Способ измерения компонент и полного вектора напряженности геомагнитного поля

Изобретение относится к области измерения магнитных полей при проведении геофизических и космических исследований, разведке полезных ископаемых и др. Способ измерения компонент и полного вектора напряженности геомагнитного поля при помощи феррозондового магнитометра, расположенного на неподвижной платформе в системе ориентации с прямоугольной системой координат {X, Y, Z}, отличающийся тем, что векторные измерения осуществляют одним магниточувствительным датчиком (МД) феррозондового магнитометра (ФМ) путем его равномерного вращения с угловой скоростью ω под углом α к оси вращения Ω с угловыми координатами α_X=α_Y=α_Z=α=arctg(). Технический результат – повышение точности и чувствительности магнитных измерений и помехоустойчивости. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области измерения магнитных полей при проведении геофизических и космических исследований, разведке полезных ископаемых и др.

Известен способ определения элементов земного магнетизма (X, Y, Z, Т), основанный на вычислениях значений данных элементов по результатам измерения горизонтальной составляющей Н, углов склонения D и наклонения I [1]. Для измерения горизонтальной составляющей Н используют простой и точный кварцевый Н-магнитометр. Склонение D вычисляется как разность магнитного и астрономического азимутов какого-либо определенного направления, причем магнитный азимут измеряют посредством специальных деклинометров или магнитных теодолитов, а астрономический азимут определяют соответствующими геодезическими методами. Угол наклонения I измеряют с помощью стрелочных или индукционных инклиноторов.

Недостатком данного способа является необходимость применения различных по конструкции и по принципу действия измерительных приборов, отличающихся друг от друга метрологическими характеристиками, зависящими специфическим образом от многих возмущающих факторов (температура, атмосферное давление, квалификации оператора т.д.). Сложность и многозвенность самой методологии построения измерительного процесса также существенным образом сказывается на снижении эффективности рассматриваемого способа определения элементов земного магнетизма. В своей совокупности перечисленные недостатки и определяют невысокую точность рассматриваемого способа измерения в целом.

Известен способ для измерения трех взаимно перпендикулярных составляющих T_i (i=1, 2, 3) вектора напряженности Т магнитного поля трехкомпонентным феррозондовым магнитометром (ФМ), содержащим три взаимно ортогонально ориентированных магнитометрических датчика (МД_i) [2]. Каждая компонента вектора напряженности магнитного поля измеряется соответствующим магнитометрическим датчиком данного ФМ. Величина модуля вектора напряженности магнитного поля определяется по результатам измерений трех компонент данного вектора путем вычисления следующей зависимости:

где U₁, U₂, U₃ - результаты измерений электрических сигналов соответственно на выходах измерительных каналов (ИК]) магнитометрических датчиков МД₁, МД₂ и МД₃; К₁, К₂, К₃ - суммарные коэффициенты преобразования последовательно соединенных МД_i и ИК_i; U₁/K₁=T₁, U₂/К₂=Т₂, U₃/К₃=Т₃ - соответствующие составляющие вектора напряженности магнитного поля Т.

Недостатком данного способа является необходимость использования трех магнитометрических датчиков, объективно имеющих неидентичные коэффициенты преобразования. Индивидуальные конструктивные и технологические особенности МД предопределяют и специфичность функционирования каждого из них. В этом случае наблюдается временной дрейф, а при работе ФМ в диапазоне температур имеется существенная погрешность из-за температурного дрейфа нулевого сигнала. Наличие трех измерительных каналов в ФМ усугубляет все перечисленные выше факторы и значительно снижает точность способа измерения.

Технической задачей изобретения является повышение точности, чувствительности и помехоустойчивости магнитных измерений.

