航空磁通門磁梯度張量儀的系統校正及磁干擾補償融合方法技術方案

本發明專利技術涉及一種航空磁通門磁梯度張量儀的系統校正及磁干擾補償融合方法，包括：飛行器磁干擾建模、建立單個磁通門誤差模型、磁干擾模型和磁通門誤差模型融合、建立磁梯度張量分量校正補償模型、在高空中磁場均勻的區域采集校正數據、解算磁梯度張量校正系數和將三軸磁通門磁場測量值和校正參數輸入到磁梯度張量分量校正模型中，計算校正補償后的磁梯度張量。本發明專利技術完整覆蓋航空磁通門磁梯度張量儀的誤差因素和飛行器磁干擾類型，在校正模型中統一表達及求解，實現了校正和補償兩個問題融合的解決方案，只需要進行高空校正補償飛行，就能同時完成校正和補償。用迭代方法簡單實用，用最小二乘法解線性方程，保證求解結果的正確性。

【技術實現步驟摘要】

：本專利技術涉及一種航空物探中磁測儀器的校正和飛行器的磁干擾補償，尤其是把磁通門磁梯度張量儀直接安裝到航空器上進行探測時，所需進行的儀器系統校正和磁干擾補償。
技術介紹
：磁梯度張量儀測量磁場三分量沿正交坐標系的空間變化率。磁梯度張量儀受地磁影響小，獲取信息豐富，特別適合發現淺層潛伏礦，磁性運動目標等，是磁測儀器發展方向之一。在航空磁梯度張量測量中,為了適應更多的飛行器，盡量減少張量儀對飛行器空氣動力學布局的影響，最好的方式是把張量儀直接安裝在飛行器上，然后在飛行過程中測量磁性目標的磁場梯度。因此儀器自身的校正以及飛機磁干擾補償成為兩個無法避免的問題。本專利技術正是針對此類應用所提出的校正和補償同時進行的融合方法。由于需要對磁場矢量敏感的傳感器，故目前張量儀主要有兩種：一種是基于超導量子干涉器件的張量儀，如德國的航空超導磁梯度張量儀[R.Stolzetal,Magneticfull-tensorSQUIDgradiometersystemforgeophysicalapplications,TheLeadingEdge,2006,25(2):178-180.]，澳大利亞的航空超導磁梯度張量儀[P.Schmidtetal,GETMAG-aSQUIDmagnetictensorgradiometerformineralandoilexploration,ExplorationGeophysics,2004,35:297-305.]。超導張量儀雖然具有很高的分辨率，但是價格昂貴，且不能在常溫下使用，應用中有很大的局限性。另一種是基于磁通門傳感器構造的張量儀，如美國地質調查局的正四面體形磁通門張量儀[PJ.Brownetal,AcasestudyofmagneticgradienttensorinvariantsappliedtotheUXOproblem,U.S.GeologicalSurvey，2004：1-4.]。美國IBM公司研制的磁通門張量儀[RH.Kochetal,Roomtemperaturethreesensormagneticfieldgradiometer,ReviewofScientificInstruments,1996,64(1):230-235.]。英國RutherfordAppleton實驗室研究的緊湊型磁通門張量梯度儀[DK.Griffin,etal.,Designandcalibrationofacompactlow-noisemagneticgradiometer,Proc.ESAWorkshopAerosp.EMC,Venice，IEEE，pp.2012，1-6.]，吉林大學研制的帶球形反饋線圈的張量儀[Y.Sui,etal.,Compactfluxgatemagneticfull-tensorgradiometerwithsphericalfeedbackcoil,Rev.Sci.Instrum.,2014.85(014701):1-7.].雖然磁通門張量儀具有成本低，溫度范圍廣，分辨率較高等優點，但是仍然有兩個核心問題阻礙其在航空中的應用。一個問題是磁通門自身存在標度因子誤差、非正交誤差、非對準誤差、零偏誤差、動態誤差和非線性誤差，造成其精度較低，需要在使用前進行非常嚴格的校正。另一個問題是飛行器如果距離張量儀較近，就會形成永磁干擾(硬磁干擾)、感應磁干擾(軟磁干擾)和渦流磁干擾，這些磁干擾也會大幅降低張量儀測量數據的質量，從而嚴重影響航空磁梯度張量儀的應用效果。針對磁通門張量儀誤差校正的問題，現有方法是在地面上找一塊磁場均勻的區域，然后以多個磁通門測量的總場值或磁場分量值相等為條件求解線性或非線性方程以獲得校正參數。這些方法只針對了張量儀的誤差問題，還沒有和飛行器的磁干擾補償進行融合。