本發(fā)明涉及地磁測(cè)量領(lǐng)域，尤其涉及一種地磁全要素測(cè)量系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

地磁場(chǎng)是反映地球的物質(zhì)分布與地質(zhì)構(gòu)造的基本物理場(chǎng)之一，能夠揭示出有關(guān)地球內(nèi)部的物理化學(xué)過(guò)程。磁力儀是對(duì)地磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量的主要科學(xué)儀器，廣泛應(yīng)用于地球科學(xué)研究、地質(zhì)和資源勘探、航空航天、軍事探測(cè)等領(lǐng)域。地磁場(chǎng)信息主要有七個(gè)要素：總場(chǎng)、水平分量、北向分量、東向分量、垂直分量、磁傾角和磁偏角。常規(guī)的地磁總場(chǎng)測(cè)量只能確定磁層的分布及構(gòu)造情況，但總場(chǎng)以外的地磁要素包含更多的目標(biāo)信息，具有更大的應(yīng)用范圍。

目前，地磁要素的測(cè)量要分為三類：第一類是以磁通門傳感器為代表，該類傳感器可以直接獲取地磁三分量信息，但存在正交性誤差、溫漂以及無(wú)法進(jìn)行絕對(duì)觀測(cè)等問(wèn)題；第二類是磁通門傳感器與經(jīng)緯儀相結(jié)合組合測(cè)量，該類磁力儀也稱為di儀，無(wú)法進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)。第三類是總場(chǎng)傳感器和亥姆霍茲線圈(磁場(chǎng)均勻發(fā)生器)相結(jié)合的組合測(cè)量方式，這種地磁儀體積大，選用的總場(chǎng)傳感器大都為質(zhì)子旋進(jìn)式傳感器，靈敏度不高，且無(wú)法獲取地磁所有要素的信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的實(shí)施例提供了可實(shí)現(xiàn)地磁全要素的高精度一體化矢量測(cè)量的一種地磁全要素測(cè)量系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明提供一種地磁要素測(cè)量系統(tǒng)，所述地磁要素測(cè)量系統(tǒng)包括地磁要素傳感器、要素磁力儀主機(jī)和連接單元，所述地磁要素傳感器包括總場(chǎng)傳感器和均勻磁場(chǎng)發(fā)生器，所述總場(chǎng)傳感器的一端卡合固定在所述均勻磁場(chǎng)發(fā)生器的內(nèi)側(cè)中心，另一端不與均勻磁場(chǎng)發(fā)生器連接，所述要素磁力儀主機(jī)包括測(cè)量模塊和恒流源系統(tǒng)，所述測(cè)量模塊包括激勵(lì)源、信號(hào)調(diào)理模塊和磁場(chǎng)測(cè)量模塊，所述連接單元包括信號(hào)傳輸線和供電線，所述信號(hào)傳輸線連接總場(chǎng)傳感器和所述測(cè)量模塊，所述供電線連接均勻磁場(chǎng)發(fā)生器和恒流源系統(tǒng)，所述恒流源系統(tǒng)通過(guò)供電線為所述均勻磁場(chǎng)發(fā)生器供電，當(dāng)所述恒流源系統(tǒng)向所述均勻磁場(chǎng)發(fā)生器供電后，所述激勵(lì)源驅(qū)動(dòng)所述總場(chǎng)傳感器輸出fid信號(hào)，所述信號(hào)調(diào)理模塊通過(guò)所述傳輸線接收f(shuō)id信號(hào)，所述信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波和整形，輸出整形后信號(hào)，所述磁場(chǎng)測(cè)量模塊對(duì)整形后信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，獲得當(dāng)前的磁場(chǎng)值。

進(jìn)一步地，所述均勻磁場(chǎng)發(fā)生器包括相互正交的第一線圈和第二線圈，所述第一線圈的尺寸大于第二線圈的尺寸，所述第二線圈嚙合固定在第一線圈內(nèi)側(cè)，所述總場(chǎng)傳感器的一端卡合固定在所述第二線圈內(nèi)側(cè)中心，另一端不與均勻磁場(chǎng)發(fā)生器連接。

