CN115933005B - 一种用于半航空电磁系统姿态误差抵消的装置及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于半航空电磁系统姿态误差抵消的装置及处理方法，该方法包括，基于所述测量线圈变化的姿态角，对所述可调抵消线圈的姿态角进行调整；基于姿态角调整后的抵消线圈对获取抵消线圈磁感应强度；基于所述抵消线圈磁感应强度计算得到测量线圈的姿态误差数据；基于所述测量线圈磁感应强度与所述姿态误差数据得到姿态误差抵消的测量线圈磁感应强度。

Description

一种用于半航空电磁系统姿态误差抵消的装置及处理方法

技术领域

本发明涉及磁场测量技术领域，特别涉及一种用于半航空电磁系统姿态误差抵消的装置及处理方法。

背景技术

半航空电磁探测方法能够应用于地形复杂区域探测，且具备大深度快速探测的优势，但由于被测垂直磁场分量信号微弱，且随收发距增大快速衰减，系统的信噪比较低，导致系统有效探测深度和探测范围受限。因此，提高系统信噪比对于提升系统探测深度和精度至关重要，其中的关键技术之一在于尽可能地降低接收系统的噪声水平。

半航空电磁探测系统的主要噪声来源是接收系统移动测量过程中在接收线圈中引入的运动噪声。线圈运动过程中姿态变化，导致线圈在被测磁场方向上等效接收面积发生变化，并引入远大于被测垂直磁场分量的水平磁场分量而引入姿态误差。针对姿态误差，现有技术中航空频率域电磁探测数据姿态校正方法，提出了一种基于“三轴姿态测量+视电阻率迭代计算”的姿态校正方法，在一定程度上校正了姿态误差。但是，该方法以“一维大地电性模型中，姿态偏转后的响应磁场随电阻率单调变化”假设为前提，对三维异常探测数据的姿态误差校正效果不明，且未能从根本上解决半航空系统的磁场姿态误差问题。所以现有技术中存在如下技术问题：

1、现有运动噪声去除方法一般针对时间域系统或特定来源的噪声加以处理，对半航空电磁系统中同频运动噪声(探测频率与姿态误差同频)无能为力。

2、现有姿态误差校正方法对三维异常探测数据的姿态误差校正效果不明，且未能从根本上解决半航空系统的磁场姿态误差问题。

发明内容

为解决上述现有技术中所存在的问题，本发明提供一种用于半航空电磁系统姿态误差抵消的装置及处理方法，能够减小系统姿态误差影响，提升磁场测量的精度。

为了实现上述技术目的，本发明提供了如下技术方案：一种用于半航空电磁系统姿态误差抵消的装置，包括：

测量线圈、抵消线圈、逻辑控制装置及姿态调整器件；

其中抵消线圈设置于测量线圈的不同方向上，且同一方向上相互对称设置的抵消线圈为一组抵消线圈对，其中抵消线圈对由一个可调抵消线圈和一个固定抵消线圈组成，其中姿态调整器件与可调抵消线圈连接且与可调抵消线圈套接在测量线圈上，固定抵消线圈固定于测量线圈上；逻辑控制装置与姿态调整器件连接用于控制姿态调整器件调整可调抵消线圈的姿态。

可选的，姿态调整结构采用微型电机，其中微型电机绝缘固定于测量线圈上，并设置于可调抵消线圈中心处。

可选的，测量线圈及抵消线圈为轴对称形状的线圈。

为了更好的实现上述技术目的，本发明还提供了一种半航空电磁系统姿态误差抵消处理方法，包括：

获取测量线圈磁感应强度和变化的姿态角；

基于测量线圈变化的姿态角，对可调抵消线圈的姿态角进行调整；基于姿态角调整后的抵消线圈对获取抵消线圈磁感应强度；基于抵消线圈磁感应强度计算得到测量线圈的姿态误差数据；基于测量线圈磁感应强度与姿态误差数据得到姿态误差抵消的测量线圈磁感应强度。

可选的，测量线圈变化的姿态角获取过程包括：

在测量线圈处于完全水平的状态下，构建初始坐标系；在测量线圈姿态变化过程中，实时构建旋转坐标系，根据初始坐标系及旋转坐标系计算得到测量线圈不同方位变化的姿态角，其中测量线圈变化的姿态角包括偏航角、俯仰角及横滚角。

