本發(fā)明涉及一種地空TEM接收系統(tǒng)及測(cè)量方法，特別涉及一種具有姿態(tài)記錄功能的地空TEM接收系統(tǒng)及測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

當(dāng)前，時(shí)間域瞬變電磁法(Time-domain Electromagnetic，簡(jiǎn)稱(chēng)TEM)是一種基于電磁感應(yīng)原理的地球物理探測(cè)方法，根據(jù)接收機(jī)接收到的二次場(chǎng)的大小及衰減特性來(lái)分析地下介質(zhì)的分布情況。接收系統(tǒng)決定二次場(chǎng)數(shù)據(jù)的接收質(zhì)量，而二次場(chǎng)數(shù)據(jù)接收質(zhì)量是探測(cè)效果好壞的關(guān)鍵因素。

地空TEM系統(tǒng)采用地面發(fā)射、空中接收的工作方式，在飛行過(guò)程中，接收線圈抖動(dòng)姿態(tài)時(shí)刻變化，在測(cè)量數(shù)據(jù)中引發(fā)接收分量方向、系統(tǒng)收發(fā)距等參數(shù)誤差，影響數(shù)據(jù)反演效果。地空TEM探測(cè)中為提高信噪比，常采用六旋翼飛行器掛載接收線圈實(shí)現(xiàn)低空近地飛行，但其載重有限制，常規(guī)適用于航空TEM中的高精度慣性導(dǎo)航傳感器由于體積重量較大，不再適用于地空TEM探測(cè)；而通過(guò)軟件基線校正進(jìn)行處理，雖然算法上容易實(shí)現(xiàn)，但實(shí)際處理效果精度較低。

中國(guó)專(zhuān)利CN102096113B公開(kāi)了一種時(shí)間域地空電磁探測(cè)系統(tǒng)及標(biāo)定方法該系統(tǒng)由地面記錄裝置GPS同步單元連接的感應(yīng)信號(hào)記錄裝置、閉合異常環(huán)、數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)和時(shí)間域地空電磁探測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)定方法構(gòu)成。在測(cè)量時(shí)，通過(guò)去除大地背景場(chǎng)數(shù)據(jù)，提取含幾何誤差的純閉合異常環(huán)電磁信號(hào)，輸入數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)，與計(jì)算的閉合異常環(huán)理論值進(jìn)行比較、擬合，確定系統(tǒng)誤差、幾何參數(shù)誤差以及時(shí)間域地空電磁探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)分辨率，實(shí)現(xiàn)電磁探測(cè)系統(tǒng)性 能的測(cè)試和標(biāo)定，未涉及地空電磁信號(hào)線圈姿態(tài)問(wèn)題及解決方案。

中國(guó)專(zhuān)利CN201380075951.9公開(kāi)了一種用于姿態(tài)校正的系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)包括：陀螺儀傳感器、加速度傳感器、磁力計(jì)傳感器，姿態(tài)模塊、校正模塊。該發(fā)明實(shí)現(xiàn)了能夠檢測(cè)電子設(shè)備的加速度和姿態(tài)，用加速度來(lái)計(jì)算姿態(tài)校正。用所計(jì)算的姿態(tài)校正來(lái)校正所檢測(cè)的電子設(shè)備的姿態(tài)，但并未涉及地空電磁信號(hào)問(wèn)題及解決方案。

Yin等(2004a)研究發(fā)現(xiàn)，在一般情況下，機(jī)載電磁系統(tǒng)因姿態(tài)變化所引起的大部分(超過(guò)95％)的誤差來(lái)自于幾何影響，而不是電磁感應(yīng)作用。在直升機(jī)吊艙姿態(tài)變化對(duì)電磁響應(yīng)的影響研究中，只考慮幾何影響，而不考慮電磁感應(yīng)作用，有力證實(shí)了姿態(tài)校正的研究意義。

