CN106842080A - 一种磁场测量装置姿态摆动干扰去除方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁场测量装置姿态摆动干扰去除方法，包括以下步骤：设定磁场测量装置的参考坐标系和全局坐标系，并测量参考坐标系与全局坐标系之间的夹角即姿态角度；根据以下公式计算在全局坐标系中的磁矢量r₁：r₁＝[R]^‑1r₂，r₂表示在参考坐标系中的磁矢量，[R]^‑1是[R]的逆矩阵，[R]是旋转矩阵。本发明通过将含姿态摆动干扰的参考坐标系中的磁矢量转换为无姿态摆动干扰的全局坐标系中的磁矢量，从而从本质上去除了磁场测量装置姿态摆动引起的干扰。

Description

一种磁场测量装置姿态摆动干扰去除方法

技术领域

本发明涉及一种用于磁场测量的去干扰方法，尤其涉及一种磁场测量装置姿态摆动干扰去除方法。

背景技术

磁场是地球物理场的重要组成部分，通过测量磁场的空间分布，可以间接的反应地下铁磁质物体的变化特征，应用于地磁勘探、磁层析检测等领域。地磁勘探利用处于地磁场中的岩石、矿物等磁性目标的磁场差异所形成的局部磁异常场实现磁性矿体定位及其构造特点等性质的研究，具有经济成本低、探测范围大、运转周期短、应用效果好等优点；磁层析检测采用传感器阵列测量管道上方的空间磁场分布，通过获得磁场的异常信号，经过适当的数据处理和分析，得到缺陷的位置和类型，是21世纪较有前景的无损检测技术之一。

磁场是一个空间矢量，具有幅值和方向。进行磁场测量的装置通常采用多个高精度磁场传感器，不仅可以测量磁场标量值，即磁矢量的幅值，还可以得到磁场在不同坐标方向上的投影，即磁矢量的分量。

在磁场测量时，如果磁场测量装置(仪器)的姿态发生变化，即磁场测量的基准坐标系发生改变，那么测得的三个磁场分量信号将出现明显波动。比如，磁场幅值变化在0.5A/m左右时，磁场的三个分量可以出现明显波动，波动在5～20A/m，磁场三个分量出现的波动是由测量装置(仪器)姿态变化引起的。仪器姿态摆动对磁场信号的幅值没有影响，原因是磁场信号的幅值即磁矢量的“模”，与测量基准坐标系无关。

这种仪器姿态摆动引起的磁场分量的较大波动，对于高精度磁场测量十分不利。无论是地磁勘探还是磁层析检测，都需要找出磁场信号中的异常信号(即目标信号)，如果仪器姿态摆动引起的干扰太大，则目标信号会被仪器姿态摆动干扰引起的“波动信号”淹没，特别是如果目标信号的频率与“波动”的频率相近，则更难以将目标信号提取出来。

传统去除仪器姿态摆动干扰的方法有两大类：

(1)尽量减少仪器的姿态摆动：采用辅助装置，使得磁场测量装置(仪器)尽量平稳，测量时仪器的姿态不发生较大改变；如在城市柏油路面可采用滚轮携带传感器前进，在实验室可使用辅助支架使得仪器平滑前进，在高空可使用航空飞行器携带仪器前行。

(2)滤波等信号处理方法：在磁场目标信号的特征频率与仪器姿态摆动引起干扰信号的特征频率相差较大时，可采用高频滤波、滑动平均滤波、小波分析等信号处理方法，将干扰信号去除。

上述两种传统方法都存在各自缺陷，具体表现为：

对于上述第一类方法，在磁层析检测等实际磁场测量时，磁场测量装置(仪器)由操作人员携带行走，无法采用辅助装置，例如磁层析检测多发生在野外环境，地面崎岖不平，无法采用滚轮辅助行走的方式；辅助支架由于体积和重量的限制，无法适用于快速的野外作业；航空测量，地面的庄稼、树木使得飞行器难以贴近地表面飞行，而飞的太高的话，磁场传感器距磁源的距离会变得太远，难以测得有效的目标信号。因此在磁层析检测等野外实际测量时，只能由操作人员携带仪器(背、抱、提)前进，而操作人员行走会带来不可避免的仪器姿态摆动。

