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磁梯度张量测量系统野外现场校正与标定方法研究

刘世斌  
【摘要】:磁梯度张量是磁场矢量沿着笛卡尔坐标系三个坐标轴方向的空间变化率,与传统磁法勘探手段相比,磁梯度张量测量具有众多优点,因此在近二十多年以来引起国内外研究单位广泛关注,其测量技术也不断趋于成熟。然而,目前应用于张量仪的校正和标定技术都存在一定缺陷,这就造成张量探测结果中存在误差,测量精度难以保证,严重制约了其在相关领域的应用。张量仪误差来源是分层次的,因此,仪器标定之前需要先对其进行必要的校正。张量仪的校正又需要经过两个方面,其一是对张量各分量的梯度不平衡进行校正,目前采用的梯度不平衡校正方法由于存在一定的缺陷,导致梯度不平衡难以完全去除;其二是对张量各分量构成张量整体时引入的误差开展校正,该阶段的误差建模过程复杂,目前暂无针对此类误差的校正方法。除了仪器校正方面的困难外,另一个张量仪标定需要面对的难题是张量仪在野外复杂环境中进行测量时,测量环境与标定环境不一致,这引出目前张量仪标定的两个主流思路:一是优先保证标定环境,即在屏蔽环境下用麦克斯韦线圈产生精确梯度值,然后对张量仪进行标定,该方法虽然可以提供精确标定值,但标定环境与测量环境相差甚远;二是优先保证测量环境,即利用磁场均匀区域梯度为零作为约束完成标定,该方法虽然保证了测量环境与标定环境一致,但采用的约束条件是张量仪标定的必要非充分条件,标定依然无法全部完成。针对目前张量仪校正和标定方法中存在的各类问题,本文开展了以下研究工作:(1)磁梯度张量仪误差校正方法研究。针对张量整体误差校正,虽然不同测量方法获得的磁梯度分量所存在的误差各不相同,难以统一表达,但从梯度分量构建张量整体时存在的误差却基本类似,因此本文以差分式张量仪为例,建立了张量分量构建张量整体时的误差模型,然后借鉴磁矢量校正时常用的椭球拟合法,用张量的旋转不变量进行约束,完成该阶段的校正,仿真结果表明该方法可以有效对张量仪进行校正。针对梯度不平衡误差残留问题,本文分析了以往张量探测实验中测量数据的特征,根据梯度不平衡与仪器姿态和磁场测量值高度相关的特性,设计了阵列式自适应噪声抵消器,实验结果表明该方法可以有效减小残留的梯度不平衡。(2)航空磁梯度张量测量系统标定方法研究。由于张量仪标定方法存在的问题可以归结于缺少测量环境下的非零标定参考值,因此本文提出将磁总场梯度计与张量仪一起进行测量,然后通过广义希尔伯特变换计算得到张量值,作为标定参考值,完成对张量仪的标定。然而航空测量条件十分复杂,为了评估此方法获取的标定值的准确性,本文分析实际航空测量条件与理想条件的差异,对在实际条件下应用广义希尔伯特变换会产生的误差进行分类,并建立各类误差的模型,分析其传递规律,然后基于大量的仿真分析,设计各类误差的估计模型和准确性评估算法。最后基于飞行模拟器的仿真结果和实际的飞行实验表明该算法可以有效分析出实际飞行对应用广义希尔伯特变换的影响,指导我们获取准确标定参考值。为了进一步验证所提出的航空张量仪标定方法的正确性,本文还设计基于磁源辨识的校正和标定验证方法,即通过校正和标定方法处理之后的数据与原始测量数据辨识结果的对比来反映标定效果,开展基于飞行模拟器的仿真实验和实际航空探测实验,结果表明,用经过校正和标定的数据进行辨识大大提高了磁源位置和结构指数的辨识精度,证明了所提出方法的正确性。(3)井中磁梯度张量测量系统标定方法研究。采用先测量磁场三分量,用频率域求导法获取z轴上三个张量分量,并对这三个分量先进行标定,然后再将这三个分量的标定参数配合不变量约束,完成另两个标定参数的求取,最终完成五个独立分量的标定。仿真结果表明,相比于旋转不变量校正法,该方法可以进一步提升张量数据的精度。同样的,针对井中张量测量系统也采用基于辨识结果的验证方法。本文提出一种基于井中张量的磁层信息辨识方法,该方法先建立地下倾斜磁层在钻井中轴线产生的磁梯度张量模型,然后通过张量不变量辨识磁层厚度和倾角,再通过张量分量辨识磁层其它信息,最后通过少量迭代提高了算法精度和稳定性。仿真实验表明,经过不变量校正后,磁层的几何信息辨识精度得到了大幅度提升,再经过进一步标定后,磁层磁化信息的辨识结果也得到提升。最后设计了人造磁层探测实验,模拟井中探测时钻井穿过磁层的效果,结果表明本文的校正方法提升了磁层辨识精度,证明所提方法的正确性。


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