Поставленная техническая задача решается благодаря тому, что в способе измерения компонент и полного вектора напряженности геомагнитного поля при помощи ФМ, расположенного на неподвижной платформе в системе ориентации с прямоугольной системой координат {Χ, Y, Z}, векторные измерения осуществляют одним МД ФМ путем его равномерного вращения с угловой скоростью ω под углом α вокруг оси Ω с угловыми координатами α_X=α_Y=α_Z=α=arctg(√2), при этом координатные оси {Χ, Y, Z} системы ориентации платформы, на которой расположен МД, совмещены соответственно с географической системой координат {X_G, Y_G Z_G}, а векторные измерения проводятся при одновременном воздействии измеряемого магнитного поля Τ и направленного вдоль оси вращения Ω вспомогательного переменного магнитного поля Т₀ с угловой частотой ω₀, равной по величине угловой скорости ω МД, и синхронизированы с ней. Векторные измерения проводятся последовательно в моменты времени, когда ось чувствительности МД при его пространственном перемещении совпадает с соответствующими координатными осями Χ, Υ, Ζ системы ориентации платформы и с угловой координатой 270°, а параметры измеряемого полного вектора Τ напряженности геомагнитного поля определяют по результатам четырех измерительных процедур, реализуемых на соответствующих пространственных измерительных позициях МД, а именно при совмещении продольной оси МД с координатной осью X фиксируют величины синфазной U_0C и квадратурной U_0K составляющих суммарного сигнала U₀ с выхода измерительного канала МД, при совмещении продольной оси МД с координатной осью Y фиксируют величину квадратурной составляющей U_120K суммарного сигнала U₁₂₀ с выхода измерительного канала МД, при совмещении продольной оси МД с координатной осью Z фиксируют величину квадратурных составляющих U_240K суммарного сигнала U₂₄₀ с выхода измерительного канала МД и при совмещении продольной оси МД с угловой координатой 270° фиксируют величину синфазной составляющей U_270C суммарного сигнала U₂₇₀ с выхода измерительного канала МД. Значения угловых координат полного вектора Τ определяют из соотношений

а величину модуля полного вектора Т напряженности геомагнитного поля определяют по формуле

Между совокупностью существенных признаков заявляемого способа измерение компонент и полного вектора напряженности геомагнитного поля и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно вращение МД ФМ вокруг оси с угловыми координатами α_X=α_Y=α_Z=α=arctg(√2) позволяет осуществить векторные измерения одним МД, что фактически устраняет погрешность неидентичности измерительных преобразователей и минимизирует временной дрейф параметров характеристики ФМ; в связи с тем, что исследуемые физические процессы и явления рассматриваются именно в географической системе координат, то совмещение координатных осей {X, Y, Z} системы ориентации платформы, на которой расположен ФМ, соответственно с географической системой координат {X_G, Y_G, Z_G} значительно упрощает решение задач геофизических и космических исследований, разведки полезных ископаемых, в частности повышается точность магнитной пеленгация локальных источников магнитного поля как геологического, так и техногенного происхождения; проведение векторных измерений на соответствующих пространственных позициях МД при одновременном воздействии измеряемого магнитного поля Т и направленного вдоль оси вращения Ω вспомогательного переменного магнитного поля Т₀ с угловой частотой ω₀, равной по величине угловой скорости ω МД и синхронизированной с ней, путем фиксации соответствующих синфазных и квадратурных составляющих суммарного сигнала с выхода МД создает условия для реализации инвариантности результатов этих измерений к изменениям коэффициентов функции преобразования измерительных каналов ФМ и к воздействию возмущающих факторов. Указанные отличия в своей совокупности обеспечивают существенное повышение точности и помехоустойчивости проводимых измерений.

Сравнение заявляемого технического решения с аналогами позволило установить соответствие критерию «новизна». При изучении известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение, не выявлены, что обеспечивает последнему соответствие критерию «существенные отличия».

Способ измерения компонент и полного вектора напряженности геомагнитного поля иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 приведен пример расположения МД ФМ на одной из возможных измерительных позиций в системе ориентации неподвижной платформы; на фиг. 2 показаны расположение образующих Χ, Υ, Ζ, Θ на поверхности конуса вращения и пространственное распределение соответствующих им измерительных позиций; на фиг. 3 представлено пространственное расположение измеряемого вектора Τ напряженности геомагнитного поля и вспомогательного переменного магнитного поля Т₀ в системе ориентации неподвижной платформы; на фиг. 4 показано расположение МД ФМ на соответствующих измерительных позициях при его равномерном вращении с угловой скоростью ω под углом α вокруг оси Ω с угловыми координатами α_X=α_Y=α_Z=α=arctg(√2).

Предлагаемый способ измерения компонент и полного вектора напряженности геомагнитного поля осуществляется следующим образом.

