一种矿用钻孔测斜仪探管的校正方法技术

一种矿用钻孔测斜仪探管的校正方法是通过采集三维无磁旋转平台测斜仪探管中磁传感器和加速度传感器的任意位置数据，由递推最小二乘椭球拟合法计算校正参数；通过采集三维无磁旋转平台测斜仪探管中磁传感器和加速度传感器绕X轴和Z轴的数据，由最小二乘平面拟合方法计算磁传感器和加速度传感器与测斜仪探管外壳载体之间的未对准误差；实现磁传感器和加速度传感器自身的误差以及磁传感器的软硬铁误差；磁传感器和加速度传感器与测斜仪探管外壳载体之间的未对准误差。本方法利用地磁场和重力加速度进行校正，补偿了三轴传感器自身的误差和其与探管外壳载体坐标系之间的未对准误差，校正后的测斜仪探管倾角精度是±0.2°，方位角精度±0.5°。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种矿用钻孔测斜仪探管的校正方法，特别是一种内置有磁传感器和加速度传感器的测斜仪探管的校正方法。
技术介绍
继石油钻井和非开挖领域之后，目前煤矿行业广泛采用定向钻井技术。伴随着定向钻井技术的不断发展，随钻测量技术凭借它突出的技术优势，在煤矿区地面和井下煤层气(瓦斯)抽采钻孔施工中得到了极大的推广。随钻测量技术是一种利用定向钻机以可控钻进轨迹的方式，在不同地层深度进行钻进并通过监测和控制手段到达设计位置的钻进方法，已经在地质勘探、非开挖以及煤矿坑道钻进等领域起到了举足轻重的作用。随钻测量技术是指在钻井的同时测量各种钻井实时参数的技术，在定位时主要利用到的测量参数有工具方向(工具面角)，轨迹描述(倾角、方位角)，随钻测量系统一般由孔底测量单元、信号传输单元和地面接收单元这三个基本部分组成。孔底测量单元中测量钻具姿态和描述轨迹的传感器有测量地磁场的磁传感器和测量重力加速度的加速度传感器，传感器的精确度直接影响整个系统的准确度，然而，传感器本身不可避免地存在偏置、比例系数和温漂等误差，三个单轴传感器组成的三轴系统由于三个传感器敏感轴不互相正交引起的误差，还有测量环境中的软硬铁磁干扰，使得磁传感器测量的磁矢量偏离地磁场矢量，另外，对于三轴磁传感器和三轴加速度传感器组成的测斜仪探管，存在由磁传感器和加速度传感器的敏感轴和探管载体坐标系不对准引起的误差。由于上述误差的影响，探管所测的数据和真实数据相差很大，依此计算的姿态角和绘制的钻孔轨迹不能准确描述钻孔的情况。因此为了提高整个随钻测量系统的精度，传感器自身的误差补偿，以及传感器与探管载体之间的未对准误差补偿是不可缺少的重要环节。测斜仪中的传感器类似于电子罗盘中的传感器，但测斜仪中的传感器安装分散，且探管外壳较长，传统的校正电子罗盘的方法并不能直接应用于测斜仪。如公开号为CN102818564A公开了“一种三维电子罗盘的标定方法”，提出通过确定三维电子罗盘在空间旋转时的输出值与空间方位的一一对应关系，从而实现对其标准标定，但空间方位需要更加精确的装置标定，成本高。如公开号为CN104316037A公开了“一种电子罗盘的校正方法和装置”，提出收集电子罗盘在不同姿态下的若干个原始数据，计算模块根据数据计算校正参数，但只对磁传感器和加速度传感器各自进行校正，而测斜仪探管是细长的管状装置，需要考虑传感器和外壳载体之间未对准误差的校正。再如公开号为CN102879832A公开了一种“用于地磁要素测量系统的非对准误差校正方法”，提出在直角型台面上多次翻转磁传感器和加速度传感器封装的无磁正六面体，通过多组测量值建立非线性方程组联立求解未对准误差。该方法计算复杂，而且测斜仪探管是管状的，所以该方法并不适用。因此传统校正电子罗盘的方法并不能直接应用于测斜仪探管的校正，需要一种针对于测斜仪探管的校正方法。