对于上述第二类方法，根据磁层析检测实际磁场信号分析可知，目标信号与仪器姿态摆动引起的干扰信号的特征频率相近，且姿态摆动干扰具有较大的不确定性，因此采用滤波的方法难以去除摆动干扰信号。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种有效且高精度的磁场测量装置姿态摆动干扰去除方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种磁场测量装置姿态摆动干扰去除方法，包括以下步骤：

(1)对于二维磁矢量r，包括以下步骤：

(1.1)设磁场测量装置的参考坐标系是OX'Y'，全局坐标系是OXY，参考坐标系OX'Y'与全局坐标系OXY之间的夹角即姿态角度为θ，r₁表示磁场测量装置测得的在全局坐标系OXY中的磁矢量，r₁＝(x₁，y₁)，r₂表示磁场测量装置测得的在参考坐标系OX'Y'中的磁矢量，r₂＝(x₂，y₂)；

(1.2)根据以下公式计算r₁：

r₁＝[R]^-1r₂

其中，[R]^-1是[R]的逆矩阵，[R]是旋转矩阵且

r₂可以直接通过磁场测量装置测量获得，r₁与磁场测量装置的姿态摆动无关，所以消除了磁场测量装置姿态的摆动对二维磁矢量的干扰；

(2)对于三维磁矢量r’，包括以下步骤：

(2.1)设x、y、z轴分别为磁场测量装置的参考坐标系的三个参考轴，X、Y、Z轴分别为全局坐标系的三个参考轴，xy平面与XY平面的相交线为交点线，用英文字母N代表，α表示x轴与交点线N的夹角即第一姿态夹角，β表示z轴与Z轴的夹角即第二姿态夹角，γ表示交点线N与X轴的夹角即第三姿态夹角，r’₁表示磁场测量装置测得的在全局坐标系中的磁矢量，r’₁＝(x₁，y₁，z₁)，r’₂表示磁场测量装置测得的在参考坐标系中的磁矢量，r’₂＝(x₂，y₂，z₂)；

(2.2)根据以下公式计算r’₁：

r’₁＝[R']^-1r’₂

其中，[R']^-1是[R']的逆矩阵，[R']是旋转矩阵且

r’₂可以直接通过磁场测量装置测量获得，r’₁与磁场测量装置的姿态摆动无关，所以消除了磁场测量装置姿态的摆动对二维磁矢量的干扰。

作为优选，所述步骤(1.1)和步骤(2.1)中，先通过高精度陀螺仪测量磁场测量装置摆动的角速度，再由角速度计算磁场测量装置的姿态角度。

本发明的有益效果在于：

本发明通过将含姿态摆动干扰的参考坐标系中的磁矢量转换为无姿态摆动干扰的全局坐标系中的磁矢量，从而从本质上去除了磁场测量装置姿态摆动引起的干扰；可以通过常规的高精度陀螺仪测量磁场测量装置的姿态角速度，再通过求解常规的姿态角度常微分方程，得到磁场测量装置的姿态角度，从而能够通过常规测量方法和本发明创新的转换方法获得无姿态摆动干扰的磁矢量。

附图说明

图1是本发明所述磁场测量装置姿态摆动干扰去除方法应用于二维磁矢量测量时的二维坐标系示意图；

图2是本发明所述磁场测量装置姿态摆动干扰去除方法应用于三维磁矢量测量时的三维坐标系示意图；

图3是实施例中磁矢量在参考坐标系中的三个分量的示意图；

图4是实施例中磁场测量装置在第一个三维坐标系方向上的摆动角度；

图5是实施例中磁场测量装置在第二个三维坐标系方向上的摆动角度；

图6是实施例中磁场测量装置在第三个三维坐标系方向上的摆动角度；

图7是实施例中磁矢量去除干扰后的三个分量的示意图；

图8是实施例中测量点角度获取方法示意图；

图9是实施例中相对参考点的姿态摆动干扰去除方法示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明：

实施例1：

对于二维磁矢量的测量，按照以下步骤去除磁场测量装置的姿态摆动干扰：

(1.1)如图1所示，设磁场测量装置的参考坐标系是OX'Y'，全局坐标系是OXY，参考坐标系OX'Y'与全局坐标系OXY之间的夹角即姿态角度为θ，r₁表示磁场测量装置测得的在全局坐标系OXY中的磁矢量，r₁＝(x₁，y₁)，r₂表示磁场测量装置测得的在参考坐标系OX'Y'中的磁矢量，r₂＝(x₂，y₂)；姿态角度为θ的获取方法如下：先通过高精度陀螺仪测量磁场测量装置摆动的角速度，再通过姿态更新算法由角速度计算磁场测量装置的姿态角度θ；

