CN113341359B - 一种Overhauser磁力仪磁测数据置信水平评价方法 - Google Patents

一种Overhauser磁力仪磁测数据置信水平评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种Overhauser磁力仪磁测数据置信水平评价方法，包括建立不同类型噪声与FID信号特征间的映射关系，得到不同噪声对信号特征的影响，包括幅度变化、衰减速度等；以信号衰减快慢粗略表征信号质量高低，建立X评价体系；分析含噪信号的函数表达式，建立信号信噪比表达式，在此基础上建立Y评价体系；建立磁测误差表达式，分析不同条件下的磁测误差大小；在磁场波动变化和磁测误差变化的基础上建立Z评价体系；以X、Y、Z构成整体磁测数据置信水平评价方法，实现不同测量环境中磁测数据质量的实时准确评价，本评价方法不仅能够实现信号质量评价，且能够进一步实现磁测数据真实置信水平的评价。

Description

一种Overhauser磁力仪磁测数据置信水平评价方法
技术领域
本发明涉及磁测技术领域，尤其涉及一种Overhauser磁力仪磁测数据置信水平评价方法。
背景技术
地磁场是由不同来源的磁场叠加构成的微弱的矢量场，不同测量环境中地磁场信息存在差异。地磁场信息的准确获取会影响空间探测、国防建设、地质和矿产资源调查、医学仪器等领域的发展。因此，实现地磁场高精度测量，并对磁场测量数据置信水平的高低作出准确评价具有现实意义。在多类磁测仪器中，Overhauser磁力仪是绝对测量精度最高的标量磁力仪。但在实际测量过程中，磁场测量值是否能够真实体现地磁场变化情况是未知的。现有应用较多的商用Overhauser磁力仪，包括加拿大GEM公司研制的GEM-19系列、俄罗斯乌拉尔国立技术大学量子测磁学实验室的POS系列，都具备质量评价功能。由于国内对Overhauser磁力仪的相关研究起步较晚，置信水平评价体系还未完全建立，且磁测数据质量并不仅由信号质量决定，还会受到包括日变干扰、算法误差等的综合影响。本评价方法不仅能够实现信号质量评价，且能够进一步实现磁测数据真实置信水平的评价。
发明内容
有鉴于此，本发明目的是提供一种Overhauser磁力仪磁测数据置信水平评价方法，包括以下步骤：
S1、建立在不同类型噪声影响下FID信号表达式，得到不同噪声对信号特征的影响程度，包括幅度变化、衰减速度；
S2、以信号衰减快慢粗略表征信号质量高低，建立X评价体系；
S3、分析含噪信号的函数表达式，建立信号信噪比表达式，在此基础上建立Y评价体系；
S4、建立磁测误差表达式，分析不同条件下的磁测误差大小；
S5、在磁场波动变化和磁测误差变化的基础上建立Z评价体系；
S6、以X、Y、Z构成整体磁测数据置信水平评价方法，实现不同测量环境中磁测数据质量的实时准确评价。
进一步地，S1所述在不同类型噪声影响下FID信号特征表达式为：
Figure BDA0003075002930000021
其中，a表示含噪信号的初始幅度，b表示窄带噪声对相位的影响，c表示白噪声和内部热噪声干扰的影响，T2表示信号弛豫时间，t表示时间，εF(t)表示含噪的拉莫尔信号表达式。
进一步地，为进一步描述信号衰减速度，以f(t)表示信号包络曲线函数，所述X评价体系公式如下：
Figure BDA0003075002930000022
Figure BDA0003075002930000023
其中，x表示包络函数发生固定变化所需的时间，a表示含噪信号的初始幅度，T2表示信号弛豫时间，t表示时间，f(0)表示包络函数的初始幅度，采样周期为1s，X表示信号衰减速度的评价结果。
进一步地，S3所述Y评价体系公式如下：
Figure BDA0003075002930000031
其中，y表示传感器输出信号信噪比水平，ny0＝x·fx表示含噪信号幅度所需的累加的次数，fx表示待测拉莫尔信号的频率大小，σ＝c·x·fx≈m·|x-1|·x·fx表示输出信号噪声的累加，k和m为常数，f(0)表示包络函数的初始幅度，c表示白噪声和内部热噪声干扰的影响，Y表示信号信噪比的评价结果。
进一步地，S4所述磁测误差ΔBf的计算公式如下：
Figure BDA0003075002930000032
其中，x表示包络函数发生固定变化所需的时间，y表示信号信噪比水平，k1、k2、k1'、k2'均为常数，X、Y分别表示信号衰减速度和信号信噪比的评价结果。
