CN111413750B - 一种用于电缆定位的磁通门传感器的误差校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电缆定位的磁通门传感器的误差校正方法，包括对传感器误差进行建模，简化模型，变化磁通门传感器姿态采集磁场数据；将测量数据求平均得出总磁场参考值；结合采集得到的磁场数据、总磁场参考值，用多元函数求极值的方法求取误差模型最优参数，得到某种传感器的误差校正模型；定位电缆时，结合传感器得到的磁场数值和误差校正模型反演出真实磁场值。本方法不需要更高精度的其它传感器给出参考值，同一传感器的误差校正模型及其参数不需要更改，模型的通用性较好。在没有干扰的区域得到的传感器误差模型，用于探测电缆时的数据处理，降低了用于电缆定位的磁通门传感器的误差，提高了测量精度。

Description

一种用于电缆定位的磁通门传感器的误差校正方法

技术领域

本发明涉及电缆定位磁通门传感器的技术领域，特别是涉及一种磁通门传感器误差校正方法。

背景技术

随着国民经济的飞速发展，城市地下电网日趋复杂，有些地下电缆的位置无法得到确定。为了对电缆进行定位以及寻径，提出了许多方法，其中，利用磁通门传感器探测磁场并对其进行分析，进而定位电缆是一种新兴的手段。该方法具有操作灵活，抗干扰能力强，辨别能力好的优点。

利用磁通门传感器探测磁场并对其进行分析的方法对于磁场的变化较为敏感，该方法的核心是磁通门传感器。由于电缆磁场本身较为微弱，如果磁通门传感器精度不够高，电缆磁场的变化就很容易被淹没到磁通门的误差当中，就会造成误判。因此，为了提高该种方法的精度，减少误判，就需要降低磁通门传感器自身的误差。减少磁通门传感器产生误差的方法主要有两类：一、从设备本身出发，使用高精度的传感器，但这会大大提高整套测量系统的成本；二、从传感器得到的数据出发，对于数据进行校正，从而降低误差，该种方法具有一定的通用性，一种校正算法能够迁移到多个传感器，而且成本低。

目前，现存的磁通门传感器校正方法都存在一定的问题。国内的吴德会等人提出基于FLANN的三轴磁强计误差校正研究，朱昀等人提出三轴磁强计转向差的自适应校正，这些方法具有一定的校正效果，但是也存在着算法复杂，某些参数获取困难，应用困难等问题。

因此提供一种用于电缆定位的磁通门传感器的误差校正方法，成为目前本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

针对传统磁通门传感器误差校正算法过于复杂，参数获取困难，从而无法应用于电缆定位的问题，发明的目的在于提供一种更为简单易行，并且能够应用于基于弱磁探测来定位地下电缆的磁通门传感器数据校正方法，该方法具有参数便于确定、使用要求低、不需要其他装置辅助的优点。在没有电缆铁管等干扰的区域得到的传感器误差模型，也能用于探测电缆时的数据处理，降低了用于电缆定位的磁通门传感器的误差，提高了测量精度。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种用于电缆定位的磁通门传感器的误差校正方法，包括以下步骤：

1)根据磁通门传感器的误差进行分类，并建立磁通门传感器的误差模型；

2)对磁通门传感器的误差模型进行化简，得到关于该误差模型的未知参数；

3)基于电缆定位测量数据，建立基于磁通门传感器的误差模型的初始反演模型；

4)在周围没有电力设施的初始地点变换磁通门传感器的姿态，采集磁场数据，取n组磁场数据值用于求解初始反演模型参数，其中，n>9；

5)更换测量地点，重复步骤4)，依此类推，得到m个n组磁场数据值；

6)结合不同磁通门传感器姿态下采集得到的m个n组磁场数据值，求出初始反演模型中的未知参数最优取值，得到基于磁通门传感器的误差模型的反演模型；

7)使用磁通门传感器探测电缆时，结合磁通门传感器磁场测量值和基于磁通门传感器的误差模型的反演模型，计算出被测电缆真实磁场值，得到电缆准确位置。

对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：

进一步，磁通门传感器的误差模型包括三轴非正交误差模型、标度系数误差模型和零偏误差模型，三轴非正交误差模型为真实磁场值与测量值磁场值之间的变化矩阵A，标度系数误差模型为真实磁场值与测量值磁场值之间的变化矩阵C，零偏误差模型为真实磁场值与测量值磁场值之间的变化矩阵d。

