一种基于地球物理特性的传感器深孔安装校姿方法
【专利摘要】本发明属于深孔条件下传感器姿态测量与校正【技术领域】，涉及一种基于地球物理特性的传感器深孔安装校姿方法，该方法由以下步骤组成：第一步，将安装传感器、重力场传感器及地磁场传感器固联成固联体，与三维校姿云台连接；第二步，确定安装传感器的目标安装方向；第三步，首先，调节固联体水平，然后，调整固联体使安装传感器的方向与目标安装方向一致，最后，记录地磁场方向；第四步，固联体在下放深孔过程中，调节重力场传感器测量数据变化量为零；调节使地磁场传感器测量数据的变化量为零；第五步，不断重复第四步的内容，直至固联体到达深孔底部，安装传感器的深孔内安装过程作业完成。本发明主要用于深孔条件下传感器姿态测量与校正领域。
【专利说明】一种基于地球物理特性的传感器深孔安装校姿方法
【技术领域】
[0001]本发明属于深孔条件下传感器姿态测量与校正【技术领域】，特别是涉及一种基于地球物理特性的传感器深孔安装校姿方法。
【背景技术】
[0002]在爆炸冲击波测试等领域需要将传感器安装在岩土介质的深孔内，原则上需要将传感器的最大敏感面朝向爆源方向(或者固定姿态)。为了获得最佳的测试效果(速度与精度)，测试传感器的最大敏感面往往需要朝向爆源方向或者预先设定方向。然而，在实际的操作过程中，由于传感器安装在深孔中，深孔长度较长，口径相对较小，并且在放置传感器后深孔需要回填，以及其他不可预知的人为操作误差或者作业人员不考虑传感器安装方向等因素，都容易导致传感器的最终安装方向偏离原始设定值。这时传感器的测量值只是实际被测量在传感器敏感面法线方向上的投影而非真值，会对测量结果产生较大影响。为有效降低该影响，可通过测定传感器敏感面法线方向与爆源方向的夹角，进而逆向解算出实际量值的方法来实现。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于:提出一种基于地球物理特性的传感器深孔安装姿态测量与校正方法，这种方法利用地球固有物理指向特性(即地磁场的“指北特性”以及重力场的“铅垂特性”)，结合地磁场矢量在地磁场传感器体坐标系下的投影为基准，实现在岩土介质深孔内安装传感器过程中安装传感器姿态的实时测量，并利用三维校姿云台实现姿态的实时校正。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下:一种基于地球物理特性的传感器深孔安装校姿方法，该方法由以下步骤组成:
第一步，将安装传感器、重力场传感器及地磁场传感器固联成固联体；依据固联方式可得到三个传感器即安装传感器、重力场传感器、地磁场传感器之间的姿态转换关系；固联体与三维校姿云台连接，可通过三维校姿云台调节固联体的姿态；所述三维校姿云台为一种电控空间三维物理参数调节装置，用于支撑固联体，并通过调节空间三维物理参数达到调整固联体姿态的目的；
第二步，确定安装传感器的目标安装方向；
第三步，首先，在预先设置好的深孔入口处，利用重力传感器测量得到的重力方向调节固联体水平，然后，水平旋转调整固联体使得安装传感器的方向与第二步所述的目标安装方向矢量一致，最后，记录在该状态下地磁场传感器测量的地磁场方向；
第四步，固联体在下放深孔过程中姿态会发生变化，进而带动地磁场传感器和重力场传感器姿态发生变化，以重力场传感器测量数据的变化量作为校正输入参数，调节三维校姿云台带动固联体姿态的调整直到重力场传感器测量数据变化量为零，即表明固联体呈水平状态；以地磁场传感器测量数据的变化量作为校正输入参数，调节三维校姿云台带动固联体姿态的调整使地磁场传感器测量数据的变化量为零，此时，安装传感器恢复到第二步所述的目标安装方向；
第五步，在固联体下放过程中不断重复第四步的内容，直至固联体到达深孔底部，即安装传感器深孔安装的校姿过程结束，安装传感器的深孔内安装过程作业完成。
[0004]所述的三维校姿云台是在市场上可以购买到的电控底座。
[0005]本发明的有益效果:1、仅利用地球物理特性实现小孔径测孔内传感器的姿态测量，无源测量过程，实现简便，隐蔽性强；2、测量过程以地磁场矢量在地磁场传感器体坐标系下的投影为基准，与大地坐标系无关，减少解算过程，提高姿态解算速度；3、将传感器的姿态测量与姿态校正相结合，实现传感器在安装过程中姿态的实时校正。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0007]图1是本发明基于地磁场测量的传感器安装定向场景示意图。
【具体实施方式】
