一种半航空电磁法视电阻率测量系统及方法

1.本发明属于航空电磁法测量技术领域，尤其涉及一种半航空电磁法视电阻率测量系统及方法。


背景技术：

2.现有技术介绍面对大范围大深度快速精细探测的实际探测需求，传统地面电磁法探测深度上具备一定优势，但操作复杂，耗费大量人力物力，成本高效率低。航空电磁法探测范围广，复杂地形适应性强，探测分辨率和探测效率较高，但成本高、危险系数大、探测深度受限。地空电磁法，又称半航空电磁法，利用地面大功率人工电磁源(大回线或接地导线)作为发射源，通过飞行器搭载接收系统在空中采集磁场信号，实现较大深度范围内地电信息的快速获取。该方法融合了地面电磁法大功率发射和航空电磁法快速非接触式连续采集的双重优点，具备对地表条件复杂的区域进行大深度大范围快速探测的潜力。由于测量过程中飞行器只需挂载尺寸小、重量轻的接收系统，不仅比常规航空电磁法具有更高的安全性，也为利用无人飞行平台创造了条件。当前快速发展的无人飞行器为地空电磁探测带来了新的发展机遇。因此，地空电磁法有望发展成一种快速、经济和应用方便的地球物理电磁勘探方法，具有良好的发展前景。对于半航空电磁探测系统而言，接收线圈在空中移动测量姿态变化影响，是降低接收信号信噪比进而限制系统探测深度和精度的关键问题。此类问题也存在于航空电磁探测系统中，但是相比较于全航空“动源-动接收”的系统，半航空属于“定源-动接收”的探测系统，与全航空电磁系统的姿态响应特征和规律不同。因此，航空电磁系统中的姿态校正方法不再适用。


技术实现要素：

3.(一)发明目的
4.本发明的目的是提供一种半航空电磁法视电阻率测量系统及方法以解决现有技术因为水平接收线圈的姿态角度偏转导致测量数据不准确的问题。
5.(二)技术方案
6.为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种半航空电磁法视电阻率测量系统，包括：第一传感器，其用于测量响应磁场中垂直磁感应的实测强度幅值；第二传感器，其用于测量所述第一传感器在空中的三轴姿态角度变化量；处理器，其用于基于所述实测强度幅值和所述三轴姿态角度变化量计算视电阻率。
7.进一步地，还包括：发射源，其用于产生响应磁场。
8.进一步地，所述处理器基于所述实测强度幅值和所述三轴姿态角度变化量采用迭代拟合法计算视电阻率。
9.进一步地，所述第一传感器为接收线圈，所述第二传感器设置在所述接收线圈的圆心处。
10.进一步地，飞行器，其用于搭载所述第一传感器和所述第二传感器。
11.根据本发明的另一个方面，提供半航空电磁法视电阻率测量方法，包括：同时测量第一传感器在空中的三轴姿态角度变化量和响应磁场中垂直磁感应的实测强度幅值bm(ρ,r,ω)；利用迭代拟合法计算视电阻率。
12.进一步地，所述利用迭代拟合法计算视电阻率包括：
13.s1、给定视电阻率i为循环的次数，初始值ρ
a(1)
＝100000，利用半航空三轴磁感应强度正演计算公式，基于三轴姿态角度变化量用半航空三轴磁感应强度正演计算公式，基于三轴姿态角度变化量计算响应磁场中垂直磁感应的强度拟合值r为测点位置，ω为发射频率；
14.s2、判定是否成立，ε为误差容许值；
15.s3、若成立，得到强度拟合值和准确的视电阻率
16.s4、若不成立，设置再次执行步骤s2，并判定是否成立；
17.s5、循环执行步骤s4，直至成立，得到强度拟合值和准确的视电阻率
18.进一步地，所述计算强度拟合值包括：基于所述s1获取的三轴姿态角度变化量生成姿态角度旋转矩阵rc；基于半航空三分量磁感应强度响应公式计算得到半航空三分量磁感应强度b
x
，by，bz；基于所述半航空三分量磁感应强度b
x
，by，bz，计算得到强度拟合值
19.进一步地，所述姿态角度旋转矩阵
[0020][0021]
其中，s和c分别为正弦函数sin和余弦函数cos的缩写。
[0022]
进一步地，所述基于所述三分量电磁响应b
x
，by，bz得到强度拟合值br(ρ,r,ω)包括：
[0023][0024]
进一步地，所述获取三轴姿态角度变化量包括：接收线圈处于完全水平状态时，依据地面的发射源，以接收线圈圆心为原点，垂直于所述接收线圈所在平面且竖直指向地面的方向为z轴，垂直于所述z轴且平行发射源电流方向为x轴，同时垂直于z轴和x轴、且以所述发射源朝向所述接收线圈的方向为y轴，建立初始右手系直角坐标系oxyz，姿态变化后接收线圈坐标系发生变化，变化后的坐标系定义为旋转坐标系ox＇y＇z＇；为横滚角，对应y到y＇的偏转角度；为俯仰角，对应x到x＇的偏转角度；为偏航角，对应z到z＇的
