野外资料的采集质量，进而提升相关调查成果的研究水平。
在海底沉积物原位探测中，除采集沉积物样品和开展沉积物中的原位测量之外，采集原位探测过程中的姿态信息，可进一步拓展海洋科学研究的领域。例如，配备定姿态设备，可以获取定向柱状沉积物样品，为海洋磁学研究提供更加丰富的信息；配备定姿态设备，可以获得定向的物理量测量，实现物理量的矢量或者三分量的测量方式，这对研究海底表层流动活动所产生的物理-化学参量变化有积极意义。
海底沉积物原位探测设备的姿态，主要包括横摇角α、纵摇角β和艏向角γ；其中，艏向角γ代表了航向，相对于另外两个参数更具重要性。目前，艏向角γ的测量方法主要为直接测量方法，即：将磁传感器固定到原位探测设备上，使磁传感器和原位探测设备一起下水，然后，通过磁传感器测量地球磁场，再通过数学关系式计算方法，将地球磁场转换为艏向角γ。
上述艏向角γ测量方法主要具有以下不足：通常用于海洋调查的水下设备是为坚硬的钢铁制品，易产生较强的铁磁性物质的干扰。又由于地磁场比较弱，因此在实际应用时，不进行补偿校正，容易导致艏向角γ的误差比较大。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种海底沉积物原位探测设备的准实时方位角测量机构及方法，可有效解决上述问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种海底沉积物原位探测设备的准实时方位角测量机构，包括固定安装于科考船上的船上地磁矢量测量仪以及与原位探测设备固定到一起的水下测量单元；
其中，所述水下测量单元包括密封舱，内置于所述密封舱的方位角测量传感模块(2-4)、数据采集记录模块(2-6)和供电电池(2-2)；其中，所述方位角测量传感模块(2-4)包括MEMS微型固体摆以及水下地磁矢量测量仪；所述MEMS微型固体摆和所述水下地磁矢量测量仪的输出端均连接到所述数据采集记录模块(2-6)的输入端；所述供电电池(2-2)分别与所述方位角测量传感模块(2-4)和所述数据采集记录模块(2-6)连接。
优选的，所述密封舱包括上盖(1-2)、中筒(1-3)和下盖(1-4)；
所述上盖(1-2)、所述中筒(1-3)和所述下盖(1-4)通过预压安装在一起；所述上盖(1-2)和所述中筒(1-3)之间加装上盖密封氟橡胶O型圈(2-1)密封；所述中筒(1-3)和所述下盖(1-4)之间加装下盖密封氟橡胶O型圈(2-5)密封；
所述上盖(1-2)的表面具有标识N(1-5)，用于安装时将标识N的一端对应地理北，方便整机的定向。
优选的，所述上盖(1-2)和所述中筒(1-3)的连接方式为：在所述上盖(1-2)和所述中筒(1-3)之间通过4个第1M6螺钉(1-6)固定；所述上盖(1-2)预安装2个第2M6螺钉(1-7)作为顶丝；当需要拆卸所述上盖(1-2)时，首先旋转打开所述4个第1M6螺钉(1-6)，然后再通过旋进所述第2M6螺钉(1-7)，第2M6螺钉(1-7)产生与所述中筒(1-3)之间的推力，在推力的作用下，抵消上盖密封氟橡胶O型圈(2-1)的压力，进而实现所述上盖(1-2)的拆卸；
所述下盖(1-4)和所述中筒(1-3)的连接方式，与所述上盖(1-2)和所述中筒(1-3)的连接方式相同。
优选的，在所述密封舱的内部安装工字型支撑架(2-3)；所述工字型支撑架(2-3)具有四个安装平面，分别为上安装面(2-3-1)、左安装面(2-3-3)、右安装面(2-3-6)和下安装面(2-3-7)；所述上安装面(2-3-1)用于通过上安装孔(2-3-2)安装固定所述供电电池(2-2)；所述左安装面(2-3-3)用于通过左安装孔(2-3-4)安装固定所述方位角测量传感模块(2-4)；所述右安装面(2-3-6)用于安装固定所述数据采集记录模块(2-6)；所述下安装面(2-3-7)用于通过连接板(2-7)和下安装孔(2-3-5)与所述下盖(1-4)连接固定。
优选的，所述上盖(1-2)安装有8芯水密接口(1-1)；所述8芯水密接口(1-1)的1号到5号芯通过USB接口与所述数据采集记录模块(2-6)通信连接；6号和8号芯与所述供电电池(2-2)电连接，用于向所述供电电池(2-2)充电；6号芯和7号芯短接，用于向所述数据采集记录模块(2-6)和所述方位角测量传感模块(2-4)供电。
优选的，所述供电电池(2-2)采用锂电池。
本发明还提供一种基于海底沉积物原位探测设备的准实时方位角测量机构的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，当水下测量单元随着原位探测设备一起进入到深海中时，同步启动船上地磁矢量测量仪和水下测量单元的方位角测量传感模块(2-4)；
方位角测量传感模块(2-4)的MEMS微型固体摆的测量数据为：从t＝0到t＝t1时间长度内，按采样间隔采集到的时间t对应的实时横摇角α以及实时纵摇角β；其中，t1为测量结束时间；
方位角测量传感模块(2-4)的水下地磁矢量测量仪的测量数据为：从t＝0到t＝t1时间长度内，按采样间隔采集到的时间t对应的测量坐标系下的地磁场水平分量H′，地磁场磁偏角D′和地磁场竖直分量Z′；
