地面三分量磁力定向方法及地面三分量磁力定向勘探裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種地面三分量磁力定向方法及地面三分量磁力定向勘探裝置，屬于 地球物理勘探領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 磁法勘探是以巖石、礦石(地層）與其圍巖的磁性差異為物質(zhì)基礎(chǔ)，用專門的磁法 儀器設(shè)備觀測和研究物理場的變化規(guī)律，進而達(dá)到查明地質(zhì)構(gòu)造、尋找礦產(chǎn)資源和解決水 文、工程地質(zhì)問題和環(huán)境監(jiān)測等問題。縱觀磁法勘探的趨勢，第一階段為標(biāo)量測量，第二階 段為梯度張量測量，第三階段為矢量測量。目前我國野外移動式磁測主要是以磁場總場的 單一參數(shù)測量為主，屬于第一階段。FVM-400型三分量磁力儀是國內(nèi)新引進的國外儀器，主 要用來進行三個分量的全空間磁測，這是磁法勘探進入第二個階段(梯度張量測量）的一個 中間過程，這從礦產(chǎn)勘查方面來說，也擴大了磁法勘探的應(yīng)用范圍，即使在坑道等特殊的地 區(qū)也可以得到應(yīng)用。目前，我國的第二、三階段還沒有實現(xiàn)，所以制約了地質(zhì)找礦和工程勘 查。隨著地質(zhì)找礦和地質(zhì)工程問題的要求越來越高，傳統(tǒng)單一的總場磁測已不能滿足地質(zhì) 勘探要求，多參數(shù)及矢量測量是目前的發(fā)展趨勢。這是因為多參數(shù)測量對于地質(zhì)找礦和工 程勘查具有重要的應(yīng)用價值。
[0003] 目前國內(nèi)外的"磁通門磁力儀"和"超導(dǎo)磁力儀"雖然已經(jīng)實現(xiàn)了三分量的實測，但 該儀器在地面勘探時，其探頭的高精度水平平臺及三軸定向裝置問題難以實現(xiàn)，往往采用 機械定向，即采用鏡筒、標(biāo)尺、人工觀測的方法，費時、精度低、誤差大。如國外生產(chǎn)的FVM-400 三軸磁通門磁力儀能進行三分量磁測 ，在選用直角坐標(biāo)模式下顯示磁場的大小 ，磁傾角 和磁偏角三個參數(shù)。這種三分量磁測在測量技術(shù)、資料處理、圖示顯示及解釋等方面還沒有 以往儀器的那些較成熟的方法和規(guī)范，特別是三軸坐標(biāo)的校正問題沒有解決，往往工作人 員在野外要花很多時間進行三軸的定向，因而工作效率低，這就是目前三分量磁力儀在我 國沒有普及和推廣的主要原因之一。因而，目前使用三分量磁力儀的用戶較少，為了克服以 上地面三分量找礦中的種種弊端，特開展了該儀器的研發(fā)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種地面三分量磁力定向方法及地面三 分量磁力定向勘探裝置，利用儀器可完成傳感器三軸自身正交校正，也可以實現(xiàn)傳感器三 軸坐標(biāo)與地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，達(dá)到既可以進行快速測量，同時又可以獲得比傳統(tǒng)質(zhì)子磁力儀更 豐富的空間地磁場參數(shù)，為地質(zhì)找礦提供全方位的地球物理數(shù)據(jù);此外，為了解決野外測網(wǎng) 的定點問題，系統(tǒng)還設(shè)計有GPS或北斗的定位系統(tǒng)，最終形成野外三分量磁測的"一鍵"完 成。
[0005] 本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:提供了一種地面三分量磁力定向 方法，包括以下步驟：
[0006] (1)在探頭中設(shè)置定位模塊、磁通門傳感器和慣性測量模塊，將定位模塊、磁通門 傳感器和慣性測量模塊與控制器模塊連接，將控制器模塊與矩陣鍵盤和液晶顯示模塊連 接；
[0007] (2)通過矩陣鍵盤發(fā)送16進制命令到控制器模塊，控制器模塊接收16進制命令后 控制與其相連的磁通門傳感器、定位模塊和慣性測量進行測量；
[0008] (3)磁通門傳感器將測量得到的三軸信號Gx、Gy和G z傳輸至控制器模塊，定位模塊 實時地將位置數(shù)據(jù)和時間數(shù)據(jù)傳輸至控制器模塊，慣性測量模塊實時地將姿態(tài)數(shù)據(jù)a x、ay、 αζ、ω χ、ω，和ω z傳輸至控制器模塊；
[0009] (4)控制器模塊采用最小二乘擬合算法對三軸信號進行正交校正，以補償因為磁 通門傳感器內(nèi)部三軸直接的正交角度誤差所帶來的影響；同時控制器模塊根據(jù)探頭中的慣 性測量模塊傳輸?shù)淖藨B(tài)數(shù)據(jù)確定姿態(tài)矩陣的初始值;再將(^、 ％、(^、〇^、〇^和〇^變換到統(tǒng) 一的選定坐標(biāo)系，最后通過初始對準(zhǔn)的誤差補償、姿態(tài)矩陣的計算，獲得探頭所在位置的姿 態(tài)參數(shù)，所述姿態(tài)參數(shù)包括探頭的三軸航向角:Φ、.俯仰角θ和滾轉(zhuǎn)角γ ;
