一种线圈式矢量磁力仪地磁日变误差校正方法
阅读说明：本技术 一种线圈式矢量磁力仪地磁日变误差校正方法 (Geomagnetic daily variation error correction method for coil type vector magnetometer ) 是由 葛健 李鹏辉 董浩斌 郑千玮 王锐 钱君立 于 2021-08-12 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种线圈式矢量磁力仪地磁日变误差校正方法,用于解决线圈式矢量磁力仪测量周期中的日变干扰影响仪器检测精度的问题,首先,架设线圈式磁力仪和三分量磁力仪,然后记录施加大小相等方向相反的偏置场后的叠加场以及不加偏置场时的地磁场F-(3)；利用向量变换关系将所有叠加场都校准至测量F-(3)的时刻,记为叠加场F-(3+)′,F-(3-)′,再进行地磁参量解算。本发明的有益效果是：使用地磁分量以及施加特定偏置场后叠加场的数据就可以实现线圈式矢量磁力仪日变效应误差校正,无需其他参数；对线圈式磁力仪测量周期内地磁日变效应进行抑制,提高仪器检测精度；地磁日变误差抑制方法是基于线圈式磁力仪本身的操作流程,无需额外的操作步骤。(The invention provides a correction method of geomagnetic diurnal variation errors of a coil-type vector magnetometer, which is used for solving the problem that the detection precision of an instrument is influenced by the diurnal variation interference in the measurement period of the coil-type vector magnetometer 3 (ii) a All superimposed fields are calibrated to measurement F using a vector transform relationship 3 Time of (1) is recorded as a superimposed field F 3+ ′，F 3‑ ' and then performing geomagnetic parameter calculation. The invention has the beneficial effects that: the correction of the daily variation effect error of the coil type vector magnetometer can be realized by using the geomagnetic components and the data of the superposed field after the specific bias field is applied, and other parameters are not needed; the geomagnetic diurnal variation effect in the measurement period of the coil magnetometer is inhibited, and the detection precision of the instrument is improved; the geomagnetic daily variation error suppression method is based onThe operation process of the coil type magnetometer does not need additional operation steps.)
技术领域
本发明涉及磁场测量领域，尤其涉及一种线圈式矢量磁力仪地磁日变误差校正方法。
背景技术
地磁场是矢量场，定义地磁七要素：地磁总场F、水平分量H、北向分量X、东向分量Y、垂直分量Z、磁倾角I、磁偏角D来表述地磁场，其中水平分量和垂直分量组成的平面为磁子午面。对地磁要素的检测在地质灾害预测、地球科学以及空间科学等领域都有重要应用。因此高精度地磁要素数据对资源探索，自然灾害预测以及全球地磁场模型建立意义重大。
