Способ определения квадранта местоположения намагниченного тела

 

Изобретение предназначено для использования в геофизических иссле- . дованиях. Цель изобретения - повьшение точности и быстродействия определения квадранта местоположения намагниченного тела. Устройство, реализующее способ, содержит трехкомпонентный магнитометр 1, дифференциаторы каналов X и Y 2 и 3, RS-триггер 4, блоки 5,6,7 запоминания каналов X, Y,Z, блоки 8,9,10 вычитания, схемы 11 12 сравнения знаков и логический . блок 13. Таким образом, устройство, реализующее способ, в интервале между первой сменой знака производной продольной составляющей и первой последующей сменой знака попере Уной составляющей посредством сравнения знаков разностей продольных и попе- . речных составляющих вектора поля намагниченного тела определяет направление оси квадранта местоположения искомого тела по горизонтали относительно прямолинейного курса движения подвижно й платформы с установленным на ней трехкомпонентным магнитометрам , посредством сравнения знаков разностей продольных и вертикальных составляющих определяет направление оси квадранта по вертикали, 4 ил. Уст.О ЦП (Л е | чя со

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (Н1 (51)4 G 01 R 33/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

H АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4189861/24-21 (22) 02, 02. 87 (46) 15. 10. 88. Бюл. N 38 (72) Ю.Д.Клименко (53) 621.317.44(088.8) (56) Postle М.P., Hacom. The proton

pression magnetometer and its role

in marine magnetic searches. — The

Hydrographic Journal, 1980, N 17, р. 31-46. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КВАЦРАНТА

МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ НАМАГНИЧЕННОГО ТЕЛА (57) Изобретение предназначено для использования в геофизических иссле дованиях. Цель изобретения — повышение точности и быстродействия определения квадранта местоположения намагниченного тела. Устройство, реализующее способ, содержит трехкомпонентный магнитометр 1, дифференциаторы каналов Х и Y 2 и 3, RS-триггер 4, блоки 5 6,7 запоминания каналов Х, Y,Z, блоки 8,9,10 вычитания, схемы 11

12 сравнения знаков и логический блок 13. Таким образом, устройство, реализующее способ, в интервале между первой сменой знака производной продольной составляющей и первой. последующей сменой знака поперечной составляющей посредством сравнения знаков разностей продольных и попе" речных составляющих вектора поля намагниченного тела определяет направление оси квадранта местоположения искомого тела по горизонталИ относительно прямолинейного курса движения подвижной платформы с установленным на ней трехкомпонентным магнитометрам, посредством сравнения знаков разностей продольных и вертикальных составляющих определяет направление оси квадранта по вертикали. 4 ил.

1430900

Изобретение относится к способам магнитных измерений и предназначено для использования. в геофизических исследованиях.

Цель изобретения - повьппение точности и быстродействия определения квадранта местоположения намагниченного тела.

На фиг. 1 представлена структурная10 схема устройства, реализующего способ; на фиг. 2 — временные диаграммы процессов в устройстве, реализующем способ; на фиг. 3 " траектория двнжения подвижной платформы при поиске намагниченного тела; на фиг. 4 — сис- . тема координат и взаимная ориентация радиус вектора R и вектора магнитного момента аномалии Й.

Устройство, реализующее способ, содержит трехкомпонентный магнитометр 1, к выходам каналов Х (продоль20 ный), Y (поперечный) и 2 (вертикальный) которого подключены соответственно входы дифференциаторов 2 и 3 каналов Х и У, выходы которых соедииены с входами КБ-триггера 4, причем

S-вход триггера 4 соединен с выходом дифференциатора 2 канала. Х, à R-вход триггера 4 соединен с выходом диффе, ренциатора 3 канала У, блоки 5 - 7 запоминания каналов.Х, Y, Z соответ30.ственно, на входы управления записью которых подается сигнал с выхода диференциатора 2; блоки 8 - 10 вычитаф ния, вторые входы которых подключены к выходам блоков 5 — 7 запоминания соответственно, выход блока 8 вычитания канала Х соединен с входами схем

11 и 12 сравненйя знаков, вторые вхо" ды которых соединены с выходами блоков 9 и 10 вычитания соответственно, при этом выходы схем ff и 12 сравнения знаков соединены с входами логического блока 13 с индикатором, а третий вход блока 13. соединен с выходом триггера 4 °

Реализация способа определения квадранта местоположения намагничен- . ного тела основана на следующих пред посылках и соотношениях. ,50