船上地磁矢量测量仪的测量数据为：从t＝0到t＝t1时间长度内，按采样间隔采集到的时间t对应的标准坐标系下的地磁场水平分量H，地磁场磁偏角D和地磁场竖直分量Z；
步骤2，对MEMS微型固体摆的测量数据进行分析，查找到实时横摇角α以及实时纵摇角β稳定时对应的起始时间t0，并读取到稳定时的横摇角和纵摇角数据，将稳定时的横摇角记为α′；将稳定时的纵摇角记为β′；
步骤3，设定观测数据数量为n组；查找水下地磁矢量测量仪的测量数据，从t0时刻开始连续读取n组采样数据，每组采样数据均包括测量坐标系下的地磁场水平分量H′，地磁场磁偏角D′和地磁场竖直分量Z′；
因此，测量坐标系下n组采样数据构成的数据记录矩阵为：
其中：H′1H′2…H′n分别为从t0时刻开始测量坐标系下连续n个地磁场水平分量的值；
D′1D′2…D′n分别为从t0时刻开始测量坐标系下连续n个地磁场磁偏角的值；
H′1H＇2…H′n分别为从t0时刻开始测量坐标系下连续n个地磁场竖直分量的值；
查找船上地磁矢量测量仪的测量数据，从t0时刻开始连续读取n组采样数据，每组采样数据均包括标准坐标系下的地磁场水平分量H，地磁场磁偏角D和地磁场竖直分量Z；
因此，标准坐标系下n组采样数据构成的数据记录矩阵为：
其中：H1H2…Hn分别为从t0时刻开始标准坐标系下连续n个地磁场水平分量的值；
D1D2…Dn分别为从t0时刻开始标准坐标系下连续n个地磁场磁偏角的值；
Z1Z2…Zn分别为从t0时刻开始标准坐标系下连续n个地磁场竖直分量的值；
步骤4，建立目标函数F：
F＝-1×(ρH+ρD+ρZ)
其中：ρH为测量坐标系下地磁场水平分量记录数据通过变换矩阵TT归算至标准坐标系下后的地磁场水平分量，与标准坐标系下实测地磁场水平分量的相关系数；
ρD为测量坐标系下地磁场水平分量记录数据通过变换矩阵TT归算至标准坐标系下后的地磁场磁偏角，与标准坐标系下实测地磁场磁偏角的相关系数；
ρZ为测量坐标系下地磁场竖直分量记录数据通过变换矩阵TT归算至标准坐标系下后的地磁场竖直分量，与标准坐标系下实测地磁场竖直分量的相关系数；其中：
Hk″＝(cos(β′)cos(γ)+sin(α′)sin(β′)sin(γ))Hk′+(-cos(α′)sin(γ))Dk′
+(sin(β′)cos(γ)-sin(α′)cos(β′)sin(γ))Zk′
Dk″＝(cos(β′)sin(γ)-sin(α′)sin(β′)cos(γ))Hk′+(cos(α′)cos(γ))Dk′
+(sin(β′)sin(γ)-sin(α′)cos(β′)cos(γ))Zk′
Zk″＝(-cos(α′)sin(β＇))Hk＇+(-sin(α′))Dk′+(cos(α′)cos(β′))Zk′
其中：
γ为待求解的艏向角；
Hk代表标准坐标系下地磁场水平分量的第k个采样数据，k＝1，2…n；
代表标准坐标系下采样到的n个地磁场水平分量的平均值，
Hk′代表测量坐标系下地磁场水平分量的第k个采样数据，k＝1，2…n；
Dk′代表测量坐标系下地磁场磁偏角的第k个采样数据，k＝1，2…n；
Zk′代表测量坐标系下地磁场竖直分量的第k个采样数据，k＝1，2…n；
Hk"代表测量坐标系下地磁场水平分量的第k个采样数据通过变换矩阵T归算到标准坐标系下的地磁场水平分量；k＝1，2…n；
代表测量坐标系下地磁场水平分量的n个采样数据通过变换矩阵T归算到标准坐标系下的地磁场水平分量的平均值，
Dk代表标准坐标系下地磁场磁偏角的第k个采样数据，k＝1，2…n；
代表标准坐标系下采样到的n个地磁场磁偏角的平均值，
Dk"代表测量坐标系下地磁场磁偏角的第k个采样数据通过变换矩阵T归算到标准坐标系下的地磁场磁偏角；k＝1，2…n；
代表测量坐标系下地磁场磁偏角的n个采样数据通过变换矩阵T归算到标准坐标系下的地磁场磁偏角的平均值，
Zk代表标准坐标系下地磁场竖直分量的第k个采样数据，k＝1，2…n；
代表标准坐标系下采样到的n个地磁场竖直分量的平均值，
Zk"代表测量坐标系下地磁场竖直分量的第k个采样数据通过变换矩阵T归算到标准坐标系下的地磁场竖直分量；k＝1，2…n；
代表测量坐标系下地磁场竖直分量的n个采样数据通过变换矩阵T归算到标准坐标系下的地磁场竖直分量的平均值，
步骤5，对艏向角γ在[-π,π]区间范围进行遍历，解算到使目标函数最小的艏向角γ值，解算到的艏向角γ即为原位探测设备进入深海稳定后的艏向角。
优选的，步骤1中，船上地磁矢量测量仪和方位角测量传感模块(2-4)的同步启动方法为：
船上地磁矢量测量仪采用GPS授时；方位角测量传感模块(2-4)在深海作业之前采用GPS授时1次，授时成功后再下水，进而保证船上地磁矢量测量仪和方位角测量传感模块(2-4)的时钟同步性。
优选的，步骤5中，采用遗传算法对艏向角γ在[-π,π]区间范围进行遍历，解算到使目标函数最小的艏向角γ值。
优选的，步骤4中，测量坐标系与标准坐标系间的变换矩阵T表达式为：
