一种水下动态高精度磁力测量方法及装置

摘要

本发明涉及一种水下动态高精度磁力测量方法及装置，所述方法包括以下步骤：步骤A：校准磁力仪自身三轴,使磁力仪三轴各轴之间保持正交，包括以下子步骤：步骤A1：求出除载体外的外界固定干扰磁力Hh的值，步骤A2：采用最小二乘法求出ξ，步骤A3求出对称矩阵A，步骤A4：求出K和He，步骤A5：计算出Hm；步骤B包括依次执行的以下步骤：步骤B1：将姿态仪X轴旋转与磁力仪的X轴重合，步骤B2：将姿态仪Y轴旋转与磁力仪的Y轴重合，步骤B3：将姿态仪Z轴旋转与磁力仪的Z轴重合。本发明使得磁力仪自身的磁轴正交且各磁轴与姿态仪对应的各轴保持一致，能在动态条件下获取高精度的磁力测量数据。

权利要求

1.一种水下动态高精度磁力测量方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤A：校准磁力仪自身三轴,使磁力仪三轴各轴之间保持正交，包括以下子步骤：步骤A1：获取磁力仪的测量数据Hmi，求出除载体外的外界固定干扰磁力Hh的值，计算公式为①：式中，n为采样点个数，

步骤A2：采用最小二乘法求出公式②的ξ，

式中， ξ＝[a b c d e f 1]T，a,b,c,d,e,f均为常数，F＝X′ξ,(x,y,z)表示(Hm-Hh)在0xyz坐标系下三轴分量的值，步骤A3：根据公式③求出对称矩阵A，

步骤A4：根据方程组④，求出K和载体的固有磁场He，其中，U为正交矩阵，SA为A的特征值组成的对角阵，M＝(E+K)-1，E为3×3的单位矩阵，K为载体感应磁场系数，步骤A5：根据公式⑤计算出地磁场观测值Hm，

Hm＝(K+E)-1He+Hh------⑤

由此得到三轴正交的Hm；

经过所述步骤A处理后，执行步骤B，步骤B包括依次执行的以下子步骤：步骤B1：将姿态仪X轴旋转与磁力仪的X轴重合，获取姿态仪的X轴与磁力仪的X轴之间的倾斜角度ψ，根据公式⑥得到旋转后的三轴磁力分量，式中，(x1,y1,z1)为X轴旋转后的磁力仪的三轴磁力分量，(x′,y′,z′)为未旋转前的磁力仪的三轴磁力分量；

步骤B2：将姿态仪Y轴旋转与磁力仪的Y轴重合，获取姿态仪的Y轴与磁力仪的Y轴之间的倾斜角度τ，根据公式⑦得到旋转后的三轴磁力分量，式中，(x2,y2,z2)为Y轴旋转后的磁力仪的三轴磁力分量；

步骤B3：将姿态仪Z轴旋转与磁力仪的Z轴重合，获取姿态仪的Z轴与磁力仪的Z轴之间的倾斜角度ω，根据公式⑧得到旋转后的三轴磁力分量，式中，(x3,y3,z3)为Z轴旋转后的磁力仪的三轴磁力分量。

2.根据权利要求1所述水下动态高精度磁力测量方法，其特征在于：所述磁力仪为磁通门磁力仪。

3.一种磁力测量装置，其特征在于：包括大直径筒、小直径筒、磁力仪、姿态仪和控制器，小直径筒的长度大于大直径筒的长度；所述大直径筒包括第一上盖、第一筒体和下盖，第一筒体为中空的圆筒形结构，第一上盖和下盖分别设置在第一筒体的两端，第一上盖和下盖与第一筒体的连接均为可拆卸且密封连接，小直径筒包括第二筒体和第二上盖，第二筒体与第一上盖及第二筒体与第二上盖之间均为密封固定连接；第一筒体内设有姿态仪和控制器，小直径筒的第二筒体内设有磁力仪；姿态仪和磁力仪均与控制器电性连接，控制器用于执行如权利要求1所述的水下动态高精度磁力测量方法。