На фиг. 3 показана типовая траек. тория движения подвижной платформы при поиске намагниченного тела. При . таком режиме движения искомое тело может войти в зону обнаружения, обо- 55 значенную радиусом R (очевидно, даль ость обнаружения намагниченного тела зависит от чувствительности магI

Вх . ЗК2-R ЗКкК ЗКкR

Вч ЗК „RÄ 3R Ä-R2 ЗК,К, в

ЗК Кк ЗК К ЗК -К2 М (1) составляющие вектора индукции поля диполя в точке наблюде" ния; модуль радиуса-вектора, проведенного из начала координат в течку наблюдения; магнитная постоянная вакуума; координаты точки наблюдения составляющие вектора

° магнитного момента М

roe„, В, В

К к 9 R \ 9 К

Мх М М z диполя.

В выражениях (1) в соответствии с фиг. 4 переменными величинами при прямолинейном движении подвижной

I нктопровода и значения магнитного момента тела, обозначенного на фиг. 3 вектором М), только в передней полусфере относительно курса движения платформы. При непрерывных измерениях параметров магнитного поля в процессе поиска намагниченного тела и движения по траектории фиг. 3 предположение о возможности появления искомого тела в задней относительно курса движения полусфере является ложным, поскольку некоторое время назад при прямолинейном движении тело неминуемо находилось в передней полусфере . Разумеется, речь идет о неподвижном объекте поиска.

Задачей способа определения квадранта местоположения намагниченного тела является необходимость определения квадранта, в котором лежит вектор P . .Этот квадрант однозначно задается знаками cos (и sin(, при этом знак. сов задает направление оси квадранта по горизонтали, а знак sin по вертикали. Рассмотрим соотношения, на основании которых могут быть определены знаки cos (и sing. Вектор not

1 ля намагниченного тела (диполя) в точке наблюдения в произвольной декартовой системе координат XYZ„ в центре которой помещен диполь, может быть определен из известного выражения:

1430900 платформы с постоянной скоростью вдоль оси Х будут К„ и R. С учетом этого и, введя обозначения постоянных величин

p+p iо ° р, М/4хр =А;

V/ó =а, после элементарных преобразований (1) выражения для составляющих Вх(), В„(t}, В (t) как функций времени в процессе движения записывают следую- щим образом:

B„(t}=A(1+az tz) t, 2ш„Чх tz+

+3 (m cosf+mzsin$} t m„)z);

-5И

В (t) А(1+а ) Г -ш 7 tz+

+ЗрЧшхсов Q t+ms (2Ц -К }+Зш,К„Rz,.

В (t)А(1+а t> } (-ш У2 tz+3yЧш„ хsin g t+m z(2Ê z-К )+Зш „К„К ), где ш„,ш,m z — единичные векторы момента И;

V — скорость движения °

В тригонометрической форме как функции угла у (очевидно, угол единственный. переменный угол в процессе движения по прямолинейной траек тории, см. фиг. 4 g=arctgVt/р) выражения для составляющих В „,В>, В после элементарных тригонометрических преобразований записываются из (2)

s виде:

В „(q} С.сов Ц(0,5cos Ы„+1,5psin(2M-1});

В>(g}С cos ц(1,5cos g-sino{„cos()-р „}-сов р„-1,5pcos(2ö- L) cos))

B z (lf) C - сов (1, 5 s in (s in o{ „co s ((—

- „}-сову -1,5pcos(2y-q) sin() (3) .1де С p,ô /49р ; .р=(сов с{„+вт с{м сов ($- ()" угол между вертикальной осью

ОУ и проекцией вектора М на плоскость движения, образованную осью ОХ и линией курса движения (угол не показан) °

Для компактной записи и удобства анализа обозначим произведения и суммы постоянных величин, входящих в (3) следующим образом:

© О, 5сов Ым, 6 1,5 сов sino(„сов(- „)-cospÄ;

Ь =1,5 sin ) sino{.cos()-(„)-ñosó„;

r 1,5р.

Тогда выражения (3) записываются в виде:

В„(q) =С ° сîs q (е + г sin(2qy) );

B> (q) =C cos q(b - t cos (2 -q ) cos$);

В (q)=С cos y(s-г. cos(2g-q}. sing). (4)

