Способ векторных магнитных измерений

 

Использование: в области магнитных измерений, для поисков и разведки полезных ископаемых и магнитного картографирования. Сущность изобретения: в процессе разворотов носителя по курсу и колебаний по углам кренов измеряют и запоминают ортогональные компоненты магнитной индукции, угловые координаты и угловые скорости носителя, определяют компоненты постоянного поля носителя, индуктивные и вихревые коэффициенты помех носителя, определяют магнитное поле Земли в географической системе координат при известных значениях помех носителя, при измерениях на рабочем маршруте измеряют приращения постоянного поля носителя и корректируют ранее измеренные значения постоянного поля носителя. 2 ил.

Изобретение относится к области магнитных измерений и предназначено для поисков и разведки полезных ископаемых и магнитного картографирования.

Известен способ магнитных измерений, [1] включающий измерение параметров магнитной индукции на различных курсах при периодических эволюциях носителя по углам продольного и поперечного кренов, одновременное измерение углов и угловой частоты кренов, определение коэффициентов помех постоянного и индуктивного намагничивания носителя и помех вихревых токов, а также компенсацию помех носителя с помощью компенсационных колец, питаемых сигналами с выхода вспомогательного компонентного магнитометра.

Недостаток этого известного способа состоит в невысокой точности. Только часть магнитных помех носителя может быть определена раздельно, большинство составляющих помех может быть определено только в виде суммы или в виде разности. Этого не достаточно для снижения помех носителя при векторных измерениях.

Цель изобретения повышение точности.

Указанная цель достигается тем, что в способе векторных магнитных измерений, включающем предварительные развороты носителя по курсу с колебаниями по углам продольного и поперечного кренов, одновременное измерение и запоминание трех взаимно ортогональных КМИ в системе координат носителя, а также угловых координат и угловых скоростей носителя, определение и запоминание КМИ ПП и коэффициентов индуктивных и вихревых помех носителя путем разложения измеренных КМИ по системе функций, включающей функции угловых координат и угловых скоростей носителя, измерение и запоминание тех же параметров на рабочем маршруте и определение КМИ магнитного поля Земли путем разложения КМИ по той же системе функций при известных значениях КМИ ПП и коэффициентов помех носителя, дополнительно при длительном движении по маршруту измеряют и запоминают те же параметры в процессе рыскания носителя по курсу и колебаний по углам продольного и поперечного кренов, в процессе обработки информации определяют приращения КМИ ПП носителя, корректируют ранее полученные их значения и определяют КМИ магнитного поля Земли при откорректированных значениях КМИ ПП носителя.

На фиг. 1 представлена функциональная схема одного из возможных вариантов устройства для реализации способа; на фиг. 2 системы координат.

Устройство содержит трехкомпонентный магнитометр 1, инерциальную навигационную систему 2, блок датчиков угловых скоростей 3, ЭВМ 4 и блок синхронизации 5.

Выходы трехкомпонентного магнитометра 1, инерциальной навигационной системы 2 и блока датчиков угловых скоростей 3 соединены, соответственно, с первым, вторым и третьим входами ЭВМ 4. Синхронизирующие входы блоков 1-4 соединены с выходом блока синхронизации 5.

Трехкомпонентный магнитометр 1 (фиг. 1), выполненный в виде трехкомпонентного цифрового феррозондового магнитометра, установлен на носителе так, что его измерительные оси параллельны осям координат ОХYZ носителя (см. фиг. 2). С выхода трехкомпонентного магнитометра 1 на первый вход ЭВМ 4 поступают электрические сигналы в виде кодов КМИ Bх, By и Bz. Одновременно с выхода инерциальной навигационной системы 2 на второй вход ЭВМ 4 поступают сигналы в виде кодов угловых координат носителя относительно географической системы координат Olmn. Блок датчиков угловых скоростей, выполненный в виде трех поплавковых гиротахометров, измерительные оси которых ориентированы параллельно осям координатам X, Y, Z носителя, формируют электрические сигналы в виде напряжений, пропорциональных компонентам угловой скорости носителя ω_x, ω_y и ω_z, которые после преобразования в коды поступают на третий вход ЭВМ 4.

Рассмотрим математические соотношения, положенные в основу способа.

