СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОМПОНЕНТ И ПОЛНОГО ВЕКТОРА НАПРЯЖЕННОСТИ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ
METHOD OF MEASURING COMPONENTS AND FULL VECTOR OF GEOMAGNETIC FIELD STRESS

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.
i
i
Известен способ для измерения трех взаимно перпендикулярных составляющих T (i=1, 2, 3) вектора напряженности Т магнитного поля трехкомпонентным феррозондовым магнитометром (ФМ), содержащим три взаимно ортогонально ориентированных магнитометрических датчика (МД) [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:
1
2
3
1
2
3
1
2
3
i
i
1
1
1
2
2
2
3
3
3
где U, U, U - результаты измерений электрических сигналов соответственно на выходах измерительных каналов (ИК]) магнитометрических датчиков МД, МД и МД; К, К, К - суммарные коэффициенты преобразования последовательно соединенных МД и ИК; U/K=T, U/К=Т, U/К=Т - 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.
X
Y
Z
G
G
G
0
0
0C
0K
0
120K
120
240K
240
270C
270
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=α=α=α=arctg(√2), при этом координатные оси {Χ, Y, Z} системы ориентации платформы, на которой расположен МД, совмещены соответственно с географической системой координат {X, Y Z}, а векторные измерения проводятся при одновременном воздействии измеряемого магнитного поля Τ и направленного вдоль оси вращения Ω вспомогательного переменного магнитного поля Т с угловой частотой ω, 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 и квадратурной U составляющих суммарного сигнала U с выхода измерительного канала МД, при совмещении продольной оси МД с координатной осью Y фиксируют величину квадратурной составляющей U суммарного сигнала U с выхода измерительного канала МД, при совмещении продольной оси МД с координатной осью Z фиксируют величину квадратурных составляющих U суммарного сигнала U с выхода измерительного канала МД и при совмещении продольной оси МД с угловой координатой 270° фиксируют величину синфазной составляющей U суммарного сигнала U 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
X
Y
Z
G
G
G
0
0
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=α=α=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, Y, Z} 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 Т с угловой частотой ω, 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».
0
X
Y
Z
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 Т 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=α=α=α=arctg(√2).
Предлагаемый способ измерения компонент и полного вектора напряженности геомагнитного поля осуществляется следующим образом.
G
G
G
X
Y
Z
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, Y, Z}, 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=α=α=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).
0
0
На МД феррозондового магнитометра воздействует измеряемое геомагнитное поле Τ (естественное) и направленного вдоль оси вращения Ω вспомогательное переменное магнитное поля Т (искусственное) с угловой частотой ω, равной по величине угловой скорости ω МД и синхронизированной с ней (фиг. 3).
0
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 Т являются изначально заданными и известными.
X
Y
Z
X
Y
Z
Угол β между векторами Ω{Ω, Ω, Ω} и Т{Т, Т, T} определяется как
X
Y
Z
В силу того, что α=α=α=α=arctg(√2), то следует:
X
=
Z
Ω=ΩΩ=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
X
Y
Z
Θ
где ϕ, ϕ, ϕ и ϕ - 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:
⎢⎢
⊥
⎢⎢
⊥
0
0⎢⎢
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 Т фактически является продольной компонентой Т 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.
⊥
⎢⎢
0⎢⎢
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, 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.
C
K
0
B
0
0
0
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 и «квадратурные» U составляющие по отношению к вектору угловой скорости ω вращения относительно неподвижной оси Ω, а значит, и по отношению к возбуждающему вспомогательное переменное магнитное поля Т напряжению U угловой частоты ω. Данное утверждение следует из сформулированных ранее условий равенства и синхронизации угловой скорости вращения ω МД и угловой частоты изменения ω вспомогательного переменного магнитного поля Т.
B
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, составляют следующую систему уравнений:
1
2
1
2
где S - коэффициент преобразования первого измерительного канала ФМ, включающего «синфазный» СД; S - коэффициент преобразования второго измерительного канала ФМ, включающего «квадратурный» СД; S=S=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:
0
120
240
270
0С
120C
240С
270C
0K
120K
240K
270K
где U, U, U, U - 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, U, U, U - 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, U, U, U - 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:
0K
270C
120K
270C
240K
270C
а=U/U; b=U/U с=U/U.
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:
C
0C
120C
240C
где U=U=U=U; 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.
0C
0K
G
Первому измерительному такту, на котором регистрируются значения величин U и U, соответствует расположение ФД на первой измерительной позиции I, для которой характерно совпадение продольной оси ФД с географической координатой X.
120K
G
Второму измерительному такту, на котором регистрируется значение величины U, соответствует расположение ФД на второй измерительной позиции II, которая, в свою очередь, характеризуется совпадением продольной оси ФД с географической координатой Y.
240K
G
Третьему измерительному такту, на котором регистрируется значение величины U, соответствует расположение ФД на третьей измерительной позиции III, которая характеризуется совпадением продольной оси ФД с географической координатой Z.
270C
Четвертому измерительному такту, на котором регистрируется значение величины U, соответствует расположение ФД на четвертой измерительной позиции IV, которая характеризуется совпадением продольной оси ФД с координатой осью Θ.
0
X
Y
Z
С учетом заданных параметров Т 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, ϕ и ϕ.
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.