[00?0] (5)將姿態(tài)參數(shù)通過液晶顯示模塊進行顯示。
[0011] 步驟(4)所述的統(tǒng)一的選定坐標(biāo)系采用地理坐標(biāo)系或大地坐標(biāo)系。
[0012] 本發(fā)明同時提供了一種地面三分量磁力定向勘探裝置，包括探頭、控制器模塊、用 于同步的時鐘控制模塊和用于供電的電源模塊，所述探頭包括無磁塑制圓柱形套管及支撐 部件，無磁塑制圓柱形套管內(nèi)置有無磁鈦合金槽，無磁鈦合金槽內(nèi)安裝有傳感器模塊，所述 傳感器模塊包括定位模塊、磁通門傳感器以及慣性測量模塊，慣性測量模塊與磁通門傳感 器的Ζ軸位于同一直線;所述控制器模塊為MCU控制器模塊，所述定位模塊通過USART串口與 MCU控制器模塊雙向連接，所述磁通門傳感器的三軸各通過一組信號調(diào)理模塊接入24位A/D 轉(zhuǎn)換模塊，24位A/D轉(zhuǎn)換模塊通過SPI總線與MCU控制器模塊進行雙向通信，所述慣性測量模 塊通過USART串口與Μ⑶控制器模塊雙向通信，矩陣鍵盤經(jīng)ALG7209驅(qū)動模塊驅(qū)動后通過IIC 總線與Μ⑶控制器模塊雙向通信，液晶顯示模塊通過USART串口與Μ⑶控制器模塊雙向連接， TF卡存儲模塊通過SPI總線與MCU控制器模塊雙向通信，時鐘控制模塊和電源模塊均與MCU 控制器模塊連接；所述MCU控制器模塊采用芯片MC9S12XEP100;所述磁通門傳感器采用 FGM3D/100;所述慣性測量模塊采用三軸加速度傳感器ADIS16210。
[0013] 所述24位A/D轉(zhuǎn)換模塊內(nèi)部設(shè)有至少三個并行的用于實現(xiàn)三軸數(shù)據(jù)同步采集的Δ Σ轉(zhuǎn)換器。
[0014] 所述定位模塊采用GPS模塊和/或北斗模塊。
[0015] 所述定位模塊采用GGSTAR-2000GPS模塊。
[0016]所述SPI總線采用8位數(shù)據(jù)傳輸寬度，頻率大小為500ΜΗΖ。
[0017]所述支撐部件為無磁支桿或無磁三腳架。
[0018] 本發(fā)明基于其技術(shù)方案所具有的有益效果在于：
[0019] (1)本發(fā)明的地面三分量磁力定向方法可完成傳感器三軸自身正交校正，也可以 實現(xiàn)傳感器三軸坐標(biāo)與地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，達(dá)到既可以進行快速測量，同時又可以獲得比傳統(tǒng) 質(zhì)子磁力儀更豐富的空間地磁場參數(shù)，為地質(zhì)找礦提供全方位的地球物理數(shù)據(jù);此外，為了 解決野外測網(wǎng)的定點問題，系統(tǒng)還設(shè)計有GPS或北斗的定位系統(tǒng)，最終形成野外三分量磁測 的"一鍵"完成；
[0020] (2)本發(fā)明的三分量磁通門傳感器采用德國SENSYS公司產(chǎn)FGM3D/100，量程土 1 OOOOOnT;精度0.5 % ;軸間傾斜<9nT;總傾斜〈14nT;分辨率〈150pT，該傳感器可以在三軸方 向同時進行靜態(tài)和交變磁場的高精度測量，模擬輸出；
[0021] (3)本發(fā)明的三軸加速度傳感器選用美國ADI公司的ADIS16210,傾角測量范圍0~ 90° ;方位角測量范圍0~360°，可在空間全范圍內(nèi)精確測量出翻滾角和俯仰角，利用兼容串 行接口 SPI能方便的配置相關(guān)的控制參數(shù)并讀取傳感器的測量數(shù)據(jù)；
[0022] (4)本發(fā)明的定位模塊選用GGSTAR-2000GPS模塊，其為24通道頻率L11575.42MHZ， C/A碼，跟蹤靈敏度-158dBm，捕獲靈敏度-140dBm，自主定位精度3m(CEP)，精度高，靈敏度 尚；
[0023] (5)與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明克服了目前原始的人工定向測量方法，實現(xiàn)了快速、 準(zhǔn)確的野外數(shù)據(jù)采集工作，同時，又可以獲得比傳統(tǒng)質(zhì)子磁力儀所測參數(shù)更多的空間地磁 場參數(shù)，可為地質(zhì)找礦提供全方位的地球物理數(shù)據(jù);此外，為了解決野外測網(wǎng)的定點問題， 系統(tǒng)還設(shè)計有GPS或北斗的定位系統(tǒng)，實現(xiàn)智能化；
[0024] (6)本發(fā)明的信號獲取可以采取兩種方式，一是三分量磁通門和陀螺儀可自動動 態(tài)循環(huán)采集并實時進行數(shù)據(jù)修正，二是三分量磁通門和陀螺儀手動測量(點位測量)并實時 數(shù)據(jù)修正；