磁探拖體的磁補償參數(shù)地面校準(zhǔn)方法

韓 琦 ,李 尤 ,薛 奇 ,喬 治 ,王 琛 ,佟曉筠

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 信息對抗技術(shù)研究所,黑龍江 哈爾濱,150086;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海) 計算機學(xué)院,山東 威海,264209)

0 引言

隨著海洋裝備的不斷發(fā)展,近海安全成為各國最為關(guān)注的問題之一,對于多物理場的探測要求也隨之不斷提高[1-3]。磁探儀(magnetic anomaly detector,MAD)作為目前主要的磁法探測裝備,是對海洋背景磁場進行測量的有效手段之一。磁探儀多裝備于航空平臺,通過飛行測線對海洋低空空間進行航空磁法測量。然而,由于磁場信號在空間中衰減較快,磁探儀與磁異常源較遠(yuǎn)時,探測到的磁異常信號較弱,航空磁測數(shù)據(jù)可能難以反映海底磁異常。海洋拖體作為一種可以貼近海底的被動航行器,可以大大縮短測量點與磁異常場的距離,從而更精確地實現(xiàn)海洋磁場測量。

然而,任何平臺搭載磁探儀都不可避免地要進行磁干擾補償,這是由于搭載平臺本身具有磁性,會影響磁場測量精度。但是在以往的磁探型拖體中往往忽略了磁干擾補償?shù)牟襟E。這并不是因為拖體不存在磁干擾,而是因為拖體不具備類似于航空平臺的機動性能,從而無法實現(xiàn)校準(zhǔn)。

由拖體搭載磁探儀在測量過程中也不可避免地會受到拖體自身材料產(chǎn)生磁場的影響,這種平臺結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁場通常由T-L(Tolles-Lawson)模型進行描述。T-L 模型解釋了平臺磁干擾的3 個主要原因: 1) 恒定場,恒穩(wěn)電流產(chǎn)生的磁場和硬磁材料中的剩余磁化場;2) 感應(yīng)場,平臺中軟磁材料受地磁場磁化產(chǎn)生的磁場;3) 渦流場,穿過平臺的磁通量發(fā)生變化而引起的渦電流所產(chǎn)生的磁場[4]。這3 個原因經(jīng)常被捆綁在一起[5-6]。正是由于磁探拖體與航空磁探平臺的安裝方式和作業(yè)模式是相似的,所以很自然地可以將航空平臺中磁干擾的補償模型用于拖體平臺。但是,即使拖體磁干擾可以采用航空平臺磁干擾的建模方法,由于缺少切實可行的校準(zhǔn)方法,也未見有文獻提及對拖體磁干擾的校準(zhǔn)和補償方法。文獻[7]對比了部分針對拖體磁梯度張量系統(tǒng)的載體磁干擾補償方法,但是針對梯度張量系統(tǒng)的補償與磁場標(biāo)量測量系統(tǒng)的補償完全不同。

文中通過對磁探拖體建立磁干擾補償模型,基于地磁場平穩(wěn)假設(shè),建立與航空平臺校準(zhǔn)方法等效的地面校準(zhǔn)方法。最后,通過在拖體上進行實測地面校準(zhǔn)對所提方法進行驗證,結(jié)果顯示所提方法相比于未進行磁干擾補償?shù)脑纪象w磁探測噪聲有明顯的改善。

1 磁探拖體系統(tǒng)與磁干擾模型

1.1 磁探拖體系統(tǒng)

文中所研究的磁探拖體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。拖體由主體和尾翼兩部分組成。其中拖體的外殼均為剛性結(jié)構(gòu)體且含有磁性,不存在可活動結(jié)構(gòu)。

圖1 磁探拖體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of magnetometer towfish

拖體中用于測量磁場的傳感器包括銫光泵磁力儀和磁通門磁力儀,其中磁通門的安裝是用來測量拖體與地磁場之間相對旋轉(zhuǎn)角度的。設(shè)備艙中安裝有數(shù)據(jù)采集器,采集器內(nèi)置有GPS 定位裝置,能夠同步采集光泵磁力儀數(shù)據(jù)、磁通門數(shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù)。為了避免其他設(shè)備對高精度磁力儀產(chǎn)生影響,將銫光泵磁力儀安裝于拖體頭部,磁通門磁力儀和數(shù)據(jù)采集器安裝于拖體中后端。

