CN204719242U - 一种船载磁力探测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种船载磁力探测装置，安装在测量船船体上，没有船尾拖曳部分，包括矢量磁力传感器、航向姿态参考系统、GPS、外围传感器、数据采集融合单元、数据记录计算机；所述矢量磁力传感器为磁通门磁力传感器，为单个或多个，用于测量地球磁场X、Y、Z三个分量；所述航向姿态参考系统，用于测量调查船艏向、横摇角和纵倾角参数，以便将船坐标系下的地磁三分量数据解算到大地坐标中。本实用新型的优点是克服了传统拖曳式磁力仪易丢失和损坏的缺点，可全天候、全航次实现无人值守磁力观测；并可提供地磁场矢量测量。

Description

一种船载磁力探测装置

技术领域

本实用新型涉及一种船载磁力探测装置，属于地球物理勘探技术领域。

背景技术

地球周围存在的磁场称为地磁场。将海洋表面任一点上的地磁场矢量用                                               表示，则该点的地磁场矢量在直角坐标系内三个轴上的投影分别为北向分量X、东向分量Y和垂直分量Z；地磁场矢量在水平面内的投影为水平分量H；地磁场矢量与水平面之间的夹角为磁倾角I；通过该点H方向的铅直平面与地理子午面的夹角为磁偏角D。、Z、X、Y、H、I及D的各个量都是表示该点地磁场大小和方向特征的物理量，称为地磁要素。

海洋地磁场测量通常是通过船只携带磁力仪在海上航行而进行地磁测量的过程。目前大多数海洋磁测都是地磁总场标量测量，仅能测得地磁要素中的模量T。地磁场是矢量场，Z、X、Y、H等地磁场要素的测量能够获得磁场的方向信息，比总场测量能够反映更多的磁源体结构。

另一方面，一般海洋总场测量只能使用拖曳方式工作，磁力探头拖曳于调查船后的海水中，拖曳用电缆长度大于船长的3倍。这种作业方式在一些海区容易受到限制，如近海养殖区、极地浮冰区等，会导致磁力探头的损坏甚至丢失。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种船载磁力探测装置，可以提高海洋磁测效率，提供地磁场矢量测量，突破工作海区的限制。

本实用新型安装在测量船船体上，而非拖曳于船尾，包括矢量磁力传感器、航向姿态参考系统、GPS、外围传感器、数据采集融合单元、数据记录计算机。

所述矢量磁力传感器为磁通门磁力传感器，为单个或多个，用于测量地球磁场X、Y、Z三个分量。

优选地，矢量磁力传感器为Magson公司生产的Dual Mag三轴磁通门磁力仪。矢量磁力传感器在船体上，应平衡考虑如下因素：（1）尽可能远离（高于）船体外壳， 以减弱船体磁场干扰；（2）避免探头安装过高而产生抖动，以减弱高频抖动噪声；（3）海洋惯性导航系统尽量靠近矢量磁力传感器，以减弱高频噪声。

优选地，如果有两个以上矢量磁力传感器，应该按调查船长轴方向排列安装。

所述航向姿态参考系统，用于测量调查船艏向、横摇角和纵倾角参数，以便将船坐标系下的地磁三分量数据解算到大地坐标中。

优选地，航向姿态参考系统为IXSEA公司生产的OCTANS3000。

所述外围传感器包括温度传感器、倾角传感器、压力传感器等。

所述GPS具有定位和授时功能，用于给出调查船位置信息和对磁力探测装置进行高精度授时。

所述数据采集融合单元，包含多通道数据采集卡、高精度时钟、数据记录器、电源管理模块，高精度时钟以GPS授时脉冲为时基信号，为数据采集卡提供时钟。数据采集卡同步采集矢量磁力传感器、航向姿态参考系统、外围传感器数据，将所有数据打包发送到数据记录器存储；数据记录器存储数据采集卡发送过来的数据并通过RS232/485端口输出。