(1.2)根据矢量的旋转特性，r₁和r₂之间存在如下关系：

定义旋转矩阵[R]为：

则根据以下公式计算r₁：

r₁＝[R]^-1r₂

其中，[R]^-1是[R]的逆矩阵，[R]是旋转矩阵，在确定[R]的前提下，[R]^-1即可确定，故可以通过r₂计算r₁；

r₂可以直接通过磁场测量装置测量获得，r₁与磁场测量装置的姿态摆动无关，所以消除了磁场测量装置姿态的摆动对二维磁矢量的干扰。

实施例2：

对于三维磁矢量的测量，按照以下步骤去除磁场测量装置的姿态摆动干扰：

(2.1)如图2所示，设x、y、z轴分别为磁场测量装置的参考坐标系的三个参考轴，X、Y、Z轴分别为全局坐标系的三个参考轴，xy平面与XY平面的相交线为交点线，用英文字母N代表，α表示x轴与交点线N的夹角即第一姿态夹角，β表示z轴与Z轴的夹角即第二姿态夹角，γ表示交点线N与X轴的夹角即第三姿态夹角，r’₁表示磁场测量装置测得的在全局坐标系中的磁矢量，r’₁＝(x₁，y₁，z₁)，r’₂表示磁场测量装置测得的在参考坐标系中的磁矢量，r’₂＝(x₂，y₂，z₂)；三个姿态角度为α、β、γ均为欧拉角，其获取方法与实施例1一致；

(2.2)根据以下公式计算r’₁：

r’₁＝[R']^-1r’₂

其中，[R']^-1是[R']的逆矩阵，[R']是旋转矩阵且

在确定[R']的前提下，[R']^-1即可确定，故可以通过r’₂计算r’₁；

r’₂可以直接通过磁场测量装置测量获得，r’₁与磁场测量装置的姿态摆动无关，所以消除了磁场测量装置姿态的摆动对二维磁矢量的干扰。

为了便于理解，下面对三维磁矢量测量中的旋转矩阵[R']的获取过程说明如下：

旋转矩阵[R']由三个基本旋转矩阵合成：

将上式展开，可得旋转矩阵为：

经推导，旋转矩阵的逆矩阵[R]^-1可表示为：

利用公式r’₁＝[R']^-1r’₂即可直接计算r’₁。

姿态角度的获取方法如下：先通过高精度陀螺仪测量磁场测量装置摆动的角速度，再通过姿态更新算法由角速度计算磁场测量装置的姿态角度。姿态更新算法通常有欧拉角法、四元数法、等效旋转矢量法，这里采用四元数法；为了便于理解，在此对上述常规的四元数法进行介绍。四元数法是姿态的一种描述方法，可以与欧拉角相互转换，通常表示为：

Q＝q₀+q₁i+q₂j+q₃k

仪器姿态四元数与三个角速度之间，具有如下关系：

式中：ω_x，ω_y，ω_z分别为三个三维坐标系方向的角速度；

求解上述常微分方程组，即可得到用四元数表示的姿态，再将四元数转换成欧拉角即可得到磁场测量装置的姿态角度。

实施例3：

为了验证本方法的有效性，可做如下数值仿真分析。

磁矢量测量长度为10m，在5m～6m处存在一个磁异常信号(目标信号)。磁场测量装置在采集磁信号时存在摆动，摆动角度由正弦信号和随机信号组合而成，幅度在5°左右，振荡周期为0.25m～0.75m，用于模拟操作人员的行走。

磁场测量装置测得的磁矢量，即磁矢量在磁场测量装置的参考坐标系下的三个分量如图3所示，从图中可以看到由于磁场测量装置的摆动，5m～6m处的磁异常信号已经被“波动”所淹没。