可选的，获取的测量线圈磁感应强度B_r为：

其中，R为整体旋转矩阵，B_x表示x方向的真实磁感应强度，B_y表示y方向的真实磁感应强度，B_z表示z方向的真实磁感应强度，c代表余弦函数cos，s代表正弦函数sin，表示偏航角；/>表示俯仰角；/>表示横滚角，ΔB_r为姿态误差数据。

可选的，对可调抵消线圈的姿态角进行调整的过程包括：

基于测量线圈变化的姿态角，调整抵消线圈的姿态角，其中，当抵消线圈对所在方位为x方向，则通过姿态调整器件调整可调抵消线圈的俯仰角，调整过程中可调抵消线圈与测量线圈俯仰角度绝对值相同但方向相反，固定抵消线圈与测量线圈俯仰角的绝对值及方向均相同，当抵消线圈对所在方位为y方向，则调整可调抵消线圈的横滚角，调整过程中可调抵消线圈与测量线圈横滚角度绝对值相同但方向相反，固定抵消线圈与测量线圈俯仰角的绝对值及方向均相同。

可选的，计算得到姿态误差数据ΔB_r的过程为：

其中ΔB_r1为x方向的抵消线圈对实测磁感应强度偏差，ΔB_r2为y方向的抵消线圈对实测磁感应强度偏差。

本发明具有如下技术效果：

本发明针对单分量半航空电磁探测系统的姿态误差问题，提出一种基于对称抵消线圈组的半航空电磁探测系统姿态误差抵消方法及装置。利用随测量线圈同步的单自由度对称偏转抵消线圈对，测量系统中线圈运动姿态偏转引入的姿态误差，并结合抵消算法加以去除，进而减小系统姿态误差影响，增大被测垂直磁场分量的信噪比，提升系统的探测精度，扩展系统的有效探测深度和范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的半航空电磁探测系统工作示意图；

图2为本发明实施例提供的测量线圈与抵消线圈组合示意图；

图3为本发明实施例提供的姿态误差抵消效果仿真结果示意图；其中，1-测量线圈、2-第一抵消线圈、3-第二抵消线圈、4-第三抵消线圈、5-第四抵消线圈、6-安装装置、7-搭载线、8-第一电机、9-第一固定杆、10-第二电机、11-第二固定杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了如下技术方案：一种用于半航空电磁系统姿态误差抵消的装置，包括：

测量线圈1、若干抵消线圈、逻辑控制装置及若干姿态调整器件；

其中所述抵消线圈设置于所述测量线圈的不同方向上，且同一方向上相互对称设置的抵消线圈为一组线圈对；所述抵消线圈对由一个可调抵消线圈和一个固定抵消线圈组成，其中所述姿态调整器件与所述可调抵消线圈连接，该可调抵消线圈两端套接在所述测量线圈上，电机固定于所述测量线圈上，方便抵消线圈的姿态调整，另一固定抵消线圈固定于所述测量线圈1上，保证固定的线圈跟随测量线圈1调整而进行调整即调整过程中与测量线圈1调整相同方向及角度；所述逻辑控制装置与所述姿态调整器件连接用于控制所述姿态调整器件调整所述可调抵消线圈姿态。通过在无人机上固定安装装置6，通过搭载线7与测量线圈1连接，使得测量线圈1搭载于无人机上，逻辑控制装置搭载与同一无人机上，通过有线或者无线的方式连接姿态调整器件以控制可调抵消线圈姿态。

抵消线圈包括第一抵消线圈2，第二抵消线圈3、第三抵消线圈4及第四抵消线圈5，其中第一抵消线圈2与第二抵消线圈3为一组线圈对，第一抵消线圈2为固定抵消线圈，第二抵消线圈3为可调抵消线圈，第三抵消线圈4与第四抵消线圈5为一组线圈对，第三抵消线圈4为固定抵消线圈，第四抵消线圈5为可调抵消线圈。

所述可调抵消线圈通过绝缘套件套在测量线圈1中，并通过电机驱动控制可调抵消线圈进行转动，以此改变与姿态调整器件连接的抵消线圈的姿态角。

所述姿态调整结构采用微型电机，其中微型电机中，第一电机8与第二抵消线圈3通过第一固定杆9固定以调整第二抵消线圈3，第二电机10与第四抵消线圈5通过第二固定杆11固定以调整第四抵消线圈5，其中所述微型电机绝缘固定于所述测量线圈上，并通过逻辑控制装置控制电机运行，逻辑控制装置连接三轴传感器，三轴传感器设置于上述各线圈上，实时采集不同线圈的三轴姿态数据，并将相对应的三轴姿态数据传输给逻辑控制装置，逻辑控制装置中将测量线圈1的姿态数据为基础，判断测量线圈1中xy轴方向的变化姿态角，测量线圈1姿态变化角发生改变，根据测量线圈1的姿态角调整可调抵消线圈的姿态角，并生成具体的控制信号控制电机将抵消线圈调整为上述姿态角。