進(jìn)一步地，所述第一線圈和第二線圈是球形線圈。

進(jìn)一步地，所述總場(chǎng)傳感器是overhauser傳感器。

本發(fā)明還提供應(yīng)用一種地磁要素測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法，所述一種地磁要素測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法包括如下步驟：

s1:在所述第一線圈和第二線圈未通電的情況下，通過(guò)所述磁場(chǎng)測(cè)量模塊測(cè)出第一地磁總場(chǎng)f1；

s2:依次向所述第一線圈和第二線圈輸入電流，所述磁場(chǎng)測(cè)量模塊測(cè)量偏置磁場(chǎng)i+、i-，d+、d-，

s21:所述恒流源系統(tǒng)向所述第一線圈輸入電流i1，所述磁場(chǎng)測(cè)量模塊測(cè)量出偏置磁場(chǎng)i+；

s22:所述恒流源系統(tǒng)向所述第一線圈輸入一個(gè)與電流i1方向相反、大小相等的電流i2，所述磁場(chǎng)測(cè)量模塊測(cè)量出偏置磁場(chǎng)i-；

s23:所述恒流源系統(tǒng)向所述第二線圈輸入正向電流i3，此時(shí)地磁總場(chǎng)f平行于第二線圈軸偏轉(zhuǎn)，所述磁場(chǎng)測(cè)量模塊測(cè)量出偏置磁場(chǎng)d+。

s24:所述恒流源系統(tǒng)向第二線圈中輸入與電流i3大小相等、方向相反的電流i4，此時(shí)，所述地磁總場(chǎng)f反向平行于第二線圈軸偏轉(zhuǎn)，所述磁場(chǎng)測(cè)量模塊測(cè)量出偏置磁場(chǎng)d-；

s3:根據(jù)地磁總場(chǎng)f、偏置磁場(chǎng)i+、偏置磁場(chǎng)i-、偏置磁場(chǎng)d+、偏置磁場(chǎng)d-的值，計(jì)算磁傾角i和磁偏角d的變化量；

s4:根據(jù)地磁七要素的幾何關(guān)系和已知的地磁總場(chǎng)f、磁傾角i和磁偏角d的值計(jì)算出要素水平分量h，北向分量x，東向分量y，垂直分量z的值。

進(jìn)一步地，所述步驟s3包括如下步驟：

s31:求地磁總場(chǎng)f的值；

s311:在線圈未通電的情況下，測(cè)出第二地磁總場(chǎng)f2；

s312:所述總場(chǎng)無(wú)偏轉(zhuǎn)下地磁總場(chǎng)f的值是第一地磁總場(chǎng)f1和第二地磁總場(chǎng)f2的平均值；

s32:根據(jù)地磁總場(chǎng)f、偏置磁場(chǎng)i+、偏置磁場(chǎng)i-的值，計(jì)算得出磁傾角i的變化量；

s33:根據(jù)地磁總場(chǎng)f、偏置磁場(chǎng)d+、偏置磁場(chǎng)d-的值，計(jì)算得出磁偏角d的變化量；

s34:計(jì)算當(dāng)前的磁偏角d、磁傾角i。

進(jìn)一步地，所述步驟s32:根據(jù)地磁總場(chǎng)f、偏置磁場(chǎng)i+、偏置磁場(chǎng)i-的值，計(jì)算得出磁傾角i的變化量，具體包括：

所述第一線圈和所述第二線圈中通入大小相等，方向相反的電流后與地磁總場(chǎng)f疊加后所產(chǎn)生的偏置磁場(chǎng)設(shè)為f+和f-，

設(shè)a是所述第一線圈或所述第二線圈通入的電流后所形成的偏置磁場(chǎng)，a可以是步驟s2中的i+、d+中任意一個(gè)的值，f-是步驟s2中i-、d-中任意一個(gè)的值，由余弦定律可得：

f+²＝a-²+f²-2a-fcosα0

f-²＝a-²+f²-2a-fcos(π-α0)

則：

因?yàn)閍+＝a-＝a，則運(yùn)算后可得

ai表示所述第一線圈中通入的電流所形成的偏置場(chǎng)，ad分別表示所述第二線圈中通入的電流所形成的偏置場(chǎng)，故：

總場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后地磁總場(chǎng)f的變化在磁子午平面內(nèi)，且所述第一線圈和第二線圈依預(yù)設(shè)位置放置時(shí)，βi表示磁傾角i瞬時(shí)變化量；