4.根据权利要求3所述的磁力测量装置，其特征在于：所述大直径筒的直径为347mm，小直径筒的直径为99mm，大直径筒的长度为530mm，小直径筒的长度为1616mm。

5.根据权利要求3或4所述的磁力测量装置，其特征在于：所述磁力仪为磁通门磁力仪。

说明书

一种水下动态高精度磁力测量方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及勘探设备技术领域，具体是一种水下动态高精度磁力测量方法及装置。

背景技术

[0002] 海底磁力测量的精度跟距离成正比，距离海底越近，测量的磁力精度也越高，距离越远，精度越低；而传统的海洋磁力勘探采用船载方式，由于距离异常源较远，难以获取高分辨率的磁力信息，达不到深海油气和矿产资源勘查的精度和分辨率要求。在深水环境中，磁力仪借助载体进行海洋磁力探测，比如通过将磁力仪安装在探测拖体上，探测拖体在母船拖曳过程中，受母船拖曳和海流的影响，探测拖体的姿态会有一定的变化，这导致磁力仪磁场的三轴方向与姿态仪的三轴(X、Y、Z轴)方向不一致，而姿态仪的三轴代表真实的地球三轴坐标，这就意味着磁力仪测得的三轴方向的磁场，即测得的磁力三分量三轴与地球三轴坐标不一致，而使得对磁力三分量进行合成后与真实的磁力有误差，也即测得的磁力三分量精度不高。这样为了获取高精度的磁力三分量，就需要解决磁力仪三轴方向与姿态仪三轴一致的问题。

[0003] 同时由于磁力仪所搭载的载体，具体在海洋探测应用中，磁力仪搭载的拖体中的铁磁性材料部件会对地磁场叠加一个干扰磁力，该干扰磁力，定义为载体上的固有磁场；同时拖体中材料会被地磁场所磁化，其个材料的磁化率是各向异性的，被地磁场所磁化后产生的干扰磁力也会施加在拖体上，材料磁化后产生的干扰磁力，定义为除载体外的外界固定干扰磁力；由于上述两种干扰磁力的存在，使得测量数据最终形成一个球心偏离原点、主轴与系统坐标系斜交的椭球面，也即是存在磁力仪在各轴轴间非正交、各轴刻度因子不一致、零偏不一致的问题。

发明内容

[0004] 针对现有技术的不足，本发明的目的之一提供一种水下动态高精度磁力测量方法，其能够解决磁力仪三轴不能正交的问题。

[0005] 本发明的目的之二提供一种磁力磁力装置，其能够解决磁力仪三轴不能正交的问题。

[0006] 实现本发明目的之一的技术方案为：一种水下动态高精度磁力测量方法，包括以下步骤：

[0007] 步骤A：校准磁力仪自身三轴,使磁力仪三轴各轴之间保持正交，包括以下子步骤：

[0008] 步骤A1：获取磁力仪的测量数据Hmi，求出除载体外的外界固定干扰磁力Hh的值，计算公式为①：

[0009]

[0010] 式中，n为采样点个数，

[0011] 步骤A2：采用最小二乘法求出公式②的ξ，

[0012]

[0013] 式中， ξ＝[a b c d e f 1]T，a,b,c,d,e,f均为常数，F＝X′ξ,(x,y,z)表示(Hm-Hh)在0xyz坐标系下三轴分量的值，[0014] 步骤A3：根据公式③求出对称矩阵A，

[0015]

[0016] 步骤A4：根据方程组④，求出K和He，

[0017]

[0018] 其中，U为正交矩阵，SA为A的特征值组成的对角阵，M＝(E+K)-1，E为3×3的单位矩阵，K为载体感应磁场系数，

[0019] 步骤A5：根据公式⑤计算出Hm，

[0020] Hm＝(K+E)-1He+Hh------⑤

[0021] 由此得到三轴正交的Hm，相比于普通的磁力仪，保证了测得数据精度更高；

[0022] 经过步骤A处理后，执行步骤B，实现磁力仪三轴方向与姿态仪三轴保持一致，步骤B包括依次执行的以下步骤：

[0023] 步骤B1：将姿态仪X轴旋转与磁力仪的X轴重合，根据公式⑥得到旋转后的三轴磁力分量，

[0024]