本发明提供的海底沉积物原位探测设备的准实时方位角测量机构及方法具有以下优点：
本发明是一种用于在深海环境下开展海底沉积物原位探测过程中，调查设备的高精度、低附加值、操作简易的准实时方位角测量机构，，与现有技术相比，本发明基于双矢量磁力仪测量数据，尤其可在强磁场背景下精确获得原位探测设备的艏向角，具有抗干扰能力强、稳定性好以及测量重复性高等优点，有助于在海洋地质调查中有效开展定向的海底沉积物取样和原位探测。
附图说明
图1为本发明提供的水下测量单元的原理图；
图2为本发明提供的整机密封舱外观示意图；
图3为本发明提供的密封舱内部结构示意图；
图4为本发明提供的工字型支撑架的结构示意图；
图5为本发明提供的三维坐标旋转定义示意图；
图6为本发明提供的海底沉积物原位探测设备的准实时方位角测量方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明是一种主要用于在深海环境下开展海底沉积物原位探测过程中所需调查设备需要获得的高精度、低附加值、操作简易的准实时方位角测量机构，与现有技术相比，本发明尤其可精确获得原位探测设备的艏向角，从而有利于在海洋地质调查中有效开展定向的海底沉积物原位探测。
经试验，本发明可以完成水深大于4500米的深海调查设备姿态角的精确测定，操作简单，性能可靠，测量精度高，其中，艏向角测量误差小于3°，横摇角和纵摇角的测量误差小于1°，是一种适用于动态测量中的高精度定向设备。
下面对海底沉积物原位探测设备的准实时方位角测量机构的结构和测量原理分别详细介绍：
(一)海底沉积物原位探测设备的准实时方位角测量机构
本发明提供的海底沉积物原位探测设备的准实时方位角测量机构，包括固定安装于科考船上的船上地磁矢量测量仪以及与原位探测设备固定到一起的水下测量单元；
其中，水下测量单元包括密封舱，内置于密封舱的方位角测量传感模块2-4、数据采集记录模块2-6和供电电池2-2。水下测量单元与被测设备固定，可采用标准的困扎带或者压板完成，方便可靠。
参考图2，为整机密封舱外观示意图，密封舱包括上盖1-2、中筒1-3和下盖1-4三部分，密封舱结构特征包括：
(1)上盖1-2、中筒1-3和下盖1-4通过预压安装在一起；上盖1-2和中筒1-3之间加装上盖密封氟橡胶O型圈2-1密封；中筒1-3和下盖1-4之间加装下盖密封氟橡胶O型圈2-5密封；密封氟橡胶O型圈的压缩量为30％，采用双O型圈密封，由此满足整个密封舱的密封需求，保证整机最大工作水深超过4500米。
(2)上盖1-2和中筒1-3的连接方式为：在上盖1-2和中筒1-3之间通过4个第1M6螺钉1-6固定；上盖1-2预安装2个第2M6螺钉1-7作为顶丝；当需要拆卸上盖1-2时，首先旋转打开4个第1M6螺钉1-6，然后再通过旋进第2M6螺钉1-7，第2M6螺钉1-7产生与中筒1-3之间的推力，在推力的作用下，抵消上盖密封氟橡胶O型圈2-1的压力，进而实现上盖1-2的拆卸；具有上盖拆卸方便的优点。
下盖1-4和中筒1-3的连接方式，与上盖1-2和中筒1-3的连接方式相同。
(3)上盖1-2的表面具有标识N1-5，用于安装时将标识N的一端对应地理北，方便整机的定向。
(4)上盖1-2安装有8芯水密接口1-1；8芯水密接口1-1的1号到5号芯通过USB接口与数据采集记录模块2-6通信连接；6号和8号芯与供电电池2-2电连接，用于向供电电池2-2充电；6号芯和7号芯短接，用于向数据采集记录模块2-6和方位角测量传感模块2-4供电。因此，数据通信和电池组的充放电均在整机外部进行操作，无需打开上盖，既方便操作，又保证水密可靠性。
密封舱内部结构特征如下：
参考图3，为密封舱内部结构示意图，主要包括方位角测量传感模块2-4、数据采集记录模块2-6和供电电池2-2；
具体的，在密封舱的内部安装工字型支撑架2-3；参考图4，为工字型支撑架的结构示意图，工字型支撑架2-3具有四个安装平面，分别为上安装面2-3-1、左安装面2-3-3、右安装面2-3-6和下安装面2-3-7；上安装面2-3-1用于通过上安装孔2-3-2安装固定供电电池2-2；左安装面2-3-3用于通过左安装孔2-3-4安装固定方位角测量传感模块2-4；右安装面2-3-6用于安装固定数据采集记录模块2-6；下安装面2-3-7用于通过连接板2-7和下安装孔2-3-5与下盖1-4连接固定。
采用工字型支撑架安装的优点为：
(1)可以首先将供电电池、方位角测量传感模块、数据采集记录模块固定在工字型支撑架对应安装面上，然后将工字型支撑架与连接板2-7固定，最后再将整体与下盖1-4固定，从而方便内部各个功能部件的装配。
(2)整机的安装方式需要考虑原位探测仪的实际情况，一般是水平安装，有时候如果安装条件限制，例如空间不够等原因，则需要采用竖直安装方式。此时，仅仅需要将方位角测量传感模块从左安装面换至上安装面，将供电电池安装到左安装面，因此，具有水下测量单元的安装方式灵活的优点。
海底沉积物原位探测设备的准实时方位角测量机构的结构原理包括：