偏转角度。
[0025]
进一步地，所述误差容许值的范围为：ε∈[1％，5％]。
[0026]
进一步地，采用mems姿态传感器获取三轴姿态角度变化量
[0027]
(三)有益效果
[0028]
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
[0029]
本发明公开的半航空电磁法视电阻率测量系统，针对接收系统在空中移动测量过程中，接收线圈姿态变化引入测量误差的问题，提出一种基于单一垂直磁场分量+三轴姿态测量的半航空电磁法视电阻率测量新方法。该方法无需在空中搭载笨重的三轴接收线圈测量磁场三分量，简化了测量系统，增强了系统的无人机平台适应性。也无需在地面多个测点布置水平磁场测量系统，同时减少了因系统重量增大而引入的载重限制和噪声问题，无需进行三分量姿态校正，简化了校正算法，降低运算成本、提升运算效率。实现基于最简便的单一垂直磁场分量测量系统完成半航空电磁法视电阻率的测量，同时抑制空中移动测量接收线圈的姿态变化影响。
附图说明
[0030]
图1是根据本发明一实施方式的测量系统示意图。
[0031]
图2是根据本发明另一实施方式的测量系统示意图。
[0032]
图3是根据本发明一实施方式的测量方法流程图。
[0033]
图4是磁场幅度沿测线呈现波动变化趋势图。
[0034]
图5是测量接收线圈飞行中的姿态角度变化趋势图。
[0035]
图6是视电阻率成像结果对比图。
[0036]
附图标记：
[0037]
100：第一传感器；200：第二传感器；300：发射源；400：飞行器。
[0038]
图1中：survey area为测量区域。
[0039]
图4中：
[0040]
amplitude(t/a)为测量到的电流归一化实测强度幅值垂直磁感应的实测强度幅值，单位为：特斯拉/安培。
[0041]
site(m)为测点位置与测线起点的距离，单位为：米。
[0042]
图5中：
[0043]
angle(
°
)为姿态偏转角度，单位为：度。
[0044]
site(m)为测点位置与测线起点的距离，单位为：米。
[0045]
yaw为偏航角。
[0046]
pitch为俯仰角。
[0047]
roll为横滚角。
[0048]
图6中：
[0049]
site(m)为测量地点与测线起点的距离，单位为：米。
[0050]
depth(m)为视深度，单位为：米。
[0051]
(a)为校正前视电阻率成像结果图。
[0052]
(b)为校正后视电阻率成像结果图。
[0053]
(c)为高密度电法的视电阻率成像结果图。
具体实施方式
[0054]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
[0055]
在附图中示出了根据本发明实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
[0056]
显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0057]
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
[0058]
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
[0059]
图1是根据本发明一实施方式的测量系统示意图。
[0060]
图2是根据本发明另一实施方式的测量系统示意图。
[0061]
如图1和图2所示，在本发明一实施例中，提供了一种半航空电磁法视电阻率测量系统，可以包括：第一传感器100，其用于测量响应磁场中垂直磁感应的实测强度幅值；第二传感器200，其用于测量所述第一传感器100在空中的三轴姿态角度变化量；处理器，其用于基于所述实测强度幅值和所述三轴姿态角度变化量计算视电阻率。
[0062]
本发明公开的半航空电磁法视电阻率测量系统，针对接收系统在空中移动测量过程中，接收线圈姿态变化引入测量误差的问题，提出一种基于单一垂直磁场分量+三轴姿态测量的半航空电磁法视电阻率测量新方法。该方法无需在空中搭载笨重的三轴接收线圈测量磁场三分量，简化了测量系统，增强了系统的无人机平台适应性。也无需在地面多个测点布置水平磁场测量系统，同时减少了因系统重量增大而引入的载重限制和噪声问题，无需进行三分量姿态校正，简化了校正算法，降低运算成本、提升运算效率。实现基于最简便的单一垂直磁场分量测量系统完成半航空电磁法视电阻率的测量，同时抑制空中移动测量接收线圈的姿态变化影响。