王琦等人在發(fā)表于《地球物理學(xué)報(bào)》的文獻(xiàn)《固定翼航空電磁系統(tǒng)的線圈姿態(tài)及吊艙擺動(dòng)影響研究與校正》中推導(dǎo)了任意姿態(tài)角度以及任意擺動(dòng)角度情況下的固定翼航空電磁響應(yīng)三分量計(jì)算表達(dá)式，仿真分析了三種角度同時(shí)存在情況下電磁響應(yīng)的定量變化規(guī)律，給出了基于響應(yīng)系數(shù)的固定翼航空電磁系統(tǒng)線圈姿態(tài)和擺動(dòng)狀態(tài)校正方法。

陽(yáng)貴紅《時(shí)域電性源地-空電磁探測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理研究》中提出在對(duì)地空電磁數(shù)據(jù)處理時(shí)，利用插值法基線校正和小波多分辨率分析的基線校正算法來(lái)去除線圈運(yùn)動(dòng)噪聲。通過(guò)軟件算法對(duì)運(yùn)動(dòng)噪聲進(jìn)行基線校正，只對(duì)晚期數(shù)據(jù)過(guò)零有所改善，但姿態(tài)變化影響整個(gè)衰減曲線，因此無(wú)法徹底解決線圈姿態(tài)變化帶來(lái)的問(wèn)題。

以上所述系統(tǒng)公布了地空TEM接收系統(tǒng)組成及通過(guò)仿真分析、基線校正等方式解決地空電磁探測(cè)中線圈姿態(tài)變化引發(fā)的問(wèn)題，現(xiàn)有地空TEM接收系統(tǒng)沒(méi)有記錄姿態(tài)信息，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)利還未涉及將MPU9250傳感器應(yīng)用于地空TEM測(cè)量 系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決在地空TEM測(cè)量系統(tǒng)中接收線圈姿態(tài)變化給測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及處理所帶來(lái)的問(wèn)題，而提供的一種具有姿態(tài)記錄功能的地空TEM接收系統(tǒng)及測(cè)量方法。

本發(fā)明提供的具有姿態(tài)記錄功能的地空TEM接收系統(tǒng)包括接收線圈、前端電路、信號(hào)采集模塊、MPU9250姿態(tài)記錄模塊、主控制器和電源，其中接收線圈與前端電路的輸入端相連接，前端電路的輸出端與信號(hào)采集模塊相連接，信號(hào)采集模塊與主控制器相連接，MPU9250姿態(tài)記錄模塊也與主控制器相連接，電源為前端電路、信號(hào)采集模塊、MPU9250姿態(tài)記錄模塊和主控制器提供電能。

前端電路由帶有正向輸入端、反向輸入端的運(yùn)放電路組成，其中接收線圈兩端分別與運(yùn)放電路正向輸入端、反向輸入端相連接，運(yùn)放電路正向輸出端與信號(hào)采集模塊正向輸入端相連接，運(yùn)放電路反向輸出端與信號(hào)采集模塊反向輸入端連接。

信號(hào)采集模塊包括有A/D采集電路、數(shù)字隔離電路和時(shí)序控制電路，其中A/D采集電路的正向輸入端與前端電路正向輸出端相連接，A/D采集電路的反向輸入端與前端電路反向輸出端相連接，A/D采集電路的輸出端與數(shù)字隔離電路輸入端相連接，A/D采集電路還與時(shí)序控制電路相連接，數(shù)字隔離電路輸出端與主控制器相連接，A/D采集電路為24-Bit采集電路。

MPU9250姿態(tài)記錄模塊包括有MPU9250傳感器和從控制器，其中MPU9250傳感器輸出端與從控制器相連接，從控制器通過(guò)串口通信與主控制器相連接，MPU9250傳感器中集成了三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)和三軸磁力計(jì)。

主控制器中設(shè)置有中央處理單元CPU，主控制器還連接有SD卡、液晶顯示 器和GPS同步控制電路，主控制器接收來(lái)自GPS同步控制電路的同步信號(hào)，SD卡中數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理進(jìn)行姿態(tài)校正。