方位角测量传感模块2-4包括MEMS微型固体摆以及水下地磁矢量测量仪；MEMS微型固体摆和水下地磁矢量测量仪的输出端均连接到数据采集记录模块2-6的输入端；供电电池2-2分别与方位角测量传感模块2-4和数据采集记录模块2-6连接。下面对各功能模块详细介绍：
(1)供电电池
本发明中，供电电池采用大容量锂电池组，输出10.8VDC～12.6VDC，通过DC-DC模块，转换为5VDC和12VDC，分别为方位角测量传感模块2-4和数据采集记录模块2-6供电。通过8芯水密接口1-1的6、7芯短接输出电压，6、7芯的断开，通过6、8芯为供电电池充电，操作方便。此外，采用容量大，体积小的锂电池组，可满电整机连续运行72小时的需求，进而满足原位探测仪的测量时长的需求。
(2)方位角测量传感模块
方位角测量传感模块包含两部分：(1)MEMS微型固体摆，用于实时测量横摇角和纵摇角。测量原理为：通过重力场在对应摆锤上的分量，使得对应的差分电容传感器输出与角度相关的电压值，通过标定给出最终测量角度。(2)水下地磁矢量测量仪，与科考船上安装的船上地磁矢量测量仪联合测定原位探测设备深海后的艏向角。具体测量原理在后面内容详细介绍。
(3)数据采集记录模块
数据采集记录模块采用嵌入式系统控制芯片，通过基于MODBUS的握手协议，数据采集记录模块与方位角测量传感模块的数据输出同步，通过自带的内部时钟功能，实现方位角测量传感模块的测量数据及测量时间的同步存储。
下面对本发明提供的准实时方位角测量机构的测量方法及测量原理，进行详细介绍：
海底沉积物原位探测设备的姿态，主要包括横摇角α、纵摇角β和艏向角γ这三个参数。对于横摇角α和纵摇角β，其测量方法为：当水下测量单元随着原位探测设备一起进入海底并经过一段初始时间后，原位探测设备会达到稳定姿态，当达到稳定姿态后，其横摇角和纵摇角维持不变，因此，通过水下测量单元中的MEMS微型固体摆，即可测量得到稳定时的横摇角和稳定时的纵摇角，作为最终测量到的原位探测设备的横摇角和纵摇角。稳定时的横摇角和纵摇角，还有一个重要用途为：在艏向角解算过程中，稳定时的横摇角和纵摇角直接作为已知参数，从而简化艏向角解算过程；又由于稳定时的横摇角和纵摇角精度较高，因此，可提高艏向角解算结果的精度。
对于艏向角γ，本发明提供一种基于双矢量磁力仪数据测定艏向角的方法，艏向角的测定解算方法属于本发明的重点，其原理可概括描述为：
本发明中，共采用两个矢量磁力仪，一个为船上地磁矢量测量仪，另一个为随原位探测设备下水的水下地磁矢量测量仪。船上地磁矢量测量仪和水下地磁矢量测量仪同步采集数据，其中，船上地磁矢量测量仪处于标准坐标系中，而水下地磁矢量测量仪处于测量坐标系中。
参考图5，标准坐标系是指：X方向为地磁场水平分量H的正方向，Y方向为地磁场磁偏角D分量的正方向，Z方向为地磁场竖直分量Z的正方向。
测量坐标系是指：标准坐标系的X轴、Y轴和Z轴分别旋转α、β和γ角后的坐标系，旋转角的正向通过右手螺旋定则确定，对应原位探测设备深海后的姿态，即：α对应横摇角、β对应纵摇角，γ对应艏向角。
一般情况下，测量坐标系与标准坐标系具有原点不重合误差，即平移误差，由于平移误差可以通过简单的坐标平移进行修正，因此不考虑坐标平移，假定标准坐标系和测量坐标系原点重合，即两个坐标系间不存在平移误差。
理想情况下，可以认为同一观测场地下，对于两套同型号的矢量磁力仪，如果均在标准坐标系下工作时，其记录到的地磁场水平分量H、地磁场磁偏角D和地磁场竖直分量Z的日变化形态应该完全相同。所以本发明中，将工作在测量坐标系下的水下地磁矢量测量仪记录到的H、D、Z三分量数据分别记为：H′、D′、Z′，通过坐标变换矩阵T归算到标准坐标系下，从而分别得到测量坐标系下地磁场水平分量记录数据通过变换矩阵TT归算至标准坐标系下后的地磁场水平分量H″、测量坐标系下地磁场水平分量记录数据通过变换矩阵TT归算至标准坐标系下后的地磁场磁偏角D″、测量坐标系下地磁场竖直分量记录数据通过变换矩阵TT归算至标准坐标系下后的地磁场竖直分量Z″；如果工作在标准坐标系下的船上地磁矢量测量仪记录到的H、D、Z三分量数据分别为H、D、Z，则在不考虑仪器间的偏差、测量场地的水平梯度、温度、格值等因素的影响情况下，H″和H应该完全相同，D″和D应该完全相同，Z″和Z应该完全相同。而在将测量坐标系下的水下地磁矢量测量仪记录到的三分量数据归算到标准坐标系时，存在未知参数γ，所以，由于测量坐标系下的水下地磁矢量测量仪记录到的三分量数据、标准坐标系下的船上地磁矢量测量仪记录到的三分量数据均为已知数据，因此，以γ为未知参数，以测量坐标系下的水下地磁矢量测量仪记录到的三分量数据通过坐标变换矩阵T归算到标准坐标系下后，其与标准坐标系下的船上地磁矢量测量仪记录到的三分量数据的变化形态一致作为目标函数，通过解算目标函数，即可求得最佳γ值，由此得到最为精确的γ值，这就是本发明双矢量磁力仪数据测定艏向角的原理。
具体的，标准坐标系可以通过如下三个步骤，通过坐标旋转变换到测量坐标系：
1)γ≠0，α＝0，β＝0，则变换矩阵Tγ可以写成：
