一种地磁全要素测量系统及方法与流程

本发明涉及地磁测量领域，尤其涉及一种地磁全要素测量系统及方法。

背景技术：

地磁场是反映地球的物质分布与地质构造的基本物理场之一，能够揭示出有关地球内部的物理化学过程。磁力仪是对地磁场进行测量的主要科学仪器，广泛应用于地球科学研究、地质和资源勘探、航空航天、军事探测等领域。地磁场信息主要有七个要素：总场、水平分量、北向分量、东向分量、垂直分量、磁倾角和磁偏角。常规的地磁总场测量只能确定磁层的分布及构造情况，但总场以外的地磁要素包含更多的目标信息，具有更大的应用范围。

目前，地磁要素的测量要分为三类：第一类是以磁通门传感器为代表，该类传感器可以直接获取地磁三分量信息，但存在正交性误差、温漂以及无法进行绝对观测等问题；第二类是磁通门传感器与经纬仪相结合组合测量，该类磁力仪也称为di仪，无法进行自动观测。第三类是总场传感器和亥姆霍兹线圈(磁场均匀发生器)相结合的组合测量方式，这种地磁仪体积大，选用的总场传感器大都为质子旋进式传感器，灵敏度不高，且无法获取地磁所有要素的信息。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的实施例提供了可实现地磁全要素的高精度一体化矢量测量的一种地磁全要素测量系统及方法。

本发明提供一种地磁要素测量系统，所述地磁要素测量系统包括地磁要素传感器、要素磁力仪主机和连接单元，所述地磁要素传感器包括总场传感器和均匀磁场发生器，所述总场传感器的一端卡合固定在所述均匀磁场发生器的内侧中心，另一端不与均匀磁场发生器连接，所述要素磁力仪主机包括测量模块和恒流源系统，所述测量模块包括激励源、信号调理模块和磁场测量模块，所述连接单元包括信号传输线和供电线，所述信号传输线连接总场传感器和所述测量模块，所述供电线连接均匀磁场发生器和恒流源系统，所述恒流源系统通过供电线为所述均匀磁场发生器供电，当所述恒流源系统向所述均匀磁场发生器供电后，所述激励源驱动所述总场传感器输出fid信号，所述信号调理模块通过所述传输线接收fid信号，所述信号调理模块对信号进行放大、滤波和整形，输出整形后信号，所述磁场测量模块对整形后信号进行测量，获得当前的磁场值。

进一步地，所述均匀磁场发生器包括相互正交的第一线圈和第二线圈，所述第一线圈的尺寸大于第二线圈的尺寸，所述第二线圈啮合固定在第一线圈内侧，所述总场传感器的一端卡合固定在所述第二线圈内侧中心，另一端不与均匀磁场发生器连接。

进一步地，所述第一线圈和第二线圈是球形线圈。

进一步地，所述总场传感器是overhauser传感器。

本发明还提供应用一种地磁要素测量系统的测量方法，所述一种地磁要素测量系统的测量方法包括如下步骤：

s1:在所述第一线圈和第二线圈未通电的情况下，通过所述磁场测量模块测出第一地磁总场f1；

s2:依次向所述第一线圈和第二线圈输入电流，所述磁场测量模块测量偏置磁场i+、i-，d+、d-，

s21:所述恒流源系统向所述第一线圈输入电流i1，所述磁场测量模块测量出偏置磁场i+；

s22:所述恒流源系统向所述第一线圈输入一个与电流i1方向相反、大小相等的电流i2，所述磁场测量模块测量出偏置磁场i-；

s23:所述恒流源系统向所述第二线圈输入正向电流i3，此时地磁总场f平行于第二线圈轴偏转，所述磁场测量模块测量出偏置磁场d+。

s24:所述恒流源系统向第二线圈中输入与电流i3大小相等、方向相反的电流i4，此时，所述地磁总场f反向平行于第二线圈轴偏转，所述磁场测量模块测量出偏置磁场d-；

s3:根据地磁总场f、偏置磁场i+、偏置磁场i-、偏置磁场d+、偏置磁场d-的值，计算磁倾角i和磁偏角d的变化量；

s4:根据地磁七要素的几何关系和已知的地磁总场f、磁倾角i和磁偏角d的值计算出要素水平分量h，北向分量x，东向分量y，垂直分量z的值。

进一步地，所述步骤s3包括如下步骤：

s31:求地磁总场f的值；

s311:在线圈未通电的情况下，测出第二地磁总场f2；

s312:所述总场无偏转下地磁总场f的值是第一地磁总场f1和第二地磁总场f2的平均值；

s32:根据地磁总场f、偏置磁场i+、偏置磁场i-的值，计算得出磁倾角i的变化量；

s33:根据地磁总场f、偏置磁场d+、偏置磁场d-的值，计算得出磁偏角d的变化量；

s34:计算当前的磁偏角d、磁倾角i。

进一步地，所述步骤s32:根据地磁总场f、偏置磁场i+、偏置磁场i-的值，计算得出磁倾角i的变化量，具体包括：

所述第一线圈和所述第二线圈中通入大小相等，方向相反的电流后与地磁总场f叠加后所产生的偏置磁场设为f+和f-，

设a是所述第一线圈或所述第二线圈通入的电流后所形成的偏置磁场，a可以是步骤s2中的i+、d+中任意一个的值，f-是步骤s2中i-、d-中任意一个的值，由余弦定律可得：

f+²＝a-²+f²-2a-fcosα0

f-²＝a-²+f²-2a-fcos(π-α0)