地磁要素测量通过磁力仪来实现，按照测量方式可分为总场磁力仪、分量磁力仪、磁向测量磁力仪、多参量磁力仪。总场磁力仪检测精度高，但是只能测量地磁场标量值，无法检测其他要素；分量磁力仪是矢量磁力仪，能够测量地磁场分量，以磁通门磁力仪为例，其可以测量地磁场的三分量，但是存在温漂和正交性误差，不能进行绝对测量；磁向测量磁力仪是DI仪，通过磁通门和无磁经纬仪组合来测量磁偏角和磁倾角，但是DI仪测量周期长、不能连续观测以及需要专门操作人员，观测人员不同也会引入误差的不足；多参量磁力仪是通过总场传感器和线圈组合成线圈式磁力仪实现对地磁要素测量，主要有FHD磁力仪和dIdD磁力仪。受太阳周期性活动的影响，地磁矢量场的强度和方向一直连续变化，这种以24小时为周期的地磁场变化现象称之为地磁日变化，而日变干扰是高精度地磁测量时的主要干扰，因为日变干扰是持续存在的，而线圈式磁力仪的检测原理是基于每个测量周期中所有量检测完成之后才能够解算相应的值，因此对检测过程中日变干扰的影响消除是提高系统检测精度的重要工作。
目前常用的日变干扰的抑制方法是通过建立日变观测站，用高精度的磁力仪同时进行测量，然后把两者做差，得到的差值就是日变量，得到日变之后再进行相关消除工作，但是该方法无法对磁力仪测量过程中的日变干扰抑制，并且目前很少有针对线圈式磁力仪检测过程中日变误差的分析及抑制方法研究。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种线圈式矢量磁力仪地磁日变误差校正方法，主要包括以下步骤：
S1：架设线圈式磁力仪和三分量磁力仪，然后记录线圈式磁力仪施加大小相等方向相反的偏置场后的叠加场，记为F1+和F2-，以及不加偏置场时的地磁总场强度，记为F3；
S2：结合三分量磁力仪检测的地磁场分量信息，利用向量变换关系将所有时刻得到的叠加场都校准至测量F3的时刻，记为F3+′和F3-′；
S3：根据校正后的叠加场F3+′和F3-′，进而得到日变校正之后的地磁参量信息。
进一步地，若F1+为第一个时刻测量得到的叠加场，F2-为第二个时刻测量得到的叠加场，F3为第三个时刻测量得到的叠加场，具体的校准过程如下：
记向量F1+校正后为F3+′，得F3+′的计算如式(5)：
F3+′＝A++F3 (5)
代入F3与F1的关系式F3′＝F1+ΔF13后，式(5)变换为式(6)：
F3+′＝F1++ΔF13 (6)
将式(6)中等号两边开方可得式(7)
F3+′＝(F1+ 2+2F1+ΔF13+ΔF13 2)0.5 (7)
其中，F1+＝A++F3-ΔF13，将F1+代入式(7)，化简后可得式(8)
F3+′＝[F2 1++2ΔF13(F3+A+)-|ΔF13|2]0.5 (8)
同理可得F3-′的计算如式(9)
F3-′＝[F2 2-+2ΔF23(F3+A-)-|ΔF23|2]0.5 (9)
其中，F3+′和F3-′分别为F1+和F2-校准后对应到第三时刻的叠加场。
进一步地，日变校正之后的磁倾角ΔI′及磁偏角ΔD′的计算公式如下：
ΔI′＝θ′ (11)
其中，F3+′和F3-′分别为F1+和F2-校准后对应到第三时刻的叠加场，F3为第三个时刻测量得到的地磁总场。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：使用地磁分量以及施加特定偏置场后叠加场的数据就可以实现日变效应误差校正，无需其他参数；对线圈式磁力仪测量周期内地磁日变效应进行抑制，提高仪器检测精度；地磁日变误差抑制方法是基于线圈式磁力仪本身的操作流程，无需额外的操作步骤。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中线圈式磁力仪测量原理图。
图2是本发明实施例中线圈式磁力仪日变干扰机理图。
图3是本发明实施例中线圈式磁力仪日变校正方法的流程图。
图4是本发明实施例中磁倾角测量示意图。
图5是本发明实施例中磁偏角测量示意图。
图6是本发明实施例中日变校正前测量结果误差仿真图。
图7是本发明实施例中日变校正后测量结果误差仿真图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
线圈式磁力仪的测量原理如图1所示，在每个测量周期内，认为地磁场不变，然后分别施加大小相等方向相反的偏置场A+和A-后，测量偏置场与地磁场叠加之后的磁场F3+和F3-，不施加偏置场时测得地磁总场F3，然后通过以下解算方法可以计算得到θ。图1中的F0是仪器开始测量时的地磁场量。
在F3+、A+、F3和F3-、A-、F3，组成的两个三角形中，分别由余弦定理可得式(1)和式(2)：
F3+ 2＝F3 2+A+ 2-2F3+A+cos(α) (1)
F3- 2＝F3 2+A- 2-2F3-A-cos(π-α) (2)
