RU2503026C1 - Method to calibrate magnetometers - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: three-component measure of magnetic moment is aligned along axes of coordinates of a searching system, installed at a certain distance from the system, and components of radius-vector are set from the centre of the system of coordinates to the centre of the measure. Then the system is exposed to the field of the specified magnetic moment, reproduced by the measure, and using the readings of the board magnetometers they determine (indirectly measure) coordinates of the source of the magnetic field and components of its magnetic moment. Afterwards they determine errors of the entire system as differences between measured and specified values, and also determine errors of each magnetometer.

EFFECT: determination of searching system errors with account of errors introduced by a carrier of this system.

1 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к области поверки магнитоизмерительных систем, например, для поиска крупных и мелких ферромагнитных объектов (магнитных аномалий, подводных лодок, донных мин и т.д.)The invention relates to the field of verification of magnetic measuring systems, for example, to search for large and small ferromagnetic objects (magnetic anomalies, submarines, bottom mines, etc.)

В настоящее время поверку многодатчиковых магнитоизмерительных систем осуществляют стандартным способом с помощью воспроизведения однородного магнитного поля (МП) в специальной лаборатории с применением специальных технических средств. При этом, поверку (определение соответствующих погрешностей) проводят для каждого из магнитометров системы отдельно. Такая поверка имеет следующие недостатки:Currently, calibration of multi-sensor magnetic measuring systems is carried out in a standard way by reproducing a uniform magnetic field (MP) in a special laboratory using special technical means. At the same time, verification (determination of the corresponding errors) is carried out separately for each of the magnetometers of the system. Such verification has the following disadvantages:

- необходимо демонтировать с носителя поверяемые датчики;- it is necessary to remove verifiable sensors from the carrier;

- требуется специальная поверочная лаборатория, оборудованная для воспроизведения однородного МП;- requires a special calibration laboratory, equipped to reproduce a homogeneous MP;

- требуется значительное время на последовательное проведение поверки каждого датчика системы.- considerable time is required for sequential verification of each sensor in the system.

В то же время, МП искомого объекта неоднородно, т.е. зависимо от координат. Неоднородно и поле самого носителя системы, которое по-разному искажает результаты измерения штатными датчиками в разных местах носителя. В связи с этим, чрезвычайно актуально стоит задача поверки (определения соответствующих погрешностей) многодатчиковой магнитоизмерительной системы непосредственно на носителе системы с учетом погрешностей от носителя.At the same time, the MP of the desired object is heterogeneous, i.e. depending on the coordinates. The field of the system carrier itself, which differently distorts the measurement results with standard sensors in different places of the carrier, is also heterogeneous. In this regard, the task of verifying (determining the corresponding errors) of a multi-sensor magneto-measuring system directly on the system’s carrier is extremely urgent, taking into account errors from the carrier.

При магнитном поиске объект аппроксимируют точкой с магнитным моментом (ММ), неизвестными являются координаты точки приложения ММ и его компоненты. Принято различать операции обнаружения, пеленгации, локализации и классификации искомого объекта. При обнаружении фиксируют факт наличия неоднородного магнитного поля, или факт «где-то что-то есть». При пеленгации определяют неизвестное направление на искомый объект, т.е. определяют единичный вектор направления или направляющие косинусы углов относительно осей выбранной системы координат (СК) наблюдения. При локализации определяют неизвестные координаты искомого объекта в этой СК. При классификации определяют неизвестные компоненты ММ искомого объекта в той же СК. Многие специалисты под обнаружением понимают все, вплоть до классификации. Это приводит к путанице в оценках предельных расстояний. Например, обнаружить «где-то что-то» можно с какого-то предельного расстояния, а определить направление на искомый объект с минимально приемлемой погрешностью, например с погрешностью телесного угла π/2 (это размер октанта СК 4π/8), можно с существенно меньшего расстояния, не говоря уже о локализации или классификации объекта. В монографии [Специальная магнитометрия. Р.Б. Семевский и др. СПб Наука, 2002], посвященной магнитному поиску, приводятся оценки дальностей (и вероятностей) обнаружения, но нет оценок погрешностей пеленгации, локализации или классификации. С другой стороны, в статье [Ю.М. Иванов, В.Г. Семенов. Оценки погрешностей пеленгации и локализации источника магнитного поля дипольной модели. Измерительная техника №5, 2008] показано, что оценки этих погрешностей нарастают лавинообразно с увеличением расстояния до объекта поиска. Поэтому существующая практика переноса оценок обнаружения на пеленгацию, локализацию нарушает единство измерений.In a magnetic search, the object is approximated by a point with a magnetic moment (MM), the coordinates of the point of application of the MM and its components are unknown. It is customary to distinguish between the detection, direction finding, localization and classification of the desired object. Upon detection, the fact of the presence of an inhomogeneous magnetic field, or the fact "somewhere there is something," is recorded. During direction finding, an unknown direction to the desired object is determined, i.e. determine the unit direction vector or the direction cosines of the angles relative to the axes of the selected coordinate system (SC) of observation. During localization, unknown coordinates of the desired object are determined in this SC. During the classification, unknown components of the MM of the desired object in the same SC are determined. Many experts understand detection as everything, including classification. This leads to confusion in the estimates of limit distances. For example, it is possible to detect “somewhere something” from some limit distance, and to determine the direction to the desired object with a minimum acceptable error, for example, with an error of the solid angle π / 2 (this is the size of the octant SK 4π / 8), you can significantly shorter distances, not to mention the localization or classification of the object. In the monograph [Special magnetometry. R.B. Semevsky et al. St. Petersburg Nauka, 2002], devoted to magnetic search, provides estimates of the ranges (and probabilities) of detection, but there are no estimates of errors in direction finding, localization, or classification. On the other hand, in the article [Yu.M. Ivanov, V.G. Semenov. Estimates of errors of direction finding and localization of the magnetic field source of the dipole model. Measuring technique No. 5, 2008] it is shown that the estimates of these errors increase like an avalanche with increasing distance to the search object. Therefore, the existing practice of transferring detection estimates to direction finding and localization violates the unity of measurements.

