CN102927984B - 消除载体磁化磁场对地磁测量影响的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是消除载体磁化磁场对地磁测量影响的方法。载体搭载双磁传感器线阵，在待测空间范围内选择磁场变化平缓的非磁异常点A，在无载体情况下用独立磁传感器测量点A的地磁总场，将搭载双磁传感器线阵的载体置于该点，以线阵几何中心为轴，载体缓慢而匀速的水平旋转一周，双磁传感器分别连续测量地磁场值和对应旋转角度，作出差值与角度的对应函数曲线，线阵磁传感器的磁场值减去点地磁总场，整个待测空间内实测地磁场用于补偿载体磁化磁场的影响。本发明利用双磁传感器组成线阵，针对载体对磁测的复杂影响提出旋转线阵的消磁方法和算法，将载体对地磁测量的影响彻底消除。

Description

消除载体磁化磁场对地磁测量影响的方法

技术领域

发明涉及的是一种地磁测量及地磁导航应用中铁磁性载体对磁测影响的补偿方法。

背景技术

地磁场是地球***的基本物理场，是地球的固有资源，具有全天时、全天候、全地域的特点，为导航提供了天然的坐标系，地磁导航技术具有简便、高效、性能可靠、抗干扰性强，属于无源自主导航，尤其在水下，地磁导航具有广阔应用前景。另外地磁场在地质灾害预报、能源矿藏勘测、重要战略目标选址、海洋大陆架监测等领域有重要的应用前景。要实现各种地磁应用，首先要建立高精度地磁图。而载体包含的铁磁性物质和电气设备等都会对地磁场产生干扰，只有消除这些干扰影响后，才有可能得到精确的地磁场值，进而才能绘制高精度的地磁图。

要在大尺度范围实现高效高精度地磁测量或地磁导航，必需依赖于卫星、飞机、车辆、船舶甚至水下航行器等载体。而载体一般都含有铁磁性物质，在地磁场作用下不可避免被磁化产生磁矩，形成一个向外辐射的磁源。这样固定在载体上的磁力仪测得的磁场值就包含了磁化磁场，影响了测量数据的准确度。由于磁化磁场随着载体的位置和航行方向的变化而变化，因此修正难度很大。除了磁化磁场，载体产生干扰场还有：固有磁场，低频交流磁场等。固有磁场来源：载体上的永磁材料产生恒定磁场，交流磁场来源：负责行进的发动机、螺旋桨等动力推进机构向外辐射低频交流磁场。这样通过搭载于载体上的磁力仪测得的磁场值的表达式为：

T_测＝T₀+D+∑ε_i+∑μ_j    （1）

其中，T_测是磁力仪测量值；T₀是地磁场真值；D是载体的磁化磁场；ε_i各种低频交流磁场；μ_j是各个固有磁场

低频交流磁场的消除：地磁场基本属于直流磁场，因而低频交流磁场可通过有针对性设计的滤波器将其滤掉。固有磁场消除：固有磁场具有恒定不便的特点，通过校准比对法可以补偿消除固有磁场，或者逐点加载反向固有磁源直接抵消固有磁场。通过上述方法，将∑ε_i+∑μ_j补偿滤除后，表达式（1）简化为：

T_测＝T₀+D    （2）

只要能确定磁化磁场D，通过T₀＝T_测-D，就可以得到地磁场值T₀，而磁化磁场随着载体航行时地磁场的大小变化和航行方向的变化而变化，因此不易修正。这也正是本发明的意义所在。本发明的目的是确定载体磁化磁场D分布变化规律，给出消除D的具体方法，减小载体对地磁测量影响，最终高精度高效率地实现地磁场测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够将载体对地磁测量的影响彻底消除的消除载体磁化磁场对地磁测量影响的方法。

本发明的目的是这样实现的：

（1）、在待测空间范围内选择磁场变化平缓的非磁异常点A，在无载体情况下用独立磁传感器测量点A的地磁总场T₀；

（2）、载体搭载双磁传感器组成线阵，将搭载双磁传感器线阵的载体置于点A，以线阵几何中心为轴，使载体缓慢而匀速的水平旋转一周，旋转过程中双磁传感器分别连续测量地磁场值T₁(θ)、T₂(θ)和对应旋转角度θ；

（3）、双磁传感器所测得地磁场值T₁(θ)、T₂(θ)分别与旋转角度θ一一对应，令ΔT(θ)＝T₁(θ)-T₂(θ)，作出差值ΔT(θ)与θ的对应函数曲线；

（4）、线阵磁传感器的磁场值T₁(θ)、T₂(θ)减去点A地磁总场T₀，得到差值 $\left\{\begin{array}{c}{D}_1\left(\mathrm{\θ}\right)=T_1\left(\mathrm{\θ}\right)-T_0\\ D_2\left(\mathrm{\θ}\right)=T_2\left(\mathrm{\θ}\right)-T_0\end{array}\right.,$ D₁(θ)、D₂(θ)也是角度θ的函数；

