用于矢量分量数据采集的设备及方法技术

本申请案涉及用于矢量分量数据采集的设备及方法。本公开的方面可通过将矢量分量传感器安装在由球形轴承支撑的底部加重的仪器平台上来降低运动噪声。提供一种用于数据采集的设备。所述设备包含：基座组合件；球形轴承，其安装到所述基座组合件；及仪器平台，其具有固定到其的至少一个矢量分量传感器。所述仪器平台安装在所述球形轴承上且由所述球形轴承支撑。所述球形轴承将所述仪器平台耦合到所述基座组合件且允许所述仪器平台在一定倾斜角范围内自由地进行角旋转。所述仪器平台是底部加重的，因为其具有安置在其旋转中心下方的质心。所述设备可包含控制器，所述控制器接收及/或存储来自所述至少一个传感器的数据。

【技术实现步骤摘要】
用于矢量分量数据采集的设备及方法
本公开涉及采集矢量分量数据。更特定来说，本公开涉及从移动载体采集数据。
技术介绍
电磁(EM)勘测系统检测从地球散射的电磁场，且广泛用于绘制其电性质，主要是其电导率的变动，以及对极化率、电容率及磁导率的敏感度。某些电性质可能与不同地质特征相关联，因此电磁勘测数据可用来推断各种商品(例如石油、矿物及地下水)的存在或可能性。电磁勘测系统通常对地面中准静态时变电流的存在作出响应。可通过使用磁场传感器测量由此电流建立的磁场的时变性来推断地球的电性质。时变场可在受控源的情况下由本地发射器天线建立，或在自然源系统的情况下由环境地磁场建立。当正采集数据时，移动电磁勘测系统可使用移动载体来输送及支撑磁场传感器。在移动电磁勘测系统中，载体可包括可从拖曳缆索悬挂在飞机下方的拖曳吊舱(或探测器)。流行的多种航空电磁(AEM)勘探系统通常使用30米到90米长的拖曳缆索将吊舱拖曳在直升机下方。AEM勘测通常经配置以覆盖具有以固定横向间隔分离的平行飞行路线的区域。为检测深地质特征的存在，采集低频率EM数据是有利的。目前，AEM系统通常限于采集频率为20Hz到25Hz及以上的数据。采集亚25Hz范围中的数据将允许检测当今AEM系统可能无法检测的地质特征。在亚25Hz频带中，来自EM系统检测到的电导率变动的磁场强度通常与频率成比例。随着电磁系统的采集频率降低，从那些电导率变动散射的磁场变弱。为检测地球深层结构的电导率变动，可能需要picoTesla磁场敏感度。电磁勘测系统通常使用矢量分量传感器检测EM场。可使用多种矢量分量磁(EM)传感器来进行电磁场测量，包含搜索线圈、反馈线圈、超导量子干涉元件、光纤及磁通门磁力计。在使用线圈检测磁场的情况下，根据法拉第定律，来自线圈的EMF输出随着频率减小而成比例地变弱，且因此可能需要更大传感器线圈来补偿在低频率下减小的敏感度。电磁传感器可为“DC耦合”(对稳态场敏感)或“AC耦合”(对稳态场不敏感)。EM勘测系统不同于磁勘测系统，其测量地球的静磁场。磁勘测系统通常涉及测量通常由磁导率变动造成的地球静磁场变动。时变场可比静场小几个量级，通常小数百万。因此，进行高品质电磁测量需要在测量期间限制矢量分量EM传感器在静磁场中的旋转运动。当采集较低频率电磁数据时，应限制此旋转运动的持续时间增加。在低频率下，矢量分量EM传感器的旋转稳定性通常变为极为重要的考虑因素。由矢量分量磁传感器在地球的背景静磁场中旋转所造成的电磁测量中的噪声可称为运动噪声。地球的静磁场强度具有约50,000,000pT的量级。为将运动噪声限于1pT，可能需要在测量期间将旋转变化限于约1/50,000,000弧度。为将运动噪声限于10pT，可能需要将旋转变化限于约1/5,000,000弧度。如果场在低于用来测量所感测矢量场数据的采集频带的频率下改变，那么可认为场是基本静态的。可从以下运动噪声等式计算旋转运动噪声。对于指向由单位矢量m描述的方向的矢量分量线圈传感器，旋转噪声Nc可写为Nc＝m·(ωxB)，其中ω表示线圈传感器相对于地球静场B的角速度。此关系由Dodds在专利WO2013/170340A1中描述。对于具有偶极矩m的矢量磁力计，旋转噪声Nm为Nm＝m·(ΔΘxB)，其中ΔΘ表示在测量间隔期间磁力计相对于地球静磁场的定向的角变化。为方便起见，定向角变化或角速度可称为“角运动”，且由于在存在地球背景场的情况下矢量分量传感器的角运动所得的信号称为“运动噪声”。除磁场之外，也可针对其它场实体类似地定义运动噪声，且类似运动噪声等式可应用于检测小时变场(其中存在传感器移动所在的相对较大背景场)的矢量分量传感器。当背景矢量场叠加在作为测量主体的较小时变矢量场上时，可能存在运动噪声，其中由安装在遭受角运动的移动平台上的共同矢量分量传感器检测两个矢量场，且其中由安装其的仪器平台的定向设定传感器的检测轴。一般来说，接着，来自背景场F中的矢量分量传感器的角运动A的运动噪声N可写为：N＝m·(AxF)。运动噪声不同于指向误差效应。当检测从源沿特定方向通过指向其的孔隙的辐射场时，通常发生指向误差效应。孔隙通常选择来自特定位置的信号，且与相同频带中的背景场相比，改善了来自源的信号强度。在运动噪声的情况下，传感器通常对源方向不敏感，且孔隙通常无用。例如，当使用矢量分量传感器测量准静态或势场或其场梯度时，可能发生运动噪声。在这些情况下，运动噪声对源方向不敏感。在准静态EM及重力测量中，例如，矢量传感器可用来在存在大得多的静态或基本静态的背景场的情况下检测来自源的信号。矢量分量传感器在背景场中的角运动致使矢量测量对背景场敏感，且这就是运动噪声的成因。因此，运动噪声不同于对源方向敏感的指向误差。应对指向误差效应的解决方案通常不同于应对运动噪声效应的解决方案。指向误差通常涉及在与仪器平台的运动不同且完全分离的频带中采集聚焦辐射场，其中可能存在或可能不存在大量背景场。应对运动噪声的解决方案涉及采集与仪器移动的频带重叠且必需存在背景场的矢量分量场。因此，指向误差涉及在采集期间维持方向，且可存在于标量(振幅)测量中。运动噪声涉及在所需矢量测量的采集带宽内限制角运动，且根据定义，当进行标量(振幅)测量时无法存在。控制运动噪声的问题不是航空电磁系统所特有的，且发生在航空重力测量领域。如在航空电磁测量的情况下，可在存在大得多的基本静态背景场的情况下测量所感测矢量场中的极小时变变化。在重力场中，由随着重力系统从一个地方移动到另一地方而测量的地球地壳中的密度变动造成的重力加速度存在小时变变化。同样，当存在背景梯度场时，运动噪声可能存在于梯度测量中。例如通常用于摄像机、惯性或重力梯度计应用的用于旋转隔离的仪器平台的其它设计不能满足电磁感测系统的操作要求且不适于高分辨率电磁数据采集。电磁测量要求可包含低电磁噪声环境。在EM采集系统中，具有低磁导率及极低振动噪声的高电阻组件可为优选的。以引用方式并入本文中的第2011/0175604号美国专利申请公开案(Polzer等人)教导一种用于从移动载体采集低频率EM数据的方法。Polzer教导了由球形空气轴承支撑的中心平衡式仪器平台上的EM传感器。以引用方式并入本文中的第WO2015/103608A1号国际PCT专利申请公开案(Meyer等人)在“GravityGradiometerSystemwithSphericalAirBearingBasedPlatform”中教导了安装在空气轴承上的中心平衡式仪器平台。Meyer教导了以致动器及弹簧扩增中心平衡式仪器平台以控制所述平台的运动范围。然而，虽然这些定向稳定装置可具有限制运动范围的优点，但其可能为运动噪声可借以从载体发射到安装在仪器平台上的传感器的矢量。此些常规定向稳定装置可能引入振动噪声或力矩源，这可能降低数据的品质。可能由此些定向稳定系统引入的运动噪声可能污染高精度电磁测量，且可能难以预测及去除。因此，定向稳定甚至可能破坏通过使仪器平台中心平衡可实现的运动学优势。因此，用于从移动载体、尤其是在亚25Hz频带中采集低噪声、高带宽矢量分量地球物理数据及尤其是矢量分量磁场数据(“EM勘测数据”)的改善的方法及系统。
技术实现思路
本公开提供用于从移动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于矢量分量数据采集的设备，其包括：基座组合件；球形轴承，其安装到所述基座组合件；仪器平台，其具有固定到其的至少一个矢量分量传感器，所述仪器平台安装在所述球形轴承上且由所述球形轴承支撑，所述球形轴承由此将所述仪器平台耦合到所述基座组合件且允许所述仪器平台在一定倾斜角范围内绕所述球形轴承自由地进行角旋转，使得所述仪器平台具有旋转中心；其中所述仪器平台具有安置在所述旋转中心下方的质心。