技术实现思路
本专利技术要解决的具体技术问题是如何克服现有钻孔测斜仪探管的偏置、比例因子、非正交误差以及磁传感器的软硬铁误差；如何克服磁传感器和加速度传感器与探管外壳载体之间的未对准误差，并提供一种矿用钻孔测斜仪探管的校正方法。为了解决上述问题，本专利技术所采取的措施如下。一种矿用钻孔测斜仪探管的校正方法，所述测斜仪探管的校正方法是通过采集三维无磁旋转平台测斜仪探管中磁传感器和加速度传感器的任意位置数据，由递推最小二乘椭球拟合法计算校正参数；实现对磁传感器和加速度传感器自身的误差以及磁传感器的软硬铁误差的校正；通过采集三维无磁旋转平台测斜仪探管中磁传感器和加速度传感器绕X轴和Z轴的数据，由最小二乘平面拟合方法计算磁传感器和加速度传感器与测斜仪探管外壳载体之间的未对准误差的校正参数；实现对磁传感器和加速度传感器与测斜仪探管外壳载体之间的未对准误差的校正。在上述技术方案中，所述测斜仪探管的校正方法是将测斜仪探管安装于三维无磁旋转平台的中心，实时采集测斜仪探管中磁传感器数据hk＝[hxkhykhzk]T和加速度传感器数据ak＝[axkaykazk]T，通过安装在计算机的磁传感器校正模块和加速度传感器校正模块，计算磁传感器和加速度传感器的偏置、比例系数和非正交误差；所述磁传感器校正模块是根据第k组磁传感器数据点hk＝[hxkhykhzk]T，构成和计算最小二乘增益ghk和误差协方差矩阵Phk，后计算先验估计误差，并估计新的估计参数whk，直到后验估计误差小于一定的误差限，停止迭代算法；保存最终估计得到的wh，并经过椭球方程的变换得出九个校正参数，保存在测斜仪探管的存储器中；九个校正参数构成矩阵A-1和b，校正后的磁传感器数据为hs＝A-1(hm-b)；所述加速度传感器校正模块是根据第k组加速度传感器的数据点ak＝[axkaykazk]T，构成和计算最小二乘增益gak和误差协方差矩阵Pak，后计算先验估计误差，并估计新的估计参数wak，直到后验估计误差小于一定的误差限，停止迭代算法；保存最终估计得到的wa，并经过椭球方程的变换得出九个校正参数，保存在测斜仪探管的存储器中；九个校正参数可构成矩阵C-1和d，校正后的加速度传感器数据为as＝C-1(am-d)；实现对磁传感器和加速度传感器自身的误差以及磁传感器的软硬铁误差的校正。在上述技术方案中，所述测斜仪探管未对准误差的校正方法是将测斜仪探管安装于三维无磁旋转平台的中心，调整探管使其相对于水平面有一定的倾斜度，绕测斜仪探管的X轴旋转探管，采集三轴磁传感器和三轴加速度传感器的数据；后绕测斜仪探管Z轴旋转，采集三轴磁传感器和三轴加速度传感器数据；这两种传感器的各两组数据经过磁传感器校正模块和加速度传感器校正模块计算的校正参数标定后，通过磁传感器未对准校正模块和加速度传感器未对准校正模块计算出各自的未对准角度αk，βk和γk(k＝m,a)，以这三个角为欧拉角的旋转矩阵就是未对准误差，保存到测斜仪探管的存储器中，未对准误差表示为: R k = 1 0 0 0 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种矿用钻孔测斜仪探管的校正方法，所述测斜仪探管的校正方法是通过采集三维无磁旋转平台测斜仪探管中磁传感器和加速度传感器的任意位置数据，由递推最小二乘椭球拟合法计算校正参数；实现对磁传感器和加速度传感器自身的误差以及磁传感器的软硬铁误差的校正；通过采集三维无磁旋转平台测斜仪探管中磁传感器和加速度传感器绕X轴和Z轴的数据，由最小二乘平面拟合方法计算磁传感器和加速度传感器与测斜仪探管外壳载体之间的未对准误差；实现对磁传感器和加速度传感器与测斜仪探管外壳载体之间的未对准误差的校正。