Из соотношений (2) следует, что при изменении t (т.е, К х, так как

К«=V t) от — до +oo по достижении некоторой точки to (положение точки зависит от ориентации вектора М} составляющие вектора поля намагниченного тела В „(t), В „(t), В (t) изменяют свою полярность (момент смены полярности у В>(t), В>(t), Вz(t) наступает в различное время). Из выраже- . ний (4) следует,. что смена полярности текущих значений В,(g), В{(Ц), Б (V) обусловлена только наличием

sin(2 -y) и cos(2q-q) в этих выражениях, так как угол О изменяется оТ

-90 до +90 (см. фиг.4) и функция сов3 ц при изменениях q в этих преде-25 лах своего знака не изменяет. Поэтому, начиная с некоторого момента времени, поведение В„(V), В „(ц), В () определяется в основном sin(2$-g) и сов(2 -Q) в соответствии с (4} и 0 влиянием слагаемых а,6, s, z Hà noseдение B«(q>), B (y}, В (Ep) можно пренебречь. Очевидно, что таким моментом времени является момент смены знака производной функции В х(р), поскольку смена знака этой производной означает, что давление функции

sin(2Wq) на поведение В „(tp) превысило давление слагаемого Q.в выражении (4). С этого же момента поведение

В (ц) и Bz(y) определяется в основ ном влиянием cos(2p-y). Смена знака производной В «(р} происходит до достижения точки траверза, что следует из (2) и (4). На основании изложенного можно записать соотношения для знаков приращений текущих составляющих вектора поля намагниченного тела, имеющие место после смены знака производной В„,(V):

sign(gB„) =sign(sin(2 y});

sign(dB>)=sign(-cos(2 <). совф;

sign(DB>)=sign(-cos(2 q)-sin ). (5)

На основании выражений (5) можно сделать вывод: в интервале между пер

55 вой сменой знака производной продольной составляющей и ближайшей после» дующей сменой знака производной поперечной составляющей вектора паля

2Б

5 14 намагниченного тела путем сравнения знаков разностей (приращений) значений продольной и поперечной, а также продольной и вертикальной составляющих можно определить квадрант местоположения намагниченного тела относительно прямолинейного курса движения подвижной платформы с установленным на ней трехкомпонентным магнитометром при произвольной ориентации искомого тела {произвольная ориентация намагниченного тела задана в (5) углом 1)

Этот вывод основан на следующем: знак приращения В„от угла (не зависит; знак приращения ЛВ зависит от

3 соз (; знак приращения аВ зависит от

sin(; на участке измерений приращений (между сменами знаков производных

„(Ч) и В (() функции s in(2p-y) и

cos(2(p-<) синфазны, т.е. имеют одинаковый знак приращений, поэтому совпадение или противоположность знаков

ЬВ„и йВ„, а также dBх и 3В зависят только от знаков cos и sin(соответственно: если знаки В„и ABER совпада ют „то- cosF имеет знак "-", если знаки дВ H АБ у противоположны, To cos ( имеет знак "+"; если знаки dB> и dBg совпадают, --о э1п имеет знак """, если знаки ВВ> и Б противоположны, то sin(имеет знак "+".

Знаки cos(m зхп однозначно задают квадрант местоположения искомого намагниченного тела.

Конкретный вывод о знаках cos ( и s1n (зависит от положительных на правлений осей трехкомпонентного магнитометра. Соотношения по определению квадранта местоположения тела справедливы для тех положительных направлений осей трехкомпонентиого магнитометра, которые показаны на фиг.4. При других положительных направлениях осей магиитометра приведенные соотношения изменятся, например, если ось

GZ (в отличие от фиг.4) ориентирована вертикально вниз, то sin (имеет знак

"+", если знаки 63» и BHg совпадают,. и знак "-", если знаки DВ и 3В противоположны, и т.д.

Устройство (см. фиг. 1) реализующее способ, работает следующим образом.

Работу устройства рассмотрим на примере взаимодействия блоков в про30900 б цессе определения оси квадранта местоположения намагниченного тела по горизонтали, поскольку процесс опре- . деления осн квадранта по вертикали протекает аналогично. При входе магнитометра 1, установленного на движу-. щуюся прямолинейно платформу, в поле намагниченного тела на выходах Х,Y,Z магнитометра 1 появляются сигналы с нарастающей до некоторой точки траектории амплитудой (диаграммы Х,7. на фиг.2). В момент смены знака производной сигнала Х (точка А на диаг" рамме Х) на выходе дифференциатора 2 формируется короткий импульс и устройство начинает выполнять свои функции, работа устройства до момента времени А не интересует, поскольку индикатор блока 13 стробирован выходным сигналом триггера. 4, и информация на индикаторе не отображается.

Процесс формирования короткого импульса по смене знака производной сигнала "Х" осуществляется следующим образом.

