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

背景技術：

當前，時間域瞬變電磁法(Time-domain Electromagnetic，簡稱TEM)是一種基于電磁感應原理的地球物理探測方法，根據(jù)接收機接收到的二次場的大小及衰減特性來分析地下介質的分布情況。接收系統(tǒng)決定二次場數(shù)據(jù)的接收質量，而二次場數(shù)據(jù)接收質量是探測效果好壞的關鍵因素。

地空TEM系統(tǒng)采用地面發(fā)射、空中接收的工作方式，在飛行過程中，接收線圈抖動姿態(tài)時刻變化，在測量數(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探測中為提高信噪比，常采用六旋翼飛行器掛載接收線圈實現(xiàn)低空近地飛行，但其載重有限制，常規(guī)適用于航空TEM中的高精度慣性導航傳感器由于體積重量較大，不再適用于地空TEM探測；而通過軟件基線校正進行處理，雖然算法上容易實現(xiàn)，但實際處理效果精度較低。

中國專利CN102096113B公開了一種時間域地空電磁探測系統(tǒng)及標定方法該系統(tǒng)由地面記錄裝置GPS同步單元連接的感應信號記錄裝置、閉合異常環(huán)、數(shù)據(jù)質量評價系統(tǒng)和時間域地空電磁探測系統(tǒng)的標定方法構成。在測量時，通過去除大地背景場數(shù)據(jù)，提取含幾何誤差的純閉合異常環(huán)電磁信號，輸入數(shù)據(jù)質量評價系統(tǒng)，與計算的閉合異常環(huán)理論值進行比較、擬合，確定系統(tǒng)誤差、幾何參數(shù)誤差以及時間域地空電磁探測系統(tǒng)的探測分辨率，實現(xiàn)電磁探測系統(tǒng)性 能的測試和標定，未涉及地空電磁信號線圈姿態(tài)問題及解決方案。

中國專利CN201380075951.9公開了一種用于姿態(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、磁力計傳感器，姿態(tài)模塊、校正模塊。該發(fā)明實現(xiàn)了能夠檢測電子設備的加速度和姿態(tài)，用加速度來計算姿態(tài)校正。用所計算的姿態(tài)校正來校正所檢測的電子設備的姿態(tài)，但并未涉及地空電磁信號問題及解決方案。

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

王琦等人在發(fā)表于《地球物理學報》的文獻《固定翼航空電磁系統(tǒng)的線圈姿態(tài)及吊艙擺動影響研究與校正》中推導了任意姿態(tài)角度以及任意擺動角度情況下的固定翼航空電磁響應三分量計算表達式，仿真分析了三種角度同時存在情況下電磁響應的定量變化規(guī)律，給出了基于響應系數(shù)的固定翼航空電磁系統(tǒng)線圈姿態(tài)和擺動狀態(tài)校正方法。

陽貴紅《時域電性源地-空電磁探測數(shù)據(jù)預處理研究》中提出在對地空電磁數(shù)據(jù)處理時，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去除線圈運動噪聲。通過軟件算法對運動噪聲進行基線校正，只對晚期數(shù)據(jù)過零有所改善，但姿態(tài)變化影響整個衰減曲線，因此無法徹底解決線圈姿態(tài)變化帶來的問題。

以上所述系統(tǒng)公布了地空TEM接收系統(tǒng)組成及通過仿真分析、基線校正等方式解決地空電磁探測中線圈姿態(tài)變化引發(fā)的問題，現(xiàn)有地空TEM接收系統(tǒng)沒有記錄姿態(tài)信息，國內外專利還未涉及將MPU9250傳感器應用于地空TEM測量 系統(tǒng)。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決在地空TEM測量系統(tǒng)中接收線圈姿態(tài)變化給測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及處理所帶來的問題，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采集模塊相連接，信號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、反向輸入端的運放電路組成，其中接收線圈兩端分別與運放電路正向輸入端、反向輸入端相連接，運放電路正向輸出端與信號采集模塊正向輸入端相連接，運放電路反向輸出端與信號采集模塊反向輸入端連接。

信號采集模塊包括有A/D采集電路、數(shù)字隔離電路和時序控制電路，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、三軸加速度計和三軸磁力計。

主控制器中設置有中央處理單元CPU，主控制器還連接有SD卡、液晶顯示 器和GPS同步控制電路，主控制器接收來自GPS同步控制電路的同步信號，SD卡中數(shù)據(jù)由計算機運算處理進行姿態(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電源，其中正電源和負電源均與前端電路相連接，正電源還與信號采集模塊、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)有設備的組裝，因此，具體型號和規(guī)格沒有進一步進行贅述。

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中的二次場信號；

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

步驟三、將步驟一中所述的二次場信號經屏蔽電纜分為兩個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、對二次場信號進行前端信號調理，即信號的保護、濾波、電平抬升；