Для трехкомпонентной системы измерения параметров геомагнитного поля используется феррозондовый магнитометр (ФМ) с одним магниточувствительным датчиком (МД). При этом такой однокомпонентный ФМ расположен на неподвижной платформе, ориентированной в прямоугольной системе координат - {Χ, Y, Z}. Координатные оси системы ориентации платформы {Χ, Y, Z} совмещены с соответствующими координатными осями географической системы {X_G, Y_G, Z_G}, т.е. ось X ориентирована на север, Y - на восток, Ζ - направлена вертикально вниз по отвесу. МД феррозондового магнитометра имеет возможность равномерного вращения с угловой скоростью ω относительно неподвижной оси Ω с угловыми координатами α_X=α_Y=α_Z=α=arctg(√2) и своей осью чувствительности (продольная ось) расположен к оси вращения Ω под углом α (фиг. 1). Координатная ось X является образующей поверхности конуса, что обеспечивает, в силу указанных выше условий, принадлежность к этой поверхности также координатных осей Y и Ζ. В этом случае координатные оси Y и Ζ интерпретируются как результаты пространственного перемещения координаты X при повороте плоскости Χ0Ω относительно неподвижной оси Ω соответственно на углы 120° и 240° (фиг. 2). Кроме того, на поверхности рассматриваемого конуса дополнительно выделена образующая Θ, полученная путем пространственного перемещения координаты X при повороте плоскости Χ0Ω относительно неподвижной оси Ω соответственно на угол в 270° (фиг. 2).

На МД феррозондового магнитометра воздействует измеряемое геомагнитное поле Τ (естественное) и направленного вдоль оси вращения Ω вспомогательное переменное магнитное поля Т₀ (искусственное) с угловой частотой ω₀, равной по величине угловой скорости ω МД и синхронизированной с ней (фиг. 3).

Во время проведения измерений вектор измеряемого магнитного поля Т постоянен и неподвижен в пространстве и составляет угол β с осью Ω (фиг. 3), а параметры вспомогательного переменного магнитного поля Т₀ являются изначально заданными и известными.

Угол β между векторами Ω{Ω_X, Ω_Y, Ω_Z} и Т{Т_X, Т_Y, T_Z} определяется как

В силу того, что α_X=α_Y=α_Z=α=arctg(√2), то следует:

Ω_X=Ω₌Ω_Z=Ω×cosα.

Тогда выражение (1) (7.8) примет вид

Учитывая, что

выражение (2) трансформируется к виду

Вращающийся вокруг вектора Ω МД непрерывно перемещается в пространстве таким образом, что в результате его магнитная ось периодически с частотой ω совпадает с соответствующими географическими координатами.

На фиг. 4 представлены три таких рабочих пространственных положения ФД, которые он периодически занимает в результате своего пространственного перемещения.

Тогда, для каждой компоненты суммарного магнитного поля, направленной вдоль осей X, Y, Z и Θ, в общем случае соответствующие изменения можно записать в виде

где ϕ_X, ϕ_Y, ϕ_Z и ϕ_Θ - начальные фазы, определяющиеся начальным положением вектора Т в системе координатных осей X, Y, Z и Θ.

С учетом ранее сделанных замечаний систему (4) уравнений представим следующим образом:

В рассматриваемом случае вектор измеряемого магнитного поля Т можно разложить на две компоненты: продольную Т_⎢⎢ (вдоль оси вращения Ω) и поперечную Т_⊥ (под прямым углом к оси вращения Ω), которые образуют дополнительный ортонормированный базис (ДОБ). Измеренная величина Т_⎢⎢ зависит от величины смещения нуля компонент магнитометра и магнитного поля объекта. Поперечная компонента T_⊥ не зависит от этих величин и измеряется абсолютно, а вспомогательное переменное магнитное поле Т₀ фактически является продольной компонентой Т_0⎢⎢ в рассматриваемом ДОБ.

Обозначим: Т_⎢⎢=T×cosβ - составляющая вектора измеряемого магнитного поля Т, направленная вдоль оси Ω; T_⊥=T×sinβ - составляющая вектора измеряемого магнитного поля Т, перпендикулярная к оси Ω.

Каждая компонента суммарного магнитного поля, направленная вдоль осей X, Y и Z, имеет «синусную» составляющую с амплитудой, равной проекции Т_⊥, на соответствующую ось; постоянную составляющую, равную соответственно проекции Т_⎢⎢, на соответствующую ось и «косинусную» составляющую с амплитудой, равной проекции Т_0⎢⎢, на ту же ось.

Обозначив постоянную составляющую через А_⎢, амплитуды переменных косинусной и синусой составляющих соответственно через В_⎢⎢ и С_⊥, можно записать:

Из ортогональности системы {X, Y и Z} следует:

Таким образом, в рассматриваемом случае возможно измерение трех компонент вектора Т и его модуля ⎢T⎢ с помощью одного и того же ФД, осуществляющего регулярное вращение относительно некоторой неподвижной оси Ω.