根據(jù)各個(gè)磁場(chǎng)的三角關(guān)系可得：

因此：

又因?yàn)椋?/p>

α1為偏置磁場(chǎng)與當(dāng)前待測(cè)磁場(chǎng)的夾角，根據(jù)偏置磁場(chǎng)間的關(guān)系可有：

令由泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)可得：

所以：

βi的值就是磁傾角i的瞬時(shí)變化量δi。

進(jìn)一步地，所述步驟s33:根據(jù)地磁總場(chǎng)f、偏置磁場(chǎng)d+、偏置磁場(chǎng)d-的值，計(jì)算得出磁偏角d的變化量，具體包括：

根據(jù)余弦定理，求出變化的磁偏角βd的值，磁偏角βd是待測(cè)磁場(chǎng)與磁子午平面的夾角，磁偏角βd投影到水平面，故磁偏角d的變化量δd為：

進(jìn)一步地，所述步驟s34:計(jì)算當(dāng)前的磁偏角d、磁傾角i，具體包括：

在得到磁傾角i和磁偏角d變化量后，根據(jù)測(cè)量地點(diǎn)的初始磁偏角d0及初始磁傾角i0，計(jì)算得到當(dāng)前的磁偏角d、磁傾角i，計(jì)算公式如下：

i＝i0+δi

d＝d0+δd。

本發(fā)明的一種地磁要素分析儀，所述均勻磁場(chǎng)發(fā)生器是球形線圈，方便儀器的小型化；所述均勻磁場(chǎng)發(fā)生器和地磁總場(chǎng)傳感器的結(jié)合使用，提高了測(cè)量的精度；選擇地磁全要素方法進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)采用磁傾角增量-磁偏角增量的測(cè)算方法，實(shí)現(xiàn)了磁場(chǎng)總場(chǎng)、三分量、磁偏角、磁傾角全要素的一體化觀測(cè)，克服了其它地磁測(cè)量?jī)x器溫漂大、精度低、測(cè)量參數(shù)少、體積大的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)地磁全要素信息的高精度一體化測(cè)量，適應(yīng)多領(lǐng)域和多平臺(tái)的不同磁測(cè)需求，符合地磁要素類傳感測(cè)量的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一種地磁全要素測(cè)量系統(tǒng)的一結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明一種地磁全要素測(cè)量系統(tǒng)的工作流程示意圖。

圖3是本發(fā)明一種地磁全要素測(cè)量方法的工作流程示意圖。

圖4是本發(fā)明一種地磁全要素測(cè)量系統(tǒng)的七要素的幾何關(guān)系示意圖。

圖5是本發(fā)明一種地磁全要素測(cè)量系統(tǒng)的一體化測(cè)量模型示意圖。

圖6是本發(fā)明一種地磁全要素測(cè)量系統(tǒng)的磁傾角增量-磁偏角增量測(cè)算方法的流程示意圖。

圖7是本發(fā)明一種地磁全要素測(cè)量系統(tǒng)偏置磁場(chǎng)與待測(cè)地磁總場(chǎng)的關(guān)系示意圖。

圖8是本發(fā)明一種地磁全要素測(cè)量系統(tǒng)通電后瞬時(shí)磁傾角變化圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地描述。

請(qǐng)參考圖1，本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種地磁要素測(cè)量系統(tǒng)，所述地磁要素測(cè)量系統(tǒng)包括地磁要素傳感器10、要素磁力儀主機(jī)20和連接單元30，

所述地磁要素傳感器10包括總場(chǎng)傳感器11和均勻磁場(chǎng)發(fā)生器12，所述總場(chǎng)傳感器11是overhauser傳感器，所述均勻磁場(chǎng)發(fā)生器12包括相互正交的第一線圈121和第二線圈122，所述第一線圈121和第二線圈122是球形線圈，所述第一線圈121的尺寸大于第二線圈122的尺寸，所述第二線圈122嚙合固定在第一線圈121內(nèi)側(cè)，所述總場(chǎng)傳感器11的一端卡合固定在所述第二線圈122內(nèi)側(cè)中心，另一端不與均勻磁場(chǎng)發(fā)生器12連接。

所述要素磁力儀主機(jī)20包括測(cè)量模塊21和恒流源系統(tǒng)22，所述測(cè)量模塊21包括激勵(lì)源211、信號(hào)調(diào)理模塊212和磁場(chǎng)測(cè)量模塊213，所述恒流源系統(tǒng)22為所述第一線圈121和第二線圈122供電。

所述連接單元30包括信號(hào)傳輸線31和供電線32，所述信號(hào)傳輸線31連接總場(chǎng)傳感器11和所述測(cè)量模塊21，所述供電線32連接均勻磁場(chǎng)發(fā)生器12和恒流源系統(tǒng)22，所述恒流源系統(tǒng)21通過(guò)供電線32為所述均勻磁場(chǎng)發(fā)生器12供電。