进一步地，S5所述建立的Z评价体系公式如下：
Figure BDA0003075002930000033
其中，ΔBi为测量差值的大小，ΔBf为磁测误差，F′(ΔBi)表示测量差值与评价体系之间的映射函数式，F'(ΔBi)＝[10-ΔBi]。
进一步地，S6所述构成的整体磁测数据置信水平评价方法公式如下：
QOM＝G(x,y,ΔBi,ΔBf)＝XYZ
其中，影响信号质量X和Y的因素包括信号衰减速度x，信号信噪比y，影响磁测数据误差Z的因素受到信号质量和磁测波动大小ΔBi、磁测误差ΔBf的综合影响。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：(1)对信号质量相关特征变化进行理论分析，建立信号质量评价体系；(2)当信号质量不发生变化时，QOM评价结果能实时体现测量数据波动水平；(3)外界环境发生剧烈变化时，QOM评价结果能及时反映出信号质量变化以及磁测数据真实置信水平的变化。
附图说明
图1是本发明一种Overhauser磁力仪磁测数据置信水平评价方法流程图；
图2是本发明不同磁场环境下信号包络曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明提供了一种Overhauser磁力仪磁测数据置信水平评价方法；磁场测量数据置信水平主要受两个方面的影响，包括传感器输出信号质量及测频算法误差。首先传感器输出的拉莫尔信号受外部干扰(白噪声、色噪声、窄带噪声、相位噪声)的影响，在经过信号调理电路后信号质量会进一步受到内部噪声(热噪声)的影响。另一方面，不同信噪比条件下测频误差不同，虽然外界磁场背景干扰的变化等可能并不会对信号质量造成很大的影响，但磁场测量值会受到干扰影响从而产生不同程度的波动，影响磁测数据真实置信水平。
本发明具体步骤如下：
S1、建立在不同类型噪声影响下FID信号表达式，得到不同噪声对信号特征的影响程度，包括幅度变化、衰减速度；
当Overhauser磁力仪在复杂变化的测量环境中连续观测时，信号特征会发生改变，从而影响信噪比及测量误差，拉莫尔信号本身是随时间指数衰减的正弦信号，通过分析信号衰减速度、信号包络平滑程度等特征变化可以初步判断信号质量；表达式为：
Figure BDA0003075002930000051
其中，a表示含噪信号的初始幅度，b表示窄带噪声对相位的影响，c表示白噪声和内部热噪声干扰的影响，T2表示信号弛豫时间，t表示时间，εF(t)表示含噪的拉莫尔信号表达式。
S2、以信号衰减快慢粗略表征信号质量高低，建立X评价体系；
请参考图2，为进一步描述信号衰减速度，以f(t)表示信号包络曲线函数，S2所述X评价体系公式如下：
Figure BDA0003075002930000052
Figure BDA0003075002930000053
其中，x表示包络函数发生固定变化所需的时间，a表示含噪信号的初始幅度，T2表示信号弛豫时间，t表示时间，f(0)表示包络函数的初始幅度，采样周期为1s，X表示信号衰减速度的评价结果。
S3、分析含噪信号的函数表达式，建立信号信噪比表达式，在此基础上建立Y评价体系；公式如下：
Figure BDA0003075002930000061
其中，y表示传感器输出信号信噪比水平，ny0＝x·fx表示含噪信号幅度所需的累加的次数，fx表示待测拉莫尔信号的频率大小，σ＝c·x·fx≈m·|x-1|·x·fx表示输出信号噪声的累加，k和m为常数，f(0)表示包络函数的初始幅度，c表示白噪声和内部热噪声干扰的影响，Y表示信号信噪比的评价结果。
S4、建立磁测误差表达式，分析不同条件下的磁测误差大小；公式如下：
Figure BDA0003075002930000062
其中，x表示包络函数发生固定变化所需的时间，y表示信号信噪比水平，k1、k2、k1'、k2'均为常数，X、Y分别表示信号衰减速度和信号信噪比的评价结果，XY整体表示信号质量评价结果。
S5、在磁场波动变化和磁测误差变化的基础上建立Z评价体系；公式如下：
Figure BDA0003075002930000063
其中，ΔBi为测量差值的大小，ΔBf为磁测误差，磁场波动越大，磁场测量误差越大，此时磁场测量数据的置信水平就越低，F′(ΔBi)表示测量差值与评价体系之间的映射函数式，F'(ΔBi)＝[10-ΔBi]。