2)γ＝0，α≠0，β＝0，则变换矩阵Tα可以写成：
3)γ＝0，α＝0，β≠0，则变换矩阵Tβ可以写成：
因此，测量坐标系与标准坐标系间的变换矩阵T可以表达为：
因此，本发明中，首先通过水下地磁矢量测量仪采集到测量坐标系下地磁场三分量数据，即：测量坐标系下的地磁场水平分量H′，地磁场磁偏角D′和地磁场竖直分量Z′，形成测量坐标系下数据记录矩阵：
然后，根据变换矩阵T，得到测量坐标系下三分量记录数据向标准坐标系转换的数学模型：
其中：X″为测量坐标系下三分量记录数据通过变换矩阵T归算到标准坐标系下的地磁场三分量记录数据。
因此，在获得测量坐标系下水下地磁矢量测量仪记录的三分量数据、以及标准坐标系下船上地磁矢量测量仪记录的三分量数据后，基于坐标变换矩阵T(对于坐标变换矩阵T，α和β均可直接测得，为已知值，只有γ为未知待求值，可对γ在[‐π,π]区间范围内通过遍历算法进行遍历)，从而可以得到测量坐标系下水下地磁矢量测量仪记录的三分量数据通过坐标变换矩阵T归算到标准坐标系下的三分量数据，然后，以使测量坐标系下水下地磁矢量测量仪记录的三分量数据通过坐标变换矩阵T归算到标准坐标系下的三分量数据最接近标准坐标系下船上地磁矢量测量仪记录的三分量数据为目标，通过对γ在[‐π,π]区间范围内通过遍历算法进行遍历，即可求得符合目标的最佳γ值。考虑到遍历算法的高效、实用和快速收敛的特性，具体解算方法可以采用遗传算法，完成姿态角在[-π,π]区间范围的遍历。
作为一种具体实现方式，利用遗传算法对γ在[-π,π]区间范围进行遍历，相关参数设定如下：
(1)目标函数。
目标函数为：
F＝-1×(ρH+ρD+ρZ)
其中，ρH为测量坐标系下地磁场水平分量记录数据通过变换矩阵TT归算至标准坐标系下后的地磁场水平分量，与标准坐标系下实测地磁场水平分量的相关系数；
ρD为测量坐标系下地磁场水平分量记录数据通过变换矩阵TT归算至标准坐标系下后的地磁场磁偏角，与标准坐标系下实测地磁场磁偏角的相关系数；
ρZ为测量坐标系下地磁场竖直分量记录数据通过变换矩阵TT归算至标准坐标系下后的地磁场竖直分量，与标准坐标系下实测地磁场竖直分量的相关系数；
(2)迭代次数为200次，个体数40，艏向角γ的二进制位数为25，艏向角γ的遍历区间为[-π,π]。
(3)选择采用随机遍历抽样，代沟0.9，，交叉采用单点交叉，交叉概率0.7，变异采用基本位变异，变异概率为0.009。
基于上述原理，本发明提供的一种基于海底沉积物原位探测设备的准实时方位角测量机构的测量方法，详细步骤如下：
步骤1，当水下测量单元随着原位探测设备一起进入到深海中时，同步启动船上地磁矢量测量仪和水下测量单元的方位角测量传感模块2-4；
本步骤中，船上地磁矢量测量仪与水下地磁矢量测量仪记录数据需要同步，这对保证最终艏向角解算精度非常重要。具体同步启动方法可以为：船上地磁矢量测量仪采用GPS授时；方位角测量传感模块2-4在深海作业之前采用GPS授时1次，授时成功后再下水，进而保证船上地磁矢量测量仪和方位角测量传感模块2-4的时钟同步性。由于GPS授时误差可以实现小于0.1s，这里采用的矢量磁力仪最小采样时间间隔是1s，因此可以保证船上地磁矢量测量仪和水下地磁矢量测量仪记录数据的同步性。
方位角测量传感模块2-4的MEMS微型固体摆的测量数据为：从t＝0到t＝t1时间长度内，按采样间隔采集到的时间t对应的实时横摇角α以及实时纵摇角β；其中，t1为测量结束时间；
方位角测量传感模块2-4的水下地磁矢量测量仪的测量数据为：从t＝0到t＝t1时间长度内，按采样间隔采集到的时间t对应的测量坐标系下的地磁场水平分量H′，地磁场磁偏角D′和地磁场竖直分量Z′；
船上地磁矢量测量仪的测量数据为：从t＝0到t＝t1时间长度内，按采样间隔采集到的时间t对应的标准坐标系下的地磁场水平分量H，地磁场磁偏角D和地磁场竖直分量Z；
步骤2，对MEMS微型固体摆的测量数据进行分析，查找到实时横摇角α以及实时纵摇角β稳定时对应的起始时间t0，并读取到稳定时的横摇角和纵摇角数据，将稳定时的横摇角记为α′；将稳定时的纵摇角记为β′；
具体的，当方位角测量传感模块深海后，初始过程中其姿态变化幅度较大，但经过一段时间后，其姿态会非常稳定，因此，可读取到稳定时的精确的横摇角和纵摇角，一方面，获取到了原位探测仪的精确的横摇角和纵摇角姿态信息，另一方面，本步骤获得的横摇角和纵摇角，可作为后续艏向角解算过程中的已知参数，从而简化后续艏向角解算的复杂度。
步骤3，设定观测数据数量为n组；查找水下地磁矢量测量仪的测量数据，从t0时刻开始连续读取n组采样数据，每组采样数据均包括测量坐标系下的地磁场水平分量H′，地磁场磁偏角D′和地磁场竖直分量Z′；
因此，测量坐标系下n组采样数据构成的数据记录矩阵为：
其中：H′1H′2…H′n分别为从t0时刻开始测量坐标系下连续n个地磁场水平分量的值；
D′1D′2…D′n分别为从t0时刻开始测量坐标系下连续n个地磁场磁偏角的值；
H′1H′2…H′n分别为从t0时刻开始测量坐标系下连续n个地磁场竖直分量的值；
