海洋全張量磁梯度系統(tǒng)的研制

1磁場張量梯度測量空間磁場向量測量是指測量地球磁場三維相交分量信號（bx、bz）。傳統(tǒng)的總現(xiàn)場測量只能測量磁體的總面積和模量（ti）。獲得的信息有限，只能部分解釋磁體的測量特性，并需要設(shè)置日變站裝置系統(tǒng)進行日變校正。所謂磁梯度張量,是指通過一定的方式將三分量磁力儀設(shè)計成梯度裝置,以測量地磁場三個分量的空間變化率。磁場張量梯度測量就是利用多組三分量磁力儀,按照一定方式排列而設(shè)計成的磁場梯度裝置,相比較傳統(tǒng)的總場梯度測量,能夠更加全面地反映出地磁場的真實信息。磁場張量梯度測量是目前各國地球物理專家學(xué)者研究和開發(fā)的熱點［1－2］,對極地科考、大洋深海探測等地球物理勘探和水下目標(biāo)定位都具有重要意義。2系統(tǒng)組成2.1多參數(shù)無磁拖異形系統(tǒng)RS-HC3型全張量磁梯度系統(tǒng)主要由多參數(shù)無磁拖曳系統(tǒng)(拖體)、綜合數(shù)據(jù)采集處理機、UPS不間斷電源等組成。多參數(shù)無磁拖曳系統(tǒng)(拖體)整合MRU-4慣導(dǎo)、三軸磁力梯度儀、溫度、壓力等設(shè)備,由水下數(shù)據(jù)采集電子艙融合各路數(shù)據(jù),并且實時傳輸?shù)骄C合數(shù)據(jù)采集處理機,防水等級達到IP66。圖1為系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)圖。2.2系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合及數(shù)據(jù)處理地球磁場是具有幅度和方向的矢量場,在矢量空間中,可以用一個3×3的空間梯度張量矩陣來表示,如下所示:式中,U為磁性物的磁位。其測量的對象是地磁場分量的梯度,測量的結(jié)果能夠反映出目標(biāo)體的矢量磁矩信息,而且張量元素受地磁場的傾角、偏角影響小,公式計算得到的張量不變量(不隨坐標(biāo)轉(zhuǎn)換而變化的標(biāo)量)可以不需要額外的處理即可以很好地描述磁場源信息,比如傾向、走向等,提高了對磁源體的分辨率［3］。該系統(tǒng)中,三分量磁力梯度儀安裝在多參數(shù)無磁拖曳系統(tǒng)中,兩個三分量磁力儀剛性固定,并且各軸一一對應(yīng),雙方間隔距離為500mm;MRU-4慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的三個姿態(tài)傳感器跟三分量磁力儀的三軸一一對應(yīng),實時測量磁力儀(拖體)的姿態(tài)信息(俯仰、側(cè)滾、偏航),用于不正交度改正。GPS定位系統(tǒng)給出矢量點的精確位置,便于測區(qū)布局及后續(xù)處理。圖2為系統(tǒng)測量及設(shè)備安裝示意圖。其中數(shù)據(jù)采集電子艙將采集后的各種數(shù)據(jù)融合后,通過RS422串口發(fā)送到上位機采集軟件;與此同時,GPS數(shù)據(jù)和日變數(shù)據(jù)分別通過另外兩個RS232串口發(fā)送到上位機采集軟件,并且各路信號以GPS時間為基準(zhǔn)進行同步,確保信號采集的一致性。系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)見表1。3處理信號3.1軟件的主要功能系統(tǒng)的工作重點不僅在于硬件設(shè)備的穩(wěn)定工作,還在于能夠?qū)z測的各種信號準(zhǔn)確、穩(wěn)定的采集、顯示和記錄,以供后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。該系統(tǒng)的采集軟件基于LABVIEW語言編寫,用于采集三分量磁力儀數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)和日變站數(shù)據(jù),可實時采集和動態(tài)顯示各種參數(shù)信息;支持實時保存各采樣原始數(shù)據(jù),并能夠同步不同種類設(shè)備數(shù)據(jù)流。程序軟件的主要功能有:(1)三分量磁場信號接收、磁梯度信號顯示、GPS定位信號與運動信息接收、日變信號采集。(2)支持多種信號流同步,可根據(jù)需求實時保存數(shù)據(jù)。(3)仿真機械面板,信號實時曲線顯示,支持實時分析。3.2采集正常采集程序在數(shù)據(jù)采集過程中,各種信號同步問題是程序的重點,也是系統(tǒng)能否正常運行的關(guān)鍵。系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)包括磁梯度/姿態(tài)數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)和日變數(shù)據(jù),其中磁梯度/姿態(tài)數(shù)據(jù)為系統(tǒng)采集的核心數(shù)據(jù),也是判斷系統(tǒng)是否正常運行的依據(jù),因此程序以磁梯度/姿態(tài)數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)同步的基準(zhǔn),分別判斷GPS數(shù)據(jù)和日變數(shù)據(jù)的采集與存儲操作。數(shù)據(jù)同步流程如下:(1)程序開始采集時,首先對參數(shù)進行初始化設(shè)置。(2)判斷磁梯度/慣導(dǎo)數(shù)據(jù)采集是否正常?若采集不正?；驔]有數(shù)據(jù)包上傳,則判斷是否達到設(shè)置的閾值時間(如閾值設(shè)置為5s),若未達到閾值時間,則間隔一段時間,繼續(xù)執(zhí)行步驟(2);若達到閾值時間,則顯示警報信息進行提醒。若采集正常,則調(diào)用磁梯度/慣導(dǎo)數(shù)據(jù)處理模塊,進行顯示、存儲等操作,并執(zhí)行下一步驟。(3)判斷GPS數(shù)據(jù)采集是否正常?若采集不正常或沒有連接GPS設(shè)備,則程序提取系統(tǒng)時間;若采集正常,則程序提取GPS時間。然后調(diào)用數(shù)據(jù)同步子程序,根據(jù)提取的系統(tǒng)時間/GPS時間對磁梯度/慣導(dǎo)/GPS數(shù)據(jù)進行同步處理,并調(diào)用GPS數(shù)據(jù)處理模塊,進行顯示、存儲等操作,并執(zhí)行下一步驟。(4)判斷日變數(shù)據(jù)采集是否正常?若采集不正常或沒有連接日變設(shè)備,則程序直接跳轉(zhuǎn)到步驟(2);若采集正常,則調(diào)用日變數(shù)據(jù)處理模塊,進行相應(yīng)操作,并執(zhí)行下一步驟。(5)判斷是否結(jié)束采集,若繼續(xù)采集,則程序跳轉(zhuǎn)到步驟(2);若停止采集,則結(jié)束。4地磁拖魚系統(tǒng)的穩(wěn)定運行圖3為海洋全張量磁梯度系統(tǒng)在千島湖湖面測區(qū)的設(shè)備運行情況,系統(tǒng)的穩(wěn)定運行為地磁測量作業(yè)提供了堅實的保障。其中拖魚裝置由無磁Kevlar電纜拖曳,拉斷強度高達10000lbs,既保證了設(shè)備的供電和數(shù)據(jù)傳輸,又確保了設(shè)備的安全。實測結(jié)果見圖4、5。5量信息的全面反映RS-HC3型海洋全張量磁梯度系統(tǒng)為國內(nèi)首套具有高度數(shù)據(jù)集成的全張量磁測系統(tǒng)。兩組三分量磁力儀測量的磁場張量信息更能夠全面反映目標(biāo)體的矢量磁矩信息,相比總場梯度測量而言信息更加全面;與之固定安