步驟五、二次場信號采集，信號經過屏蔽線傳輸至信號采集電路，利用A/D采集電路采集二次場信號；

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

步驟七、主控制器接收來自GPS同步控制電路的同步信號，將步驟五中所述的二次場信號和步驟六中所述的姿態(tài)數(shù)據(jù)同步后存儲至SD卡中，至此，完成了地空瞬變電磁信號探測中具有姿態(tài)記錄功能的地空TEM接收系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測量 與存儲過程。

步驟六中利用卡爾曼濾波，建立卡爾曼濾波狀態(tài)方程和測量方程，并通過姿態(tài)角噪聲估計得到濾波的測量噪聲協(xié)方差來實現(xiàn)卡爾曼濾波自回歸數(shù)據(jù)更新，經過不斷最優(yōu)自回歸得到最優(yōu)的姿態(tài)角，實現(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)有地空瞬變電磁測量系統(tǒng)相比：一是準確記錄接收線圈姿態(tài)，通過姿態(tài)校正二次場信號有效減小了線圈姿態(tài)變化對地空TEM探測效果的影響彌補了現(xiàn)有基線校正等數(shù)據(jù)處理方法無法解決地空TEM探測中姿態(tài)變化問題的不足；二是基于MPU9250的姿態(tài)記錄電路小巧輕便，姿態(tài)解算快速、準確，解決了現(xiàn)有地空TEM探測由于傳統(tǒng)慣導體積、質量大不適用旋翼飛行器掛載而無法記錄姿態(tài)的問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述系統(tǒng)整體結構示意圖。

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。

具體實施方式

請參閱圖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的輸出端與信號采集模 塊3相連接，信號采集模塊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、反向輸入端的運放電路組成，其中接收線圈1兩端分別與運放電路正向輸入端、反向輸入端相連接，運放電路正向輸出端與信號采集模塊3正向輸入端相連接，運放電路反向輸出端與信號采集模塊3反向輸入端連接。

信號采集模塊3包括有A/D采集電路、數(shù)字隔離電路和時序控制電路，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、三軸加速度計和三軸磁力計。

主控制器5中設置有中央處理單元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接收來自GPS同步控制電路9的同步信號，SD卡7中數(shù)據(jù)由計算機運算處理進行姿態(tài)校正。在本實施例中主控制器5選擇ARM Cortex-M4架構的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電源，其中正電源和負電源均與前端電路2相連接，正電源還與信號采集模塊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)有設備的組裝，因此，具體型號和規(guī)格沒有進一步進行贅述。

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接收瞬變電磁探測中的二次場信號；

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

步驟三、將步驟一中所述的二次場信號經屏蔽電纜分為兩個支路接入前端電路2正向輸入端和前端電路反向輸入端；

步驟四、對二次場信號進行前端信號調理，即信號的保護、濾波、電平抬升；

步驟五、二次場信號采集，信號經過屏蔽線傳輸至信號采集電路，利用A/D采集電路采集二次場信號；

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

步驟七、主控制器5接收來自GPS同步控制電路9的同步信號，將步驟五中所述的二次場信號和步驟六中所述的姿態(tài)數(shù)據(jù)同步后存儲至SD卡7中，至此，完成了地空瞬變電磁信號探測中具有姿態(tài)記錄功能的地空TEM接收系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測量與存儲過程。

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算姿態(tài)角的過程，看作是當前狀態(tài)的預測，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是時間的函數(shù))，微分方程如式(1)，反推姿態(tài)角作為當前預測值；

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

利用四階龍格庫塔法，求出當前時刻的姿態(tài)四元數(shù)，進而求出當前時刻的姿態(tài)角。設更新時間為T，遞推形式如式(3)：

其中，

輸出的預測角度，可以看作是真實角度和誤差角度的合成，如式(5)所示：

其中，為經微分方程求解的姿態(tài)角，為真實姿態(tài)角，為根據(jù)陀螺儀輸出角速度預測姿態(tài)角度的估計誤差；

建立卡爾曼濾波測量方程，根據(jù)加速度計測量的三軸重力場加速度和磁強計得到的三軸磁場強度計算出當前時刻的姿態(tài)角作為觀測量；

通過加速度計和磁強計計算出的姿態(tài)角，如式(6)所示：

其中：為觀測量，為真實姿態(tài)角，為測量姿態(tài)角度與真實角度的誤差；

為陀螺儀角度的估計誤差，為加速計和磁強計的角度估計誤差，為相互獨立的零均值白噪聲序列，滿足：

分別計算出相鄰兩時刻角度估計的差值得到兩時刻的融合誤差：

求融合誤差協(xié)方差：

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

在短時間內，誤差的變化為平穩(wěn)過程，陀螺儀穩(wěn)定度好、測量精度高、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，即加速度計和磁強計的協(xié)方差：

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