[0025] 式中，(x1,y1,z1)为X轴旋转后的磁力仪的三轴磁力分量，(x,y,z)为未旋转前的磁力仪的三轴磁力分量，ψ为姿态仪的X轴与磁力仪的X轴之间的倾斜角度；

[0026] 步骤B2：将姿态仪Y轴旋转与磁力仪的Y轴重合，根据公式⑦得到旋转后的三轴磁力分量，

[0027]

[0028] 式中，(x2,y2,z2)为Y轴旋转后的磁力仪的三轴磁力分量，τ为姿态仪的Y轴与磁力仪的Y轴之间的倾斜角度；

[0029] 步骤B3：将姿态仪Z轴旋转与磁力仪的Z轴重合，根据公式⑧得到旋转后的三轴磁力分量，

[0030]

[0031] 式中，(x3,y3,z3)为Z轴旋转后的磁力仪的三轴磁力分量，ω为姿态仪的Z轴与磁力仪的Z轴之间的倾斜角度；

[0032] 步骤B1、B2和B3中的ψ、τ和ω的值可由姿态仪内部的三轴加速度计直接计算获取。

[0033] 进一步地，所述磁力仪为磁通门磁力仪。

[0034] 实现本发明目的之二的技术方案为：一种磁力测量装置，包括大直径筒、小直径筒、磁力仪、姿态仪和控制器，小直径筒的长度大于大直径筒的长度；所述大直径筒包括第一上盖、第一筒体和下盖，第一筒体为中空的圆筒形结构，第一上盖和下盖分别设置在第一筒体的两端，第一上盖和下盖与第一筒体的连接均为可拆卸且密封连接，小直径筒包括第二筒体和第二上盖，第二筒体与第一上盖及第二筒体与第二上盖之间均为密封固定连接；第一筒体内设有姿态仪和控制器，小直径筒的第二筒体内设有磁力仪；姿态仪和磁力仪均与控制器电性连接，控制器用于执行所述的水下动态高精度磁力测量方法。

[0035] 进一步地，所述大直径筒的直径为347mm，小直径筒的直径为99mm，大直径筒的长度为530mm，小直径筒的长度为1616mm。

[0036] 进一步地，所述磁力仪为磁通门磁力仪。

[0037] 本发明的有益效果为：

[0038] 1)本发明解决动态条件下，磁力仪自身各轴间不能正交的问题；

[0039] 2)同时解决了磁力仪与姿态仪对应的各轴之间不一致的问题，使得磁力仪自身的磁轴正交且各磁轴与姿态仪对应的各轴保持一致，能在动态条件下获得高精度的磁力测量数据。