（5）、联立ΔT(θ)、D₁(θ)，得到关于θ的参数方程组，消除θ，得到D₁关于ΔT为自变量的分段函数D₁(ΔT)；

（6）、整个待测空间内实测地磁场T＝T₁(θ)-D₁(ΔT)，用于补偿载体磁化磁场的影响，T₁和ΔT都是传感器线阵的实时测量值，所述补偿为后验补偿或实时补偿。

本发明还可以包括：

1、两个传感器所在的位置的两组磁测数列D₁(θ)、D₂(θ)分别与ΔT(θ)数列最线性相关。

2、传感器与载体间距为载体中铁磁结构几何尺寸的1.5倍。

3、在线阵中心的垂直下方悬挂非磁性物质的重物。

本发明涉及的是地磁测量及地磁导航应用中铁磁性载体对磁测影响的补偿方法，具体地说是在地磁测量及地磁导航应用中采用本发明方法能够补偿铁磁性载体产生的磁化磁场，高效准确地完成地磁测量工作。在补偿了固有磁场，过滤了交流磁场的干扰后，用本发明的方法消除载体磁化磁场D。

本发明利用双磁传感器组成线阵，针对载体对磁测的复杂影响提出旋转线阵的消磁方法和算法，将载体对地磁测量的影响彻底消除。

本发明的方法对于3个及以上传感器构成的阵列同样适用，形成多线阵组合，通过均值计算等误差处理提高磁测精度。本发明的方法可以应用于补偿地面载体、空中载体和水下载体对地磁场测量的影响。特别适用于载体地磁导航的应用中。

附图说明

图1传感器线阵在水下机器人上的布设方案图。

图2T₁(θ)、T₂(θ)与θ的曲线。

图3差值ΔT(θ)与θ的曲线。

图4差值D₁(θ)与θ的曲线。

图5D₁(ΔT)与ΔT的曲线。

具体实施方式

补偿了固有磁场，过滤了交流磁场的干扰后，为了消除载体磁化磁场D，本发明内容及实施过程如下：

1、在待测空间范围内随意选择磁场变化平缓的非磁异常点A，在无载体情况下用独立磁传感器测量点A的地磁总场T₀。

2、载体搭载双磁传感器组成线阵，将搭载双磁传感器线阵的载体置于该点，以线阵几何中心为轴，令载体缓慢而匀速的水平旋转一周，旋转过程中用搭载的双磁传感器分别连续测量地磁场值T₁(θ)、T₂(θ)和对应旋转角度θ。

3、双传感器所测得地磁场值T₁(θ)、T₂(θ)分别与旋转角度θ一一对应，令

ΔT(θ)＝T₁(θ)-T₂(θ)    （3）

作出差值ΔT(θ)与θ的对应函数曲线。

4、线阵磁传感器的磁测值T₁(θ)、T₂(θ)减去A点地磁总场T₀，得到差值

$\left\{\begin{array}{c}{D}_1\left(\mathrm{\θ}\right)=T_1\left(\mathrm{\θ}\right)-T_0\\ D_2\left(\mathrm{\θ}\right)=T_2\left(\mathrm{\θ}\right)-T_0\end{array}\right.---\left(4\right)$

D₁(θ)、D₂(θ)也是角度θ的函数。

5、联立ΔT(θ)、D₁(θ)，得到关于θ的参数方程组，消除θ，得到D₁关于ΔT为自变量的分段函数D₁(ΔT)，在待测空间范围内D₁(ΔT)函数一般只需一次旋转得到。

6、整个待测空间内实测地磁场

T＝T₁(θ)-D₁(ΔT)    （5）

依据（5）式即可补偿载体磁化磁场的影响。由于T₁和ΔT都是传感器线阵的实时测量值，因而这种算法不仅可以后验补偿，也可以实时补偿。

7、本发明还包括传感器在载体上布设需要满足条件：

①在线阵水平旋转的过程中，两个传感器所在的位置的两组磁测数列D₁(θ)、D₂(θ)分别与ΔT(θ)数列最线性相关。

②传感器与载体间距约为载体中铁磁结构几何尺寸的1.5倍，虽然传感器远离载体将极大降低载体对磁测的影响，但距离过大将引起载体在航行、规避和转弯时的不便，还可能引起航行时传感头抖动摇摆，给测量附加更多影响。