进一步，步骤2)中，对于误差模型进行化简，包括对矩阵A化简：

将坐标系O-XYZ与坐标系O₁-X₁Y₁Z₁旋转并位移后，原点O与原点O₁相重合，Z₁轴与Z轴重合，Y₁轴在面O-YZ内，矩阵A化简。

进一步，步骤2)中，对于误差模型进行化简，包括对矩阵C化简。

进一步，在变化磁通门传感器姿态时，以磁通门传感器固定中心进行旋转；相邻地点与地点之间的直线距离不超过200m。

进一步，步骤6)中，结合不同传感器姿态下采集得到的m个n组磁场数据值，带入初始反演模型中，求出反演初始模型中B_x2，B_y2，B_z2、C_x、C_y、C_z、d_x、d_y、d_z最优取值，代入初始反演误差模型；选取高精度总场模量在不同地点测量所得的共m组磁场数据，使得总场测量值B_2i ²的平均值与初始地点中n组真实值B_j ²差值的平方和最小。

选取高精度总场模量在不同地点测量所得的共m组磁场数据，需要剔除2n组数据中明显偏大或者偏小的数值。

本发明采用上述技术方案的有益效果在于：

1、由于通过对同一地点多组不同姿态的地磁场总量求平均，消除了地磁场总量的随机误差，大大提高了地磁场总量数值的精确度，从而避免使用更高精度的其它传感器给出参考值，降低了方法的设备要求。

2、由于模型的通用性较好，更换传感器的探测地点时，虽然地磁场等磁场环境变化较大，但是同一传感器的误差校正模型及其参数不需要更改，所以在没有电缆等干扰的区域得到的传感器误差模型，也能用于探测电缆时的数据处理，降低了用于电缆定位的磁通门传感器的误差，提高了测量精度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明一种用于电缆定位的磁通门传感器的误差校正方法的流程图；

图2为传感器坐标系与正交直角坐标系角度关系示意图；

图3为经过旋转变换后传感器坐标系与正交直角坐标系角度关系示意图；

图4为某公园某处地磁场探测值的模值平方B₂ ²；

图5为校正后地磁场真实值的模值平方B²。

具体实施方式

下面将结合附图来详细说明本发明，在此本发明的说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1所示，用于电缆定位的磁通门传感器的误差校正方法包括以下步骤：

步骤1：结合对于磁通门传感器误差的机理、特征的分析，对于误差进行分类，并建立磁通门传感器的误差模型。

每种磁通门传感器有三种误差，即三轴非正交误差、零偏误差和标度系数误差，这三类误差模型分别为：

1.1三轴非正交误差：参见图2，图中坐标系O-XYZ为正交直角坐标系，坐标系O₁-X₁Y₁Z₁为传感器的坐标系。

该误差是由于传感器坐标轴与正交直角坐标轴之间存在小角度而导致，其模型为真实磁场值与测量值磁场值之间的变化矩阵A，表示为

式中，θ₁、θ₃、θ₅为OX₁、OX₂、OX₃分别在坐标平面O-XY、坐标平面O-YZ、坐标平面O-ZX上的投影与OX、OY、OZ的夹角，θ₂、θ₄、θ₆分别为OX₁与坐标平面O-XY的夹角、OY₁与坐标平面O-YZ的夹角、OZ₁与坐标平面O-ZX的夹角。

1.2标度系数误差：该误差产生的原因是磁通门传感器的三个轴因电路、加工工艺不完全一致，进而导致三轴比例系数不完全相同，其模型是真实磁场值与测量值磁场值之间的变化矩阵C，表示为：

