基于旋转法的井中张量测量系统误差分析与校正

论文摘要

井中磁法勘探是地球物理探测的重要手段之一,与地面磁测和航空磁测相比,可以提供更为丰富、准确的地下磁异常分布信息。井中磁测最新方向是磁梯度张量测量,测量的是三个正交磁场分量的梯度,与传统的磁总场及其三分量测量相比,它受背景地磁场和磁性套管的影响更小、空间分辨率更高、对方向误差不敏感,更适合于井中磁勘探。本文使用旋转调制法进行磁梯度张量的测量。旋转调制法是通过旋转磁传感器分离磁标势的不同阶导数,利用傅立叶变换将时域信号转换到频域,并在频域进行信号处理,获取特定谐波的信息,计算出二阶磁梯度张量。该方法不受磁传感器类型限制,可以求解出全部张量分量,能提高仪器的直流和低频性能,极大地改善了仪器的梯度不平衡度。本文从旋转调制法的基本原理出发,以项目组研制的井中磁梯度全张量仪为研究对象,研究目的是进一步提高张量仪的测量精度。本文对张量系统的误差来源、误差传递过程进行分析,并根据误差影响大小分类。其中,主要误差包括磁通门自身的标度因子误差、三个传感器坐标系下的安装误差、传感器坐标系与仪器坐标系之间的转换误差。次要误差包括有限长度测量参数误差、忽略高阶张量项误差、旋转轴偏移和温度漂移等。建立了主要误差的误差模型,利用两个独立的张量旋转不变量对系统进行了标定。1000次随机误差仿真表明,校正后相对误差的均方根小于8%。通过仿真实验,制定了校正算法验证实验的实验方案,并在磁场均匀区进行了校正实验,最终张量模值的改善比为3.74。井中磁测的难点在于井下磁场信息在大地坐标系中的对准,通过坐标变换矩阵将仪器坐标系中的磁场信息重新定位到大地坐标系中。利用姿态角测量器件MEMS陀螺仪和加速度计,通过四元数法将欧拉矩阵的九个待求量转换为四个,再通过卡尔曼滤波融合算法,借助张量仪获得的磁场信息,实现了地磁辅助的井下磁场信息的重新定位,其中俯仰角和横滚角的定位精度是0.1°。通过无磁转台模拟实验验证了该算法的有效性。实际井下测试实验数据处理验证了校正算法和姿态角计算方法的可行性。本文所完成的工作是对基于旋转调制法的井中磁梯度全张量仪的误差分析与校正,进一步提高了仪器的测量精度,为井中高阶磁梯度张量仪校正提供了一定的参考和技术支撑。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 磁梯度张量的研究现状
•     1.2.2 井中磁测的研究现状
•     1.2.3 井下张量分量对准工作的研究现状
•   1.3 论文研究内容
• 第2章 旋转法张量测量系统的误差分析与建模
•   2.1 磁梯度张量测量原理及磁梯度张量特性
•   2.2 旋转法张量系统的测量原理
•   2.3 旋转法张量仪的误差传递
•   2.4 旋转法张量仪的误差来源
•     2.4.1 磁通门的标度因子误差
•     2.4.2 传感器坐标系下的安装误差
•     2.4.3 数据提取阶段的误差
•   2.5 旋转法张量仪的误差建模
•     2.5.1 磁通门的标度因子误差
•     2.5.2 传感器坐标系下的安装误差
•     2.5.3 数据提取阶段的误差
•     2.5.4 旋转法张量仪的误差模型
•   2.6 旋转法张量仪的次要误差分析
•     2.6.1 参数有限长度和省略高阶项的误差
•     2.6.2 旋转轴偏移带来的误差
•     2.6.3 温度漂移对旋转法张量仪的影响
•   2.7 本章小结
• 第3章 旋转法张量仪的误差校正模型
•   3.1 张量不变量校正算法原理
•   3.2 旋转法张量仪的误差校正模型
•   3.3 旋转法张量测量系统误差校正算法仿真实验
•     3.3.1 井下测线仿真实验
•     3.3.2 旋转法张量仪系统误差校正算法鲁棒性实验
•   3.4 本章小结
• 第4章 旋转法张量测量系统的校正模型实验验证
•   4.1 旋转法张量仪校正算法验证实验的条件分析
•     4.1.1 实验中旋转点的移动对实验的影响分析
•     4.1.2 旋转对象的选择
•     4.1.3 半球面测量对实验的影响
•     4.1.4 实验测量点数的最小要求
•     4.1.5 张量不变量I1,I2 的选择
•   4.2 校正方法验证实验
•   4.3 实际数据校正实验
•   4.4 本章小结
• 第5章 井下磁场信息在大地坐标系的对准
•   5.1 原始姿态角数据的获取
•     5.1.1 姿态角测量器件
•     5.1.2 惯性测量单元IMU500 方位角算法设计
•   5.2 卡尔曼滤波原理及算法设计
•     5.2.1 卡尔曼滤波原理
•     5.2.2 卡尔曼滤波融合地磁场定位算法设计
•     5.2.3 测试数据处理
•   5.3 野外井下探测实验
•   5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 全文总结
•   6.2 后续工作与展望
• 参考文献
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 贺玮

导师: 随阳轶

关键词: 井中磁测,误差分析,不变量校正,磁梯度张量仪,井下张量分量对准

来源: 吉林大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 地质学,地球物理学,矿业工程,自动化技术

单位: 吉林大学

分类号: TP212;P631.2

总页数: 75

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