Измеряемое на носителе магнитное поле представляет собой сумму магнитного поля Земли и магнитного поля носителя, обусловленного постоянным и индуктивным намагничением ферромагнитных масс и магнитным полем вихревых токов: (1) Здесь: вектор магнитной индукции постоянного поля носителя /Bрх, Bpy, Bpz/; В вектор магнитной индукции магнитного поля Земли /B_l, B_m, B_n/; А матрица преобразования из географической системы координат Olmn в систему координат носителя; Е единичная диагональная матрица; D матрица тензора индуктивных коэффициентов dij; F матрица тензора вихревых коэффициентов fij.

Cоответствующее выражение для КМИ может быть представлено зависимостью (2): (2) В этой зависимости элементы а_ju матрицы А и их производные по времени суммируются по индексам j и u c весовыми коэффициентами С и С', заданными соотношением (3):
Cⁱ_ju= (C_ij+d_ij)B_ui; C¹ⁱ_ju = f_ijB_u (3)
Здесь: Bu КМИ магнитного поля Земли в географической системе координат /B_l, B_m и B_п/;
C_ij, d_ij, f_ij элементы матриц Е, D и F.

Содержание способа составляют следующие операции и их последовательность.

1. Предварительные развороты по курсу с колебаниями по углам продольного и поперечного кренов с одновременным измерением и запоминанием трех взаимно ортогональных КМИ в системе координат носителя, а также угловых координат и угловых скоростей носителя.

2. Определение и запоминание КМИ ПП и коэффициентов индуктивных и вихревых помех носителя путем разложения измеренных КМИ по системе функций, включающей функции угловых координат и угловых скоростей носителя.

3. Измерение и запоминание параметров согласно п. 1 на рабочем маршруте.

4. Определение КМИ магнитного поля Земли путем разложения КМИ по той же системе функций при известных значениях КМИ ПП и коэффициентов помех носителя.

5. Измерение и запоминание параметров согласно п. 1 на рабочем маршруте в процессе рыскания носителя по курсу и колебаний по углам продольного и поперечного кренов.

6. Определение приращений КМИ ПП носителя и корректировка ранее полученных значений.

7. Определение КМИ магнитного поля Земли при откорректированных значениях КМИ ПП и коэффициентов помех носителя.

В качестве конкретного примера реализации способа рассмотрим принцип действия устройства для его осуществления.

По команде оператора начинается разворот носителя по курсу с одновременными колебаниями по углам продольного и поперечного кренов. Одновременно через блок синхронизации 5 оператор включает ЭВМ 4 в режим сбора информации. Через фиксированные промежутки времени по сигналам блока синхронизации 5 на входы ЭВМ синхронно поступают коды значений КМИ В_х, B_y и B_z, значения угловых координат и угловых скоростей носителя ω_x, ω_y и ω_z и заносятся в блок памяти ЭВМ. После разворота носителя по курсу на 360^o предварительная операция 1 сбора и запоминания информации завершается и по команде блока синхронизации ЭВМ переключается в режим определения и запоминания коэффициентов помех (операция 2). В соответствии с полученной информацией по программе, записанной в память ЭВМ, составляется система уравнений (4):
(4)
K 1,2,n,
cвободными числами которой служат измеренные значения КМИ, а элементы матриц вычисляются в соответствии с измеренными угловыми координатами и угловыми скоростями. Общее число измерений существенно превышает число неизвестных, и переопределенная система уравнений (4) решается на основе метода наименьших квадратов. В результате решения определяются КМИ ПП носителя Bp_i, а также значения коэффициентов , после чего составляются системы уравнений (5):

и в результате решения этой системы уравнений по методу наименьших квадратов определяются коэффициенты индуктивных и вихревых помех dij и fij, а также КМИ в географической системе координат B_l, B_m, B_n. Значения КМИ ПП носителя Bp_i, а также значения индуктивных и вихревых коэффициентов заносятся в память ЭВМ, и на этом операция 2 завершается.