式中，c_xx、c_yx和c_zx表示当传感器只承受传感器X轴方向磁场时，传感器XYZ三个轴各自的测量值与外加X轴真实磁场值之间的关系；c_xy、c_yy和c_zy表示当传感器只承受传感器Y轴方向磁场时，传感器XYZ三个轴各自的测量值与外加Y轴真实磁场值之间的关系；c_xz、c_yz和c_zz表示当传感器只承受传感器Z轴方向磁场时，传感器XYZ三个轴各自的测量值与外加Z轴真实磁场值之间的关系。

1.3零偏误差：该误差是由于剩磁和电路的零点偏移现象，表现为当实际磁场值为零时，测量值不为零，相当于测量值与真实值之间存在固定偏移，其模型为真实磁场值与测量值磁场值之间的变化矩阵d，表示为

式中，d_x、d_y和d_z表示当传感器的三个轴外加真实磁场都为0时，三个磁场的测量输出值。

步骤2：对于磁通门传感器的误差模型进行简化处理，得到关于该误差模型的未知参数。

对于数学模型进行简化处理包括三个部分：

2.1为了简化模型，参见图3将坐标系O-XYZ与坐标系O₁-X₁Y₁Z₁旋转并位移后，原点O与原点O₁相重合，Z₁轴与Z轴重合，Y₁轴在面O-YZ内。矩阵A简化为

其中，α为OX₁在坐标平面O-XY上的投影与OX的夹角，β为OX₁与坐标平面O-XY的夹角，γ为OY1与OY的夹角。

2.2由于α、β和γ都为小角度，所以有cosα≈1，cosβ≈1，cosγ≈1，sinα≈α，sinβ≈β和cosγ≈γ，从而，矩阵A简化为

2.3由于三轴磁通门传感器之间独立，相互影响较小，所以各轴之间不会相互影响标度系数，所以矩阵C简化为

式中，c_x表示传感器只承受传感器X轴方向的磁场时，传感器X轴测量值与真实磁场值之比；c_y表示传感器只承受传感器Y轴方向的磁场时，传感器Y轴测量值与真实磁场值之比；c_z表示传感器只承受传感器Z轴方向的磁场时，传感器Z轴测量值与真实磁场值之比。

步骤3：基于电缆定位测量数据，建立基于磁通门传感器的误差模型的初始反演模型。

基于测量数据得出真实数据的磁通门传感器反演模型，B₂＝AC(B+d)，其中，B₂＝(B_x2 B_y2 B_z2)^T，B₂为磁通门传感器的测量值矢量，B_x2，B_y2，B_z2为磁通门传感器的测量值；B＝(B_x B_y B_z)^T，B为为被测磁场的真实值矢量，B与B₂之间的关系为：

式中，B＝(B_x B_y B_z)^T为被测磁场的真实值矢量，B₂＝(B_x2 B_y2 B_z2)^T为磁通门传感器的测量值矢量，B与B₂之间的关系。因为矩阵A、C为满秩矩阵，经过求逆变换后可得，基于测量磁场数据B₂得出真实磁场数据B的磁通门传感器反演模型：

式中，B＝(B_x B_y B_z)^T为被测磁场的真实值矢量，B₂＝(B_x2 B_y2 B_z2)^T为磁通门传感器的测量值矢量。

步骤4：在周围没有电力设施的初始地点变换磁通门传感器姿态，采集磁场数据，取n(n>9)组磁场值用于求解模型参数。不同传感器姿态，在变化传感器姿态时，以磁通门传感器固定中心进行旋转，保持传感器中心在固定位置。

步骤5：更换测量地点2，在地点2，地点1与地点2之间的直线距离不超过200m，保证两个地点的地磁场数值基本没有区别，并重复步骤4；依此类推，得到M个n组磁场数据值。

