阅读说明：本技术 一种地磁场分量的测量方法及全参量海洋地磁日变站 (Measuring method of geomagnetic field component and full-parameter marine geomagnetic daily variation station ) 是由 陈洁 李斌 罗贤虎 白龙龙 于 2019-12-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种地磁场分量的测量方法及全参量海洋地磁日变站,全参量海洋地磁日变站包括质子磁力仪、磁通门传感器、倾斜传感器、套筒和定向尾翼,所述定向尾翼通过卡箍与所述套筒连接,所述质子磁力仪、磁通门传感器和倾斜传感器均设置于所述套筒内,所述质子磁力仪用于测量地磁场的总量,所述磁通门传感器与倾斜传感器用于测量地磁场的分量,本发明通过设置有质子磁力仪,能够精确地测量地磁场总量,磁通门传感器结合倾斜传感器能够测量地磁场的分量,此外,在套筒的外部加装定向尾翼,定向尾翼能适当地调整套筒的姿态,使得套筒在海洋里始终处于迎流的状态,有效地减小质子磁力仪测量方向的旋转,从而使质子磁力仪的测量更稳定。(The invention discloses a measuring method of geomagnetic field components and a full-parameter marine geomagnetic daily variation station, wherein the full-parameter marine geomagnetic daily variation station comprises a proton magnetometer, a fluxgate sensor, an inclination sensor, a sleeve and a directional tail wing, the directional tail wing is connected with the sleeve through a hoop, the proton magnetometer, the fluxgate sensor and the inclination sensor are all arranged in the sleeve, the proton magnetometer is used for measuring the total amount of a geomagnetic field, the fluxgate sensor and the inclination sensor are used for measuring the components of the geomagnetic field, the invention can accurately measure the total amount of the geomagnetic field by arranging the proton magnetometer, the fluxgate sensor can measure the components of the geomagnetic field by combining the inclination sensor, in addition, the directional tail wing is additionally arranged outside the sleeve, the posture of the sleeve can be properly adjusted by the directional tail wing, so that the sleeve is always in an upstream state in the sea, the rotation of the measurement direction of the proton magnetometer is effectively reduced, so that the measurement of the proton magnetometer is more stable.)

一种地磁场分量的测量方法及全参量海洋地磁日变站

技术领域

本发明涉及地磁场测量技术领域，尤其涉及一种地磁场分量的测量方法及全参量海洋地磁日变站。

背景技术

目前国内海洋地磁日变站采用Overhauser质子磁力仪为主，利用Overhauser质子磁力仪的精度和分辨率的优势，可以很好地满足日变测量，但目前加拿大进口MarineMagnetics公司的海洋日变站的使用中，出现了一定比例的投放数据缺失的情况。另一方面，Overhauser质子磁力仪仅仅能够测量地磁总量，不能够得到地磁全要素，在这方面远远落后于西方大国，对海洋磁场数据的价值也大大降低。

此外，质子磁力仪在工作的过程中会有极化的过程，这个过程要求磁场比较稳定的，质子磁力仪处于旋转状态时，质子磁力仪感受到的磁场方向有很大的改变，这样会导致质子磁力仪的测量不稳定。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种地磁场分量的测量方法，其能准确测量地磁场的分量。

本发明的目的之二在于提供一种全参量海洋地磁日变站，其通过设置有质子磁力仪，能够精确地测量地磁场总量，磁通门传感器结合倾斜传感器能够测量地磁场的分量，在套筒的外部加装定向尾翼，定向尾翼能适当地调整套筒的姿态，使得套筒在海洋里始终处于迎流的状态，有效地减小质子磁力仪测量方向的旋转，从而使质子磁力仪的测量更稳定。

为了达到上述目的之一，本发明所采用的技术方案如下：

一种地磁场分量的测量方法，包括磁通门传感器所在的物理坐标系与地理坐标系之间的转换，磁通门传感器所在的物理坐标系与地理坐标系之间的转换包括以下步骤：

S11、采用公式①对第一次旋转角度α₁和第二次旋转角度α₂进行计算；

其中：A_x,A_y和A_z为重力加速度在倾斜传感器所在坐标系上的三轴的投影值；

S12、采用公式②对地磁场在地理坐标系下的地磁场三分量B_x',B_y'和B_z'进行转换；

其中：B_x,B_y和B_z分别为地磁场在正交轴上的实际磁场值；

进一步地，在步骤S11之前，还包括磁通门传感器的自校准，磁通门传感器的自校准包括以下步骤：

S21、采用公式③对磁通门传感器进行校准；

其中：B_x0,B_y0和B_z0分别为磁通门传感器(2)三轴的输出磁场值，从而建立磁通门传感器(2)的输出磁场值和地磁场在正交轴上的实际磁场值之间的关系，其中，α,β和γ分别为磁通门传感器(2)三轴与正交轴之间的角度误差，K_x、K_y和K_z分别为磁通门传感器(2)三轴的灵敏度；b_x,b_y和b_z为磁通门传感器(2)三轴的零偏误差；