將磁探拖體置于平靜的地磁場環(huán)境下進行測量,在遠(yuǎn)離拖體的地方架設(shè)有同型號的參考銫光泵磁力儀。靜態(tài)環(huán)境下拖體中測量到的環(huán)境磁場和參考數(shù)據(jù)噪聲基本一致,表明銫光泵磁力儀的一致性良好,拖體磁探系統(tǒng)中機載電子(on-boardelectronic,OBE)等動態(tài)磁場干擾較小,其主要磁干擾源應(yīng)該是由恒定場、感應(yīng)場和渦流場構(gòu)成,比較符合T-L 模型的假設(shè)。

1.2 拖體磁干擾模型

首先建立拖體坐標(biāo)系,坐標(biāo)原點O是銫光泵磁力儀所在位置,以拖體的主體方向為L軸,拖體懸掛方向的反方向為V軸,V軸指向地面,T軸與L軸、V軸之間滿足右手定則。圖2 中: N 表示地磁北向;HE表示地磁場向量;α、β和γ分別表示T軸、L軸和V軸與地磁場向量之間所成的夾角。

拖體中銫光泵磁力儀的輸出可以表示為地磁場與拖體磁干擾HI的加和,實質(zhì)上則是拖體磁干擾在地磁場方向上的投影,即

根據(jù)T-L 模型,拖體磁干擾可以被看作是恒定場、感應(yīng)場和渦流場之和,并且可以寫成常系數(shù)與余弦值相乘的形式,即

式中:ui代表拖體坐標(biāo)系三軸與地磁場之間的夾角的余弦值;而pi、aij和bij是T-L 模型中需要確定的未知參數(shù)。由于磁通門磁力儀的輸出X、Y和Z代表地磁場在拖體坐標(biāo)系三軸的投影大小,通常利用式(3)來計算ui。

在航空平臺上,可采用校準(zhǔn)圈飛行的方式來確定未知參數(shù),由于拖體沒有動力裝置,無法在空中進行機動動作,所以拖體磁干擾補償?shù)年P(guān)鍵在于如何設(shè)計與飛行校準(zhǔn)方案等效的地面校準(zhǔn)方案,以保證對拖體T-L 模型未知參數(shù)的穩(wěn)定求解,以及如何應(yīng)用未知參數(shù)對動態(tài)拖體數(shù)據(jù)進行補償。

2 飛行與地面校準(zhǔn)方法等效性分析

2.1 飛行校準(zhǔn)方法

確定T-L 模型中的未知系數(shù)是校準(zhǔn)的重要步驟,這一步驟在航空平臺中通過飛行校準(zhǔn)圈進行。在校準(zhǔn)圈過程中要求平臺在高空4 個相互垂直的航向上分別執(zhí)行±10°俯仰、±5°橫滾和±5°偏航3 種機動動作,每種機動動作各執(zhí)行3～5 次,每次持續(xù)時間約10 s,整個校準(zhǔn)飛行持續(xù)時間約6～8 min,期間由航空平臺上的光泵磁力儀和磁通門磁力儀在校準(zhǔn)飛行期間分別采集標(biāo)量形式和矢量形式的磁場數(shù)據(jù)。完整的校準(zhǔn)飛行過程如圖3 所示。

在工程應(yīng)用中為了便于求解T-L 模型的未知系數(shù),通常在距離地面較高的高度(＞3 000 m)來進行校準(zhǔn)飛行,以避免地磁異常場為校準(zhǔn)過程帶來額外不可控的誤差。所以在航空平臺的校準(zhǔn)過程中可以假設(shè)地磁場是均勻的,即HE為常數(shù)。此時式(2)可以簡化為

通過式(4)可以看出在校準(zhǔn)過程中,只要保證地磁場梯度均勻或近似均勻,就可以在求解未知系數(shù)的過程中忽略地磁場的影響,這一結(jié)論在眾多文獻中也得到了驗證[8-9]。所以在設(shè)計等效的地面校準(zhǔn)方法過程中,在保證地磁場梯度近似均勻條件下,同步采集光泵磁力儀和磁通門磁力儀,就可以作為飛行校準(zhǔn)圈的等效數(shù)據(jù)。

2.2 地面校準(zhǔn)方法

通過前文的分析可知,要想令地面校準(zhǔn)方法等效于飛行校準(zhǔn)方法,需要控制地磁場近似為常量,即可以在地面校準(zhǔn)過程中應(yīng)用式(4)來進行T-L 模型未知參數(shù)的求解。所以在試驗過程中,首先需要選擇一片地磁場均勻的區(qū)域,通常選擇在周圍沒有人工建筑的平坦區(qū)域,即可保證全程不受地磁場梯度和人文磁干擾的影響。