其中，以x方向的抵消线圈对为例，抵消线圈对中的两抵消线圈横滚和偏航角与测量线圈1完全一致，但其中需要调整的抵消线圈的俯仰角与测量线圈的俯仰角绝对值一致但方向相反，另一固定在测量线圈1的抵消线圈跟随测量线圈调整，即测量线圈1与第一抵消线圈2的三轴姿态角度为第二抵消线圈3的三轴姿态角度为y方向的抵消线圈对与之相似，抵消线圈对中的两抵消线圈俯仰和偏航角与测量线圈完全一致，横滚角与测量线圈1的横滚角绝对值一致，但可调抵消线圈横滚角的方向相反，另一固定在测量线圈1的固定抵消线圈跟随测量线圈调整，即测量线圈1与第三抵消线圈4的三轴姿态角度为/>第四抵消线圈5的三轴姿态角度为

其中，1、测量线圈1和抵消线圈对可以是方形或任意其他轴对称形状的线圈；2、测量线圈1和抵消线圈对的相对位置关系可改变；3、处理方法可适配任意满足条件的测量线圈和抵消线圈组合。

本发明还提供了一种用于半航空电磁系统姿态误差抵消处理方法：

如图1所示，基于上述结构，处理方法具体包括：测量线圈1处于完全水平状态时，建立初始坐标系oxyz，姿态变化后坐标系也发生变化，变化后的坐标系定义为旋转坐标系ox’y’z’。原始坐标系坐标原点位于测量线圈1中心，x，y，z轴与发射源坐标系完全平行。测量线圈1运动中姿态变化后，相对于原始坐标系，通过三轴角度传感器获取变化后姿态角度分别为将测量线圈1姿态变化分解为三部分：(1)测量线圈1绕z轴产生偏航角(2)测量线圈1绕y轴产生俯仰角/>(3)测量线圈1绕x轴产生横滚角/>相应的，坐标系旋转矩阵分别为：

则整体旋转矩阵R＝R_RR_PR_Y，即：

其中s和c分别为正弦函数sin和余弦函数cos的缩写。

姿态变化后测量线圈1实测磁感应强度B_r：

可知，去除水平磁场分量引入的姿态误差后，实测磁感应强度中只包含与被测垂直磁感应强度相关的部分，而且姿态因子是横滚和俯仰角的余弦值，当两个角度较小时，姿态影响基本可以忽略不计，因此，本专利将想办法抵消水平磁场分量引入的姿态误差。

本发明中，测量线圈1为一正方形线圈，抵消线圈为两组姿态误差抵消线圈对，其位置分布关系如图2所示。

以x方向的抵消线圈对为例，两抵消线圈横滚和偏航角与测量线圈完全一致，其中第二抵消线圈3的俯仰角与测量线圈1、第一抵消线圈2的俯仰角绝对值一致但方向相反，即第一抵消线圈2的三轴姿态角度与测量线圈1一致，为第二抵消线圈3的三轴姿态角度为/>则两线圈的实测磁感应强度分别为：

y方向的抵消线圈对与之相似，两线圈俯仰和偏航角与测量线圈1完全一致，横滚角与测量线圈的横滚角绝对值一致，但两线圈横滚角的方向相反，即第三抵消线圈4的三轴姿态角度与测量线圈1一致，为第四抵消线圈5的三轴姿态角度为则两线圈的实测磁感应强度分别为：

可知，x方向的抵消线圈对的实测磁感应强度偏差为：

y方向的抵消线圈对的实测磁感应强度偏差为：

测量线圈1中水平磁场分量引入的姿态误差与以上两偏差之间存在如下关系：

抵消以上姿态误差后的测量线圈磁感应强度为更接近被测垂直磁感应强度的真实值。因此，可利用两对抵消线圈对测量并计算出测量线圈1中水平磁场分量引入的姿态误差，进而加以抵消，以提升被测垂直磁感应强度的精度。

