一种具有姿态记录功能的地空TEM接收系统及测量方法技术方案

本发明专利技术公开了一种具有姿态记录功能的地空TEM接收系统及测量方法，接收系统包括接收线圈、前端电路、信号采集模块、MPU9250姿态记录模块、主控制器和电源，其中接收线圈与前端电路的输入端相连接，前端电路的输出端与信号采集模块相连接，信号采集模块与主控制器相连接，MPU9250姿态记录模块也与主控制器相连接。其方法为：步骤一、接收二次场信号；步骤二、测量原始数据；步骤三、分为两个支路接入；步骤四、对二次场信号进行调理；步骤五、二次场信号采集；步骤六、通过串口通信传输至主控制器；步骤七、完成数据测量与存储过程。有益效果：解决了现有地空TEM探测由于传统惯导体积、质量大不适用旋翼飞行器挂载而无法记录姿态的问题。

Ground air TEM receiving system with gesture recording function and measuring method thereof

The invention discloses a gesture recording function air TEM receiving system and the measurement method of the receiving system includes a receiving coil and a front-end circuit, signal acquisition module, MPU9250 module, the main controller and the attitude of recording power, wherein the input end of the receiving coil and the front-end circuit connection, the output end of the front-end circuit and the signal acquisition module is connected, the signal acquisition module and the main controller is connected, MPU9250 posture recording module is connected with the main controller. The method is as follows: step one, receiving two field signal; step two, the original measurement data; step three, divided into two branch access; step four, the two field signal conditioning; step five, two field signal acquisition; step six, through the serial communication transmitted to the main controller; and step seven complete data measurement and storage process. The utility model has the advantages of solving the problem that the existing air ground TEM probe can not record the posture of the rotary wing aircraft because of the large volume and the high quality of the traditional inertial navigation.