通过质子磁力仪(1)测量地磁场N个时刻的模值Const，并通过磁通门传感器(2)测量N组B_x0,B_y0和B_z0的数值，磁通门传感器(2)与质子磁力仪(1)的测量时刻及测量位置相同，采用公式④形成对应的N个方程组，N≥10，求解得到α、β、γ、K_x、K_y、K_z、b_x、b_y、bz的数值，

其中，||B₀||₂为磁通门传感器(2)三轴的输出磁场值的模值。

为了达到上述目的之二，本发明所采用的技术方案如下：

一种全参量海洋地磁日变站，包括质子磁力仪、磁通门传感器、倾斜传感器、套筒和定向尾翼，所述定向尾翼通过卡箍与所述套筒连接，所述质子磁力仪、磁通门传感器和倾斜传感器均设置于所述套筒内，所述质子磁力仪用于测量地磁场的总量，所述磁通门传感器与倾斜传感器用于根据地磁场分量的测量方法得到地磁场的三分量的值。

进一步地，所述套筒内设置有数据采集存储模块，所述质子磁力仪、磁通门传感器和倾斜传感器分别与所述据采集存储模块连接，所述数据采集存储模块用于获取质子磁力仪、磁通门传感器和倾斜传感器的数据并存储。

进一步地，所述套筒内设置有电源模块，所述质子磁力仪、磁通门传感器、倾斜传感器和数据采集存储模块分别与所述电源模块连接，所述电源模块用于为质子磁力仪、磁通门传感器、倾斜传感器和数据采集存储模块供电。

进一步地，所述磁通门传感器和倾斜传感器均设置于所述套筒的顶部，所述磁通门传感器和倾斜传感器设置在同一水平面。

进一步地，所述卡箍包括第一卡箍和第二卡箍，所述套筒的一端套设在所述第一卡箍内，另一端套设在所述第二卡箍内，所述第一卡箍上设置有供定向尾翼***的第一卡槽，所述第二卡箍上设置有供定向尾翼***的第二卡槽，所述第一卡槽与所述定向尾翼通过螺钉连接，所述第二卡槽与所述定向尾翼通过螺钉连接。

进一步地，全参量海洋地磁日变站还包括缆绳，所述第一卡箍远离所述第一卡槽的一侧设置有第一通孔，所述第二卡箍远离所述第二卡槽的一侧设置有第二通孔，所述第一卡箍和第二卡箍分别固定在所述缆绳上，所述缆绳的一端连接有锚块，另一端连接有深海玻璃浮球。

进一步地，所述套筒为非金属壳体套筒，所述套筒上设置有水密接头，所述水密接头为5芯水密接头。

进一步地，所述质子磁力仪采用OVERHAUSER系列的质子磁力仪，所述磁通门传感器采用西安华舜测量设备有限责任公司HSF100系列磁通门传感器，所述倾斜传感器采用北微传感科技有限公司BW-WS2000系列倾斜传感器。

相比现有技术，本发明的有益效果在于，所述定向尾翼通过卡箍与所述套筒连接，所述质子磁力仪、磁通门传感器和倾斜传感器均设置于所述套筒内，所述质子磁力仪用于测量地磁场的总量，所述磁通门传感器与倾斜传感器根据地磁场分量的测量方法得到地磁场的三分量的值，本发明通过设置有质子磁力仪，能够精确地测量地磁场总量，磁通门传感器结合倾斜传感器能够测量地磁场的分量，此外，在套筒的外部加装定向尾翼，定向尾翼能适当地调整套筒的姿态，使得套筒在海洋里始终处于迎流的状态，有效地减小质子磁力仪测量方向的旋转，从而使质子磁力仪的测量更稳定。

