CN110501748B - 一种半航空瞬变电磁接收探头姿态矫正系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种半航空瞬变电磁三分量接收探头姿态矫正方法，属于地球物理勘探技术领域。本发明通过在地表磁性源发射回线中供入线性关断的梯形波发射电流，在任意倾斜姿态的接收探头中接收全波形感应电动势三分量，通过理论公式解析计算线性关断期间的理论感应电动势三分量，并与实测值进行比较，来计算确定完全断电后接收探头磁通量的修正量，实现接收探头姿态矫正。本发明无需添加其它角度传感器，仅通过瞬变电磁场数据就能矫正接收探头方向，保证了探测数据的一致性，而且不会带来新的干扰。

Description

一种半航空瞬变电磁接收探头姿态矫正系统与方法
技术领域
本发明公开了一种半航空瞬变电磁接收感应电动势三分量接收探头姿态矫正系统与方法，属于地球物理勘探领域。
背景技术
半航空瞬变电磁因其施工效率高、施工方便等原因，受到国内外地球物理学者的亲耐，广泛应用于煤田、金属矿、地质普查等领域。它是在地面布设发射回线，在空中移动平台搭载接收探头进行勘探的一种方法。但是在实际应用中发现，接收探头在空中飞行过程中，姿态难以控制，勘探数据的一致性难以保障，从而影响勘探精度。
针对此问题，公开号为CN1O8572394A的中国发明专利公开了一种半航空瞬变电磁接收线圈姿态记录装置及姿态矫正方法，该专利通过在接收探头附近搭载三分量倾角传感器来记录采集探头的倾角,从而实现接收探头姿态的矫正。公开号为CN206649351U的中国实用新型专利公开了一种地空瞬变电磁接收线框自动升降调平装置，该专利利用惯性测量单元、调平主控器、遥控接收器、步进电机等硬件结构，在空中测量过程中，实时保证接收线圈姿态一致。公开号为 CN206649351U的中国实用新型专利公开了一种收发线圈分离的固定翼航空瞬变电磁姿态影响测试装置，它通过在航空高度测试仪、航空气压传感器、航空气温传感器和航空测速传感器等传感器来测试固定翼航空瞬变电磁姿态影响的装置。
这些专利有一个共同特征均是利用专门的角度传感器来记录接收探头的姿态，来保证接收探头姿态的一致性，但是缺点是这些用于记录接收探头姿态的角度传感器均位于瞬变电磁接收探头附近，给测量数据带来了新的电磁干扰，影响勘探精度。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本专利公开了一种半航空瞬变电磁接收线圈姿态矫正系统与方法。该方法无需在移动平台搭载新的角度传感器，利用半航空三分量接收探头本身与梯形波发射波形，通过理论公式解析计算线性关断期间的理论感应电动势三分量，并与实测值进行比较，就可实现接收探头姿态矫正。
一种半航空瞬变电磁接收探头姿态矫正系统包括地面发射机、地表发射回线、空中接收平台、接收机、感应电动势三分量接收探头和GPS。所述地面发射机与地表发射回线相连，用于向地下发射信号，接收机固定于空中接收平台，接收探头与空中接收平台采用绝缘材料连接，并保持一定的距离，GPS固定于接收探头附近，用于记录接收探头位置坐标，接收机用于记录采集的全波形信号。
所述的一种半航空瞬变电磁接收探头姿态矫正系统中的发射机向发射回线周期性的发送正负交替的梯形波，梯形波下降沿采用线性关断。所述的一种半航空瞬变电磁接收探头姿态矫正系统的发射回线形状可以为任意形状，发射回线轨迹的GPS坐标误差要控制在1m以内, 以保证理论计算响应的准确性。
所述的一种半航空瞬变电磁接收探头姿态矫正系统中的空中接收平台、接收机、感应电动势三分量接收探头和GPS采用集成方式集中于一体。GPS用于记录接收探头的GPS坐标。
所述的一种半航空瞬变电磁接收探头姿态矫正系统中的接收机采用全波形记录的方式，对上升沿、持续沿、下降沿以及断电期间进行全时段记录。由于梯形波下降沿为线性关断，其斜率为恒定值，那么对于有限长导线其感应电动势三分量响应可以通过解析解求得，对于任意形状发射回线可剖分为多个有限长导线通过数值积分求得。
一种半航空瞬变电磁接收探头姿态矫正方法是利用梯形发射波形关断期间的斜率计算理论三分量感应电动势，并与实测的同一时刻的三分量感应电动势分别做比值，即为实际接收探头各个方向磁通量的矫正值。
所述的一种半航空瞬变电磁接收探头姿态矫正方法中的坐标系定义为：X坐标轴为东向，Y坐标轴为北向，垂直向上为Z向。
本发明提供的接收探头姿态矫正系统与方法简单易行，而无需添加其它角度传感器，降低了接收系统的电磁干扰，简化了系统结构。
附图说明
图1梯形波发射波形示意图
图2三分量坐标系示意图
图3有限长导线产生的一次场示意图
图4三维坐标系旋转示意图
具体实施方式
结合附图进一步对本发明的具体实施方式进行说明：
一种半航空瞬变电磁接收探头姿态矫正系统，其特征是包括地面发射机、地表发射回线、空中接收平台、接收机、感应电动势三分量接收探头和GPS。所述地面发射机与地表发射回线相连，用于向地下发射信号，接收机固定于空中接收平台，接收探头与空中接收平台采用绝缘材料连接，并保持一定的距离，GPS固定于接收探头附近，用于记录接收探头位置坐标，接收机用于记录采集的全波形信号。
所述的地表发射回线中发射线性关断的梯形波，电流I0为逆时针方向，线性关断时间为TRamp，如图1所示，并且实测的发射回线的GPS坐标分别为(X1,Y1,Z1)、(X2,Y2,Z2)、…、(Xn,Yn,Zn),将发射回线剖分为n段有限长导线，那么每一段发射回线在空中测点(X0,Y0,Z0)处线性关断期间的理论三分量值按照如下公式计算，
Figure BDA0002195985960000041
其中
Figure BDA0002195985960000042
t1为关断期间的某个时刻，dz为Z方向微分，
Figure BDA0002195985960000043
为ρ方向单位矢量,从公式(1)可以看出，垂直导线源只有X分量和Y分量，Z分量为零。在采用公式计算时，首先需要借助三维直角坐标系的旋转公式(2)、(3)、(4)将发射回线的每一段变换到图3坐标系进行计算，
Figure BDA0002195985960000044
Figure BDA0002195985960000045
Figure BDA0002195985960000051
其中，x,y,z为实测的GPS坐标，x′,y′,z′为理论坐标系坐标，γ为每一段发射源与图4坐标系Z轴的旋转角，α为每一段发射源与图4坐标系X轴的旋转角，β为每一段发射源与图4坐标系Y轴的旋转角。然后经过计算的三分量投影到图2坐标系，对每一段产生的三分量进行累加求和就可实现地面任意形状发射回线在关断期间的三分量计算。计算公式如下式，
Figure BDA0002195985960000052
Figure BDA0002195985960000053
Figure BDA0002195985960000054
其中n为发射回线的段数，
Figure BDA0002195985960000055
为计算的t1时刻的理论三分量，
Figure BDA0002195985960000056
为每一段发射源计算的理论三分量。那么对于某个测点三分量的矫正系数分别为，
Figure BDA0002195985960000057
Figure BDA0002195985960000058
Figure BDA0002195985960000059
对于其它时刻的三分量按照如下公式进行矫正，就可将任意角度的三分量矫正到规定坐标系的三分量。
Figure BDA0002195985960000061
Figure BDA0002195985960000062
Figure BDA0002195985960000063
其中
Figure BDA0002195985960000064
为校正后不受接收姿态的三分量。