[0008]实施例1、一种基于地球物理特性的传感器深孔安装校姿方法，如图1所示，该方法由以下步骤组成:
第一步，将安装传感器、重力场传感器及地磁场传感器固联成固联体；依据固联方式可得到三个传感器即安装传感器、重力场传感器、地磁场传感器之间的姿态转换关系；固联体与三维校姿云台连接，可通过三维校姿云台调节固联体的姿态；所述三维校姿云台为一种电控空间三维物理参数调节装置，用于支撑固联体，并通过调节空间三维物理参数达到调整固联体姿态的目的；
第二步，确定安装传感器的目标安装方向；
第三步，首先，在预先设置好的深孔入口处，利用重力传感器测量得到的重力方向调节固联体水平，然后，水平旋转调整固联体使得安装传感器的方向与第二步所述的目标安装方向矢量一致，最后，记录在该状态下地磁场传感器测量的地磁场方向；
第四步，固联体在下放深孔过程中姿态会发生变化，进而带动地磁场传感器和重力场传感器姿态发生变化，以重力场传感器测量数据的变化量作为校正输入参数，调节三维校姿云台带动固联体姿态的调整直到重力场传感器测量数据变化量为零，即表明固联体呈水平状态；以地磁场传感器测量数据的变化量作为校正输入参数，调节三维校姿云台带动固联体姿态的调整使地磁场传感器测量数据的变化量为零，此时，安装传感器恢复到第二步所述的目标安装方向；
第五步，在固联体下放过程中不断重复第四步的内容，直至固联体到达深孔底部，即安装传感器深孔安装的校姿过程结束，安装传感器的深孔内安装过程作业完成。
[0009]实际操作中，以爆源与传感器的最终安装点具有相同的地磁场矢量和重力场矢量方向为前提，如图1所示，将地磁场传感器、重力场传感器、安装传感器以及三维校姿云台按照一定方式固联(即相互之间的姿态或倾角固定)形成固联体，计算得出三个传感器体坐标系与与固联体体坐标系之间的映射关系式。在测孔地表开口处调整固联体，即参照重力传感器测量得到的重力场矢量方向调整固联体水平，然后水平旋转固联体直至安装传感器朝向爆源方向；记录此时地磁场传感器的测量数据地磁场矢量测量输入参考。以线缆悬挂固联体下放传感器至测孔底端。在下放过程中重力场传感器不断测量得到固联体的水平倾角，地磁传感器测量得到与预设地磁输入参考的差值。三维校姿云台以这些数据作为输入调整固联体上安装传感器的姿态直到安装传感器姿态恢复为预定安装姿态(即朝向爆源方向)。
[0010]本发明的创新点:1、仅仅利用地球物理特性实现小孔径测孔内传感器的姿态测量，无源探测过程，实现简便，隐蔽性强。
[0011]2、测量过程以地磁场在磁场测度坐标系下的投影为基准，与大地坐标系无关，极大减少解算过程，提高姿态解算速度。
[0012]3、将传感器的姿态测量与姿态校正相结合，实现传感器在安装过程中姿态的实时校正。
【权利要求】
1.一种基于地球物理特性的传感器深孔安装校姿方法，其特征在于:该方法由以下步骤组成: 第一步，将安装传感器、重力场传感器及地磁场传感器固联成固联体；依据固联方式可得到三个传感器即安装传感器、重力场传感器、地磁场传感器之间的姿态转换关系；固联体与三维校姿云台连接，可通过三维校姿云台调节固联体的姿态；所述三维校姿云台为一种电控空间三维物理参数调节装置，用于支撑固联体，并通过调节空间三维物理参数达到调整固联体姿态的目的； 第二步，确定安装传感器的目标安装方向； 第三步，首先，在预先设置好的深孔入口处，利用重力传感器测量得到的重力方向调节固联体水平，然后，水平旋转调整固联体使得安装传感器的方向与第二步所述的目标安装方向矢量一致，最后，记录在该状态下地磁场传感器测量的地磁场方向； 第四步，固联体在下放深孔过程中姿态会发生变化，进而带动地磁场传感器和重力场传感器姿态发生变化，以重力场传感器测量数据的变化量作为校正输入参数，调节三维校姿云台带动固联体姿态的调整直到重力场传感器测量数据变化量为零，即表明固联体呈水平状态；以地磁场传感器测量数据的变化量作为校正输入参数，调节三维校姿云台带动固联体姿态的调整使地磁场传感器测量数据的变化量为零，此时，安装传感器恢复到第二步所述的目标安装方向； 第五步，在固联体下放过程中不断重复第四步的内容，直至固联体到达深孔底部，即安装传感器深孔安装的校姿过程结束，安装传感器的深孔内安装过程作业完成。
【文档编号】G01V1/20GK104360380SQ201410558491
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年10月21日 优先权日:2014年10月21日
【发明者】胡祥超, 朱宝良, 吴祖堂, 白婷, 鲁辉, 郭弦, 张东亮 申请人:中国人民解放军63653部队