Известен способ поверки измерительных приборов [Патент РФ №2428708], а также способ поверки магнитоизмерительных приборов [Патент РФ №2010257]. Последний выбран в качестве прототипа по совокупности общих признаков наиболее близких заявляемому способу.A known method of verification of measuring instruments [RF Patent No. 2428708], as well as a method of verification of magnetic measuring instruments [RF Patent No. 2010257]. The latter is selected as a prototype in the aggregate of common features closest to the claimed method.

Известный способ поверки включает воздействие полем дипольной меры на поверяемый прибор, расположенный на фиксированном расстоянии от меры.A known method of verification includes the impact of a dipole measure field on the device being verified located at a fixed distance from the measure.

Причиной, препятствующей достижению указанного ниже технического результата для известного способа является то, что известный способ посвящен поверке только одного демонтированного магнитоизмерительного прибора (магнитометра) в лабораторных условиях.The reason that impedes the achievement of the technical result indicated below for the known method is that the known method is devoted to checking only one dismantled magnetic measuring device (magnetometer) in laboratory conditions.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в обеспечении комплексной бездемонтажной поверки магнитометрических (многодатчиковых) систем поиска источников магнитного поля.The task to which the invention is directed is to provide a comprehensive dismountable verification of magnetometric (multi-sensor) systems for searching for magnetic field sources.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, состоит в определении погрешностей магнитометрической системы поиска с учетом погрешностей, вносимых ферромагнитным носителем средств поиска.The technical result obtained by carrying out the invention consists in determining the errors of the magnetometric search system, taking into account the errors introduced by the ferromagnetic carrier of the search means.

Указанный технический результат достигается тем, что заявляемый способ поверки магнитоизмерительных приборов с помощью дипольной меры магнитного момента, расположенной на фиксированном расстоянии от поверяемого объекта, отличается, тем, что датчиками магнитометров, размещенными на штатных местах системы поиска источников МП, измеряют приращения индукции магнитного поля относительно опорного датчика, а трехкомпонентную меру магнитного момента ориентируют вдоль осей системы координат поиска, затем стандартным средством измеряют радиус-вектор между центром системы координат и центром меры, воспроизводят мерой некоторый магнитный момент, по которому рассчитывают, а также измеряют соответствующие приращения индукции, по которым косвенно измеряют радиус-вектор к источнику и его магнитный момент, после чего определяют погрешности измерений как разности измеренных и заданных величин с учетом погрешностей, вносимых носителем, на котором расположены поверяемые приборы.The specified technical result is achieved in that the claimed method of calibration of magnetic measuring instruments using a dipole measure of the magnetic moment located at a fixed distance from the object being verified differs in that magnetometer sensors measure the increments of the magnetic field relative to reference sensor, and a three-component measure of the magnetic moment is oriented along the axes of the search coordinate system, then the standard means is measured the jus vector between the center of the coordinate system and the center of the measure, measure some magnetic moment by which they are calculated, and also measure the corresponding increments of induction, which indirectly measure the radius vector to the source and its magnetic moment, after which the measurement errors are determined as the difference and predetermined values, taking into account the errors introduced by the carrier on which the devices under test are located.