则：

因为a+＝a-＝a，则运算后可得

ai表示所述第一线圈中通入的电流所形成的偏置场，ad分别表示所述第二线圈中通入的电流所形成的偏置场，故：

总场偏转后地磁总场f的变化在磁子午平面内，且所述第一线圈和第二线圈依预设位置放置时，βi表示磁倾角i瞬时变化量；

根据各个磁场的三角关系可得：

因此：

又因为：

α1为偏置磁场与当前待测磁场的夹角，根据偏置磁场间的关系可有：

令由泰勒级数展开可得：

所以：

βi的值就是磁倾角i的瞬时变化量δi。

进一步地，所述步骤s33:根据地磁总场f、偏置磁场d+、偏置磁场d-的值，计算得出磁偏角d的变化量，具体包括：

根据余弦定理，求出变化的磁偏角βd的值，磁偏角βd是待测磁场与磁子午平面的夹角，磁偏角βd投影到水平面，故磁偏角d的变化量δd为：

进一步地，所述步骤s34:计算当前的磁偏角d、磁倾角i，具体包括：

在得到磁倾角i和磁偏角d变化量后，根据测量地点的初始磁偏角d0及初始磁倾角i0，计算得到当前的磁偏角d、磁倾角i，计算公式如下：

i＝i0+δi

d＝d0+δd。

本发明的一种地磁要素分析仪，所述均匀磁场发生器是球形线圈，方便仪器的小型化；所述均匀磁场发生器和地磁总场传感器的结合使用，提高了测量的精度；选择地磁全要素方法进行测量，同时采用磁倾角增量-磁偏角增量的测算方法，实现了磁场总场、三分量、磁偏角、磁倾角全要素的一体化观测，克服了其它地磁测量仪器温漂大、精度低、测量参数少、体积大的问题，实现地磁全要素信息的高精度一体化测量，适应多领域和多平台的不同磁测需求，符合地磁要素类传感测量的未来发展趋势。

附图说明

图1是本发明一种地磁全要素测量系统的一结构示意图。

图2是本发明一种地磁全要素测量系统的工作流程示意图。

图3是本发明一种地磁全要素测量方法的工作流程示意图。

图4是本发明一种地磁全要素测量系统的七要素的几何关系示意图。

图5是本发明一种地磁全要素测量系统的一体化测量模型示意图。

图6是本发明一种地磁全要素测量系统的磁倾角增量-磁偏角增量测算方法的流程示意图。

图7是本发明一种地磁全要素测量系统偏置磁场与待测地磁总场的关系示意图。

图8是本发明一种地磁全要素测量系统通电后瞬时磁倾角变化图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本发明的实施例提供了一种地磁要素测量系统，所述地磁要素测量系统包括地磁要素传感器10、要素磁力仪主机20和连接单元30，

所述地磁要素传感器10包括总场传感器11和均匀磁场发生器12，所述总场传感器11是overhauser传感器，所述均匀磁场发生器12包括相互正交的第一线圈121和第二线圈122，所述第一线圈121和第二线圈122是球形线圈，所述第一线圈121的尺寸大于第二线圈122的尺寸，所述第二线圈122啮合固定在第一线圈121内侧，所述总场传感器11的一端卡合固定在所述第二线圈122内侧中心，另一端不与均匀磁场发生器12连接。

所述要素磁力仪主机20包括测量模块21和恒流源系统22，所述测量模块21包括激励源211、信号调理模块212和磁场测量模块213，所述恒流源系统22为所述第一线圈121和第二线圈122供电。

所述连接单元30包括信号传输线31和供电线32，所述信号传输线31连接总场传感器11和所述测量模块21，所述供电线32连接均匀磁场发生器12和恒流源系统22，所述恒流源系统21通过供电线32为所述均匀磁场发生器12供电。

当所述恒流源系统21向所述均匀磁场发生器12供电，所述激励源211驱动所述总场传感器11的输出fid(freeinductiondecay，自由感应衰减)信号；fid信号经所述传输线31送至所述测量模块21的所述信号调理模块212，所述信号调理模块212对信号进行放大、滤波和整形，输出方波信号，所述磁场测量模块213对方波信号进行测量，获得当前的磁场值。

地磁场是矢量场，由总场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这七个要素组成。

请参考图4，沿地理子午线的方向，设立一个坐标系的x轴，所述x轴沿地理子午线的方向指向地理正北。

在与所述x轴垂直的位置设置y轴，所述y轴沿纬圈的方向指向地理正东。

在所述x轴和所述y轴相交的o点，垂直向下设置z轴。

设地磁总场f的矢量方向为oa，所述总场f在x轴上的投影为北向分量x，所述总场f在y轴上的投影为东向分量y，所述总场f在z轴上的投影为垂直分量z，所述总场f在水平面(xoy)平面的投影为水平分量h；