當(dāng)所述恒流源系統(tǒng)21向所述均勻磁場(chǎng)發(fā)生器12供電，所述激勵(lì)源211驅(qū)動(dòng)所述總場(chǎng)傳感器11的輸出fid(freeinductiondecay，自由感應(yīng)衰減)信號(hào)；fid信號(hào)經(jīng)所述傳輸線31送至所述測(cè)量模塊21的所述信號(hào)調(diào)理模塊212，所述信號(hào)調(diào)理模塊212對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波和整形，輸出方波信號(hào)，所述磁場(chǎng)測(cè)量模塊213對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，獲得當(dāng)前的磁場(chǎng)值。

地磁場(chǎng)是矢量場(chǎng)，由總場(chǎng)f，水平分量h，北向分量x，東向分量y，垂直分量z，磁傾角i，磁偏角d這七個(gè)要素組成。

請(qǐng)參考圖4，沿地理子午線的方向，設(shè)立一個(gè)坐標(biāo)系的x軸，所述x軸沿地理子午線的方向指向地理正北。

在與所述x軸垂直的位置設(shè)置y軸，所述y軸沿緯圈的方向指向地理正東。

在所述x軸和所述y軸相交的o點(diǎn)，垂直向下設(shè)置z軸。

設(shè)地磁總場(chǎng)f的矢量方向?yàn)閛a，所述總場(chǎng)f在x軸上的投影為北向分量x，所述總場(chǎng)f在y軸上的投影為東向分量y，所述總場(chǎng)f在z軸上的投影為垂直分量z，所述總場(chǎng)f在水平面(xoy)平面的投影為水平分量h；

總場(chǎng)f所在的垂直平面(zob)為磁子午平面，地理子午面(xoz)與磁子午平面的夾角(xob)為磁偏角d，水平面(xoy)與總場(chǎng)f之間的夾角(aob)為磁傾角i。

地磁七要素的幾何關(guān)系如下式：

請(qǐng)參考圖2，所述地磁要素測(cè)量系統(tǒng)在測(cè)量前，先對(duì)所述地磁要素測(cè)量系統(tǒng)的各儀器部件進(jìn)行功能測(cè)試，檢查儀器能否正常使用，若有故障，就返回檢修。

在能正常使用的情況下，在選定測(cè)試地點(diǎn)，通過(guò)觀察磁傾角i和磁偏角d的偏轉(zhuǎn)分量是否存在差異，確認(rèn)儀器是否調(diào)平，待儀器調(diào)平后，測(cè)試并記錄一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)的測(cè)量值。

請(qǐng)參考圖3，地磁測(cè)量步驟如下：

s1:在所述第一線圈121和第二線圈122未通電的情況下，通過(guò)所述磁場(chǎng)測(cè)量模塊213測(cè)出第一地磁總場(chǎng)f1；

s2:請(qǐng)參考圖3，測(cè)量偏置磁場(chǎng)i+、i-、d+、d-；

s21:所述恒流源系統(tǒng)22向所述第一線圈121輸入電流i1，所述磁場(chǎng)測(cè)量模塊213測(cè)量出偏置磁場(chǎng)i+；

s22:在所述恒流源系統(tǒng)22向所述第一線圈121輸入一個(gè)與電流i1方向相反、大小相等的電流i2，所述磁場(chǎng)測(cè)量模塊213測(cè)量出偏置磁場(chǎng)i-；

s23:所述恒流源系統(tǒng)22向所述第二線圈122輸入正向電流i3，所述磁場(chǎng)測(cè)量模塊213測(cè)量出偏置磁場(chǎng)d+；

s24:所述恒流源系統(tǒng)22向第二線圈122中輸入與電流i3大小相等、方向相反的電流i4，所述磁場(chǎng)測(cè)量模塊213測(cè)量出偏置磁場(chǎng)d-；

s3:請(qǐng)參考圖6，根據(jù)地磁總場(chǎng)f、偏置磁場(chǎng)i+、偏置磁場(chǎng)i-、偏置磁場(chǎng)d+、偏置磁場(chǎng)d-的值，計(jì)算磁傾角i和磁偏角d的值；

s31:求地磁總場(chǎng)f的值；

s311:在線圈未通電的情況下，測(cè)出第二地磁總場(chǎng)f2；

s312:所述總場(chǎng)無(wú)偏轉(zhuǎn)下地磁總場(chǎng)f的值是第一地磁總場(chǎng)f1和第二地磁總場(chǎng)f2的平均值；

s32:根據(jù)地磁總場(chǎng)f、偏置磁場(chǎng)i+、偏置磁場(chǎng)i-的值，計(jì)算得出磁傾角i的變化量，步驟如下：

所述第一線圈121和所述第二線圈122中通入大小相等，方向相反的電流后與總場(chǎng)f疊加后所產(chǎn)生的偏置磁場(chǎng)設(shè)為f+和f-，

