一種磁場測量裝置姿態擺動干擾去除方法制造方法及圖紙

本發明專利技術公開了一種磁場測量裝置姿態擺動干擾去除方法，包括以下步驟：設定磁場測量裝置的參考坐標系和全局坐標系，并測量參考坐標系與全局坐標系之間的夾角即姿態角度；根據以下公式計算在全局坐標系中的磁矢量r

【技術實現步驟摘要】
一種磁場測量裝置姿態擺動干擾去除方法
本專利技術涉及一種用于磁場測量的去干擾方法，尤其涉及一種磁場測量裝置姿態擺動干擾去除方法。
技術介紹
磁場是地球物理場的重要組成部分，通過測量磁場的空間分布，可以間接的反應地下鐵磁質物體的變化特征，應用于地磁勘探、磁層析檢測等領域。地磁勘探利用處于地磁場中的巖石、礦物等磁性目標的磁場差異所形成的局部磁異常場實現磁性礦體定位及其構造特點等性質的研究，具有經濟成本低、探測范圍大、運轉周期短、應用效果好等優點；磁層析檢測采用傳感器陣列測量管道上方的空間磁場分布，通過獲得磁場的異常信號，經過適當的數據處理和分析，得到缺陷的位置和類型，是21世紀較有前景的無損檢測技術之一。磁場是一個空間矢量，具有幅值和方向。進行磁場測量的裝置通常采用多個高精度磁場傳感器，不僅可以測量磁場標量值，即磁矢量的幅值，還可以得到磁場在不同坐標方向上的投影，即磁矢量的分量。在磁場測量時，如果磁場測量裝置(儀器)的姿態發生變化，即磁場測量的基準坐標系發生改變，那么測得的三個磁場分量信號將出現明顯波動。比如，磁場幅值變化在0.5A/m左右時，磁場的三個分量可以出現明顯波動，波動在5～20A/m，磁場三個分量出現的波動是由測量裝置(儀器)姿態變化引起的。儀器姿態擺動對磁場信號的幅值沒有影響，原因是磁場信號的幅值即磁矢量的“模”，與測量基準坐標系無關。這種儀器姿態擺動引起的磁場分量的較大波動，對于高精度磁場測量十分不利。無論是地磁勘探還是磁層析檢測，都需要找出磁場信號中的異常信號(即目標信號)，如果儀器姿態擺動引起的干擾太大，則目標信號會被儀器姿態擺動干擾引起的“波動信號”淹沒，特別是如果目標信號的頻率與“波動”的頻率相近，則更難以將目標信號提取出來。傳統去除儀器姿態擺動干擾的方法有兩大類：(1)盡量減少儀器的姿態擺動：采用輔助裝置，使得磁場測量裝置(儀器)盡量平穩，測量時儀器的姿態不發生較大改變；如在城市柏油路面可采用滾輪攜帶傳感器前進，在實驗室可使用輔助支架使得儀器平滑前進，在高空可使用航空飛行器攜帶儀器前行。(2)濾波等信號處理方法：在磁場目標信號的特征頻率與儀器姿態擺動引起干擾信號的特征頻率相差較大時，可采用高頻濾波、滑動平均濾波、小波分析等信號處理方法，將干擾信號去除。上述兩種傳統方法都存在各自缺陷，具體表現為：對于上述第一類方法，在磁層析檢測等實際磁場測量時，磁場測量裝置(儀器)由操作人員攜帶行走，無法采用輔助裝置，例如磁層析檢測多發生在野外環境，地面崎嶇不平，無法采用滾輪輔助行走的方式；輔助支架由于體積和重量的限制，無法適用于快速的野外作業；航空測量，地面的莊稼、樹木使得飛行器難以貼近地表面飛行，而飛的太高的話，磁場傳感器距磁源的距離會變得太遠，難以測得有效的目標信號。因此在磁層析檢測等野外實際測量時，只能由操作人員攜帶儀器(背、抱、提)前進，而操作人員行走會帶來不可避免的儀器姿態擺動。對于上述第二類方法，根據磁層析檢測實際磁場信號分析可知，目標信號與儀器姿態擺動引起的干擾信號的特征頻率相近，且姿態擺動干擾具有較大的不確定性，因此采用濾波的方法難以去除擺動干擾信號。
技術實現思路
本專利技術的目的就在于為了解決上述問題而提供一種有效且高精度的磁場測量裝置姿態擺動干擾去除方法。本專利技術通過以下技術方案來實現上述目的：一種磁場測量裝置姿態擺動干擾去除方法，包括以下步驟：(1)對于二維磁矢量r，包括以下步驟：(1.1)設磁場測量裝置的參考坐標系是OX'Y'，全局坐標系是OXY，參考坐標系OX'Y'與全局坐標系OXY之間的夾角即姿態角度為θ，r1表示磁場測量裝置測得的在全局坐標系OXY中的磁矢量，r1＝(x1，y1)，r2表示磁場測量裝置測得的在參考坐標系OX'Y'中的磁矢量，r2＝(x2，y2)；(1.2)根據以下公式計算r1：r1＝[R]-1r2其中，[R]-1是[R]的逆矩陣，[R]是旋轉矩陣且r2可以直接通過磁場測量裝置測量獲得，r1與磁場測量裝置的姿態擺動無關，所以消除了磁場測量裝置姿態的擺動對二維磁矢量的干擾；(2)對于三維磁矢量r’，包括以下步驟：(2.1)設x、y、z軸分別為磁場測量裝置的參考坐標系的三個參考軸，X、Y、Z軸分別為全局坐標系的三個參考軸，xy平面與XY平面的相交線為交點線，用英文字母N代表，α表示x軸與交點線N的夾角即第一姿態夾角，β表示z軸與Z軸的夾角即第二姿態夾角，γ表示交點線N與X軸的夾角即第三姿態夾角，r’1表示磁場測量裝置測得的在全局坐標系中的磁矢量，r’1＝(x1，y1，z1)，r’2表示磁場測量裝置測得的在參考坐標系中的磁矢量，r’2＝(x2，y2，z2)；(2.2)根據以下公式計算r’1：r’1＝[R']-1r’2其中，[R']-1是[R']的逆矩陣，[R']是旋轉矩陣且r’2可以直接通過磁場測量裝置測量獲得，r’1與磁場測量裝置的姿態擺動無關，所以消除了磁場測量裝置姿態的擺動對二維磁矢量的干擾。作為優選，所述步驟(1.1)和步驟(2.1)中，先通過高精度陀螺儀測量磁場測量裝置擺動的角速度，再由角速度計算磁場測量裝置的姿態角度。本專利技術的有益效果在于：本專利技術通過將含姿態擺動干擾的參考坐標系中的磁矢量轉換為無姿態擺動干擾的全局坐標系中的磁矢量，從而從本質上去除了磁場測量裝置姿態擺動引起的干擾；可以通過常規的高精度陀螺儀測量磁場測量裝置的姿態角速度，再通過求解常規的姿態角度常微分方程，得到磁場測量裝置的姿態角度，從而能夠通過常規測量方法和本專利技術創新的轉換方法獲得無姿態擺動干擾的磁矢量。附圖說明圖1是本專利技術所述磁場測量裝置姿態擺動干擾去除方法應用于二維磁矢量測量時的二維坐標系示意圖；圖2是本專利技術所述磁場測量裝置姿態擺動干擾去除方法應用于三維磁矢量測量時的三維坐標系示意圖；圖3是實施例中磁矢量在參考坐標系中的三個分量的示意圖；圖4是實施例中磁場測量裝置在第一個三維坐標系方向上的擺動角度；圖5是實施例中磁場測量裝置在第二個三維坐標系方向上的擺動角度；圖6是實施例中磁場測量裝置在第三個三維坐標系方向上的擺動角度；圖7是實施例中磁矢量去除干擾后的三個分量的示意圖；圖8是實施例中測量點角度獲取方法示意圖；圖9是實施例中相對參考點的姿態擺動干擾去除方法示意圖。具體實施方式下面結合實施例和附圖對本專利技術作進一步說明：實施例1：對于二維磁矢量的測量，按照以下步驟去除磁場測量裝置的姿態擺動干擾：(1.1)如圖1所示，設磁場測量裝置的參考坐標系是OX'Y'，全局坐標系是OXY，參考坐標系OX'Y'與全局坐標系OXY之間的夾角即姿態角度為θ，r1表示磁場測量裝置測得的在全局坐標系OXY中的磁矢量，r1＝(x1，y1)，r2表示磁場測量裝置測得的在參考坐標系OX'Y'中的磁矢量，r2＝(x2，y2)；姿態角度為θ的獲取方法如下：先通過高精度陀螺儀測量磁場測量裝置擺動的角速度，再通過姿態更新算法由角速度計算磁場測量裝置的姿態角度θ；(1.2)根據矢量的旋轉特性，r1和r2之間存在如下關系：定義旋轉矩陣[R]為：則根據以下公式計算r1：r1＝[R]-1r2其中，[R]-1是[R]的逆矩陣，[R]是旋轉矩陣，在確定[R]的前提下，[R]-1即可確定，故可以通過r2計算r1；r2可以直接通過磁場本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種磁場測量裝置姿態擺動干擾去除方法，其特征在于：包括以下步驟：(1)對于二維磁矢量r，包括以下步驟：(1.1)設磁場測量裝置的參考坐標系是OX'Y'，全局坐標系是OXY，參考坐標系OX'Y'與全局坐標系OXY之間的夾角即姿態角度為θ，r