附图说明

[0040] 图1为本发明的结构示意图；

[0041] 图2为本发明的变形量云图；

[0042] 图3为本发明的等效应力云图；

[0043] 图4为本发明的大直径筒的变形量云图；

[0044] 图5为本发明的大直径筒的等效力云图；

[0045] 图6为本发明的大直径筒的第一阶屈曲变形云图；

[0046] 图中，3081-第二上盖、3082-第二筒体、3083-第一上盖、3084-第一筒体、3085-下盖。

具体实施方式

[0047] 下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

[0048] 如图1所示，一种水下动态高精度磁力装置，包括大直径筒、小直径筒和控制器(图中未示出)，所述大直径筒的直径为347mm，小直径筒的直径为99mm，小直径筒的长度大于大直径筒的长度，大直径筒的长度为530mm，属于短圆筒的结构形状，小直径筒的长度为1616mm，属于长圆筒的结构形状；所述大直径筒包括第一上盖3083、第一筒体3084和下盖
3085，第一筒体3084为中空的圆筒形结构，第一筒体3084内设有姿态仪，第一上盖3083和下盖3085分别设置在第一筒体3084的两端，小直径筒包括第二筒体3082和第二上盖3081，第二筒体3082与第一上盖3083为密封固定连接，第二上盖3081与第二筒体3082为密封固定连接，小直径筒的第二筒体3082内设有磁通门传感器组成的磁力仪，也即在第二筒体3082内设有磁通门磁力仪，在本实施例中，可以采用北京圣烁科技有限公司生产的型号为FVM-400的磁通门磁力仪；姿态仪和控制器均设置在大直径筒的第一筒体3084内，姿态仪和磁力仪均与控制器电性连接；为了便于将包括姿态仪和控制器在内的设备安装在第一筒体3084内部，将第一上盖3083和下盖3085与第一筒体3084的连接方式均设计为可拆卸连接，同时，为了保证磁力装置能够适应水下环境，第一上盖3083和下盖3085与第一筒体3084的连接均为密封连接。

[0049] 设计这样一大一小的变径直径筒，可以确保磁通门传感器和姿态仪之间保持一定的距离，避免由于靠近大直径筒内的电子设备而对磁通门传感器造成影响。

[0050] 在深水环境中，磁力仪直接接触到海水，故磁力仪需要能够承受高压，为此需要对大直径筒和小直径筒的壁厚进行精心的设计：

[0051] 大直径筒和小直径筒均采用TC4钛合金，该材料特性参数为：密度4500kg/m3，抗拉强度895MPa，屈服强度825MPa，弹性模量113GPa，泊松比0.33；

[0052] 对大直径筒而言，设计强度p＝28MPa,大直径筒的厚度t(亦即是指第一筒体3084的厚度)需满足以下条件：

[0053]

[0054] 式中， 为修正系数，初始计算时取 R0为大直径筒的外径，取R0＝173.5mm，δs表示表示屈服强度，取值为825，pj表示设计强度，取值为28，[0055] 计算得出：

[0056] t≥7.6mm

[0057] 考虑设计及加工工艺的实际情况，本实施例中，取大直径筒的厚度t＝16mm,此时，对应的大直径筒的内径为157.5mm。

[0058] 在这样的厚度下，需要对大直径筒的稳定性进行校核：

[0059] 临界长度Lcr需要满足下式：

[0060]

[0061] 式中，D为大直径筒的平均直径，在本实施中，取D＝331mm，计算可得出Lcr＝1761.4mm，大直径的长度L＝530mm

[0062]

[0063] 计算得出Pcr＝93.9Mpa，而许用外压力[P]的计算式为：

[0064]

[0065] 根据我国对有关压力容器设计规范规定，外压圆筒设计取m＝3.0，这样得到[P]＝31.3Mpa，设计强度p<[P]，因此大直径筒的壁厚t＝16mm满足要求。

[0066] 大直径筒的第一上盖3083和下盖3085的厚度及其直径相同，均需要满足下式：

[0067]

[0068] 式中，R为第一上盖3083或下盖3085的直径，第一上盖3083或下盖3085的直径等于大直径筒的内径，即R＝157.5mm，t为第一上盖3083或下盖3085的厚度，本实施例中，取t＝10mm，q为第一上盖3083或下盖3085的均布载荷，取q＝2180965.5N,σmax表示第一上盖3083或下盖3085的最大应力，

[0069] 经过计算后，得出σmax＝670.86Mpa<825Mpa，考虑到第一上盖3083和下盖3085需要开孔等实际因素，我们取第一上盖3083和下盖3085的厚度t＝40mm。

[0070] 小直径筒的第二筒体3082厚度和第二上盖3081的厚度计算方式与大直径筒类似，在这里就不赘述了，最终，计算得出，小直径筒的第二筒体3082厚度为7mm,第二上盖3081的厚度为35mm。