S6、以X、Y、Z构成整体磁测数据置信水平评价方法，实现不同测量环境中磁测数据质量的实时准确评价，为现场测试工作提供便利，公式如下：
QOM＝G(x,y,ΔBi,ΔBf)＝XYZ
其中，影响信号质量X和Y的因素包括信号衰减速度x，信号信噪比y，影响磁测数据误差Z的因素受到信号质量(XY)和磁测波动大小ΔBi、磁测误差ΔBf的综合影响。
本方法对信号质量相关特征变化进行理论分析，建立信号质量评价体系；
在稳定测量环境中，信号质量基本保持不变，此时改变传感器所处环境的干扰大小(使用磁性物体靠近传感器)，分别比较商用仪器(GEM-19)和使用QOM评价方法的对信号质量的评价结果，如表1所示，QOM评价结果与GEM-19评价结果趋势一致。
表1不同磁测环境下信号质量评价结果
Figure BDA0003075002930000071
当信号质量不发生变化时，QOM评价结果能实时体现测量数据波动水平，当磁场发生不同程度的波动时，Z的评价结果也有发生变化。
外界环境发生剧烈变化时，QOM评价结果能及时反映出信号质量变化以及磁测数据真实置信水平的变化，当信号质量较低且磁测波动很大时，测量值并不能够真实体现地磁场真实水平，此时评价结果也说明磁测数据置信水平较低。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (2)

1.一种Overhauser磁力仪磁测数据置信水平评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立在不同类型噪声影响下FID信号表达式，得到不同噪声对信号特征的影响程度，包括幅度变化、衰减速度；
在不同类型噪声影响下FID信号特征表达式为：
Figure FDA0003499840350000012
其中，a表示含噪信号的初始幅度，b表示窄带噪声对相位的影响，c表示白噪声和内部热噪声干扰的影响，T2表示信号弛豫时间，t表示时间，εF(t)表示含噪的拉莫尔信号表达式；
S2、以信号衰减快慢粗略表征信号质量高低，建立X评价体系；
为进一步描述信号衰减速度，以f(t)表示信号包络曲线函数，所述X评价体系公式如下：
Figure FDA0003499840350000013
Figure FDA0003499840350000011
其中，x表示包络函数发生固定变化所需的时间，a表示含噪信号的初始幅度，T2表示信号弛豫时间，t表示时间，f(0)表示包络函数的初始幅度，采样周期为1s，X表示信号衰减速度的评价结果；
S3、分析含噪信号的函数表达式，建立信号信噪比表达式，在此基础上建立Y评价体系；
所述Y评价体系公式如下：
Figure FDA0003499840350000021
其中，y表示传感器输出信号信噪比水平，ny0＝x·fx表示含噪信号幅度所需的累加的次数，fx表示待测拉莫尔信号的频率大小，σ＝c·x·fx≈m·|x-1|·x·fx表示输出信号噪声的累加，k和m为常数，f(0)表示包络函数的初始幅度，c表示白噪声和内部热噪声干扰的影响，Y表示信号信噪比的评价结果；
S4、建立磁测误差表达式，分析不同条件下的磁测误差大小；
所述磁测误差ΔBf的计算公式如下：
Figure FDA0003499840350000022
其中，x表示包络函数发生固定变化所需的时间，y表示信号信噪比水平，k1、k2、k1'、k2'均为常数，X、Y分别表示信号衰减速度和信号信噪比的评价结果；
S5、在磁场波动变化和磁测误差变化的基础上建立Z评价体系；
所述建立的Z评价体系公式如下：
Figure FDA0003499840350000023
其中，ΔBi为测量差值的大小，ΔBf为磁测误差，F′(ΔBi)表示测量差值与评价体系之间的映射函数式，F'(ΔBi)＝[10-ΔBi]；
S6、以X、Y、Z构成整体磁测数据置信水平评价方法，实现不同测量环境中磁测数据质量的实时准确评价。
2.根据权利要求1所述的一种Overhauser磁力仪磁测数据置信水平评价方法，其特征在于，S6所述构成的整体磁测数据置信水平评价方法公式如下：
QOM＝G(x,y,ΔBi,ΔBf)＝XYZ
其中，影响信号质量X和Y的因素包括信号衰减速度x，信号信噪比y，影响磁测数据误差Z的因素受到信号质量和磁测波动大小ΔBi、磁测误差ΔBf的综合影响。
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