[發明專利]一種具有姿態記錄功能的地空TEM接收系統及測量方法

在審

• 申請號: 201710040179.7
• 申請日: 2017-01-20
• 公開（公告）號: CN106772633A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 嵇艷鞠;杜尚宇;劉錫洋;欒卉
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01V3/10
• 分類號: G01V3/10;G01C21/16;G01S19/14
• 代理公司: 長春市恒譽專利代理事務所(普通合伙)22212
• 代理人: 鞠傳龍

1.一種具有姿態記錄功能的地空TEM接收系統，其特征在于：包括接收線圈、前端電路、信號采集模塊、MPU9250姿態記錄模塊、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姿態記錄模塊和主控制器提供電能。

2.根據權利要求1所述的一種具有姿態記錄功能的地空TEM接收系統，其特征在于：所述的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。

3.根據權利要求1所述的一種具有姿態記錄功能的地空TEM接收系統，其特征在于：所述的信號采集模塊包括有A/D采集電路、數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，ADC芯片選擇ADS1271芯片。

4.根據權利要求1所述的一種具有姿態記錄功能的地空TEM接收系統，其特征在于：所述的MPU9250姿態記錄模塊包括有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。

5.根據權利要求1所述的一種具有姿態記錄功能的地空TEM接收系統，其 特征在于：所述的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卡中數據由計算機運算處理進行姿態校正，主控制器選擇ARMCortex-M4架構的STM32F407芯片。

6.根據權利要求1所述的一種具有姿態記錄功能的地空TEM接收系統，其特征在于：所述的電源包括鋰電池和穩壓電路，鋰電池與穩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姿態記錄模塊和主控制器相連接。

7.一種具有姿態記錄功能的地空TEM接收系統測量方法，其特征在于：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據；

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原始數據送入從控制器進行卡爾曼濾波處理進行姿態解算，并將解算后的姿態數據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數據同步后存儲至SD卡中，至此，完成 了地空瞬變電磁信號探測中具有姿態記錄功能的地空TEM接收系統的數據測量與存儲過程。

8.根據權利要求7所述的一種具有姿態記錄功能的地空TEM接收系統測量方法，其特征在于：所述的步驟六中利用卡爾曼濾波，建立卡爾曼濾波狀態方程和測量方程，并通過姿態角噪聲估計得到濾波的測量噪聲協方差來實現卡爾曼濾波自回歸數據更新，經過不斷最優自回歸得到最優的姿態角，實現姿態的快速解算，具體方法如下：

建立卡爾曼濾波狀態方程，根據陀螺儀輸出角速度值計算姿態角的過程，看作是當前狀態的預測，建立濾波系統的狀態方程，建立四元數Q＝(q₀,q₁,q₂,q₃)(q₀,q₁,q₂,q₃是時間的函數)，微分方程如式(1)，反推姿態角作為當前預測值；

其中，姿態矩陣角速度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四元數，進而求出當前時刻的姿態角，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角，為真實姿態角，為根據陀螺儀輸出角速度預測姿態角度的估計誤差；

建立卡爾曼濾波測量方程，根據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角作為觀測量；

通過加速度計和磁強計計算出的姿態角，如式(6)所示：

其中：為觀測量，為真實姿態角，為測量姿態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，誤差的變化為平穩過程，陀螺儀穩定度好、測量精度高、誤差小其誤差可以忽略，則誤差協方差:

得到誤差的2階中心距，即加速度計和磁強計的協方差：

為姿態角噪聲估計，作為濾波融合的測量噪聲協方差R，用于卡爾曼濾波的自回歸數據更新，經過不斷的最優自回歸，可解算出姿態角。