步骤6：结合地点1不同传感器姿态下采集得到的M个n组磁场数据，求出误差模型中的未知参数最优取值，代入误差模型，得到基于磁通门传感器的误差模型的反演模型。

结合不同传感器姿态下采集得到的n组磁场数据，求出误差模型中的未知参数最优取值。在参数最优值下，由于磁通门传感器的误差不可能完全消除，所以需要一个检验模型的误差标准，模型的某项误差不能高于这个标准，本发明选取的误差标准为总场的误差，使用以误差参数为自变量的多元函数来求极值得方法来求参数取值。较小区域内的地磁场总场强可以认为是恒定的，通过对小区域内多组不同姿态下测量的磁场总场强取平均，减少了随机误差，将磁场总场强的平均值当做真实值。比较该平均值与模型反演计算出的总场值，如果二者之间的误差足够小，则认为找到了模型的最优参数，如果不够小，则继续寻找模型参数。参数最优值的依据是，选取高精度总场模量在地点1和地点2测量所得的共m(n<m<2n)组磁场数据的总场测量值B_2i ²的平均值与地点1中n组真实值B_j ²(j＝1,…,n)差值的平方和最小，即

选取高精度总场模量在地点1和地点2测量所得的共m(n<m<2n)组磁场数据，需要剔除2n组数据中，明显偏大或者偏小的数值。求解最优参数的问题转换为了以九个参数为自变量的多元函数极值问题。

选取高精度总场模量在地点1和地点2测量所得的共m(n<m<2n)组磁场数据时，需要剔除2n组数据中，明显偏大或者偏小的数值。由于小区域内的地磁场总量一般是恒定的，不会出现剧烈变化。如果变化较大，一般是由于其他铁磁性金属干扰或者操作失误，需要将数据剔除。

步骤7：使用传感器探测电缆时，结合磁场测量值和磁通门传感器的反演模型计算出真实磁场值，进而更加准确地判断电缆位置。

下面给出具体实施例来进一步说明本发明。

以测量某公园处的地磁场为例，该处附近没有其他电力设施或大量铁磁性材料，地磁场较为稳定，受到的干扰少。

以某国产型磁通门传感器X轴为固定自转中心，转动传感器，记录传感器输出值，采集出140个数据点，其中探测值的模值平方B₂ ²结果如图4所示。

经过最优值计算得到的九个模型参数如表1所示。

表1 经过计算得出的误差参数

将参数代入模型，进而反演出地磁场真实值的模值平方B²如图5所示。

由以上结果的数据处理，降低了用于电缆定位的磁通门传感器的误差，提高了测量精度。因此，利用磁通门传感器探测磁场，对电缆进行定位以及寻径进行磁通门传感器误差校正对地下电缆定位具有重要意义。

Claims (10)

1.一种用于电缆定位的磁通门传感器的误差校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据磁通门传感器的误差进行分类，并建立磁通门传感器的误差模型；

2)对磁通门传感器的误差模型进行化简，得到关于该误差模型的未知参数；

3)基于电缆定位测量数据，建立基于磁通门传感器的误差模型的初始反演模型；

4)在周围没有电力设施的初始地点变换磁通门传感器的姿态，采集磁场数据，取n组磁场数据值用于求解初始反演模型参数，其中，n>9；

5)更换测量地点，重复步骤4)，依此类推，得到m个n组磁场数据值；

6)结合不同磁通门传感器姿态下采集得到的m个n组磁场数据值，求出初始反演模型中的未知参数最优取值，得到基于磁通门传感器的误差模型的反演模型；

7)使用磁通门传感器探测电缆时，结合磁通门传感器磁场测量值和基于磁通门传感器的误差模型的反演模型，计算出被测电缆真实磁场值，得到电缆准确位置。

2.根据权利要求1所述的用于电缆定位的磁通门传感器的误差校正方法，其特征在于，磁通门传感器的误差模型包括三轴非正交误差模型：

误差模型为真实磁场值与测量值磁场值之间的变化矩阵A，表示为

式中，θ₁、θ₃、θ₅为OX₁、OX₂、OX₃分别在坐标平面O-XY、坐标平面O-YZ、坐标平面O-ZX上的投影与OX、OY、OZ的夹角，θ₂、θ₄、θ₆分别为OX₁与坐标平面O-XY的夹角、OY₁与坐标平面O-YZ的夹角、OZ₁与坐标平面O-ZX的夹角。