На Фиг.1 изображена схема реализации заявляемого способа, где 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 - датчики трехкомпонентных или модульных бортовых магнитометров, установленных на ферромагнитном носителе 7 аппратуры поиска источников магнитного поля, 8 - трехкомпонентная мера магнитного момента (ММ), расположенная вне носителя 7. Магнитометры 1, 2…6 включены по схеме измерения приращений относительно магнитометра 0, расположенного в центре СК носителя 7.Figure 1 shows a diagram of the implementation of the proposed method, where 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 are sensors of three-component or modular on-board magnetometers mounted on a ferromagnetic carrier 7 of the apparatus for searching for magnetic field sources, 8 is a three-component measure of the magnetic moment ( MM), located outside the carrier 7. Magnetometers 1, 2 ... 6 are included in the increment measurement scheme relative to the magnetometer 0, located in the center of the carrier SC 7.

Заявляемый способ действует следующим образом. При поверке системы поиска на носителе 7 меру 8 устанавливают на некотором расстоянии от центра СК и ориентируют вдоль ее осей, измеряют компоненты радиус-вектора от центра 0 до центра меры 8. Ориентацию меры 8 и измерение радиус-вектора осуществляют с помощью страндартных средств измерения линейно-угловых величин. На Фиг.1 этот радиус-вектор обозначен символом R. Пропуская и измеряя токи через обмотки меры 8, воспроизводят заданные компоненты магнитного момента. На Фиг.1 он обозначен символом М.The inventive method operates as follows. When verifying the search system on the carrier 7, measure 8 is installed at a certain distance from the center of the CS and oriented along its axes, the components of the radius vector are measured from the center 0 to the center of measure 8. The orientation of measure 8 and the measurement of the radius vector are carried out using standard measuring instruments linearly - angular quantities. In figure 1, this radius vector is indicated by the symbol R. By passing and measuring currents through the windings of measure 8, the specified components of the magnetic moment are reproduced. 1, it is indicated by the symbol M.

Для разделения неоднородного и однородного полей искомого источника и Земли, используют непосредственно измерение приращений МП на той или другой известной базе (расстоянии). Для локализации используют не менее двух трехкомпонентных приращений. Т.е. используют не менее 6 чисел, для определения 6 неизвестных: 3 компонент радиус-вектора к искомому источнику и 3 компонент его магнитного момента. Датчиками 1, 2…6 измеряют относительно опорного датчика 0 приращения, индукции магнитного поля, заданные мерой 8: B₁₀=B₁-B₀, …В₆₀=B₆-В₀. По измеренным приращениям В_10изм, …В_60изм решают систему нелинейных уравнений относительно неизвестных радиус-вектора к источнику, и его магнитного момента. Другими словами, эти неизвестные определяют или косвенно измеряют. На Фиг.1 они обозначены как R_изм и M_изм. После чего находят погрешности всей поверяемой системы как разности (косвенно) измеренных и заданных R и МTo separate the inhomogeneous and homogeneous fields of the sought source and the Earth, directly measure the increments of the magnetic field at one or another known base (distance). For localization, at least two three-component increments are used. Those. use at least 6 numbers to determine 6 unknowns: 3 components of the radius vector to the desired source and 3 components of its magnetic moment. Sensors 1, 2 ... 6 are measured relative to the reference sensor 0 increments, magnetic field induction, set by measure 8: B ₁₀ = B ₁ -B ₀ , ... B ₆₀ = B ₆ -B ₀ . According to the measured increments of _10ism , ... _60ism solve a system of non-linear equations for the unknown radius vector to the source, and its magnetic moment. In other words, these unknowns determine or indirectly measure. In figure 1 they are designated as R _ISM and M _ISM . After that, the errors of the entire system being verified are found as the difference (indirectly) of the measured and given R and M

$$\Delta R=R_{изм}-R\Delta M=M_{изм}-M\begin{array}{cccc}& & & \end{array}\left(1\right)$$

$$\Delta R=R_{\mathrm{and}sm}-R\Delta M=M_{\mathrm{and}sm}-M\begin{array}{cccc}& & & \end{array}\left(\mathrm{one}\right)$$