所述数据采集融合单元，采集矢量磁力传感器、外围传感器数据，航向姿态参考系统和GPS数据，并将所有数据打包记录和输出。

所述数据记录计算机用于接收数据采集融合单元数据，对数据进行记录、处理和监视。

本实用新型用于磁力探测时，包括如下步骤：

（1）在调查航次开始及结束时，选取磁场平静海区，调查船进行船磁标定试验；

优选地，船磁标定试验中调查船以半径1.8km按“８”字形或“Ｏ”字形规定动作航行后，船速5-7kn；过小的航行半径会增大船体倾侧角度；过大的航行半径则试验区磁场会有较大变化，且磁力日变干扰也会增强；

（2）船磁标定试验中数据采集融合单元同步采集磁力数据与姿态数据；这一点极其重要，两者1秒时间的采集偏差会导致数百nT的误差，用GPS授时脉冲作为触发采集的基准信号，保证磁力数据与姿态数据的同步精度；

（3）船磁标定试验后，数据采集软件按下述解算流程计算得到船感应磁场系数、永久磁场系数值和涡流磁场系数；船磁标定系数解算流程如下所述：

1）首先忽略涡流磁场的影响，将船磁标定试验中多于12个试验观测值分别代入公式1，得到12个线性方程；

 （公式1）

2）使用最小二乘法解算9个感应磁场系数A和3个永久磁场系数K_s；

3）将这12个系数代入公式1，正演计算理论磁场；

4）用磁力实测数据减去正演计算理论磁场。得到剩余磁场；

5）考虑涡流磁场的影响，将9个实际观测值分别代入公式2，得到9个线性方程；

 （公式2）

6）使用最小二乘法解算9个涡流磁场系数C；

（4）在进行船磁标定试验后，进行船载磁力测量；数据采集融合单元将矢量磁力传感器获得的磁力数据发送到数据记录计算机，数据采集软件根据公式2实时计算船磁补偿改正后的磁场矢量数据；最后进行坐标系变换，将船坐标系下的地磁场矢量变换为大地坐标系下的地磁场矢量，两者之间的变换关系见公式3：

  （公式3）

式中D为地理坐标系与船体坐标系之间的变换矩阵，由航向姿态参考系统测得的艏向角α、横摇角β和纵倾角γ计算获得，其表达式如下：

。

本实用新型的优点是安装在科考船上，克服了传统拖曳式磁力仪易丢失和损坏的缺点，免受海冰、养殖区的影响，可以全天候、全航次实现无人值守磁力观测；并可提供地磁场矢量测量。

附图说明

图1是船载磁力探测装置总体框图。

图2是数据采集融合单元结构示意图。

图3是船磁标定系数解算流程。

具体实施方式

为了使本实用新型的技术方案更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的详细阐述。

以中国“大洋一号”考察船作为船载磁力测量装置的载体，该船每年超过200天在全球各大洋进行科学考察。每年大洋考察期间海洋重力仪全程测量，而拖曳式海洋磁力仪仅能在有限的时间内测量。在“大洋一号”考察船安装船载磁力测量装置，可以全程无值守业务化运行，与海洋重力仪同步工作获取全程重力、磁力资料，大量增加这些区域的基础地磁资料，提高地质地球物理调查和研究水平。

选用加拿大Magson公司 Dual Mag矢量磁力传感器，将两个传感器安装在船顶甲板。两个传感器均靠左舷安装，两个传感器与船中轴线平行排列，间距20m。

选用法国IXSEA公司生产的OCTANS3000作为航行姿态参考系统，航向角精度0.05°，纵倾／横摇角精度0.01°。

数据采集融合单元，包含多通道数据采集卡、高精度时钟、数据记录器、电源管理模块。高精度时钟以GPS授时脉冲为时基信号，为数据采集卡提供时钟。数据采集卡同步采集矢量磁力传感器、航向姿态参考系统、外围传感器数据，将所有数据打包发送到数据记录器存储。数据记录器同时将发送过来的数据通过RS232/485端口输出到数据记录计算机。

数据采集融合单元安装于驾驶台，将上述两个矢量磁力传感器信号、航行姿态参考系统信号、GPS信号均接入数据采集融合单元。数据采集融合单元将上述信号融合后经RS232/485串行传输到数据记录计算机。