Claims (4)

1.一种半航空瞬变电磁接收探头姿态矫正方法，其特征是：利用梯形波线性关断期间的斜率计算理论三分量感应电动势，并与实测的关断期间的三分量感应电动势做比值，即为实际接收探头磁通量与定义坐标系磁通量的修正值，对其它时刻的三分量采用关断期间的修正值进行矫正，就可将任意姿态接收的三分量场值矫正到规定坐标系中；其中，利用梯形波线性关断期间的斜率计算理论三分量感应电动势包括：将发射回线剖分成n段有限长导线，计算每一段发射回线在空中测点处线性关断期间的理论三分量值，将经过计算的三分量投影到三分量理论坐标系中，对每一段发射回线产生的三分量进行累加求和以得到发射回线总的理论三分量感应电动势。
2.如权利要求1所述的一种半航空瞬变电磁接收探头姿态矫正方法，其特征是：所述三分量理论坐标系中，X坐标轴为东向，Y坐标轴为北向，垂直向上为Z向。
3.如权利要求1所述的一种半航空瞬变电磁接收探头姿态矫正方法，其特征是：梯形波下降沿为线性关断，其感应电动势三分量可以解析求得。
4.如权利要求1所述的一种半航空瞬变电磁接收探头姿态矫正方法，其特征是：利用关断期间感应三分量的解析解与实测三分量值做比值，而求得实际接收探头各个方向的修正量。
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