【技術特征摘要】
1.一種磁場測量裝置姿態擺動干擾去除方法，其特征在于：包括以下步驟：(1)對于二維磁矢量r，包括以下步驟：(1.1)設磁場測量裝置的參考坐標系是OX'Y'，全局坐標系是OXY，參考坐標系OX'Y'與全局坐標系OXY之間的夾角即姿態角度為θ，r1表示磁場測量裝置測得的在全局坐標系OXY中的磁矢量，r1＝(x1，y1)，r2表示磁場測量裝置測得的在參考坐標系OX'Y'中的磁矢量，r2＝(x2，y2)；(1.2)根據以下公式計算r1：r1＝[R]-1r2其中，[R]-1是[R]的逆矩陣，[R]是旋轉矩陣且r2可以直接通過磁場測量裝置測量獲得，r1與磁場測量裝置的姿態擺動無關，所以消除了磁場測量裝置姿態的擺動對二維磁矢量的干擾；(2)對于三維磁矢量r’，包括以下步驟：(2.1)設x、y、z軸分別為磁場測量裝置的參考坐標系的三個參考軸，X、Y、Z軸分別為全局坐標系的三個參考軸，xy平面與XY平面的相交線為交點線，用英文字母N代表，α表示x軸與交點線N的夾角即第一姿態夾角，β表示z軸與Z軸的夾角即第二姿態夾角，γ表示交點線N與X軸的夾角即第三姿態夾角，r’1表示磁場測量裝置測得的在全局坐標系中的磁矢量，r’1＝(x1，y1，z1)，r’2表示磁場測量裝置測得的在參考坐標系中的磁矢量，r’2＝(x...

【專利技術屬性】
技術研發人員：牛紅攀，胡紹全，王小龍，劉信恩，吳付崗，孫樂，
申請(專利權)人：中國工程物理研究院總體工程研究所，
類型：發明
國別省市：四川,51