对式(1)和式(2)做差，同时代入A＝A3+＝A3-，α为一个辅助角，通过可得θ(日变校正前记为θ，经过日变校正后计算得到的值记为θ′)的计算公式如式(3)：
其中，A的表达式为式(4)：
对于磁倾角的测量结果为ΔI＝θ，对于磁偏角的测量则为
然而在实际测量时，每一次施加偏置场时地磁场在日变干扰下发生变化，就出现图2中所示的情况，此时检测得到的叠加磁场为F1+和F2-，与图1中的叠加场F3+和F3-相比发生了偏差，从而导致最终解算的磁倾角ΔI及磁偏角ΔD存在误差。
为解决上述仪器检测过程中的日变干扰，本发明的实施例提供了一种线圈式矢量磁力仪地磁日变误差校正方法，利用三分量磁力仪检测的地磁场三分量信息，通过适量关系转换将所有测量叠加场时刻的值都校准至同一时刻然后再进行地磁参量信息解算，实现对日变误差的抑制，校正示意图如图3所示。假设实际检测时F1+为第一个时刻测量得到的叠加场，F2-为第二个时刻测量得到的叠加场，F3为第三个时刻测量得到的叠加场，需要做的是将F1+和F2-都校准至第三时刻，校准后如图2中F3+′和F3-′所示。具体实施步骤如下：
记向量F1+校正后为F3+′，F3+′的计算如式(5)：
F3+′＝A++F3 (5)
代入F3′与F1的关系式F3′＝F1+ΔF13后，式(5)变换为式(6)：
F3+′＝F1++ΔF13 (6)
将式(6)中等号两边开方可得式(7)
F3+′＝(F1+ 2+2F1+ΔF13+ΔF13 2)0.5 (7)
其中，F1+＝A3++F3-ΔF13，将F1+代入式(7)，化简后可得式(8)
F3+′＝[F2 1++2ΔF13(F3+A+)-|ΔF13|2]0.5 (8)
同理可得F3-′的计算如式(9)
F3-′＝[F2 2-+2ΔF23(F3+A-)-|ΔF23|2]0.5 (9)
此时可以得到日变校正之后的磁倾角ΔI′及磁偏角ΔD′，计算过程如下：
计算公式(10)：
ΔI′＝θ′ (11)
通过式(8)和式(9)可知，只要得到ΔFjk、A(所施加偏置场矢量)和F3的向量表示，然后进行运算即可解算出F3+′和F3-′，从而实现日变误差的校正。
向量ΔFjk可以表示为式(13)，式(13)中的Xj，Yj，Zj和Xk，Yk，Zk分别为Fj和Fk时刻地磁场的分量值，可以利用地磁分量测量传感器同步检测得到。
ΔFjk＝(Xk-Xj,Yk-Yj,Zk-Zj) (13)
其中，ΔFjk用来表示式(8)或式(9)中ΔF13和ΔF23。
在仪器完成初始定向后，仪器位置保持不变，因此所施加偏置场向量方向不变，偏置场坐标需要在初始时刻进行解算，磁倾角测量时，初始时刻各个向量的分布如图4所示。
此时可以解算得到Ai+和Ai-在xyz坐标系中的向量表示，分别如式(14)、(15)所示：
Ai+＝(-Aisin(I0)cos(D0),-Aisin(I0)sin(D0),Aicos(I0)) (14)
Ai-＝(Aisin(I0)cos(D0),Aisin(I0)sin(D0),-Aicos(I0)) (15)
其中，Ai+和Ai-分别表示测倾角时施加的等大反向的偏置场，计算θ′时公式(8)中的A在测量磁倾角时A＝Ai+＝A-，测量磁倾角时Ai就对应A，Ai为Ci线圈施加的偏置场的标量值，I0和D0分别为初始时刻的磁倾角和磁偏角基值。
同理，对磁偏角的测量矢量如图5所示：
此时偏置场Ad与水平面平行，根据几何关系解算得到Ad+和Ad-在xyz坐标系中的向量表示，分别如式(16)、(17)所示：
Ad+＝(-Ad sin(D0),Ad cos(D0),0) (16)
Ad-＝(Ad sin(D0),-Ad cos(D0),0) (17)
其中，Ad+和Ad-表示测量磁偏角时所加等大反向的偏置场。
由此得到所有计算所需量，然后代入日变校正方法中，完成对线圈式磁力仪地磁日变干扰误差校正。
最终对本专利所提出的线圈式磁力仪地磁日变误差校正方法的校正效果进行仿真：设定最大日变干扰为0.45nT，此时计算日变效应对线圈式磁力仪测量结果引入的最大误差超过5"，然后加入日变校正方法后再计算线圈式磁力仪测量结果误差，其误差为0"，仿真图分别如图6和图7所示。
本发明的有益效果是：仅用地磁分量信息以及线圈式磁力仪的测量数据就可以实现线圈式磁力仪测量周期中日变效应引入误差的校正，无需其他参数；对线圈式磁力仪测量周期内地磁日变效应进行抑制，提高了仪器检测精度；地磁日变误差抑制方法是基于线圈式磁力仪本身的操作流程，无需额外的操作步骤。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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