電源包括鋰電池和穩(wěn)壓電路，鋰電池與穩(wěn)壓電路連接后形成正電源和負(fù)電源，其中正電源和負(fù)電源均與前端電路相連接，正電源還與信號(hào)采集模塊、MPU9250姿態(tài)記錄模塊和主控制器相連接。

接收線圈、數(shù)字隔離電路、穩(wěn)壓電路為現(xiàn)有設(shè)備的組裝，因此，具體型號(hào)和規(guī)格沒(méi)有進(jìn)一步進(jìn)行贅述。

本發(fā)明提供的具有姿態(tài)記錄功能的地空TEM接收系統(tǒng)測(cè)量方法，其方法如下所述：

步驟一、利用接收線圈接收瞬變電磁探測(cè)中的二次場(chǎng)信號(hào)；

步驟二、利用MPU9250傳感器測(cè)量其內(nèi)部集成的三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)和三軸磁力計(jì)原始數(shù)據(jù)；

步驟三、將步驟一中所述的二次場(chǎng)信號(hào)經(jīng)屏蔽電纜分為兩個(gè)支路接入前端電路正向輸入端和前端電路反向輸入端；

步驟四、對(duì)二次場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行前端信號(hào)調(diào)理，即信號(hào)的保護(hù)、濾波、電平抬升；

步驟五、二次場(chǎng)信號(hào)采集，信號(hào)經(jīng)過(guò)屏蔽線傳輸至信號(hào)采集電路，利用A/D采集電路采集二次場(chǎng)信號(hào)；

步驟六、將步驟二中所述的姿態(tài)原始數(shù)據(jù)送入從控制器進(jìn)行卡爾曼濾波處理進(jìn)行姿態(tài)解算，并將解算后的姿態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信傳輸至主控制器；

步驟七、主控制器接收來(lái)自GPS同步控制電路的同步信號(hào)，將步驟五中所述的二次場(chǎng)信號(hào)和步驟六中所述的姿態(tài)數(shù)據(jù)同步后存儲(chǔ)至SD卡中，至此，完成了地空瞬變電磁信號(hào)探測(cè)中具有姿態(tài)記錄功能的地空TEM接收系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測(cè)量 與存儲(chǔ)過(guò)程。

步驟六中利用卡爾曼濾波，建立卡爾曼濾波狀態(tài)方程和測(cè)量方程，并通過(guò)姿態(tài)角噪聲估計(jì)得到濾波的測(cè)量噪聲協(xié)方差來(lái)實(shí)現(xiàn)卡爾曼濾波自回歸數(shù)據(jù)更新，經(jīng)過(guò)不斷最優(yōu)自回歸得到最優(yōu)的姿態(tài)角，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的快速解算。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明與現(xiàn)有地空瞬變電磁測(cè)量系統(tǒng)相比：一是準(zhǔn)確記錄接收線圈姿態(tài)，通過(guò)姿態(tài)校正二次場(chǎng)信號(hào)有效減小了線圈姿態(tài)變化對(duì)地空TEM探測(cè)效果的影響彌補(bǔ)了現(xiàn)有基線校正等數(shù)據(jù)處理方法無(wú)法解決地空TEM探測(cè)中姿態(tài)變化問(wèn)題的不足；二是基于MPU9250的姿態(tài)記錄電路小巧輕便，姿態(tài)解算快速、準(zhǔn)確，解決了現(xiàn)有地空TEM探測(cè)由于傳統(tǒng)慣導(dǎo)體積、質(zhì)量大不適用旋翼飛行器掛載而無(wú)法記錄姿態(tài)的問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所述系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明所述姿態(tài)解算原理示意圖。

圖3為本發(fā)明所述接收系統(tǒng)二次場(chǎng)數(shù)據(jù)與姿態(tài)數(shù)據(jù)同步示意圖。

1、接收線圈 2、前端電路 3、信號(hào)采集模塊 4、MPU9250姿態(tài)記錄模塊 5、主控制器 6、電源 7、SD卡 8、液晶顯示器 9、GPS同步控制電路 10、鋰電池 11、穩(wěn)壓電路。