а также погрешности измерения каждого приращения индукцииas well as measurement errors of each increment of induction

$$\Delta B_{10}=B_{10изм}-{В}_{10}\dots \Delta {В}_{60}={В}_{60изм}-{В}_{60}\begin{array}{cccc}& & & \end{array}\left(2\right)$$

$$\Delta B_{10}=B_{10\mathrm{and}sm}-{\mathrm{AT}}_{10}...\Delta {\mathrm{AT}}_{60}={\mathrm{AT}}_{60\mathrm{and}sm}-{\mathrm{AT}}_{60}\begin{array}{cccc}& & & \end{array}\left(2\right)$$

Заданные В₁₀…В₆₀ определяют с помощью известной формулы для индукции МПGiven In ₁₀ ... In ₆₀ determined using the well-known formula for the induction of MP

$$В=\frac{{\mu }_0М}{4\pi R^3}\left(3\varphi n-m\right)\begin{array}{cccc}& & & \end{array}\left(3\right)$$

$$\mathrm{AT}=\frac{{\mu }_{0}M}{\mathrm{four}\pi R^3}\left(3\varphi n-m\right)\begin{array}{cccc}& & & \end{array}\left(3\right)$$

где: R, n - размер и единичное направление радиус-вектора между точкой определения индукции В и центром меры 5;where: R, n is the size and unit direction of the radius vector between the point of definition of induction B and the center of measure 5;

M, m - размер и единичное направление магнитного момента меры 5;M, m — size and unit direction of the magnetic moment of measure 5;

φ=m·n.φ = mn.

Подставляя в (3) радиус-вектор R_i=R+r_i, где r_i - известный радиус-вектор из точки i=1, 2…6 носителя 7 к центру СК, вычисляют индукцию в i-той точке и приращения индукции между точками В₁₀…В₆₀. Радиус-вектор r_i определяют по чертежу носителя 7.Substituting in (3) the radius vector R _i = R + r _i , where r _i is the known radius vector from the point i = 1, 2 ... 6 of the carrier 7 to the center of the SC, calculate the induction at the i-th point and the induction increments between points B ₁₀ ... B ₆₀ . The radius vector r _i is determined according to the drawing of the carrier 7.

С помощью (1) контролируют работоспособность всей системы поиска, с помощью (2) контролируют влияние носителя 7 на каждую компоненту каждого измерителя приращений 10, 20…60 и снижают это влияние для тех компонент, где оно превышает допустимый уровень.Using (1), the performance of the entire search system is monitored, using (2), the influence of carrier 7 on each component of each increment meter 10, 20 ... 60 is controlled and this effect is reduced for those components where it exceeds the permissible level.

Для проверки заявляемого способа проведены следующие расчеты в пакете «МатЛаб». Примем r₁=(6 0 0) м; r₂=(-6 0 0) м; r₃=(0 6 0) м; r₄=(0 -6 0) м; r₅=(0 0 6) м; r₆=(0 0 -6) м; радиус-вектор R=(-6 100 3) м; MM, воспроизводимый мерой 8: М=(2000 7000 6856) Ам²; СКО (на компоненту) собственных шумов феррозондовых датчиков в режиме приращения 0.02 нТл [Специальная магнитометрия 2002 г. С.12].To verify the proposed method, the following calculations were performed in the package "MatLab". We take r ₁ = (6 0 0) m; r ₂ = (- 6 0 0) m; r ₃ = (0 6 0) m; r ₄ = (0 -6 0) m; r ₅ = (0 0 6) m; r ₆ = (0 0 -6) m; radius vector R = (- 6 100 3) m; MM, reproduced by measure 8: M = (2000 7000 6856) Am ² ; RMSE (per component) of intrinsic noise of fluxgate sensors in an increment mode of 0.02 nT [Special magnetometry 2002, p.12].

Допустим, что влияние ферромагнитного носителя на датчики устранено с остаточной систематической погрешностью:Suppose that the influence of a ferromagnetic carrier on the sensors is eliminated with a residual systematic error:

$$a={\left(\begin{array}{cccccc}-0.04& 0.03& 0.1& 0.02& -0.06& 0.01\\ -0.17& -0.1& -0.004& -0.02& 0.22& 0.11\\ 0.01& 0.1& 0.03& 0.07& -0.01& 0.006\end{array}\right)}_{нТл}\begin{array}{cccc}& & & \end{array}\left(4\right)$$

$$a={\left(\begin{array}{cccccc}-0.04& 0.03& 0.1& 0.02& -0.06& 0.01\\ -0.17& -0.1& -0.004& -0.02& 0.22& 0.11\\ 0.01& 0.1& 0.03& 0.07& -0.01& 0.006\end{array}\right)}_{nTl}\begin{array}{cccc}& & & \end{array}\left(\mathrm{four}\right)$$

где первый столбец для приращения 10, второй для 20 и т.д.where the first column is for increment 10, the second for 20, etc.