③如果载体是小型水中载体，绕线阵几何中心旋转时需要固定转轴，在线阵中心的垂直下方悬挂非磁性物质的重物，防止在旋转过程中载体偏离转轴。

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

用带有脐带的水下机器人ROV开展本发明的实验实施，机器人长1.8m、宽0.6m、高1.2m、设计潜深300m、最大航速5节。基本采用无磁铝框架结构，机电舱采用无磁不锈钢材质、浮力材选用玻璃微珠结构，搭载了高精度磁传感***、高精度GPS、水声定位仪、罗经、声纳、速度计、深度计、温度计等基本传感器。磁传感***选择了3台SCINTREX公司的CS-L铯光泵磁力仪及PICO的MMS-4磁力仪操作台构成高分辨磁测***，该***磁测范围2000-—100000nT，分辨率0.6pT，磁场采集频率10Hz，MMS-4输出端加装了滤波***，消除机器人自身交流磁场对磁测的影响。根据权利要求3的计算，磁力仪传感头布设在距ROV几何中心超过2米的位置处，前方一台，左右各一构成磁测线阵，高度位于机器人顶部，任何两个传感器的测量数据满足D₁(θ)、D₂(θ)分别与ΔT(θ)数列最线性相关。磁力仪水密舱***采用无磁铝罐，设计承受压力10个大气压。如图1。

在实验水域中选取磁场变化平缓的区域A，用GPS和质子磁力仪测量A点位置坐标和磁场值T₀，测量时母船和机器人要远离A点。

在母船上操控水下机器人航行至A点，机器人在A点以线阵几何中心为轴匀速旋转一周，电力和所有数据通过脐带电缆传递，在母船计算机自动记录各种传感器数据，采集频率10Hz，所有采集数据以高精度时标统一。三只磁力仪给出T₁(θ)、T₂(θ)、T₃(θ)数据，磁罗经记录θ值。做出T₁(θ)、T₂(θ)与θ的曲线如图2所示。按照（3）式，计算ΔT(θ)，作出差值ΔT(θ)与θ的曲线如图3所示，按照（4）式，计算D₁(θ)、D₂(θ)作出差值D₁(θ)与θ的曲线如图4所示，联立ΔT(θ)、D₁(θ)，得到关于θ的参数方程组，消除θ，得到D₁关于ΔT为自变量的分段函数D₁(ΔT)曲线，如图5所示。

磁测区域网格化，水下机器人按照既定的蛇形路线对网格进行扫描航行，左右两个磁力仪实时输出T₁和ΔT，罗经输出航向角θ，依据（5）式和图5补偿整个待测空间内各点地磁场T＝T₁(θ)-D₁(ΔT)。消除水下机器人对地磁场的影响。

Claims (5)

1.一种消除载体磁化磁场对地磁测量影响的方法，其特征是：

(1)、在待测空间范围内选择磁场变化平缓的非磁异常点A，在无载体情况下用独立磁传感器测量点A的地磁总场T₀；

(2)、载体搭载双磁传感器组成线阵，将搭载双磁传感器线阵的载体置于点A，以线阵几何中心为轴，使载体缓慢而匀速的水平旋转一周，旋转过程中双磁传感器分别连续测量地磁场值T₁(θ)、T₂(θ)和对应旋转角度θ；

(3)、双磁传感器所测得地磁场值T₁(θ)、T₂(θ)分别与旋转角度θ一一对应，令ΔT(θ)＝T₁(θ)-T₂(θ)，作出差值ΔT(θ)与θ的对应函数曲线；

(4)、双磁传感器的磁场值T₁(θ)、T₂(θ)减去点A地磁总场T₀，得到差值 $\left\{\begin{array}{c}{D}_1\left(\mathrm{\θ}\right)=T_1\left(\mathrm{\θ}\right)-T_0\\ D_2\left(\mathrm{\θ}\right)=T_2\left(\mathrm{\θ}\right)-T_0\end{array}\right.,$ D₁(θ)、D₂(θ)也是角度θ的函数；

(5)、联立ΔT(θ)、D₁(θ)，得到关于θ的参数方程组，消除θ，得到D₁关于ΔT为自变量的分段函数D₁(ΔT)；

(6)、整个待测空间内实测地磁场T＝T₁(θ)-D₁(ΔT)，用于补偿载体磁化磁场的影响，T₁和ΔT都是传感器线阵的实时测量值，所述补偿为后验补偿或实时补偿。

2.根据权利要求1所述的消除载体磁化磁场对地磁测量影响的方法，其特征是：两个传感器所在的位置的两组磁测数列D₁(θ)、D₂(θ)分别与ΔT(θ)数列最线性相关。

3.根据权利要求1或2所述的消除载体磁化磁场对地磁测量影响的方法，其特征是：传感器与载体间距为载体中铁磁结构几何尺寸的1.5倍。

4.根据权利要求1或2所述的消除载体磁化磁场对地磁测量影响的方法，其特征是：在线阵中心的垂直下方悬挂非磁性物质的重物。

5.根据权利要求3所述的消除载体磁化磁场对地磁测量影响的方法，其特征是：在线阵中心的垂直下方悬挂非磁性物质的重物。