При переходе от анализа компонент магнитного поля в рассматриваемой системе координат с вращающимся в пространстве МД к анализу сигналов в выходной цепи измерительного канала ФМ следует, что при ближайшем рассмотрении системы уравнений (7) видно, что электрические сигналы, вырабатываемые МД, будут пропорциональны измеряемым компонентам поля, которые можно условно разделить на «синфазные» U_C и «квадратурные» U_K составляющие по отношению к вектору угловой скорости ω вращения относительно неподвижной оси Ω, а значит, и по отношению к возбуждающему вспомогательное переменное магнитное поля Т₀ напряжению U_B угловой частоты ω₀. Данное утверждение следует из сформулированных ранее условий равенства и синхронизации угловой скорости вращения ω МД и угловой частоты изменения ω₀ вспомогательного переменного магнитного поля Т₀.

Поэтому, применяя два синхронных детектора (СД), опорное напряжение первого из которых настроено соответственно «синфазно» (фазовый сдвиг равен 0), а опорное напряжение второго - «квадратурно» (фазовый сдвиг равен π/2) по отношению к фазе возбуждающего напряжения U_B, составляют следующую систему уравнений:

где S₁ - коэффициент преобразования первого измерительного канала ФМ, включающего «синфазный» СД; S₂ - коэффициент преобразования второго измерительного канала ФМ, включающего «квадратурный» СД; S₁=S₂=S.

После соответствующего амплитудного детектирования этих сигналов, реализованного посредством синхронных детекторов, на выходе ФМ в моменты прохождения ФД через пространственные позиции, расположенные соответственно на координатах X, Y, Z и Θ, будут выделяться огибающие несущего сигнала, для которых справедливы соотношения:

где U₀, U₁₂₀, U₂₄₀, U₂₇₀ - электрические напряжения сигналов на выходе МД при его вращении в моменты совпадения его продольной оси с соответствующими координатными осями X, Y, Z и Θ; U_0С, U_120C, U_240С, U_270C - электрические напряжения «синфазных» составляющих сигналов на выходе ФМ при вращении МД в моменты совпадения продольной оси МД с соответствующими координатными осями X, Y, Z и Θ; U_0K, U_120K, U_240K, U_270K - электрические напряжения «квадратурных» составляющих на выходе ФМ при вращении МД в моменты совпадения продольной оси МД с соответствующими координатными осями X, Y, Z и Θ.

Исходя из того, что

определяют коэффициенты преобразования первого и второго измерительного каналов ФМ:

Для упрощения математических преобразований введены следующие обозначения:

а=U_0K/U_270C; b=U_120K/U_270C с=U_240K/U_270C.

Тогда, с учетом (6) и (9):

Подставляя выражения (10) в уравнение (3), получают

Из уравнения (11) находят

Из выражения (12) определяют:

Используя свойства тригонометрических преобразований,

Исходя из того, что

подставив значение tgβ, определяют угловые координаты вектора T

Из системы уравнений (8) после математических преобразований определяют величину модуля полного вектора Т напряженности геомагнитного поля:

где U_C=U_0C=U_120C=U_240C; S - коэффициент преобразования МД, а именно

Исходя из выражений (14) и (15) заявленный способ измерения компонент и полного вектора напряженности геомагнитного поля отличается наличием совокупности взаимосвязанных действий: проведение последовательных позиционных измерений посредством одного МД в процессе его перемещения в пространстве определенным образом при непрерывном воздействии неизвестного измеряемого магнитного поля и заданного вспомогательного переменного магнитного поля. Весь процесс измерения состоит из четырех измерительных тактов, каждый из которых с определенной периодичностью реализуются на соответствующей пространственной измерительной позиции.

Первому измерительному такту, на котором регистрируются значения величин U_0C и U_0K, соответствует расположение ФД на первой измерительной позиции I, для которой характерно совпадение продольной оси ФД с географической координатой X_G.

Второму измерительному такту, на котором регистрируется значение величины U_120K, соответствует расположение ФД на второй измерительной позиции II, которая, в свою очередь, характеризуется совпадением продольной оси ФД с географической координатой Y_G.

Третьему измерительному такту, на котором регистрируется значение величины U_240K, соответствует расположение ФД на третьей измерительной позиции III, которая характеризуется совпадением продольной оси ФД с географической координатой Z_G.