本发明公开的装置及处理方法通过抵消线圈组测量并计算出测量线圈1中因线圈姿态变化引入的水平磁场分量而导致的姿态误差，能够充分抵消传统方法难以应对的同频姿态误差影响，进而改善系统信噪比，提升系统探测精度，扩展探测深度和范围。有效效果仿真结果如图3所示。图3中的a：黑色实线-测量线圈姿态偏转后的实测磁感应强度；黑色虚线-姿态误差抵消后的磁感应强度；黑色实线-测量线圈不发生姿态偏转时的真实磁感应强度；图3中的b：黑色实线-测量线圈姿态偏转后的视电阻率；黑色虚线-姿态误差抵消后的视电阻率；黑色点划线-测量线圈不发生姿态偏转时的真实视电阻率图；图3中的c：黑色实线-测量线圈姿态偏转后的视电阻率与真实视电阻率的相对误差，黑色虚线-姿态误差抵消后的视电阻率与真实视电阻率的相对误差

由仿真结果可知，测量线圈1姿态偏转后引入姿态误差导致实测磁感应强度远远偏离真实磁感应强度，相应的视电阻率计算结果也远远偏离真实值，相对误差最大达300％。经过本发明提出的装置和方法进行姿态误差抵消后，磁感应强度和视电阻率与真实值基本一致，视电阻率相对误差小于1％。因此，本发明提出的姿态误差抵消装置及处理方法能够有效抵消姿态误差，获取高质量数据，提升系统测量精度。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种用于半航空电磁系统姿态误差抵消的装置，其特征在于，包括：

测量线圈、抵消线圈、逻辑控制装置及姿态调整器件；

其中所述抵消线圈设置于所述测量线圈的不同方向上，且同一方向上相互对称设置的抵消线圈为一组抵消线圈对，其中所述抵消线圈对由一个可调抵消线圈和一个固定抵消线圈组成，所述姿态调整器件与所述可调抵消线圈连接且与所述可调抵消线圈套接在所述测量线圈上，所述固定抵消线圈固定于所述测量线圈上；所述逻辑控制装置与所述姿态调整器件连接用于控制所述姿态调整器件调整所述可调抵消线圈的姿态；

用于半航空电磁系统姿态误差抵消的装置的处理方法，包括：

获取测量线圈磁感应强度和变化的姿态角；

基于所述测量线圈变化的姿态角，对所述可调抵消线圈的姿态角进行调整；基于姿态角调整后的抵消线圈对获取抵消线圈磁感应强度；基于所述抵消线圈磁感应强度计算得到测量线圈的姿态误差数据；基于所述测量线圈磁感应强度与所述姿态误差数据得到姿态误差抵消的测量线圈磁感应强度；

获取的测量线圈磁感应强度B_r为：

其中，R为整体旋转矩阵，B_x表示x方向的真实磁感应强度，B_y表示y方向的真实磁感应强度，B_z表示z方向的真实磁感应强度，c代表余弦函数cos，s代表正弦函数sin，表示偏航角；/>表示俯仰角；/>表示横滚角，ΔB_r为姿态误差数据；

对所述可调抵消线圈的姿态角进行调整的过程包括：

基于所述测量线圈变化的姿态角，调整所述抵消线圈的姿态角，其中，当所述抵消线圈对所在方位为x方向，则通过姿态调整器件调整可调抵消线圈的俯仰角，调整过程中可调抵消线圈与测量线圈俯仰角度绝对值相同但方向相反，固定抵消线圈与测量线圈俯仰角的绝对值及方向均相同，当所述抵消线圈对所在方位为y方向，则调整所述可调抵消线圈的横滚角，调整过程中可调抵消线圈与测量线圈横滚角度绝对值相同但方向相反，固定抵消线圈与测量线圈俯仰角的绝对值及方向均相同；

计算得到姿态误差数据ΔB_r的过程为：

其中ΔB_r1为x方向的抵消线圈对实测磁感应强度偏差，ΔB_r2为y方向的抵消线圈对实测磁感应强度偏差；

其中，x方向的抵消线圈对实测磁感应强度偏差为：

y方向的抵消线圈对实测磁感应强度偏差为：

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述姿态调整结构采用微型电机，其中所述微型电机绝缘固定于所述测量线圈上，并设置于可调抵消线圈中心处。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述测量线圈及所述抵消线圈为轴对称形状的线圈。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述测量线圈变化的姿态角获取过程包括：

在所述测量线圈处于完全水平的状态下，构建初始坐标系；在所述测量线圈姿态变化过程中，实时构建旋转坐标系，根据所述初始坐标系及旋转坐标系计算得到测量线圈不同方位变化的姿态角，其中所述测量线圈变化的姿态角包括偏航角、俯仰角及横滚角。