【技术实现步骤摘要】
一种具有姿态记录功能的地空TEM接收系统及测量方法
本专利技术涉及一种地空TEM接收系统及测量方法，特别涉及一种具有姿态记录功能的地空TEM接收系统及测量方法。
技术介绍
当前，时间域瞬变电磁法(Time-domainElectromagnetic，简称TEM)是一种基于电磁感应原理的地球物理探测方法，根据接收机接收到的二次场的大小及衰减特性来分析地下介质的分布情况。接收系统决定二次场数据的接收质量，而二次场数据接收质量是探测效果好坏的关键因素。地空TEM系统采用地面发射、空中接收的工作方式，在飞行过程中，接收线圈抖动姿态时刻变化，在测量数据中引发接收分量方向、系统收发距等参数误差，影响数据反演效果。地空TEM探测中为提高信噪比，常采用六旋翼飞行器挂载接收线圈实现低空近地飞行，但其载重有限制，常规适用于航空TEM中的高精度惯性导航传感器由于体积重量较大，不再适用于地空TEM探测；而通过软件基线校正进行处理，虽然算法上容易实现，但实际处理效果精度较低。中国专利CN102096113B公开了一种时间域地空电磁探测系统及标定方法该系统由地面记录装置GPS同步单元连接的感应信号记录装置、闭合异常环、数据质量评价系统和时间域地空电磁探测系统的标定方法构成。在测量时，通过去除大地背景场数据，提取含几何误差的纯闭合异常环电磁信号，输入数据质量评价系统，与计算的闭合异常环理论值进行比较、拟合，确定系统误差、几何参数误差以及时间域地空电磁探测系统的探测分辨率，实现电磁探测系统性能的测试和标定，未涉及地空电磁信号线圈姿态问题及解决方案。中国专利CN201380075951.9公开了一种用于姿态校正的系统和方法，该系统包括：陀螺仪传感器、加速度传感器、磁力计传感器，姿态模块、校正模块。该专利技术实现了能够检测电子设备的加速度和姿态，用加速度来计算姿态校正。用所计算的姿态校正来校正所检测的电子设备的姿态，但并未涉及地空电磁信号问题及解决方案。Yin等(2004a)研究发现，在一般情况下，机载电磁系统因姿态变化所引起的大部分(超过95％)的误差来自于几何影响，而不是电磁感应作用。在直升机吊舱姿态变化对电磁响应的影响研究中，只考虑几何影响，而不考虑电磁感应作用，有力证实了姿态校正的研究意义。王琦等人在发表于《地球物理学报》的文献《固定翼航空电磁系统的线圈姿态及吊舱摆动影响研究与校正》中推导了任意姿态角度以及任意摆动角度情况下的固定翼航空电磁响应三分量计算表达式，仿真分析了三种角度同时存在情况下电磁响应的定量变化规律，给出了基于响应系数的固定翼航空电磁系统线圈姿态和摆动状态校正方法。阳贵红《时域电性源地-空电磁探测数据预处理研究》中提出在对地空电磁数据处理时，利用插值法基线校正和小波多分辨率分析的基线校正算法来去除线圈运动噪声。通过软件算法对运动噪声进行基线校正，只对晚期数据过零有所改善，但姿态变化影响整个衰减曲线，因此无法彻底解决线圈姿态变化带来的问题。以上所述系统公布了地空TEM接收系统组成及通过仿真分析、基线校正等方式解决地空电磁探测中线圈姿态变化引发的问题，现有地空TEM接收系统没有记录姿态信息，国内外专利还未涉及将MPU9250传感器应用于地空TEM测量系统。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决在地空TEM测量系统中接收线圈姿态变化给测量系统数据采集及处理所带来的问题，而提供的一种具有姿态记录功能的地空TEM接收系统及测量方法。本专利技术提供的具有姿态记录功能的地空TEM接收系统包括接收线圈、前端电路、信号采集模块、MPU9250姿态记录模块、主控制器和电源，其中接收线圈与前端电路的输入端相连接，前端电路的输出端与信号采集模块相连接，信号采集模块与主控制器相连接，MPU9250姿态记录模块也与主控制器相连接，电源为前端电路、信号采集模块、MPU9250姿态记录模块和主控制器提供电能。前端电路由带有正向输入端、反向输入端的运放电路组成，其中接收线圈两端分别与运放电路正向输入端、反向输入端相连接，运放电路正向输出端与信号采集模块正向输入端相连接，运放电路反向输出端与信号采集模块反向输入端连接。信号采集模块包括有A/D采集电路、数字隔离电路和时序控制电路，其中A/D采集电路的正向输入端与前端电路正向输出端相连接，A/D采集电路的反向输入端与前端电路反向输出端相连接，A/D采集电路的输出端与数字隔离电路输入端相连接，A/D采集电路还与时序控制电路相连接，数字隔离电路输出端与主控制器相连接，A/D采集电路为24-Bit采集电路。MPU9250姿态记录模块包括有MPU9250传感器和从控制器，其中MPU9250传感器输出端与从控制器相连接，从控制器通过串口通信与主控制器相连接，MPU9250传感器中集成了三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计。主控制器中设置有中央处理单元CPU，主控制器还连接有SD卡、液晶显示器和GPS同步控制电路，主控制器接收来自GPS同步控制电路的同步信号，SD卡中数据由计算机运算处理进行姿态校正。电源包括锂电池和稳压电路，锂电池与稳压电路连接后形成正电源和负电源，其中正电源和负电源均与前端电路相连接，正电源还与信号采集模块、MPU9250姿态记录模块和主控制器相连接。接收线圈、数字隔离电路、稳压电路为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进一步进行赘述。本专利技术提供的具有姿态记录功能的地空TEM接收系统测量方法，其方法如下所述：步骤一、利用接收线圈接收瞬变电磁探测中的二次场信号；步骤二、利用MPU9250传感器测量其内部集成的三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计原始数据；步骤三、将步骤一中所述的二次场信号经屏蔽电缆分为两个支路接入前端电路正向输入端和前端电路反向输入端；步骤四、对二次场信号进行前端信号调理，即信号的保护、滤波、电平抬升；步骤五、二次场信号采集，信号经过屏蔽线传输至信号采集电路，利用A/D采集电路采集二次场信号；步骤六、将步骤二中所述的姿态原始数据送入从控制器进行卡尔曼滤波处理进行姿态解算，并将解算后的姿态数据通过串口通信传输至主控制器；步骤七、主控制器接收来自GPS同步控制电路的同步信号，将步骤五中所述的二次场信号和步骤六中所述的姿态数据同步后存储至SD卡中，至此，完成了地空瞬变电磁信号探测中具有姿态记录功能的地空TEM接收系统的数据测量与存储过程。步骤六中利用卡尔曼滤波，建立卡尔曼滤波状态方程和测量方程，并通过姿态角噪声估计得到滤波的测量噪声协方差来实现卡尔曼滤波自回归数据更新，经过不断最优自回归得到最优的姿态角，实现姿态的快速解算。本专利技术的有益效果：本专利技术与现有地空瞬变电磁测量系统相比：一是准确记录接收线圈姿态，通过姿态校正二次场信号有效减小了线圈姿态变化对地空TEM探测效果的影响弥补了现有基线校正等数据处理方法无法解决地空TEM探测中姿态变化问题的不足；二是基于MPU9250的姿态记录电路小巧轻便，姿态解算快速、准确，解决了现有地空TEM探测由于传统惯导体积、质量大不适用旋翼飞行器挂载而无法记录姿态的问题。附图说明图1为本专利技术所述系统整体结构示意图。图2为本专利技术所述姿态解算原理示意图。图3为本专利技术所述接收系统二次场数据与姿态数据同步示意图。1、接收线圈2、前端电路3、信号采集模块4、MPU本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有姿态记录功能的地空TEM接收系统，其特征在于：包括接收线圈、前端电路、信号采集模块、MPU9250姿态记录模块、主控制器和电源，其中接收线圈与前端电路的输入端相连接，前端电路的输出端与信号采集模块相连接，信号采集模块与主控制器相连接，MPU9250姿态记录模块也与主控制器相连接，电源为前端电路、信号采集模块、MPU9250姿态记录模块和主控制器提供电能。