В процессе векторных измерений на рабочем маршруте, на небольшом участке маршрута, в пределах которого вектор магнитной индукции магнитного поля Земли можно считать неизменным, по сигналу блока синхронизации выполняются синхронные измерения КМИ В_х, B_y и B_z, угловых координат и угловых скоростей носителя, и измеренные значения с интервалами времени, заданными блоком синхронизации, заносятся в память ЭВМ. Эта третья операция аналогична операции 1. Отличие состоит в том, что измерения выполняются в процессе движения по заданному маршруту. Минимально необходимое число измерений равно единице. Для снижения влияния случайных погрешностей число измерений может быть увеличено до десятков, при этом необходимо, чтобы протяженность участка маршрута не превышала установленного предела с учетом градиента магнитной индукции. После завершения операции 3 блок синхронизации переключает ЭВМ в режим определения КМИ магнитного поля Земли (операция 4). По программе, записанной в памяти ЭВМ, в соответствии с информацией, полученной в процессе выполнения третьей операции, составляется система уравнений (4) при известных значениях КМИ постоянного поля носителя и известных значениях индуктивных и вихревых коэффициентов с учетом зависимости (3). В результате решения системы уравнений (4) на основе метода наименьших квадратов на выходе ЭВМ, являющемся выходом всего устройства, формируются коды КМИ магнитного поля Земли B_l, B_m и В_n в географической системе координат, свободные от магнитных помех носителя. На этом операция 4 завершается. При дальнейшем движении по маршруту операции 3 и 4 повторяются с периодичностью, заданной блоком синхронизации.

Если за время после выполнения операций 1 и 2 изменился состав грузов носителя, произошли переключения электрооборудования или носитель длительное время движется одним курсом, возникают изменения КМИ ПП носителя и погрешности магнитных измерений возрастают. В целях снижения погрешностей непосредственно на рабочем маршруте выполняют измерения и запоминают информацию аналогично операции 3 в процессе рыскания носителя по курсу и колебаний по углам продольного и поперечного кренов в пределах единиц градусов /операция 5/. После завершения операции блок синхронизации переключает ЭВМ в режим определения приращений КМИ ПП носителя и корректировки ранее измеренных значений /операция 6/. По программе, записанной в памяти ЭВМ, в соответствии с информацией, записанной при выполнении 5-й операции, составляется система уравнений (4) при известных значениях индуктивных и вихревых коэффициентов, причем КМИ ПП представляются в виде суммы КМИ Bp_i, хранящихся в памяти ЭВМ, и неизвестных приращений КМИ ΔB_pi 6
(6)
K 1,2,n
В результате решения системы уравнений (6) на основе метода наименьших квадратов определяются приращения КМИ постоянного поля носителя ΔB_pi и в память ЭВМ заносится откорректированные с учетом измеренных приращений значения КМИ ПП носителя.

В процессе дальнейшего движения по рабочему маршруту выполняются измерения КМИ магнитного поля Земли при откорректированных значениях КМИ ПП носителя /операция 7/. Эта операция выполняется аналогично операциям 3 и 4.

Если в процессе магнитной съемки изменился маршрут носителя или требуется проконтролировать изменения магнитного поля носителя, то операции 5 и 6 повторяют и снова осуществляют корректировку КМИ ПП носителя.

В результате этих операций снижаются погрешности, обусловленные изменениями магнитного поля носителя, причем для этого не требуется повторения полного цикла трудоемких измерений подготовительной /первой/ операции в районе с малым уровнем градиента.

Формула изобретения

Способ векторных магнитных измерений с предварительными и повторными периодическими определениями магнитных помех носителя, включающий развороты носителя по курсу с колебаниями по углам продольного и поперечного кренов, одновременное измерение и запоминание трех ортогональных компонентов магнитной индукции (КМИ) в системе координат носителя, а также угловых координат и угловых скоростей носителя, определение и запоминание КМИ постоянного поля носителя (ПП), а также коэффициентов индуктивных и вихревых помех носителя путем разложения измеренных КМИ по системе фракций, включающий функции угловых координат и угловых скоростей носителя, измерение и запоминание трех ортогональных КМИ в системе координат носителя, а также угловых координат и угловых скоростей носителя на рабочем маршруте и определение КМИ магнитного поля Земли путем разложения КМИ по той же системе функций при известных значениях КМИ ПП и коэффициентов помех носителя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в промежутках между очередными определениями магнитных помех носителя дополнительно при движении по рабочему маршруту измеряют и запоминают три ортогональные КМИ в системе координат носителя, а также угловые координаты и угловые скорости носителя в процессе рыскания носителя по курсу и колебания по углам продольного и поперечного кренов, по результатам которых определяют приращения КМИ ПП носителя, с учетом которых корректируют ранее полученные их значения и определяют КМИ магнитного поля Земли при откорректированных значениях КМИ ПП носителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2