具體實(shí)施方式

請(qǐng)參閱圖1、圖2和圖3所示：

本發(fā)明提供的具有姿態(tài)記錄功能的地空TEM接收系統(tǒng)包括接收線圈1、前端電路2、信號(hào)采集模塊3、MPU9250姿態(tài)記錄模塊4、主控制器5和電源6，其中接收線圈1與前端電路2的輸入端相連接，前端電路2的輸出端與信號(hào)采集模 塊3相連接，信號(hào)采集模塊3與主控制器5相連接，MPU9250姿態(tài)記錄模塊4也與主控制器5相連接，電源6為前端電路2、信號(hào)采集模塊3、MPU9250姿態(tài)記錄模塊4和主控制器5提供電能。

前端電路2由帶有正向輸入端、反向輸入端的運(yùn)放電路組成，其中接收線圈1兩端分別與運(yùn)放電路正向輸入端、反向輸入端相連接，運(yùn)放電路正向輸出端與信號(hào)采集模塊3正向輸入端相連接，運(yùn)放電路反向輸出端與信號(hào)采集模塊3反向輸入端連接。

信號(hào)采集模塊3包括有A/D采集電路、數(shù)字隔離電路和時(shí)序控制電路，其中A/D采集電路的正向輸入端與前端電路2正向輸出端相連接，A/D采集電路的反向輸入端與前端電路2反向輸出端相連接，A/D采集電路的輸出端與數(shù)字隔離電路輸入端相連接，A/D采集電路還與時(shí)序控制電路相連接，數(shù)字隔離電路輸出端與主控制器5相連接，A/D采集電路為24-Bit采集電路，ADC芯片選擇ADS1271芯片。

MPU9250姿態(tài)記錄模塊4包括有MPU9250傳感器和從控制器，其中MPU9250傳感器輸出端與從控制器相連接，從控制器通過(guò)串口通信與主控制器5相連接。

MPU9250傳感器中集成了三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)和三軸磁力計(jì)。

主控制器5中設(shè)置有中央處理單元CPU，主控制器5還連接有SD卡7、液晶顯示器8和GPS同步控制電路9，主控制器5接收來(lái)自GPS同步控制電路9的同步信號(hào)，SD卡7中數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理進(jìn)行姿態(tài)校正。在本實(shí)施例中主控制器5選擇ARM Cortex-M4架構(gòu)的STM32F407芯片。

電源6包括鋰電池10和穩(wěn)壓電路11，鋰電池10與穩(wěn)壓電路11連接后形成正電源和負(fù)電源，其中正電源和負(fù)電源均與前端電路2相連接，正電源還與信號(hào)采集模塊3、MPU9250姿態(tài)記錄模塊4和主控制器5相連接。

接收線圈1、數(shù)字隔離電路、穩(wěn)壓電路為現(xiàn)有設(shè)備的組裝，因此，具體型號(hào)和規(guī)格沒(méi)有進(jìn)一步進(jìn)行贅述。

本發(fā)明提供的具有姿態(tài)記錄功能的地空TEM接收系統(tǒng)測(cè)量方法，其方法如下所述：

步驟一、利用接收線圈1接收瞬變電磁探測(cè)中的二次場(chǎng)信號(hào)；

步驟二、利用MPU9250傳感器測(cè)量其內(nèi)部集成的三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)和三軸磁力計(jì)原始數(shù)據(jù)；

步驟三、將步驟一中所述的二次場(chǎng)信號(hào)經(jīng)屏蔽電纜分為兩個(gè)支路接入前端電路2正向輸入端和前端電路反向輸入端；

步驟四、對(duì)二次場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行前端信號(hào)調(diào)理，即信號(hào)的保護(hù)、濾波、電平抬升；