附图说明

下面结合附图对本发明的

具体实施方式

作进一步详细的说明，其中：

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明所述的套筒、定向尾翼和卡箍的结构示意图。

图3为本发明所述的第一卡箍的结构示意图。

图4为本发明所述的第二卡箍的结构示意图。

图5为本发明的磁场偏差随角度偏差变化曲线图。

图6为本发明所述的磁通门传感器坐标系和倾斜传感器坐标系之间的变换。

图中：1-质子磁力仪、2-磁通门传感器、3-倾斜传感器、4-套筒、5-定向尾翼、7-数据采集存储模块、8-电源模块、61-第一卡箍、62-第二卡箍、91-缆绳、92-锚块、93-深海玻璃浮球、611-第一卡槽、612-第一通孔、621-第二卡槽、622-第二通孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-4所示，一种全参量海洋地磁日变站，包括质子磁力仪1、磁通门传感器2、倾斜传感器3、套筒4和定向尾翼5，所述定向尾翼5通过卡箍与所述套筒4连接，所述质子磁力仪1、磁通门传感器2和倾斜传感器3均设置于所述套筒4内，所述质子磁力仪1用于测量地磁场的总量，所述磁通门传感器2与倾斜传感器3用于根据地磁场分量的测量方法得到地磁场的三分量的值。优选地，所述套筒4为非金属壳体套筒。

本实施例通过设置有质子磁力仪1，能够精确地测量地磁场总量，磁通门传感器2结合倾斜传感器3能够测量地磁场的分量，此外，在套筒4的外部加装定向尾翼5，定向尾翼5能适当地调整套筒4的姿态，使得套筒4在海洋里始终处于迎流的状态，有效地减小质子磁力仪1测量方向的旋转，从而使质子磁力仪1的测量更稳定。

具体地，所述质子磁力仪1采用OVERHAUSER系列的质子磁力仪，质子磁力仪1的具体参数如下：量程为18000nT-120000nT，绝对精度为0.2nT，灵敏度为0.015nT/rt-HZ，分辨率为0.001nT，梯度容忍度＞10000nT/m。

具体地，所述磁通门传感器2采用西安华舜测量设备有限责任公司HSF100系列磁通门传感器，磁通门传感器2的具体参数如下：测量方式为三分量，测量范围：±70uT，三轴磁正交度为优于0.2度，测量分辨率为0.1nT，线性度为优于0.01％。

具体地，所述倾斜传感器3采用北微传感科技有限公司BW-WS2000系列倾斜传感器，倾斜传感器3的具体参数如下：精度为0.001度，分辨力为0.0007度，测量轴为X轴和Y轴，测量范围为±30度。

由于质子磁力仪1可以精确测量地磁模量，绝对精度达到0.2nT，而磁通门传感器2可以进行矢量测量，测量分辨率能够达到0.1nT，但是磁通门传感器2存在三轴正交性、各轴灵敏度和零点漂移这三方面的误差，我们可以结合质子磁力仪1和磁通门传感器2的优势，利用质子磁力仪1的模值数据对磁通门传感器2的分量数据进行矫正，将其转化为标准坐标系下，最后结合倾斜传感器3的数据将磁测数据从标准坐标系转化到地理坐标系下，即北地东。假设地磁模值为50000nT，磁场测量偏差随测量轴角度偏差变化曲线如图5所示。

从图5可以看出，为了保证测量偏差小于5nT，测量角度偏差不能大于0.00573°，因为本实施例采用了精度为0.003度的倾斜传感器3满足这一指标要求。

具体地，所述套筒4内设置有数据采集存储模块7，所述质子磁力仪1、磁通门传感器2和倾斜传感器3分别与所述据采集存储模块7连接，所述数据采集存储模块7用于获取质子磁力仪1、磁通门传感器2和倾斜传感器3的数据并存储。优选地，数据采集存储模块7内设置有大容量的SD卡，SD卡可以存储大量的数据，待全参量海洋地磁日变站被回收后，再采用上位机读取数据采集存储模块7内的数据。

具体地，所述套筒4内设置有电源模块8，所述质子磁力仪1、磁通门传感器2、倾斜传感器3和数据采集存储模块7分别与所述电源模块8连接，所述电源模块8用于为质子磁力仪1、磁通门传感器2、倾斜传感器3和数据采集存储模块7供电。优选地，电源模块8内部设置有锂电池，锂电池用于为质子磁力仪1、磁通门传感器2、倾斜传感器3和数据采集存储模块7供电。

具体地，所述磁通门传感器2和倾斜传感器3均设置于所述套筒4的顶部，所述磁通门传感器2和倾斜传感器3设置在同一水平面，这样能够保证倾斜传感器3与磁通门传感器2的轴对准。

具体地，套筒4内设置有第一支撑板、第二支撑板和第三支撑板，套筒4的顶部和第一支撑板组成第一放置空间，套筒4、第一支撑板和第二支撑板组成第二放置空间，套筒4、第二支撑板和第三支撑板组成第三放置空间，套筒4的底部和第三支撑板组成第四放置空间。优选地，磁通门传感器2和倾斜传感器3设置于第一放置空间内，数据采集存储模块7设置于第二放置空间内，电源模块8设置于第三放置空间内，质子磁力仪1设置于第四放置空间内。