為了與飛行校準(zhǔn)過程中的機動動作進行等效,設(shè)計如下簡易裝置輔助拖體平臺進行機動動作:首先搭建圖4 中所示灰色無磁吊架,將用于吊起拖體的纜繩固定于支架中部;開啟拖體中的數(shù)據(jù)采集裝置,同步采集銫光泵磁力儀數(shù)據(jù)和磁通門磁力儀數(shù)據(jù)。

圖4 地面校準(zhǔn)示意圖Fig.4 Ground calibration

待磁探設(shè)備工作穩(wěn)定后,令拖體朝向北向,由身上沒有磁干擾的試驗人員手動操作拖體進行等效于校準(zhǔn)飛行的橫滾、俯仰和偏航動作,動作過程中應(yīng)保持以懸掛點為中心,試驗人員應(yīng)保持每組動作的一致性。隨后將拖體水平轉(zhuǎn)向東、南和西向執(zhí)行相同的操作。保證拖體繞纜繩水平調(diào)換方向的目的是為了等效航空平臺在飛行校準(zhǔn)圈的轉(zhuǎn)彎動作,如圖4 中灰色虛線所示。所有方向的操作均完成后,令拖體繼續(xù)平轉(zhuǎn)回到實驗最初朝向北向的狀態(tài)。校準(zhǔn)過程結(jié)束。

在校準(zhǔn)過程中,全程架設(shè)參考日變磁場站,用于補償校準(zhǔn)過程中日變環(huán)境磁場變化引入的誤差。通過修正日變后的銫光泵磁力儀數(shù)據(jù),可以作為式(4)中的拖體磁干擾HI,而磁通門磁力儀的數(shù)據(jù)可以求解校準(zhǔn)過程中的ui。從而構(gòu)建了線性方程組,利用文獻[5]中的方法進行T-L 模型未知參數(shù)pi、aij和bij的求解,即可完成與飛行平臺等效的校準(zhǔn)過程。

2.3 磁探拖體實時磁補償

假設(shè)根據(jù)2.2 節(jié)方法計算得到該拖體平臺的T-L 模型系數(shù)為pi、aij和bij。在拖體動態(tài)擺動過程中的任意時刻t,采集到銫光泵磁力儀的輸出為HT(t),磁通門的輸出為X(t)、Y(t)和Z(t)。通過式(3)計算得到ui(t)。將ui(t)與pi、aij和bij代入式(4)計算得到HI(t),即為任意時刻的拖體磁干擾。通過式(5)即可實時解算得到平臺磁干擾補償后的待測量地磁場值。

結(jié)合磁探拖體采集器內(nèi)置的GPS 定位裝置,即可獲得空間磁場測量結(jié)果。

3 試驗驗證

3.1 地面校準(zhǔn)過程

地面校準(zhǔn)過程采用1.1 節(jié)所描述的磁探拖體進行地面校準(zhǔn)方法的驗證,試驗地點位于荊州。試驗過程中架設(shè)日變參考探頭用于修正日變影響。共選擇了4 片場地(A、B、C 和D)進行測試,4 片場地的梯度從0.1～1.5 nT/m 不等。共求得8組T-L 模型的未知參數(shù),詳情見表1。

表1 試驗基本情況Table 1 Experimental situation

試驗流程如下:

1) 架設(shè)無磁支架,并將磁探拖體按照圖4 與支架進行安裝,令磁探拖體朝向正北方向;

2) 在當(dāng)前朝向上執(zhí)行±10°俯仰、±5°橫滾和±5°偏航3 種機動動作,每種機動動作各執(zhí)行3～5 次,每次持續(xù)時間約10 s;

3) 保持拖體水平狀態(tài)將拖體旋轉(zhuǎn)90°至東向、南向和西向,在每個方向上重復(fù)步驟2) 的動作;

4) 保持拖體水平狀態(tài)將拖體旋轉(zhuǎn)90°至北向,結(jié)束當(dāng)前校準(zhǔn)過程。

3.2 地面校準(zhǔn)結(jié)果

在航空校準(zhǔn)中通常采用特定頻帶內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)差來計算校準(zhǔn)改善比用于評價校準(zhǔn)質(zhì)量[10]。由于地面校準(zhǔn)過程在去除日變干擾后理論上不存在數(shù)據(jù)的漂移,所以不需要進行濾波,通過計算每一次校準(zhǔn)前后的標(biāo)準(zhǔn)差的比值作為改善比來評價校準(zhǔn)質(zhì)量。改善比越高,代表校準(zhǔn)質(zhì)量越高。8 次地面校準(zhǔn)過程的結(jié)果如表2 所示。