針對飛行器的磁干擾問題，目前典型的航空磁梯度張量測量是采用直升機吊掛的方式進行，即將張量系統放置在吊艙里面，一般吊艙距離飛機至少35米。其最大問題是吊艙有可能掛到樹或其它地面的物體，大大降低了飛行的安全性。如果希望適應更多的飛行器，就需要盡量減少對飛行器空氣動力學布局的影響，最好的方式是把張量儀直接安裝在飛行器上。因此磁干擾補償成為無法避免的問題。磁梯度張量的磁補償方法有文獻記載的為采用矢量的磁干擾補償方法[H.Pang,etal.,IntegratedCompensationofMagnetometerArrayMagneticDistortionFieldandImprovementofMagneticObjectLocalization，IEEETrans.Geosci.RemoteSens.,2014，52(9)：5670-5676]。此方法中的模型并沒有覆蓋磁通門張量儀的所有誤差因素，也沒有考慮磁干擾中的渦流磁干擾等，在航空這種載體運動較快的應用中，難以保證補償后數據質量。
技術實現思路
：本專利技術的目的是針對上述現有技術的不足，提供一種高質量測量的航空器裝載式磁通門磁梯度張量儀的系統校正及磁補償融合方法。本專利技術的目的是通過以下技術方案實現的：航空磁通門磁梯度張量儀的系統校正及磁干擾補償融合方法，包括以下步驟：步驟一、飛行器磁干擾建模：步驟二、建立單個磁通門誤差模型：FEM-1Binput+R+Φ=Σj=1lDjdj(Σi=1mAiT.i+A0)dtj+Σi=1mAiT.i+A0---(2)]]>式中：F為標度因子誤差矩陣；E為非正交誤差矩陣；R為零位誤差矢量；M為磁通門坐標系與慣性導航坐標系非對準誤差矩陣；Binput是在慣導坐標系下磁通門位置處的真實磁場；l是j的上限值，表示動態特性的最高階數；Dj是磁通門理論測量值對時間的j階導數前面的動態特性描述矩陣；m是i的上限值，表示非線性的多項式擬合的次數；Ai是多項式擬合中第i次方前面的擬合系數矩陣；A0是多項式擬合中的常數向量；T為磁通門在自身測量坐標系下的實測值；Φ為磁通門的測量噪聲；Ti代表向量T中每個元素的i次方；步驟三、建立磁干擾模型和磁通門誤差模型融合；步驟四、建立磁梯度張量分量校正補償模型；步驟五、在高空中磁場均勻的區域采集校正數據；步驟六、解算磁梯度張量校正系數；步驟七、將磁梯度張量分量測量值和步驟六獲得的校正補償系數輸入到磁梯度張量分量校正模型中，計算校正補償后的磁梯度張量。步驟三所述的磁干擾模型和磁通門誤差模型的融合：當航空器裝載張量儀在空中進行探測時，航空器產生的磁干擾疊加上地磁場作為磁通門傳感器的理論輸入磁場，即：Binput=J+KB+LdBdt+B---(9)]]>將公式(9)中的Binput帶入到公式(2)磁通門誤差模型中，此時有：FEM-1(J+KB+LdBdt+B)+R+Φ=Σj=1lDjdj(Σi=1mAiT.i+A0)dtj+Σi=1mAiT.i+A0---(10)]]>采用二次多項式擬合磁通門理論測量值，并把磁通門描述為一階系統，即l＝1，m＝2，將磁通門誤差模型(10)采用差分方式進行離散化，離散化后的單個磁通門誤差模型表示為：FEM-1(J+KBt+L(Bt-Bt-1)Δt+Bt)+本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種航空磁通門磁梯度張量儀的系統校正及磁干擾補償融合方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟一、飛行器磁干擾建模：步驟二、建立單個磁通門誤差模型：FEM-1Binput+R+Φ=Σj=1lDjdj(Σi=1mAiT.i+A0)dtj+Σi=1mAiT.i+A0---(2)]]>式中：F為標度因子誤差矩陣；E為非正交誤差矩陣；R為零位誤差矢量；M為磁通門坐標系與慣性導航坐標系非對準誤差矩陣；Binput是在慣導坐標系下磁通門位置處的真實磁場；l是j的上限值，表示動態特性的最高階數；Dj是磁通門理論測量值對時間的j階導數前面的動態特性描述矩陣；m是i的上限值，表示非線性的多項式擬合的次數；Ai是多項式擬合中第i次方前面的擬合系數矩陣；A0是多項式擬合中的常數向量；T為磁通門在自身測量坐標系下的實測值；Φ為磁通門的測量噪聲；T.i代表向量T中每個元素的i次方；步驟三、建立磁干擾模型和磁通門誤差模型融合；步驟四、建立磁梯度張量分量校正補償模型；步驟五、在高空中磁場均勻的區域采集校正數據；步驟六、解算磁梯度張量校正系數；步驟七、將磁梯度張量分量測量值和步驟六獲得的校正補償系數輸入到磁梯度張量分量校正模型中，計算校正補償后的磁梯度張量。...