步驟五、二次場(chǎng)信號(hào)采集，信號(hào)經(jīng)過(guò)屏蔽線傳輸至信號(hào)采集電路，利用A/D采集電路采集二次場(chǎng)信號(hào)；

步驟六、將步驟二中所述的姿態(tài)原始數(shù)據(jù)送入從控制器進(jìn)行卡爾曼濾波處理進(jìn)行姿態(tài)解算，并將解算后的姿態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信傳輸至主控制器5；

步驟七、主控制器5接收來(lái)自GPS同步控制電路9的同步信號(hào)，將步驟五中所述的二次場(chǎng)信號(hào)和步驟六中所述的姿態(tài)數(shù)據(jù)同步后存儲(chǔ)至SD卡7中，至此，完成了地空瞬變電磁信號(hào)探測(cè)中具有姿態(tài)記錄功能的地空TEM接收系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測(cè)量與存儲(chǔ)過(guò)程。

步驟六中，卡爾曼濾波解算角度，具體方法如下：

建立卡爾曼濾波狀態(tài)方程，根據(jù)陀螺儀輸出角速度值計(jì)算姿態(tài)角的過(guò)程，看作是當(dāng)前狀態(tài)的預(yù)測(cè)，建立濾波系統(tǒng)的狀態(tài)方程，建立四元數(shù)Q＝(q₀,q₁,q₂,q₃)(q₀,q₁,q₂,q₃是時(shí)間的函數(shù))，微分方程如式(1)，反推姿態(tài)角作為當(dāng)前預(yù)測(cè)值；

其中，姿態(tài)矩陣角速度ω＝[ω_x ω_y ω_z]^T，將上式展開(kāi)為：

利用四階龍格庫(kù)塔法，求出當(dāng)前時(shí)刻的姿態(tài)四元數(shù)，進(jìn)而求出當(dāng)前時(shí)刻的姿態(tài)角。設(shè)更新時(shí)間為T(mén)，遞推形式如式(3)：

其中，

輸出的預(yù)測(cè)角度，可以看作是真實(shí)角度和誤差角度的合成，如式(5)所示：

其中，為經(jīng)微分方程求解的姿態(tài)角，為真實(shí)姿態(tài)角，為根據(jù)陀螺儀輸出角速度預(yù)測(cè)姿態(tài)角度的估計(jì)誤差；

建立卡爾曼濾波測(cè)量方程，根據(jù)加速度計(jì)測(cè)量的三軸重力場(chǎng)加速度和磁強(qiáng)計(jì)得到的三軸磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻的姿態(tài)角作為觀測(cè)量；

通過(guò)加速度計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)計(jì)算出的姿態(tài)角，如式(6)所示：

其中：為觀測(cè)量，為真實(shí)姿態(tài)角，為測(cè)量姿態(tài)角度與真實(shí)角度的誤差；

為陀螺儀角度的估計(jì)誤差，為加速計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)的角度估計(jì)誤差，為相互獨(dú)立的零均值白噪聲序列，滿(mǎn)足：

分別計(jì)算出相鄰兩時(shí)刻角度估計(jì)的差值得到兩時(shí)刻的融合誤差：

求融合誤差協(xié)方差：

陀螺儀、加速度計(jì)和磁力計(jì)的誤差為相互獨(dú)立的零均值白噪聲序列，單一傳感器，上一時(shí)刻和此時(shí)刻的誤差為相互獨(dú)立的，則有：

在短時(shí)間內(nèi)，誤差的變化為平穩(wěn)過(guò)程，陀螺儀穩(wěn)定度好、測(cè)量精度高、誤差小其誤差可以忽略，則誤差協(xié)方差:

得到誤差的2階中心距，即加速度計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)的協(xié)方差：

為姿態(tài)角噪聲估計(jì)，作為濾波融合的測(cè)量噪聲協(xié)方差R，用于卡爾曼濾波的自回歸數(shù)據(jù)更新，經(jīng)過(guò)不斷的最優(yōu)自回歸，可解算出姿態(tài)角。