[0071] 最后，我们对上述尺寸的大直径筒和小直径筒进行强度与稳定性进行校核，通过采用静态结构力学进行仿真分析它们的强度，磁力仪整体承压舱强度校核由图2和图3可以看出，在外压28Mpa的作用下，最大应力点出现在小直径圆筒与大直径圆筒的连接位置，但并未超过所用材料TC4钛合金的屈服强度，此位置属于应力集中点，在安全设计范围之内；大直径壳体的强度校核从图4和图5可以看出，在外压28Mpa的压力作用下，壳体最大应力为
430.27Mpa，最大应力小于TC4钛合金的屈服强度，最大变形量为0.48mm，变形量较小，因此符合强度设计要求；

[0072] 如图6所示，基于大直径圆筒的第一筒体3084壳体进行静力学强度计算结果，在其变形和残余应力的基础上，保持边界条件不变，并施加静水压力(28MPa)，对大直径圆筒的第一筒体3084壳体进行变形后的屈曲载荷因子计算，分析壳体变形后的屈曲稳定性。计算取结构的前6阶特征值，结果如下表所示：

[0073]阶数 1 2 3 4 5 6
屈曲载荷因子 4.0469 4.0471 5.1414 7.406 7.4097 7.9768

[0074] 第一筒体3084静力学变形后的屈曲载荷因子计算结果

[0075] 根据屈曲载荷因子计算结果可见，第一阶屈曲模态最容易发生失稳，临界失稳条件对应的静水压力为4.0469×28＝113.3Mpa。本发明应用于水深为2000m，因此大直径圆筒的第一筒体3084设计满足使用要求。

[0076] 同样的，小直径圆筒的强度与稳定性校核与大直径圆筒类似，经仿真分析后，小直径圆筒能够适应深海环境，满足实际的使用要求。

[0077] 由于磁力仪自身的三轴的各轴之间存在非正交、各轴刻度因子不一致、零偏不一致的问题，需要对磁力仪的三轴实现轴的一致性，地磁场观测值可由公式(4)表示：

[0078] Hm＝He+Hs+Hh               (4)

[0079] 式中，Hm为地磁场观测值，也即是由磁力仪测得的三轴磁力分量，He为载体的固有磁场，Hs为载体上的感应磁场，Hh为除载体外的外界固定干扰磁力，

[0080] 根据泊松方程，载体的感应磁场Hs与载体的固有磁场之间具有公式(5)的关系：

[0081] Hs＝KHe                (5)

[0082] 式中，K为载体感应磁场系数，将公式(5)代入(1)后，得到公式(6)：

[0083] Hm＝(K+E)-1He+Hh                 (6)

[0084] 式中，E为3×3的单位矩阵，K的取值为E值的0.1-0.5倍，载体感应磁场系数K和固定干扰磁力Hh为载体磁场干扰补偿参数，同时，定义M＝(E+K)-1,这样，对Hm的计算和分析就可转换为对矩阵M和Hh的计算和分析，而载体在地磁场变化较小的地域内运动时，比如通过将磁力仪安装在拖体上应用在海洋探测时，可以将载体的固有磁场He视为常量，即有(He)THe＝const，const表示常量，这样我们可以得到公式(7)：

[0085]

[0086] 设矩阵A＝MTM/||He||2，矩阵A是一个对称矩阵，则公式(7)可以用公式(8)来表示：

[0087] (Hm-Hh)TA(Hm-Hh)＝1                (8)

[0088] 其中， a,b,c,d,e,f均为常数。

[0089] 公式(8)为椭球方程的矩阵形式，椭球中心坐标为除载体外的外界固定干扰磁力的坐标，即Hh＝(Hhx,Hhy,Hhz)，(Hhx,Hhy,Hhz)表示在X、Y、Z轴的三轴磁力分量值，[0090] 因此我们可以通过椭圆约束的最小二乘法进行椭圆拟合求取载体磁场干扰补偿参数，具体过程如下：

[0091] 首先，求出除载体外的外界固定干扰磁力Hh的值，计算公式为(9)：

[0092]