查找船上地磁矢量测量仪的测量数据，从t0时刻开始连续读取n组采样数据，每组采样数据均包括标准坐标系下的地磁场水平分量H，地磁场磁偏角D和地磁场竖直分量Z；
因此，标准坐标系下n组采样数据构成的数据记录矩阵为：
其中：H1H2…Hn分别为从t0时刻开始标准坐标系下连续n个地磁场水平分量的值；
D1D2…Dn分别为从t0时刻开始标准坐标系下连续n个地磁场磁偏角的值；
Z1Z2…Zn分别为从t0时刻开始标准坐标系下连续n个地磁场竖直分量的值；
步骤4，建立目标函数F：
F＝-1×(ρH+ρD+ρZ)
其中：ρH为测量坐标系下地磁场水平分量记录数据通过变换矩阵TT归算至标准坐标系下后的地磁场水平分量，与标准坐标系下实测地磁场水平分量的相关系数；
ρD为测量坐标系下地磁场水平分量记录数据通过变换矩阵TT归算至标准坐标系下后的地磁场磁偏角，与标准坐标系下实测地磁场磁偏角的相关系数；
ρZ为测量坐标系下地磁场竖直分量记录数据通过变换矩阵TT归算至标准坐标系下后的地磁场竖直分量，与标准坐标系下实测地磁场竖直分量的相关系数；其中：
Hk″＝(cos(β′)cos(γ)+sin(α′)sin(β′)sin(γ))Hk＇+(-cos(α′)sin(γ))Dk′
+(sin(β′)cos(γ)-sin(α′)cos(β′)sin(γ))Zk′
Dk″＝(cos(β′)sin(γ)-sin(α′)sin(β＇)cos(γ))Hk′+(cos(α′)cos(γ))Dk′
+(sin(β′)sin(γ)-sin(α′)cos(β′)cos(γ))Zk′
Zk″＝(-cos(α′)sin(β′))Hk′+(-sin(α＇))Dk＇+(cos(α′)cos(β＇))Zk′
其中：
γ为待求解的艏向角；
Hk代表标准坐标系下地磁场水平分量的第k个采样数据，k＝1，2…n；
代表标准坐标系下采样到的n个地磁场水平分量的平均值，
Hk′代表测量坐标系下地磁场水平分量的第k个采样数据，k＝1，2…n；
Dk′代表测量坐标系下地磁场磁偏角的第k个采样数据，k＝1，2…n；
Zk′代表测量坐标系下地磁场竖直分量的第k个采样数据，k＝1，2…n；
Hk"代表测量坐标系下地磁场水平分量的第k个采样数据通过变换矩阵T归算到标准坐标系下的地磁场水平分量；k＝1，2…n；
代表测量坐标系下地磁场水平分量的n个采样数据通过变换矩阵T归算到标准坐标系下的地磁场水平分量的平均值，
Dk代表标准坐标系下地磁场磁偏角的第k个采样数据，k＝1，2…n；
代表标准坐标系下采样到的n个地磁场磁偏角的平均值，
Dk"代表测量坐标系下地磁场磁偏角的第k个采样数据通过变换矩阵T归算到标准坐标系下的地磁场磁偏角；k＝1，2…n；
代表测量坐标系下地磁场磁偏角的n个采样数据通过变换矩阵T归算到标准坐标系下的地磁场磁偏角的平均值，
Zk代表标准坐标系下地磁场竖直分量的第k个采样数据，k＝1，2…n；
代表标准坐标系下采样到的n个地磁场竖直分量的平均值，
Zk"代表测量坐标系下地磁场竖直分量的第k个采样数据通过变换矩阵T归算到标准坐标系下的地磁场竖直分量；k＝1，2…n；
代表测量坐标系下地磁场竖直分量的n个采样数据通过变换矩阵T归算到标准坐标系下的地磁场竖直分量的平均值，
步骤5，对艏向角γ在[-π,π]区间范围进行遍历，解算到使目标函数最小的艏向角γ值，解算到的艏向角γ即为原位探测设备进入深海稳定后的艏向角。本步骤中，具体可采用遗传算法进行遍历，本发明对采用的具体解算方法并不限制。
本发明中，在上面解算艏向角的过程中，以步骤2获得的横摇角和纵摇角作为已知参数，因此，在采用遗传算法遍历求解时，只需要以艏向角为未知参数，在[-π,π]区间范围进行遍历即可求得最佳艏向角，具有解算过程简单、最佳艏向角求解精度高的优点。
而如果不将步骤2获得的横摇角和纵摇角代入后续的解算过程中，此时，如果将横摇角、纵摇角和艏向角这三个参数均作为未知参数，同时在[-π,π]区间范围进行遍历，也可通过遗传算法同时求解到最佳的横摇角、纵摇角和艏向角这三个参数。但此种方法具有以下不足：由于存在三个未知参数，因此，解算过程繁琐。
综上所述，本发明提供的海底沉积物原位探测设备的准实时方位角测量机构及方法具有以下优点：
本发明是一种用于在深海环境下开展海底沉积物原位探测过程中，调查设备的高精度、低附加值、操作简易的准实时方位角测量机构，，与现有技术相比，本发明基于双矢量磁力仪测量数据，尤其可在强磁场背景下精确获得原位探测设备的艏向角，具有抗干扰能力强、稳定性好以及测量重复性高等优点，有助于在海洋地质调查中有效开展定向的海底沉积物取样和原位探测。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种海底沉积物原位探测设备的准实时方位角测量机构，其特征在于，包括固定安装于科考船上的船上地磁矢量测量仪以及与原位探测设备固定到一起的水下测量单元；