Четвертому измерительному такту, на котором регистрируется значение величины U_270C, соответствует расположение ФД на четвертой измерительной позиции IV, которая характеризуется совпадением продольной оси ФД с координатой осью Θ.

С учетом заданных параметров Т₀ и cosα по результатам четырех измерительных тактов по соотношениям (14) и (15) определяются значения основных параметров полного вектора напряженности Т геомагнитного поля, т.е. его модуля ⎢T⎢ и угловые координаты ϕ_X, ϕ_Y и ϕ_Z.

Анализ соотношений (14) и (15) показывает, что итоговый результат измерений не зависит от коэффициентов передачи измерительного канала, т.е. от дрейфа нуля, наклона и нелинейности характеристики измерительного преобразователя, а также от изменения указанных величин под действием окружающей среды и вследствие старения элементов, из которых выполнен измерительный преобразователь.

Экспериментальные исследования предлагаемого способа измерения компонент и полного вектора напряженности геомагнитного поля в реальных условиях подтвердили эффективность предлагаемого способа измерения и показали повышение точности в 1,5÷2 раза.

Использование предлагаемого способа измерения компонент и полного вектора напряженности геомагнитного поля позволит создавать недорогостоящие, надежные и высокоточные системы стационарного мониторинга состояния элементов земного магнетизма, ориентированные на решение ряда задач инженерной геофизики.

Источники информации

1. Логачев А.А., Захаров В.П. Магниторазведка. - Л.: Недра, 1973, с. 28-30.

2. Авторское свидетельство СССР №930176, МК G01R 33/02, 1982.

1. Способ измерения компонент и полного вектора напряженности геомагнитного поля при помощи феррозондового магнитометра, расположенного на неподвижной платформе в системе ориентации с прямоугольной системой координат {X, Y, Z}, отличающийся тем, что векторные измерения осуществляют одним магниточувствительным датчиком (МД) феррозондового магнитометра (ФМ) путем его равномерного вращения с угловой скоростью ω под углом α к оси вращения Ω с угловыми координатами α_X=α_Y=α_Z=α=arctg().

2. Способ измерения компонент и полного вектора напряженности геомагнитного поля по п. 1, отличающийся тем, что координатные оси {X, Y, Z} системы ориентации платформы, на которой расположен МД, совмещены соответственно с географической системой координат {X_G, Y_G, Z_G}.

3. Способ измерения компонент и полного вектора напряженности геомагнитного поля по п. 1, отличающийся тем, что векторные измерения проводятся при одновременном воздействии измеряемого магнитного поля Т и направленного вдоль оси вращения Ω вспомогательного переменного магнитного поля Т₀ с угловой частотой ω₀.

4. Способ измерения компонент и полного вектора напряженности геомагнитного поля по п. 1, отличающийся тем, что угловая частота ω₀ вспомогательного переменного магнитного поля Т₀ равна по величине угловой скорости ω МД и синхронизирована с ней.

5. Способ измерения компонент и полного вектора напряженности геомагнитного поля по п. 1, отличающийся тем, что векторные измерения проводятся последовательно в моменты времени, когда ось чувствительности МД при его пространственном перемещении периодически совпадает с соответствующими координатными осями X, Y, Z системы ориентации платформы и с угловой координатой 270°.

6. Способ измерения компонент и полного вектора напряженности геомагнитного поля по п. 1, отличающийся тем, что параметры измеряемого полного вектора Т напряженности геомагнитного поля определяют по результатам четырех измерительных процедур, реализуемых на соответствующих пространственных измерительных позициях МД, а именно: при совмещении продольной оси МД с координатной осью X фиксируют величины синфазной U_0C и квадратурной U_0К составляющих суммарного сигнала U₀ с выхода измерительного канала МД; при совмещении продольной оси МД с координатной осью Y фиксируют величину квадратурной составляющей U_120К суммарного сигнала U₁₂₀ с выхода измерительного канала МД; при совмещении продольной оси МД с координатной осью Z фиксируют величину квадратурных составляющих U_240К суммарного сигнала U₂₄₀ с выхода измерительного канала МД и при совмещении продольной оси МД с угловой координатой 270° фиксируют величину синфазной составляющей U_270C суммарного сигнала U₂₇₀ с выхода измерительного канала МД, при этом значения угловых координат полного вектора Т определяют из соотношений

а величину модуля полного вектора Т напряженности геомагнитного поля определяют по формуле