設(shè)a是所述第一線圈121或所述第二線圈122通入的電流后所形成的偏置磁場(chǎng)，a可以是步驟s2中的i+、d+中任意一個(gè)的值，f-是步驟s2中i-、d-中任意一個(gè)的值，其關(guān)系如圖7所示，由余弦定律可得：

f+²＝a-²+f²-2a-fcosα0

f-²＝a-²+f²-2a-fcos(π-α0)

則：

因?yàn)閍+＝a-＝a，則運(yùn)算后可得

ai表示所述第一線圈121中通入的電流所形成的偏置場(chǎng)，ad分別表示所述第二線圈122中通入的電流所形成的偏置場(chǎng)，故：

請(qǐng)參考圖5、圖7和圖8，圖7中總場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后地磁總場(chǎng)f的變化在磁子午平面內(nèi)，且所述第一線圈121和第二線圈122依預(yù)設(shè)位置放置時(shí)，所述第一線圈121和第二線圈122通電后的瞬時(shí)磁傾角βi變化如圖8所示，在e-f軸是磁場(chǎng)最初的方向，參照?qǐng)D5所示在e-f軸的模型方向設(shè)參考軸g-h軸，所述e-f軸和g-h軸構(gòu)成的平面為稱為磁子午平面，。

f為當(dāng)前待測(cè)磁場(chǎng)方向，βi表示磁傾角i的瞬時(shí)變化量。

根據(jù)圖8中各個(gè)磁場(chǎng)的三角關(guān)系可得：

因此：

又因?yàn)椋?/p>

α1為偏置磁場(chǎng)與當(dāng)前待測(cè)磁場(chǎng)的夾角，根據(jù)偏置磁場(chǎng)間的關(guān)系可有：

令由泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)可得：

所以：

βi的值就是磁傾角i的瞬時(shí)變化量δi；

s33:根據(jù)地磁總場(chǎng)f、偏置磁場(chǎng)d+、偏置磁場(chǎng)d-的值，計(jì)算得出磁偏角d的變化量，步驟如下：

磁偏角d計(jì)算的方法與磁傾角計(jì)算方法是一致的，在g-h軸垂直方向設(shè)置參考軸a-b，所述參考軸a-b和e-f構(gòu)成一個(gè)與e-f和g-h構(gòu)成的磁子午平面垂直的平面，根據(jù)余弦定理，求出變化的磁偏角βd。

磁偏角d的計(jì)算與磁傾角i不同的是，βd是待測(cè)磁場(chǎng)與磁子午平面的夾角，所述磁偏角d在水平面，因此βd必須被投影到水平面，故磁偏角d的變化量δd為：

s34:計(jì)算當(dāng)前的磁偏角d、磁傾角i的值；

在得到磁傾角i和磁偏角d變化量后，根據(jù)測(cè)量地點(diǎn)的初始磁偏角d0及初始磁傾角i0，計(jì)算得到當(dāng)前的磁偏角d、磁傾角i。具體計(jì)算公式如下：

i＝i0+δi

d＝d0+δd

s4:根據(jù)已知的地磁總場(chǎng)f、磁傾角i和磁偏角d計(jì)算出水平分量h，北向分量x，東向分量y，垂直分量z的值。

根據(jù)地磁七要素的幾何關(guān)系和已知的地磁總場(chǎng)f、磁偏角d、磁傾角i的值，計(jì)算得出水平分量h，北向分量x，東向分量y，垂直分量z的值。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位詞是以附圖中零部件位于圖中以及零部件相互之間的位置來(lái)定義的，只是為了表達(dá)技術(shù)方案的清楚及方便。應(yīng)當(dāng)理解，所述方位詞的使用不應(yīng)限制本申請(qǐng)請(qǐng)求保護(hù)的范圍。

在不沖突的情況下，本文中上述實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互結(jié)合。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。