Выходным импульсом дифференциатора 2 осуществляется запись текущих значений сигналов "Х", "У", "Е" в блоки .5 - 7 запоминания соответст« венио, триггер 4 переводится в единичное состояние (триггер 4 устанав ливается в нулевое состояние сигналом "Уст.0" в некоторой дальней точке, где отсутствует поле искомого тела). Б блоках 8 и 9 вычитания из текущих значений сигналов "Х" и "7" вычитаются записанные в точке А значения сигналов, нричем блоки 8 — 10

40 вычитания могут быть выполнены на основе аналогового компаратора с цифровым выходом, поэтому на выходе блоков вычитания присутствует цифровой сигнал ("1" или "О"), соответствующий знаку разности между текущим значением сигнала на соответствующем выходе магнитометра 1 и записанным значением сигнала на выходе соответствующего запоминающего устройства, например, если разность между текущим и записанным значениями сигнала

"Х" положительна, то на выходе блока и н

8 вычитания присутствует уровень если эта разность отрицательна, то на выходе блока 8 присутствует уроЛ вень "0". Для устранения возможного дребезга на выходе блоков 9 и 10, который может появиться при наличии помех на выходах магнитометра -t, бло900

7 1430 ки 8 — 10 могут быть выполнены на основе компаратора с гистерезисом. Вы ходные сигналы блоков 8 и 9 вычитания поступают на схему 11 сравнения зна5 ков, представляющую собой логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, которая может быть выполнена, например, на микросхеме типа 155ЛП5 и предназначена для реализации следующей логической 10 функции: при совпадении сигналов на входе, т.е. когда оба входных сигнала. имеют уровни "1" или "0", на выходе схемы 11 сравнения знаков появляется, например, "1", при несовпадении вход- 15 ных сигналов, т.е. когда один кз сигналов имеет уровень "1", а другой имеет уровень "0", то на выходе схемы сравнения знаков появляется уровень

"О". Таким образом, когда знаки разностей между текущими и записанными в запоминающих блоках 5 и 6 значениями продольной и поперечной составляющих совпадают, на выходе схемы сравнения знаков присутствует уровень

"1",.при несовпадении знаков — "0",. что вызывает отображение на индикаторе блока 13 соответственно показаний

"Тело справа" или "Тело слева", т.е. определяется направление оси квадран- ЗО та местоположения искомого тела по горизонтали. Процесс определения оси квадранта но вертикали протекает аналогично, при этом для определения направления этой оси используются блоки 5,7,8,10, схема 12. Соответственно, 35 при наличии на выходе схемы 12 сравнения знаков уровня "1" на индикаторе блока 13 отображаются показания, например, "Тело выше", при наличии уровня "0" — "Тело ниже" плоскости движения.

Таким образом, устройство, реалиующее способ, выполняет следующие функции: в интервале между первой сменой знака производной продольной сос45 тавляющей и первой последующей сменой знака поперечной составляющей посред.ством сравнения знаков разностей продольных и поперечных составляющих вектора поля намагниченного тела определяется направление оси квадранта местоположения искомого тела по горизонтали относительно прямолинейного курса движения подвижной платформы с установленным на ней трехкомпонентным магнитометром, посредством .сравнения знаков разн6стей продольных и вертикальных составляющих определяется направление оси квадранта по вертикали.

Формула изобретения

Способ определения квадранта местоположения намагниченного тела, включающий непрерывное измерение маг нитного поля намагниченного тела при прямолинейном перемещении магнитометра и определение точек экстремума текущих значений магнитного поля это\ го тела, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и быстродействия, измеряют одновременно текущие значения продольных,. поперечных и вертикальных составляющих векторов магнитного поля намагниченного тела в двух точках траекто" рии перемещения магнитометра, определяют знаки разностей между значениями одноименных составляющих в последующей и предыдущей точках траектории, сравнивают эти знаки между собой, причем измерения текущих значений поля и определение знаков разностей составляющих векторов поля намаг1 ниченного тела выполняют в интервале между первым экстремумом продольной составляющей и ближайшим последующим экстремумом вертикальной составляющей вектора поля намагниченного тела, направление оси квадранта по горизонтали определяют посредством сравнения знаков разностей продольных и поперечных составляющих, а направление оси квадранта по вертикали определя ют посредством сравнения знаков разностей продольных и вертикальных составляющих векторов магнитного поля намагниченного тела.

1430900

1430900

3 430900

Составитель А.Дивеев

Техред М .Дидык Корректор С.Черни

Редактор Л.Пчолинская

Заказ 5339/48

Тираж 712

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1l3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Подписное

Производственно-полиграфичеcêKîoå e п р еeд пnр иHя тTиHеe, r. Ужгород, ул. Проектная, 4