[發明專利]地空電磁探測線圈三維姿態同步測量方法及裝置

在審

• 申請號: 201710491480.X
• 申請日: 2017-06-16
• 公開（公告）號: CN107450109A
• 公開（公告）日: 2017-12-08
• 發明（設計）人: 劉長勝;姚堯;劉騰;張銘;劉鵬;康利利;周海根
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01V13/00
• 分類號: G01V13/00;G01C21/18;G01C21/16;G01C21/08;G01C21/00;G01S19/53
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技術領域

本發明涉及地空電磁法實驗裝置技術領域，特別涉及一種地空電磁探測線圈三維姿態同步測量方法及裝置。

背景技術

運動線圈的姿態測量系統要求裝置能夠實時獲取與發射機部分的時刻同步的運動線圈的三軸加速度、角速度及角度等姿態信息，并且能夠對大量的數據進行無失真地存儲。頻率域航空電磁系統線圈姿態變化影響及校正是一項探索性很強的工作，目前國內尚無成熟經驗可循。地空頻率域電磁探測是一種在地面發射多頻偽隨機電流，在空中接收z方向磁場信號幅值和相位，通過對比相對均勻大地的異常來確定電阻率變化的電磁探測方法。該系統突破性地采用無人機與大地電磁探測系統相融合，利用無人機飛行成本低、安全性高、飛行條件范圍廣等優點，對高原、湖泊、林區、山地、礦區等大型機械、大型飛行器難以深入的地區展開電磁探測。

地空電磁探測方法采用電源車地面發射、吊載接收系統無人飛行器的工作方式實現對地下介質結構探測。由于要避免旋翼機的振動噪聲和電磁干擾對線圈接收的信號產生影響，需要將接收線圈和飛行器之間用一根8-10米的尼龍繩進行軟連接。這就使得無人機在飛行過程中由于風向的變化、飛行器飛行姿態的調整等外界干擾會使線圈在實際的工作中所測得的磁場并不是完全來自期望的被測方向，而是摻雜了其他方向的干擾磁場，對數據分析工作造成影響。因此，提出對空中磁場測量線圈的姿態進行測量獲取采樣率較高、噪聲較小、同步質量較優的線圈姿態信息。

市面上常見的GPS加慣性測量器件的組合模塊可以做到10Hz的姿態附帶對應時間的存儲，這種裝置對于一般的姿態觀測可以進行有效的定性分析，而且成本較低，易于使用，但是這樣遠遠滿足不了地空電磁探測實驗中對測量的需求。由于項目實驗要求對各類型噪聲做以評估和消除，需要儀器所測得的數據滿足同步性能良好、噪聲壓制效果明顯等條件，故線圈姿態測量裝置不但要滿足噪聲低、同步性能優良的要求，還要將體積、質量、續航能力等指標控制在不影響實驗數據測量的范圍內，同時注重與電磁接收系統之間產生的電磁干擾。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種地空電磁探測線圈三維姿態同步測量方法及裝置，提供一種精度高、可與電磁發射系統時鐘相同步并將測量數據記錄保存的線圈姿態測量系統。

為實現上述目的，本發明提供以下的技術方案：該地空電磁探測線圈三維姿態同步測量裝置由外設驅動模塊、同步時鐘脈沖發生模塊、電源模塊和上位機四部分組成，電源模塊向系統提供穩定的供電，外設驅動模塊由STM32系列主控制器連接三軸姿態傳感模塊、數據存儲模塊、顯示屏模塊、薄膜按鍵輸入模塊組成，同步時鐘脈沖發生模塊由FPGA芯片連接恒溫晶振、數模轉換單元(DA)、GPS模塊組成，其中FPGA芯片內部集成鎖相環單元、計數器單元、分頻器單元、觸發器單元和PD控制器單元，外設驅動模塊和時鐘脈沖發生模塊通過外部中斷的方式協同工作，將線圈的姿態信息實時同步地通過TXT格式的文件記錄到SD卡中，上位機中包含姿態變化實時演示軟件將SD卡中的TXT文件數據讀取，并以圖形化的方式實時顯示線圈的三軸姿態變化。

優選的，所述三軸姿態傳感模塊(1-2-2)由MPU6050傳感器芯片、HMC5883L芯片組成，其中MPU6050芯片輸出三維加速度信息，HMC5883L輸出三維磁場信息，STM32系列主控制器驅動MPU6050和HMC5883L芯片，同時通過IIC總線讀取兩芯片的輸出信息并對其進行姿態解算；所述姿態解算包括四元數法、卡爾曼濾波算法，可將MPU6050和HMC5883L芯片的輸出數據通過數學運算轉化成三維姿態信息。

優選的，所述測量裝置可通過GPS與地空電磁發射接收系統同步，同步時鐘脈沖發生模塊通過恒溫晶振做主時鐘的FPGA芯片獲取GPS的同步脈沖，并將同步脈沖轉換為STM32系列主控制器的外部中斷信號，STM32系列主控制器通過外部中斷同步的輸出三維姿態信息到SD卡中。

該地空電磁探測線圈三維姿態同步測量裝置按如下順序和步驟工作：

A安裝姿態測量系統于被測線圈上，注意要將裝置的x、y、z三軸的方向正對被測線圈的標準空間直角坐標系x(沿線圈飛行方向)、y、z三軸方向；

B將鋰電池的插頭插在測量裝置上，系統上電，電源模塊隨即工作，外設驅動模塊對外設進行初始化。時鐘信號發生模塊中恒溫晶振開始預熱，產生時鐘脈沖，隨即PD控制器校正晶振輸入電壓，使時鐘脈沖趨于穩定；

C在初始界面上選擇“模塊校準”選項，多方向、全方位轉動儀器，轉這時傳感器會自動采集各方向的磁場數據，并做橢圓校正算處理，使傳感器適用于當前的磁場環境，提高測量精度；