具体地，所述卡箍包括第一卡箍61和第二卡箍62，所述套筒4的一端套设在所述第一卡箍61内，另一端套设在所述第二卡箍62内，所述第一卡箍61上设置有供定向尾翼5***的第一卡槽611，所述第二卡箍62上设置有供定向尾翼5***的第二卡槽621，所述第一卡槽611与所述定向尾翼5通过螺钉连接，所述第二卡槽621与所述定向尾翼5通过螺钉连接。

具体地，全参量海洋地磁日变站还包括缆绳91，所述第一卡箍61远离所述第一卡槽611的一侧设置有第一通孔612，所述第二卡箍62远离所述第二卡槽621的一侧设置有第二通孔622，所述第一卡箍61和第二卡箍62分别固定在所述缆绳91上，所述缆绳91的一端连接有锚块92，另一端连接有深海玻璃浮球93。

具体地，所述套筒4上设置有水密接头。优选地，所述水密接头为5芯水密接头。

全参量海洋地磁日变站的校准分为磁通门传感器2的自校准和对磁通门传感器2所在的物理坐标系与地理坐标系之间的转换两部分，首先需要对磁通门传感器2进行自校准，然后对磁通门传感器2所在的物理坐标系和地理坐标系进行转换，其中：

(1)磁通门传感器2的自校准

当磁通门传感器2的非正交误差、灵敏度误差以及零偏误差同时作用于倾斜传感器3时，会使得测量的结果和实际的结果存在一定的偏差，为了保证测量数据的准确性，我们需要对这些误差进行分析并予以修正。

其中：B_x0、B_y0和B_z0分别为磁通门传感器2三轴的输出磁场值；B_x、B_y和B_z分别为地磁场在正交轴上的实际磁场值；α、β和γ分别为磁通门传感器2三轴与正交轴之间的角度误差，K_x、K_y和K_z分别为磁通门传感器2三轴的灵敏度；b_x，b_y和b_z为磁通门传感器2三轴的零偏误差。

由于地磁在某一时刻的模值可以通过质子磁力仪1测量得到，并且我们认为是一个准确量，这里用Const表示，忽略二阶无穷小量，可以建立如下方程：

也即，采用质子磁力仪1测量N个时刻的Const，采用磁通门传感器2在与质子磁力仪1相同的位置以及对应的时刻测量N个磁场数据，会得到N个如上式的方程组，当方程组个数大于未知系数个数，采用最小二乘法可以得到磁通门传感器2三轴与正交轴之间的角度误差α、β和γ，磁通门传感器2三轴的灵敏度；K_x、K_y和K_z，磁通门传感器2三轴的零偏误差b_x、b_y和b_z，从而实现磁通门传感器2测得的三分量磁场数据在标准正交坐标系三轴上准确表示。

(2)物理坐标系与地理坐标系之间的转换

实际测量中，物理坐标系随着载体平台不断变化，需要将其转换为地理坐标系中。由地面坐标系xyz到倾斜平面坐标系x'y'z'的转动可由两次基本的旋转矩阵来描述：

第一次基本的旋转矩阵是倾斜平面坐标系绕其自身的x轴旋转角度α₁形成的，则旋转矩阵表示为：

第二次基本的旋转矩阵是倾斜平面坐标系第一次旋转后的坐标系再绕其自身的y轴旋转角度α₂形成的，则旋转矩阵表示为：

假设重力加速度在倾斜传感器3所在的倾斜平面上的投影值为A_x,A_y和A_z，则重力加速度可以通过第一次旋转角度α₁和第二次旋转角度α₂得到其在倾斜平面坐标系的投影，用旋转矩阵表示为：

倾斜传感器3通过上述旋转矩阵可以得到第一次旋转角度α₁和第二次旋转角度α₂的大小。而磁通门传感器2测量值转换为地理坐标系也同样满足上述变换。

在实际应用中，还会存在绕z轴旋转的情况，假设倾斜平面坐标系第三次绕其自身的z轴旋转角度α₃，则旋转矩阵表示为：

从而得到所测地磁场在地理坐标系下的三分量输出B_x',B_y'和B_z'：

由于采用的倾斜传感器是北微传感科技有限公司BW-WS2000系列，属于双轴倾斜测量。由于绕z轴旋转角度α₃的大小未知，利用绕x轴旋转角度α₁和绕y轴旋转角度α₂，可以保证校准后的z分量输出转换成了地理坐标系下的z分量值，即B_z'＝B_z。最后结合当地的经纬度，获取待测点的地磁偏角D，从而利用正余弦定理，可以得到地理坐标系下的x分量值B_x'和y分量值B_y'，实现了校准后的磁通门传感器2的磁场三分量的数值从物理坐标系到地理坐标系的转换。

对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形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。