Расчет проведен с многократным повторением (100 раз), результаты усреднены, итоговые погрешности, представленные в терминах СКО и оценки среднего, приведены в таблице 1 в зависимости от размера (4): 0, а, 2а.The calculation was performed with repeated repetition (100 times), the results are averaged, the total errors presented in terms of the standard deviation and mean estimates are shown in Table 1 depending on the size (4): 0, a, 2a.

Таблица 1Table 1   а=0 (комп. моделир.)а = 0 (comp. model) аbut 2а2a СКО, мSKO, m 1.51.5 1.491.49 1.471.47 Погрешность среднего, мAverage error, m 0.130.13 2.22.2 4.14.1 СКО, Ам² SKO, Am ² 6767 7575 6666 Погрешность среднего, Ам² Average error, Am ² 2.92.9 208208 409409 СКО, нТлSKO, nTl 1.51.5 1.491.49 1.471.47

В таблице 2 приведены результаты расчета погрешности среднего для приращений индукции (2), вычисленных с помощью (3).Table 2 shows the results of calculating the error of the mean for the induction increments (2) calculated using (3).

Таблица 2table 2 индекс приращения iincrement index i 1one 22 33 4four 55 66 ΔB_i0=В_i0изм-B_i0, нТлΔB _i0 = V _i0ism -B _i0 , nT -0.0409-0.0409 0.02770.0277 0.09960.0996 0.02300.0230 -0.0608-0.0608 0.00950.0095 -0.1687-0.1687 -0.1002-0.1002 -0.0084-0.0084 -0.0180-0.0180 0.21630.2163 0.10880.1088 0.01050.0105 0.09740.0974 0.03380.0338 0.06970.0697 -0.0093-0.0093 0.00810.0081

Как видно из данных таблицы 1, СКО меняется незначительно, но погрешность среднего меняется почти пропорционально а. Первый столбец данных показывает предельные значения погрешностей определения R и М, которые могут быть достигнуты при устранении влияния носителя на результаты измерения приращений индукции.As can be seen from the data in table 1, the standard deviation varies slightly, but the error of the mean varies almost proportionally to a. The first column of data shows the limiting values of the errors in the determination of R and M, which can be achieved by eliminating the influence of the medium on the measurement results of the increments of induction.

Данные таблицы 2 позволяют судить о том, какие компоненты измерителей приращений превышают допустимый уровень (например, 0.05 нТл) и нуждаются в первоочередной коррекции. В таблице они отмечены жирным шрифтом.The data in Table 2 allows us to judge which components of increment meters exceed the permissible level (for example, 0.05 nT) and need to be adjusted first. In the table they are marked in bold.

Claims (1)

Способ поверки магнитоизмерительных приборов с помощью дипольной меры магнитного момента, расположенной на фиксированном расстоянии от поверяемого объекта, отличающийся, тем, что датчиками магнитометров, размещенными на штатных местах системы поиска источников магнитного поля, измеряют приращения индукции магнитного поля относительно опорного датчика, а трехкомпонентную меру магнитного момента ориентируют вдоль осей системы координат поиска, затем стандартным средством измеряют радиус-вектор между центром системы координат и центром меры, воспроизводят мерой некоторый магнитный момент, по которому рассчитывают, а также измеряют соответствующие приращения индукции, по которым косвенно измеряют радиус-вектор к источнику и его магнитный момент, после чего определяют погрешности измерений как разности измеренных и заданных величин с учетом погрешностей, вносимых носителем, на котором расположены поверяемые приборы. The method of verification of magnetic measuring instruments using a dipole measure of the magnetic moment located at a fixed distance from the object to be verified, characterized in that the magnetometer sensors located at the regular places of the magnetic field source search system measure the increments of the magnetic field induction relative to the reference sensor, and the three-component measure of magnetic moments are oriented along the axes of the search coordinate system, then the radius vector between the center of the coordinate system and prices is measured by standard means Rum measures, measure the measure some magnetic moment, which is calculated, and also measure the corresponding increments of induction, which indirectly measure the radius vector to the source and its magnetic moment, and then determine the measurement errors as the difference between the measured and specified values, taking into account the errors introduced the carrier on which the devices to be verified are located.