数据记录计算机安装于地球物理实验室，计算机内安装船载磁力数据采集软件。

本实用新型进行地磁场矢量测量的过程如下：

调查船航行期间，每间隔约12月做一次船磁标定试验；船磁标定试验时间选择早晨或傍晚，避开强烈的地磁日变化；船磁标定试验应在地磁场平静海区进行，测量海区理论磁场矢量；船磁标定试验中调查船以1.8km半径按 “Ｏ”字形规定动作航行后，船速5-7kn，获得试验区一系列地磁场试验观测值；船磁标定试验后，数据采集软件按下述解算流程可以得到船感应磁场系数、永久磁场系数值和涡流磁场系数。

船磁标定系数解算流程如图3所示：

1）首先忽略涡流磁场的影响，将船磁标定试验中多于12个试验观测值分别代入公式1，得到12个线性方程；

（公式1）

2）使用最小二乘法解算9个感应磁场系数A和3个永久磁场系数K_s；

3）将这12个系数代入公式1，正演计算理论磁场；

4）用磁力实测数据减去正演计算理论磁场。得到剩余磁场；

5）考虑涡流磁场的影响，将9个实际观测值分别代入公式2，得到9个线性方程；

 （公式2）

6）使用最小二乘法解算9个涡流磁场系数C；

船磁标定试验后，进行船载磁力测量。数据采集融合单元将矢量磁力传感器获得的磁力数据发送到数据记录计算机，数据采集软件根据公式2可以实时计算船磁补偿改正后的磁场矢量数据。

最后进行坐标系变换，将船坐标系下的地磁场矢量变换为大地坐标系下的地磁场矢量。两者之间的变换关系见公式3：

      （公式3）

式中D为地理坐标系与船体坐标系之间的变换矩阵，由航向姿态参考系统测得的艏向角α、横摇角β和纵倾角γ计算获得，其表达式如下：

数据采集软件按上述方法实时计算磁场矢量数据，同时对记录并显示。

本实用新型仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置、及其连接都是可以有所变化的，在本实用新型技术方案的基础上，凡根据本实用新型原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本实用新型的保护范围之外。

Claims (5)

1.一种船载磁力探测装置，其特征在于所述探测装置安装在测量船船体上，没有船尾拖曳部分，包括矢量磁力传感器、航向姿态参考系统、GPS、外围传感器、数据采集融合单元、数据记录计算机；所述矢量磁力传感器为磁通门磁力传感器，为单个或多个；所述航向姿态参考系统，用于测量调查船艏向、横摇角和纵倾角参数，以便将船坐标系下的地磁三分量数据解算到大地坐标中；所述GPS具有定位和授时功能，用于给出调查船位置信息和对磁力探测装置进行高精度授时；所述数据采集融合单元，包含多通道数据采集卡、高精度时钟、数据记录器、电源管理模块，高精度时钟以GPS授时脉冲为时基信号，为数据采集卡提供时钟；所述数据采集卡同步采集矢量磁力传感器、航向姿态参考系统、外围传感器数据，将所有数据打包发送到数据记录器存储；数据记录器存储数据采集卡发送过来的数据并通过RS232/485端口输出；所述数据采集融合单元，采集矢量磁力传感器、外围传感器数据，航向姿态参考系统和GPS数据，并将所有数据打包记录和输出；所述数据记录计算机用于接收数据采集融合单元数据，对数据进行记录、处理和监视。

2.根据权利要求1所述的船载磁力探测装置，其特征在于所述矢量磁力传感器为单个或多个。

3.根据权利要求1或2所述的船载磁力探测装置，其特征在于所述矢量磁力传感器为Magson公司生产的Dual Mag三轴磁通门磁力仪。

4.根据权利要求1所述的船载磁力探测装置，其特征在于所述航向姿态参考系统为IXSEA公司生产的OCTANS3000。

5.根据权利要求1所述的船载磁力探测装置，其特征在于所述外围传感器包括温度传感器、倾角传感器、压力传感器。