[0063]
在一可选实施例中，所述第一传感器100可以与所述处理器连接。
[0064]
在一可选实施例中，第二传感器200可以与所述处理器连接。
[0065]
在一可选实施例中，所述测量系统还可以包括：发射源300，其用于产生响应磁场。
[0066]
在一可选实施例中，所述处理器基于所述实测强度幅值和所述三轴姿态角度变化量可以采用迭代拟合法计算视电阻率。
[0067]
在一可选实施例中，所述第一传感器100可以为接收线圈，所述第二传感器200设
置在所述接收线圈的圆心处。
[0068]
在一可选实施例中，所述测量系统还可以包括：飞行器400，其用于搭载所述第一传感器100和所述第二传感器200。
[0069]
在一可选实施例中，所述测量系统还可以包括：储存器500，所述储存器500与所述处理器连接。
[0070]
在一可选实施例中，所述储存器500可以与所述第一传感器100连接。
[0071]
在一可选实施例中，所述储存器500可以与所述第二传感器200连接。
[0072]
在一可选实施例中，所述储存器500可以用于储存实测强度幅值。
[0073]
在一可选实施例中，所述储存器500可以用于储存三轴姿态角度变化量。
[0074]
在一可选实施例中，所述储存器500可以用于储存视电阻率。
[0075]
在一优选实施例中，所述储存器500可以用于储存实测强度幅值、三轴姿态角度变化量和视电阻率。
[0076]
图3是根据本发明一实施方式的测量方法流程图。
[0077]
如图3所示，在本发明一实施例中，提供了一种半航空电磁法视电阻率测量方法，可以包括：同时测量第一传感器100在空中的三轴姿态角度变化量和响应磁场中垂直磁感应的实测强度幅值bm(ρ,r,ω)；利用迭代拟合法计算视电阻率。
[0078]
响应磁场中垂直磁感应的实测强度幅值bm(ρ,r,ω)为所述第一传感器100在空中角度变化后的垂直磁感应强度。所述第一传感器100在空中会发生偏转，三轴姿态的角度会发生变化。本发明的测量方法就是在所述第一传感器100在空中会发生偏转后，同时测量三轴的变化角度和同一时刻的垂直磁感应的实测强度幅值bm(ρ,r,ω)。
[0079]
在一优选实施例中，所述利用迭代拟合法计算视电阻率可以包括：
[0080]
在一可选实施例中，所述利用迭代拟合法计算视电阻率包括：
[0081]
s1、给定视电阻率i为循环的次数，初始值ρ
a(1)
＝100000，利用半航空三轴磁感应强度正演计算公式，基于三轴姿态角度变化量用半航空三轴磁感应强度正演计算公式，基于三轴姿态角度变化量计算响应磁场中垂直磁感应的强度拟合值r为测点位置，ω为发射频率；
[0082]
s2、判定是否成立，ε为误差容许值；
[0083]
s3、若成立，得到强度拟合值幅值和准确的视电阻率
[0084]
s4、若不成立，设置再次执行步骤s2，并判定是否成立；
[0085]
s5、循环执行步骤s4，直至成立，得到强度拟合值和准确的视电阻率
[0086]
本发明的半航空电磁法视电阻率测量方法，在空中移动测量过程中，接收线圈姿态变化引入测量误差的问题，提出一种基于单分量磁场+三轴姿态测量的姿态校正新方法。
该方法无需在空中搭载三轴接收线圈测量磁场分量，简化了测量系统，增强了系统的无人机平台适应性。也无需在地面多个测点布置水平磁场测量系统，同时减少了因系统重量增大而引入的载重限制和噪声问题，无需进行三分量姿态校正，简化了校正算法，降低运算成本、提升运算效率。实现了最简便的单分量磁场测量系统即可完成姿态校正。
[0087]
在一可选实施例中，所述计算强度拟合值包括：基于所述s1获取的三轴姿态角度变化量生成姿态角度旋转矩阵rc；基于半航空三分量磁感应强度响应公式计算得到半航空三分量磁感应强度b
x
，by，bz；基于所述半航空三分量磁感应强度b
x
，by，bz，计算得到强度拟合值
[0088]
在一可选实施例中，所述姿态角度旋转矩阵
[0089][0090]
其中，s和c分别为正弦函数sin和余弦函数cos的缩写。
[0091]
在一可选实施例中，所述三分量电磁响应b
x
，by，bz分别为：
[0092][0093][0094][0095]
在一可选实施例中，所述基于所述三分量电磁响应b
x
，by，bz得到强度拟合值幅值br(ρ,r,ω)包括：
[0096][0097]
在一可选实施例中，所述获取三轴姿态角度变化量可以包括：接收线圈处于完全水平状态时，依据地面的发射源(300)，以接收线圈圆心为原点，垂直于所述接收