[0093] 式中，Hmi为磁通门传感器测量数据，n的取值为采样点个数，即为磁通门传感器的个数，

[0094] 然后，将矩阵A表达式代入到公式(8)中，且将公式(8)的矩阵形式转换成椭球方程的一般形式，可以得到建立在0xy坐标系(即笛卡尔坐标系)下的公式(10)：

[0095] ax2+bxy+cy2+dxz+eyz+fz2＝1              (10)

[0096] 式中，x,y,z分别代表0xy坐标系下的x轴、y轴和z轴的值。

[0097] 这样n个传感器测量数据Hmi对应n个(Hm-Hh)，定义Hm-Hh＝[x y z]T，(x,y,z)表示(Hm-Hh)三轴分量的值，根据公式(8)和(10)就可以得到n个线性方程组：

[0098] F(X′,ξ)＝X′ξ＝ax2+bxy+cy2+dxz+eyz+fz2-1

[0099] 式中， ξ＝[a b c d e f 1]T，(x,y,z)表示(Hm-Hh)在0xyz坐标系下三轴分量的值，这样矩阵A的求解就转化为约束条件下的极值求解问题，即公式(11)：

[0100]

[0101] 由最小二乘法求得估计值 我们可以认为 进而求出矩阵A；

[0102] 由于对称矩阵A＝UTSAU，其中U为正交矩阵，SA为A的特征值组成的对角阵，这样我们可以得到公式(12)：

[0103]

[0104] 根据公式(12)计算出K、He和根据公式(9)计算Hh后，可以得出经过补偿计算后的Hm，Hm也即是本发明需要得到的磁力值，通过上述步骤处理后即可实现由三轴磁力仪测得Hm的三方向磁场值处于零点、灵敏度一致和正交。

[0105] 解决了磁力仪自身三轴正交的问题后，由于上述安装在小直径圆筒内的磁通门传感器和安装在大直径圆筒内的姿态仪的三轴并完全一致，为了实现磁力仪三轴方向与姿态仪三轴保持一致，需要依次执行以下步骤：

[0106] 步骤S1：将姿态仪X轴旋转与磁力仪的X轴重合，根据公式(1)得到旋转后的三轴磁力分量，

[0107]

[0108] 式中，(x1,y1,z1)为X轴旋转后的磁力仪的三轴磁力分量，(x′,y′,z′)为未旋转前的磁力仪的三轴磁力分量，也即代表了当前状态下磁力仪的三轴磁力分量，ψ为姿态仪的X轴与磁力仪的X轴之间的倾斜角度；

[0109] 步骤S2：将姿态仪Y轴旋转与磁力仪的Y轴重合，根据公式(2)得到旋转后的三轴磁力分量，

[0110]

[0111] 式中，(x2,y2,z2)为Y轴旋转后的磁力仪的三轴磁力分量，τ为姿态仪的Y轴与磁力仪的Y轴之间的倾斜角度；

[0112] 步骤S3：将姿态仪Z轴旋转与磁力仪的Z轴重合，根据公式(3)得到旋转后的三轴磁力分量，

[0113]

[0114] 式中，(x3,y3,z3)为Z轴旋转后的磁力仪的三轴磁力分量，ω为姿态仪的Z轴与磁力仪的Z轴之间的倾斜角度；

[0115] 公式(1)、(2)和(3)中的ψ、τ和ω的值可由姿态仪内部的三轴加速度计直接计算出来，其计算过程在这里就不赘述了。

[0116] 所述步骤A和步骤B通过控制器执行。

[0117] 通过执行以上步骤，即可将磁力仪的三轴和姿态仪的三轴保持一致；上述方法是通过旋转姿态仪而使其各轴与磁力仪的各轴重合保持一致，当然也可以旋转磁力仪而使其各轴与姿态仪的各轴重合保持一致，两种旋转方式的效果是一致的。

[0118] 通过将磁力仪与姿态仪结合来保证了磁力仪的各磁轴与对应的姿态仪的各轴保持一致，提高了磁力仪测量数据的精度。

[0119] 对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。