【技术特征摘要】
1.一种具有姿态记录功能的地空TEM接收系统，其特征在于：包括接收线圈、前端电路、信号采集模块、MPU9250姿态记录模块、主控制器和电源，其中接收线圈与前端电路的输入端相连接，前端电路的输出端与信号采集模块相连接，信号采集模块与主控制器相连接，MPU9250姿态记录模块也与主控制器相连接，电源为前端电路、信号采集模块、MPU9250姿态记录模块和主控制器提供电能。2.根据权利要求1所述的一种具有姿态记录功能的地空TEM接收系统，其特征在于：所述的前端电路由带有正向输入端、反向输入端的运放电路组成，其中接收线圈两端分别与运放电路正向输入端、反向输入端相连接，运放电路正向输出端与信号采集模块正向输入端相连接，运放电路反向输出端与信号采集模块反向输入端连接。3.根据权利要求1所述的一种具有姿态记录功能的地空TEM接收系统，其特征在于：所述的信号采集模块包括有A/D采集电路、数字隔离电路和时序控制电路，其中A/D采集电路的正向输入端与前端电路正向输出端相连接，A/D采集电路的反向输入端与前端电路反向输出端相连接，A/D采集电路的输出端与数字隔离电路输入端相连接，A/D采集电路还与时序控制电路相连接，数字隔离电路输出端与主控制器相连接，A/D采集电路为24-Bit采集电路，ADC芯片选择ADS1271芯片。4.根据权利要求1所述的一种具有姿态记录功能的地空TEM接收系统，其特征在于：所述的MPU9250姿态记录模块包括有MPU9250传感器和从控制器，其中MPU9250传感器输出端与从控制器相连接，从控制器通过串口通信与主控制器相连接，MPU9250传感器中集成了三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计。5.根据权利要求1所述的一种具有姿态记录功能的地空TEM接收系统，其特征在于：所述的主控制器中设置有中央处理单元CPU，主控制器还连接有SD卡、液晶显示器和GPS同步控制电路，主控制器接收来自GPS同步控制电路的同步信号，SD卡中数据由计算机运算处理进行姿态校正，主控制器选择ARMCortex-M4架构的STM32F407芯片。6.根据权利要求1所述的一种具有姿态记录功能的地空TEM接收系统，其特征在于：所述的电源包括锂电池和稳压电路，锂电池与稳压电路连接后形成正电源和负电源，其中正电源和负电源均与前端电路相连接，正电源还与信号采集模块、MPU9250姿态记录模块和主控制器相连接。7.一种具有姿态记录功能的地空TEM接收系统测量方法，其特征在于：其方法如下所述：步骤一、利用接收线圈接收瞬变电磁探测中的二次场信号；步骤二、利用MPU9250传感器测量其内部集成的三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计原始数据；步骤三、...

【专利技术属性】
技术研发人员：嵇艳鞠，杜尚宇，刘锡洋，栾卉，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22