总场f所在的垂直平面(zob)为磁子午平面，地理子午面(xoz)与磁子午平面的夹角(xob)为磁偏角d，水平面(xoy)与总场f之间的夹角(aob)为磁倾角i。

地磁七要素的几何关系如下式：

请参考图2，所述地磁要素测量系统在测量前，先对所述地磁要素测量系统的各仪器部件进行功能测试，检查仪器能否正常使用，若有故障，就返回检修。

在能正常使用的情况下，在选定测试地点，通过观察磁倾角i和磁偏角d的偏转分量是否存在差异，确认仪器是否调平，待仪器调平后，测试并记录一个测量周期内的测量值。

请参考图3，地磁测量步骤如下：

s1:在所述第一线圈121和第二线圈122未通电的情况下，通过所述磁场测量模块213测出第一地磁总场f1；

s2:请参考图3，测量偏置磁场i+、i-、d+、d-；

s21:所述恒流源系统22向所述第一线圈121输入电流i1，所述磁场测量模块213测量出偏置磁场i+；

s22:在所述恒流源系统22向所述第一线圈121输入一个与电流i1方向相反、大小相等的电流i2，所述磁场测量模块213测量出偏置磁场i-；

s23:所述恒流源系统22向所述第二线圈122输入正向电流i3，所述磁场测量模块213测量出偏置磁场d+；

s24:所述恒流源系统22向第二线圈122中输入与电流i3大小相等、方向相反的电流i4，所述磁场测量模块213测量出偏置磁场d-；

s3:请参考图6，根据地磁总场f、偏置磁场i+、偏置磁场i-、偏置磁场d+、偏置磁场d-的值，计算磁倾角i和磁偏角d的值；

s31:求地磁总场f的值；

s311:在线圈未通电的情况下，测出第二地磁总场f2；

s312:所述总场无偏转下地磁总场f的值是第一地磁总场f1和第二地磁总场f2的平均值；

s32:根据地磁总场f、偏置磁场i+、偏置磁场i-的值，计算得出磁倾角i的变化量，步骤如下：

所述第一线圈121和所述第二线圈122中通入大小相等，方向相反的电流后与总场f叠加后所产生的偏置磁场设为f+和f-，

设a是所述第一线圈121或所述第二线圈122通入的电流后所形成的偏置磁场，a可以是步骤s2中的i+、d+中任意一个的值，f-是步骤s2中i-、d-中任意一个的值，其关系如图7所示，由余弦定律可得：

f+²＝a-²+f²-2a-fcosα0

f-²＝a-²+f²-2a-fcos(π-α0)

则：

因为a+＝a-＝a，则运算后可得

ai表示所述第一线圈121中通入的电流所形成的偏置场，ad分别表示所述第二线圈122中通入的电流所形成的偏置场，故：

请参考图5、图7和图8，图7中总场偏转后地磁总场f的变化在磁子午平面内，且所述第一线圈121和第二线圈122依预设位置放置时，所述第一线圈121和第二线圈122通电后的瞬时磁倾角βi变化如图8所示，在e-f轴是磁场最初的方向，参照图5所示在e-f轴的模型方向设参考轴g-h轴，所述e-f轴和g-h轴构成的平面为称为磁子午平面，。

f为当前待测磁场方向，βi表示磁倾角i的瞬时变化量。

根据图8中各个磁场的三角关系可得：

因此：

又因为：

α1为偏置磁场与当前待测磁场的夹角，根据偏置磁场间的关系可有：

令由泰勒级数展开可得：

所以：

βi的值就是磁倾角i的瞬时变化量δi；

s33:根据地磁总场f、偏置磁场d+、偏置磁场d-的值，计算得出磁偏角d的变化量，步骤如下：

磁偏角d计算的方法与磁倾角计算方法是一致的，在g-h轴垂直方向设置参考轴a-b，所述参考轴a-b和e-f构成一个与e-f和g-h构成的磁子午平面垂直的平面，根据余弦定理，求出变化的磁偏角βd。

磁偏角d的计算与磁倾角i不同的是，βd是待测磁场与磁子午平面的夹角，所述磁偏角d在水平面，因此βd必须被投影到水平面，故磁偏角d的变化量δd为：

s34:计算当前的磁偏角d、磁倾角i的值；

在得到磁倾角i和磁偏角d变化量后，根据测量地点的初始磁偏角d0及初始磁倾角i0，计算得到当前的磁偏角d、磁倾角i。具体计算公式如下：

i＝i0+δi

d＝d0+δd

s4:根据已知的地磁总场f、磁倾角i和磁偏角d计算出水平分量h，北向分量x，东向分量y，垂直分量z的值。

根据地磁七要素的几何关系和已知的地磁总场f、磁偏角d、磁倾角i的值，计算得出水平分量h，北向分量x，东向分量y，垂直分量z的值。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

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。