【技术特征摘要】
1.一种矿用钻孔测斜仪探管的校正方法，所述测斜仪探管的校正方法是通
过采集三维无磁旋转平台测斜仪探管中磁传感器和加速度传感器的任意位置数
据，由递推最小二乘椭球拟合法计算校正参数；实现对磁传感器和加速度传感
器自身的误差以及磁传感器的软硬铁误差的校正；通过采集三维无磁旋转平台
测斜仪探管中磁传感器和加速度传感器绕X轴和Z轴的数据，由最小二乘平面
拟合方法计算磁传感器和加速度传感器与测斜仪探管外壳载体之间的未对准误
差；实现对磁传感器和加速度传感器与测斜仪探管外壳载体之间的未对准误差
的校正。
2.如权利要求1所述的矿用钻孔测斜仪探管的校正方法是将测斜仪探管安
装于三维无磁旋转平台的中心，实时采集测斜仪探管中磁传感器数据
hk＝[hxkhykhzk]T和加速度传感器数据ak＝[axkaykazk]T，通过安装在计算机的
磁传感器校正模块和加速度传感器校正模块，计算磁传感器和加速度传感器的
偏置、比例系数和非正交误差的校正参数；
所述磁传感器校正模块是根据第k组磁传感器数据点hk＝[hxkhykhzk]T，构
成和计算最小二乘增
益ghk和误差协方差矩阵Phk，后计算先验估计误差，并估计新的估计参数whk，
直到后验估计误差小于一定的误差限，停止迭代算法；保存最终估计得到的wh，
并经过椭球方程的变换得出九个校正参数，保存在测斜仪探管的存储器中；九
个校正参数构成矩阵A-1和b，校正后的磁传感器数据为hs＝A-1(hm-b)；
所述加速度传感器校正模块是根据第k组加速度传感器的数据点
ak＝[axkaykazk]T，构成
和计算最小二乘
增益gak和误差协方差矩阵Pak，后计算先验估计误差，并估计新的估计参数wak，

\t直到后验估计误差小于一定的误差限，停止迭代算法；保存最终估计得到的wa，
并经过椭球方程的变换得出九个校正参数，保存在测斜仪探管的存储器中；九
个校正参数可构成矩阵C-1和d，校正后的加速度传感器数据为as＝C-1(am-d)；
实现对磁传感器和加速度传感器自身的误差以及磁传感器的软硬铁误差的校
正。
3.如权利要求1所述的矿用钻孔测斜仪未对准误差的校正方法是将测斜仪
探管安装于三维无磁旋转平台的中心，调整探管使其相对于水平面有一定的倾
斜度，绕测斜仪探管的X轴旋转探管，采集三轴磁传感器和三轴加速度传感器
的数据；后绕测斜仪探管Z轴旋转，采集三轴磁传感器和三轴加速度传感器数
据；这两种传感器的各两组数据经过磁传感器校正模块和加速度传感器校正模
块计算的校正参数标定后，通过磁传感器未对准校正模块和加速度传感器未对
准校正模块估计出各自的未对准角度αk，βk和γk(k＝m,a)，以这三个角为欧拉角
的旋转矩阵就是未对准误差，保存到测斜仪探管的存储器中，未对准误差表示
为:
R k = 1 0 0 0 cosγ k sinγ k 0 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋建成，梁伟嘉，刘宗伟，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14