【技術特征摘要】
1.一種航空磁通門磁梯度張量儀的系統校正及磁干擾補償融合方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟一、飛行器磁干擾建模：步驟二、建立單個磁通門誤差模型：FEM-1Binput+R+Φ=Σj=1lDjdj(Σi=1mAiT.i+A0)dtj+Σi=1mAiT.i+A0---(2)]]>式中：F為標度因子誤差矩陣；E為非正交誤差矩陣；R為零位誤差矢量；M為磁通門坐標系與慣性導航坐標系非對準誤差矩陣；Binput是在慣導坐標系下磁通門位置處的真實磁場；l是j的上限值，表示動態特性的最高階數；Dj是磁通門理論測量值對時間的j階導數前面的動態特性描述矩陣；m是i的上限值，表示非線性的多項式擬合的次數；Ai是多項式擬合中第i次方前面的擬合系數矩陣；A0是多項式擬合中的常數向量；T為磁通門在自身測量坐標系下的實測值；Φ為磁通門的測量噪聲；T.i代表向量T中每個元素的i次方；步驟三、建立磁干擾模型和磁通門誤差模型融合；步驟四、建立磁梯度張量分量校正補償模型；步驟五、在高空中磁場均勻的區域采集校正數據；步驟六、解算磁梯度張量校正系數；步驟七、將磁梯度張量分量測量值和步驟六獲得的校正補償系數輸入到磁梯度張量分量校正模型中，計算校正補償后的磁梯度張量。2.按照權利要求1所述的航空磁通門磁梯度張量儀的系統校正及磁干擾補償融合方法，其特征在于，步驟三所述的磁干擾模型和磁通門誤差模型的融合：當航空器裝載張量儀在空中進行探測時，航空器產生的磁干擾疊加上地磁場作為磁通門傳感器的理論輸入磁場，即：Binput=J+KB+LdBdt+B---(9)]]>將公式(9)中的Binput帶入到公式(2)磁通門誤差模型中，此時有：FEM-1(J+KB+LdBdt+B)+R+Φ=Σj=1lDjdj(Σi=1mAiT.i+A0)dtj+Σi=1mAiT.i+A0---(10)]]>采用二次多項式擬合磁通門理論測量值，并把磁通門描述為一階系統，即l＝1，m＝2，將磁通門誤差模型(10)采用差分方式進行離散化，離散化后的單個磁通門誤差模型表示為：FEM-1(J+KBt+L(Bt-Bt-1)Δt+Bt)+R+Φ=A0+A1Tt+A2Tt.2+D1(A1Tt+A2Tt.2)Δt-D1(A1Tt-1+A2Tt-1.2)Δt---(11)]]>式中Bt表示t時刻慣導坐標系下磁場矢量，Tt表示t時刻磁通門坐標系下磁場測量矢量，Δt表示相鄰測量數據的時間間隔，當磁通門由一階系統描述時取j＝1，D1為一階導數前面的系數矩陣；取I為單位矩陣，令：P=(K+I+L/Δt)-1L/ΔtU1=(FEM-1(K+I+L/Δt))-1(I+D/Δt)A1U2=(FEM-1(K+I+L/Δt))-1(I+D/Δt)A2V1=-(FEM-1(K+I+L/Δt))-1D/ΔtA1V2=-(FEM-1(K+I+L/Δt))-1D/ΔtA2O=(FEM-1(K+I+L/Δt))-1(A0-FEM-1J-R-Φ)---(12)]]>融合后的磁通門誤差模型公式(11)可以重新表示為:Bt＝PBt-1+U1Tt+U2Tt.2+V1Tt-1+V2Tt-1.2+O(13)將式(13)迭代f次后的表達式為:Bt＝Pf+1Bt-f-1+U1Tt+U2Tt.2+(V1+PU1)Tt-1+(V2+PU2)Tt-1.2+…+Pf-1(V1+PU1)Tt-f+Pf-1(V2+PU2)Tt-f.2+PfV1Tt-f-1+PfV2Tt-f-1.2...

【專利技術屬性】
技術研發人員：隨陽軼，苗紅松，周志堅，欒卉，林君，
申請(專利權)人：吉林大學，
類型：發明
國別省市：吉林;22