三个方向的旋转角度如图4、图5和图6所示，如果可以测量三个旋转角度，且角度完全准确，采用本发明的转换公式得到的磁场信号的三个分量如图7所示，可以看到处理后的磁场分量信号完全消除了磁场测量装置摆动的影响。

实施例4：

下面对如何克服陀螺仪精度不够高的问题的优选方法进行说明，以使本方法更加具有实用性。

在去除摆动干扰信号时，需要将每个测量点进行坐标变换，因此需要每个测量点的姿态角度值。如果磁场测量装置测得的磁场信号是随距离变化的，即横轴是距离，姿态角度需要在时间上求解常微分方程组，得到的角度横轴是时间，因此需要将测量点的数据与姿态角度匹配。

如图8所示，磁场测量装置在记录磁场数据的同时，记录当前时刻，在进行去姿态摆动干扰去除时，根据测量点当时的时刻，采用插值方法，读取相同时间下的姿态角度。

由于通过陀螺仪测量仪器角速度在积分成角度的方式，随时间的增加，角度误差会不断累积，逐渐变大，因此磁场测量装置测量姿态的绝对角度(相对地球坐标系)在工程上需要精度较高的陀螺仪。如果陀螺仪精度达不到高精度的要求时，磁场测量装置的姿态角度将会出现较大误差，使得摆动摆动干扰去除效果受到影响。

在磁层析检测等工况下，目标是找出磁场信号中的异常信号，而不需要磁场分量的绝对准确，因此没有必要将所有磁场信号转换到以地平面为基准的坐标系，只需转换到参考点的坐标系，即可去除姿态摆动带来的干扰信号。如图9所示，在0～20m内可采用相对0m位置时的姿态角度，在10～30m内可采用相对10m位置时的姿态角度，以此类推。采用此方法，即可阶段性去除磁场测量装置姿态摆动引起的干扰。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (2)

1.一种磁场测量装置姿态摆动干扰去除方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)对于二维磁矢量r，包括以下步骤：

(1.1)设磁场测量装置的参考坐标系是OX'Y'，全局坐标系是OXY，参考坐标系OX'Y'与全局坐标系OXY之间的夹角即姿态角度为θ，r₁表示磁场测量装置测得的在全局坐标系OXY中的磁矢量，r₁＝(x₁，y₁)，r₂表示磁场测量装置测得的在参考坐标系OX'Y'中的磁矢量，r₂＝(x₂，y₂)；

(1.2)根据以下公式计算r₁：

r₁＝[R]^-1r₂

其中，[R]^-1是[R]的逆矩阵，[R]是旋转矩阵且

r₂可以直接通过磁场测量装置测量获得，r₁与磁场测量装置的姿态摆动无关，所以消除了磁场测量装置姿态的摆动对二维磁矢量的干扰；

(2)对于三维磁矢量r’，包括以下步骤：

(2.1)设x、y、z轴分别为磁场测量装置的参考坐标系的三个参考轴，X、Y、Z轴分别为全局坐标系的三个参考轴，xy平面与XY平面的相交线为交点线，用英文字母N代表，α表示x轴与交点线N的夹角即第一姿态夹角，β表示z轴与Z轴的夹角即第二姿态夹角，γ表示交点线N与X轴的夹角即第三姿态夹角，r’₁表示磁场测量装置测得的在全局坐标系中的磁矢量，r’₁＝(x₁，y₁，z₁)，r’₂表示磁场测量装置测得的在参考坐标系中的磁矢量，r’₂＝(x₂，y₂，z₂)；

(2.2)根据以下公式计算r’₁：

r’₁＝[R']^-1r’₂

其中，[R']^-1是[R']的逆矩阵，[R']是旋转矩阵且

$\[R^{\′}\]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}-\cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}+\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}\\ -\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}-\cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}& -\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}+\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}\\ \sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}& -\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\β}\end{array}\right];$

r’₂可以直接通过磁场测量装置测量获得，r’₁与磁场测量装置的姿态摆动无关，所以消除了磁场测量装置姿态的摆动对二维磁矢量的干扰。

2.根据权利要求1所述的磁场测量装置姿态摆动干扰去除方法，其特征在于：所述步骤(1.1)和步骤(2.1)中，先通过高精度陀螺仪测量磁场测量装置摆动的角速度，再由角速度计算磁场测量装置的姿态角度。