表2 地面校準(zhǔn)試驗結(jié)果Table 2 Experimental result of ground calibration

結(jié)合表1 和表2 可以看出,補償前拖體的標(biāo)準(zhǔn)差基本一致,說明拖體的磁干擾滿足文中所討論的T-L 模型所描述的磁干擾。補償后的標(biāo)準(zhǔn)差存在一定差異,并使得改善比存在顯著的區(qū)別。

在地磁梯度較大的場地C(1.5 nT/m)中,觀察到改善比相比于A、B 和D 明顯變差。這是由于地磁梯度的變化較大,在計算過程中銫光泵磁力儀的輸出中有較大成分不是來自于拖體磁干擾而是來自于地磁梯度,這作為誤差影響了對模型未知參數(shù)的求解過程。類似于在飛行校準(zhǔn)過程中選擇了地磁梯度明顯的區(qū)域進行校準(zhǔn)的結(jié)果。由于試驗人員手動操作拖體模擬機動動作的準(zhǔn)確度有限,同樣條件下不同組的數(shù)據(jù)改善比也有差異,因此如何實現(xiàn)規(guī)范動作是需要進一步解決的問題。

圖5 給出了8 次地面校準(zhǔn)中補償前后的示意圖。從圖中可以看出,地面校準(zhǔn)方法對拖體磁干擾的補償效果是有效且顯著的。在場地C 和D中,地磁場梯度約為1.5 nT/m 和0.5 nT/m,此時對T-L 模型的未知參數(shù)計算產(chǎn)生影響,可以明顯在補償后的磁場中觀察到不同方向呈現(xiàn)臺階狀。所以,在采用地面校準(zhǔn)方法過程中,應(yīng)盡可能控制地磁場梯度小于0.2 nT/m。

圖5 地面校準(zhǔn)補償前后結(jié)果圖Fig.5 Results of ground calibration before and after compensation

圖6 給出了磁探拖體在典型動態(tài)作業(yè)過程中的磁干擾補償效果,典型動態(tài)作業(yè)時長大于6 min。補償過程選擇地面校準(zhǔn)中計算得到的系數(shù)B2,補償過程根據(jù)2.3 節(jié)的式(5)。圖6(a)中為原始磁場的補償前后對比,補償前拖體在作業(yè)過程中仍然存在較多姿態(tài)變化,從而引入了拖體磁干擾。補償后的測線則更為平穩(wěn)。圖6(b)為在經(jīng)過0.04～0.6 Hz 的濾波后,補償前后的效果對比,采用該頻帶的依據(jù)是基于動態(tài)作業(yè)過程中拖體的運動頻率。在濾波后數(shù)據(jù)上計算標(biāo)準(zhǔn)差來評價補償效果,其中補償前標(biāo)準(zhǔn)差為0.220 5 nT,補償后標(biāo)準(zhǔn)差為0.045 9 nT,測線段改善比為4.808 1。試驗結(jié)果顯示,補償前后的磁干擾補償效果顯著。

圖6 動態(tài)作業(yè)補償前后結(jié)果圖Fig.6 Results of dynamic operation before and after compensation

4 結(jié)束語

磁探拖體的磁干擾補償是拖體應(yīng)用于磁場探測過程中的重要問題。文中針對磁探拖體難以進行動態(tài)校準(zhǔn)的問題提出了一種磁干擾地面校準(zhǔn)方法,通過將校準(zhǔn)過程中地磁場梯度均勻性假設(shè)遷移至地面校準(zhǔn)方法中,設(shè)計了校準(zhǔn)方案。試驗結(jié)果表明,在地磁梯度小于0.2 nT/m 的場地進行文中方法可以達到改善比為16 的模型系數(shù)。并對所提方法在動態(tài)作業(yè)過程中對磁干擾的補償效果進行了驗證,試驗結(jié)果顯示文中方法能夠有效補償磁探拖體磁干擾。

近年來航空磁補償中已經(jīng)廣泛采用了TLG(Tolles-Lawson-Gradient)等模型來補償磁場梯度帶來的影響[8,11],但在地面校準(zhǔn)中無法像文獻中的方法一樣直接求出梯度補償參數(shù),在實際應(yīng)用中,可通過地磁場模型(如國際地磁參考場模型等[11])大致估算出當(dāng)?shù)氐拇艌鎏荻认禂?shù),可以在一定程度上實現(xiàn)梯度補償?shù)男Ч?/p>