线圈所在平面且竖直指向地面的方向为z轴，垂直于所述z轴且平行发射源(300)发射方向为x轴，同时垂直于z轴和x轴、且以所述发射源朝向所述接收线圈的方向为y轴，建立初始右手系直角坐标系oxyz，姿态变化后接收线圈坐标系发生变化，变化后的坐标系定义为旋转坐标系ox＇y＇z＇。
[0098]
在一可选实施例中，为横滚角，对应y到y＇的偏转角度。
[0099]
在一可选实施例中，为俯仰角，对应x到x＇的偏转角度。
[0100]
在一可选实施例中，为偏航角，对应z到z＇的偏转角度。
[0101]
在一可选实施例中，所述误差容许值的范围为：ε∈[1％，5％]。
[0102]
在一可选实施例中，采用mems姿态传感器获取三轴姿态角度变化量在一可选实施例中，采用mems姿态传感器获取三轴姿态角度变化量
[0103]
图4是根据本发明一实施方式的测量方法。
[0104]
如图4所示，图4为辽源采空区探测数据处理，有效探测频率为64hz和128hz，将每10s原始数据叠加处理为一个测点的数据，即处理后系统的横向分辨率约为60m。电流归一化后，有效探测频率64和128hz处的磁场幅度沿测线呈现波动变化趋势，且两个频率对应的磁场曲线之间存在一定的相关性。这是因为预处理后的磁场数据受姿态影响。
[0105]
图5是测量接收线圈飞行中的姿态角度变化趋势图。
[0106]
如图5所示，为了去除姿态影响，本次探测中，系统以100hz采样率测量了接收线圈在实际飞行中的姿态角度，对应的实测姿态角度如图5所示。对比磁场数据和姿态数据的变化趋势可知，磁感应强度幅值的波动趋势与姿态角度波动趋势之间存在相关性，在测线的起点和终点位置，由于接收线圈姿态角度变化明显，实测磁感应强度幅值也存在较大的偏差。
[0107]
图6是视电阻率成像结果对比图。
[0108]
如图6所示，(a)为校正前视电阻率成像结果图。(b)为校正后视电阻率成像结果图。(c)为高密度视电阻率成像结果图。(b)为采用本发明的半航空电磁法视电阻率测量方法得到的校正后视电阻率剖面，同时与未经姿态校正的校正前视电阻率剖面进行对比。此外，为了讨论校正前后视电阻率剖面成像结果的准确性，将校正前后的视电阻率成像结果与相同测线进行的高密度电阻率法视电阻率成像结果进行对比，结果如图6所示。
[0109]
未校正数据得到的原始视电阻率变化呈现出从上到下递减趋势，视电阻率变化范围在1-1000ω
·
m且在测线中0-600m和800-1400m出存在两个较大的低阻异常体，测线中间附近600-800m处存在明显的断裂带。校正后得到的视电阻率变化范围减小至1-200ω
·
m，远小于校正前的视电阻率，更接近真实地下电阻率情况。而且，校正后的视电阻率剖面图能够更突出测线下方的两个低阻异常体(黑色虚接收线圈定范围内)和断裂带。校正后的视电阻率剖面与高密度法视电阻率成像结果更吻合。因此，相比校正前，校正后的视电阻率成像结果无论视电阻率值变化范围，还是变化趋势都明显地更符合高密度电阻率图成像结果。综上所述，在本次半航空电磁法探测中，本发明公开的视电阻率测量系统及方法能够得到更精确的视电阻率，且得到的视电阻率能够基本还原地下电性结构变化。
[0110]
在本发明另一实施例中，提供了一种基于半航空电磁法的测量系统，通过采用上述技术方案任一项所述的测量方法进行测量的系统。
[0111]
本发明旨在保护一种半航空电磁法视电阻率测量系统及方法，其半航空电磁法视电阻率测量系统可以包括：第一传感器100，其用于测量响应磁场中垂直磁感应的实测强度
幅值；第二传感器200，其用于测量所述第一传感器100在空中的三轴姿态角度变化量；处理器，其用于基于所述实测磁感应强度幅值和所述三轴姿态角度变化量计算视电阻率。本发明公开的半航空电磁法视电阻率测量系统，针对接收系统在空中移动测量过程中，接收线圈姿态变化引入测量误差的问题，提出一种基于单一垂直磁场分量+三轴姿态测量的半航空电磁法视电阻率测量新方法。该方法无需在空中搭载笨重的三轴接收线圈测量磁场三分量，简化了测量系统，增强了系统的无人机平台适应性。也无需在地面多个测点布置水平磁场测量系统，同时减少了因系统重量增大而引入的载重限制和噪声问题，无需进行三分量姿态校正，简化了视电阻率校正算法，降低运算成本、提升运算效率。实现基于最简便的单一垂直磁场分量测量系统完成半航空电磁法视电阻率的测量，同时抑制空中移动测量接收线圈的姿态变化影响。
[0112]
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。