其中，所述水下测量单元包括密封舱，内置于所述密封舱的方位角测量传感模块(2-4)、数据采集记录模块(2-6)和供电电池(2-2)；其中，所述方位角测量传感模块(2-4)包括MEMS微型固体摆以及水下地磁矢量测量仪；所述MEMS微型固体摆和所述水下地磁矢量测量仪的输出端均连接到所述数据采集记录模块(2-6)的输入端；所述供电电池(2-2)分别与所述方位角测量传感模块(2-4)和所述数据采集记录模块(2-6)连接。
2.根据权利要求1所述的海底沉积物原位探测设备的准实时方位角测量机构，其特征在于，所述密封舱包括上盖(1-2)、中筒(1-3)和下盖(1-4)；
所述上盖(1-2)、所述中筒(1-3)和所述下盖(1-4)通过预压安装在一起；所述上盖(1-2)和所述中筒(1-3)之间加装上盖密封氟橡胶O型圈(2-1)密封；所述中筒(1-3)和所述下盖(1-4)之间加装下盖密封氟橡胶O型圈(2-5)密封；
所述上盖(1-2)的表面具有标识N(1-5)，用于安装时将标识N的一端对应地理北，方便整机的定向。
3.根据权利要求2所述的海底沉积物原位探测设备的准实时方位角测量机构，其特征在于，所述上盖(1-2)和所述中筒(1-3)的连接方式为：在所述上盖(1-2)和所述中筒(1-3)之间通过4个第1M6螺钉(1-6)固定；所述上盖(1-2)预安装2个第2M6螺钉(1-7)作为顶丝；当需要拆卸所述上盖(1-2)时，首先旋转打开所述4个第1M6螺钉(1-6)，然后再通过旋进所述第2M6螺钉(1-7)，第2M6螺钉(1-7)产生与所述中筒(1-3)之间的推力，在推力的作用下，抵消上盖密封氟橡胶O型圈(2-1)的压力，进而实现所述上盖(1-2)的拆卸；
所述下盖(1-4)和所述中筒(1-3)的连接方式，与所述上盖(1-2)和所述中筒(1-3)的连接方式相同。
4.根据权利要求2所述的海底沉积物原位探测设备的准实时方位角测量机构，其特征在于，在所述密封舱的内部安装工字型支撑架(2-3)；所述工字型支撑架(2-3)具有四个安装平面，分别为上安装面(2-3-1)、左安装面(2-3-3)、右安装面(2-3-6)和下安装面(2-3-7)；所述上安装面(2-3-1)用于通过上安装孔(2-3-2)安装固定所述供电电池(2-2)；所述左安装面(2-3-3)用于通过左安装孔(2-3-4)安装固定所述方位角测量传感模块(2-4)；所述右安装面(2-3-6)用于安装固定所述数据采集记录模块(2-6)；所述下安装面(2-3-7)用于通过连接板(2-7)和下安装孔(2-3-5)与所述下盖(1-4)连接固定。
5.根据权利要求2所述的海底沉积物原位探测设备的准实时方位角测量机构，其特征在于，所述上盖(1-2)安装有8芯水密接口(1-1)；所述8芯水密接口(1-1)的1号到5号芯通过USB接口与所述数据采集记录模块(2-6)通信连接；6号和8号芯与所述供电电池(2-2)电连接，用于向所述供电电池(2-2)充电；6号芯和7号芯短接，用于向所述数据采集记录模块(2-6)和所述方位角测量传感模块(2-4)供电。
6.根据权利要求1所述的海底沉积物原位探测设备的准实时方位角测量机构，其特征在于，所述供电电池(2-2)采用锂电池。
7.一种基于权利要求1-6任一项所述的海底沉积物原位探测设备的准实时方位角测量机构的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，当水下测量单元随着原位探测设备一起进入到深海中时，同步启动船上地磁矢量测量仪和水下测量单元的方位角测量传感模块(2-4)；
方位角测量传感模块(2-4)的MEMS微型固体摆的测量数据为：从t＝0到t＝t1时间长度内，按采样间隔采集到的时间t对应的实时横摇角α以及实时纵摇角β；其中，t1为测量结束时间；
方位角测量传感模块(2-4)的水下地磁矢量测量仪的测量数据为：从t＝0到t＝t1时间长度内，按采样间隔采集到的时间t对应的测量坐标系下的地磁场水平分量H′，地磁场磁偏角D′和地磁场竖直分量Z′；
船上地磁矢量测量仪的测量数据为：从t＝0到t＝t1时间长度内，按采样间隔采集到的时间t对应的标准坐标系下的地磁场水平分量H，地磁场磁偏角D和地磁场竖直分量Z；
步骤2，对MEMS微型固体摆的测量数据进行分析，查找到实时横摇角α以及实时纵摇角β稳定时对应的起始时间t0，并读取到稳定时的横摇角和纵摇角数据，将稳定时的横摇角记为α′；将稳定时的纵摇角记为β′；
步骤3，设定观测数据数量为n组；查找水下地磁矢量测量仪的测量数据，从t0时刻开始连续读取n组采样数据，每组采样数据均包括测量坐标系下的地磁场水平分量H′，地磁场磁偏角D′和地磁场竖直分量Z′；
因此，测量坐标系下n组采样数据构成的数据记录矩阵为：
其中：H′1H′2…H′n分别为从t0时刻开始测量坐标系下连续n个地磁场水平分量的值；
D′1D′2…D′n分别为从t0时刻开始测量坐标系下连续n个地磁场磁偏角的值；
H′1H′2…H′n分别为从t0时刻开始测量坐标系下连续n个地磁场竖直分量的值；
查找船上地磁矢量测量仪的测量数据，从t0时刻开始连续读取n组采样数据，每组采样数据均包括标准坐标系下的地磁场水平分量H，地磁场磁偏角D和地磁场竖直分量Z；