3.根据权利要求1所述的用于电缆定位的磁通门传感器的误差校正方法，其特征在于，磁通门传感器的误差模型包括标度系数误差模型：

模型为真实磁场值与测量值磁场值之间的变化矩阵C，表示为：

式中，c_xx、c_yx和c_zx表示当传感器只承受传感器X轴方向磁场时，传感器XYZ三个轴各自的测量值与外加X轴真实磁场值之间的关系；c_xy、c_yy和c_zy表示当传感器只承受传感器Y轴方向磁场时，传感器XYZ三个轴各自的测量值与外加Y轴真实磁场值之间的关系；c_xz、c_yz和c_zz表示当传感器只承受传感器Z轴方向磁场时，传感器XYZ三个轴各自的测量值与外加Z轴真实磁场值之间的关系。

4.根据权利要求1所述的用于电缆定位的磁通门传感器的误差校正方法，其特征在于，磁通门传感器的误差模型包括零偏误差模型：

模型为真实磁场值与测量值磁场值之间的变化矩阵d，表示为：

式中，d_x、d_y和d_z表示当传感器的三个轴外加真实磁场都为0时，三个磁场的测量输出值。

5.根据权利要求1所述的用于电缆定位的磁通门传感器的误差校正方法，其特征在于，步骤2)中，对于误差模型进行化简，包括对矩阵A化简：

1)将坐标系O-XYZ与坐标系O₁-X₁Y₁Z₁旋转并位移后，原点O与原点O₁相重合，Z₁轴与Z轴重合，Y₁轴在面O-YZ内，矩阵A简化为：

其中，α为OX₁在坐标平面O-XY上的投影与OX的夹角，β为OX₁与坐标平面O-XY的夹角，γ为OY1与OY的夹角；

2)矩阵A简化为

6.根据权利要求1所述的用于电缆定位的磁通门传感器的误差校正方法，其特征在于，步骤2)中，对于误差模型进行化简，包括对矩阵C化简：

式中，c_x表示传感器只承受传感器X轴方向的磁场时，传感器X轴测量值与真实磁场值之比；c_y表示传感器只承受传感器Y轴方向的磁场时，传感器Y轴测量值与真实磁场值之比；c_z表示传感器只承受传感器Z轴方向的磁场时，传感器Z轴测量值与真实磁场值之比。

7.根据权利要求5所述的用于电缆定位的磁通门传感器的误差校正方法，其特征在于，所述步骤3)，基于测量数据，建立基于磁通门传感器的误差模型的初始反演模型：

式中，B_x2，B_y2，B_z2为磁通门传感器的测量值；B_x，B_y，B_z为被测磁场的真实值；c_x，c_y，c_z分别为传感器单独承受X轴、Y轴和Z轴方向磁场时，传感器X轴、Y轴和Z轴的测量值与真实值之比；d_x，d_y，d_z为当传感器的三个轴外加真实磁场都为0时，三个磁场的测量输出值。

8.根据权利要求1所述的用于电缆定位的磁通门传感器的误差校正方法，其特征在于，在变化磁通门传感器姿态时，以磁通门传感器固定中心进行旋转；相邻地点与地点之间的直线距离不超过200m。

9.根据权利要求7所述的用于电缆定位的磁通门传感器的误差校正方法，其特征在于，步骤6)中，结合不同传感器姿态下采集得到的m个n组磁场数据值，带入初始反演模型中，求出初始反演模型中B_x2，B_y2，B_z2、C_x、C_y、C_z、d_x、d_y、d_z最优取值，代入初始反演误差模型；

选取高精度总场模量在不同地点测量所得的共m组磁场数据，使得总场测量值B_2i ²的平均值与初始地点中n组真实值B_j ²差值的平方和最小，n<m<2n，i表示m组测量数据中的第i组测量数据B₂ ²，j为表示n组测量数据中的第j组数据代入反演模型得出来的含有九个参数的真实值B²，j＝1,…,n，即

10.根据权利要求9所述的用于电缆定位的磁通门传感器的误差校正方法，其特征在于，选取高精度总场模量在不同地点测量所得的共m组磁场数据，需要剔除2n组数据中明显偏大或者偏小的数值。

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