因此，标准坐标系下n组采样数据构成的数据记录矩阵为：
其中：H1H2…Hn分别为从t0时刻开始标准坐标系下连续n个地磁场水平分量的值；
D1D2…Dn分别为从t0时刻开始标准坐标系下连续n个地磁场磁偏角的值；
Z1Z2…Zn分别为从t0时刻开始标准坐标系下连续n个地磁场竖直分量的值；
步骤4，建立目标函数F：
F＝-1×(ρH+ρD+ρZ)
其中：ρH为测量坐标系下地磁场水平分量记录数据通过变换矩阵TT归算至标准坐标系下后的地磁场水平分量，与标准坐标系下实测地磁场水平分量的相关系数；
ρD为测量坐标系下地磁场水平分量记录数据通过变换矩阵TT归算至标准坐标系下后的地磁场磁偏角，与标准坐标系下实测地磁场磁偏角的相关系数；
ρZ为测量坐标系下地磁场竖直分量记录数据通过变换矩阵TT归算至标准坐标系下后的地磁场竖直分量，与标准坐标系下实测地磁场竖直分量的相关系数；其中：
Hk″＝(cos(β′)cos(γ)+sin(α′)sin(β′)sin(γ))Hk′+(-cos(α′)sin(γ))Dk′
+(sin(β)cos(γ)-sin(α′)cos(β′)sin(γ))Zk′
Dk″＝(cos(β′)sin(γ)-sin(α′)sin(β′)cos(γ))Hk＇+(cos(α′)cos(γ))Dk′
+(sin(β′)sin(γ)-sin(α′)cos(β＇)cos(γ))Zk′
Zk″＝(-cos(α′)sin(β′))Hk′+(-sin(α′))Dk′+(cos(α′)cos(β′))Zk′
其中：
γ为待求解的艏向角；
Hk代表标准坐标系下地磁场水平分量的第k个采样数据，k＝1，2…n；
代表标准坐标系下采样到的n个地磁场水平分量的平均值，
Hk′代表测量坐标系下地磁场水平分量的第k个采样数据，k＝1，2…n；
Dk′代表测量坐标系下地磁场磁偏角的第k个采样数据，k＝1，2…n；
Zk′代表测量坐标系下地磁场竖直分量的第k个采样数据，k＝1，2…n；
Hk"代表测量坐标系下地磁场水平分量的第k个采样数据通过变换矩阵T归算到标准坐标系下的地磁场水平分量；k＝1，2…n；
代表测量坐标系下地磁场水平分量的n个采样数据通过变换矩阵T归算到标准坐标系下的地磁场水平分量的平均值，
Dk代表标准坐标系下地磁场磁偏角的第k个采样数据，k＝1，2…n；
代表标准坐标系下采样到的n个地磁场磁偏角的平均值，
Dk"代表测量坐标系下地磁场磁偏角的第k个采样数据通过变换矩阵T归算到标准坐标系下的地磁场磁偏角；k＝1，2…n；
代表测量坐标系下地磁场磁偏角的n个采样数据通过变换矩阵T归算到标准坐标系下的地磁场磁偏角的平均值，
Zk代表标准坐标系下地磁场竖直分量的第k个采样数据，k＝1，2…n；
代表标准坐标系下采样到的n个地磁场竖直分量的平均值，
Zk"代表测量坐标系下地磁场竖直分量的第k个采样数据通过变换矩阵T归算到标准坐标系下的地磁场竖直分量；k＝1，2…n；
代表测量坐标系下地磁场竖直分量的n个采样数据通过变换矩阵T归算到标准坐标系下的地磁场竖直分量的平均值，
步骤5，对艏向角γ在[-π,π]区间范围进行遍历，解算到使目标函数最小的艏向角γ值，解算到的艏向角γ即为原位探测设备进入深海稳定后的艏向角。
8.根据权利要求7所述的基于海底沉积物原位探测设备的准实时方位角测量机构的测量方法，其特征在于，步骤1中，船上地磁矢量测量仪和方位角测量传感模块(2-4)的同步启动方法为：
船上地磁矢量测量仪采用GPS授时；方位角测量传感模块(2-4)在深海作业之前采用GPS授时1次，授时成功后再下水，进而保证船上地磁矢量测量仪和方位角测量传感模块(2-4)的时钟同步性。
9.根据权利要求7所述的基于海底沉积物原位探测设备的准实时方位角测量机构的测量方法，其特征在于，步骤5中，采用遗传算法对艏向角γ在[-π,π]区间范围进行遍历，解算到使目标函数最小的艏向角γ值。
10.根据权利要求7所述的基于海底沉积物原位探测设备的准实时方位角测量机构的测量方法，其特征在于，步骤4中，测量坐标系与标准坐标系间的变换矩阵T表达式为：
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Wu Qiong Inventor after: Xu Xing Inventor after: Teng Yuntian Inventor after: Wang Xiaomei Inventor after: Wang Zhe Inventor before: Wu Qiong Inventor before: Xu Xing Inventor before: Teng Yuntian Inventor before: Wang Xiaomei Inventor before: Wang Zhe |
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| CB03 | Change of inventor or designer information |