【技术特征摘要】
2017.09.22 CA 2,980,0611.一种用于矢量分量数据采集的设备，其包括：基座组合件；球形轴承，其安装到所述基座组合件；仪器平台，其具有固定到其的至少一个矢量分量传感器，所述仪器平台安装在所述球形轴承上且由所述球形轴承支撑，所述球形轴承由此将所述仪器平台耦合到所述基座组合件且允许所述仪器平台在一定倾斜角范围内绕所述球形轴承自由地进行角旋转，使得所述仪器平台具有旋转中心；其中所述仪器平台具有安置在所述旋转中心下方的质心。2.根据权利要求1所述的设备，其中所述仪器平台经配置以绕所述旋转中心摆动，使得所述至少一个矢量分量传感器的采集频带内的运动噪声受到抑制。3.根据权利要求1所述的设备，其中所述仪器平台具有自然摆动频率，所述自然摆动频率低于所述至少一个矢量分量传感器的采集频带的最低频率。4.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的设备，其中所述仪器平台是刚性的。5.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的设备，其进一步包括载体，所述基座组合件耦合到所述载体。6.根据权利要求5所述的设备，其中所述载体包括拖曳架及将所述基座组合件耦合到所述拖曳架的连杆。7.根据权利要求5所述的设备，其中所述载体是经配置以由航空载具拖曳的航空载体。8.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的设备，其中所述球形轴承是空气轴承。9.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的设备，其中所述球形轴承包括所述基座组合件与所述仪器平台之间的唯一机械耦合件。10.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的设备，其中所述至少一个矢量分量传感器包括三个独立定向的矢量分量传感器。11.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的设备，其进一步包括控制器，所述控制器包括处理器及存储器，其中所述控制器从所述至少一个传感器接收数据。12.根据权利要求11所述的设备，其中所述控制器存储所述所接收数据。13.根据权利要求11所述的设备，其进一步包括无线通信构件，其中所述控制器致使所述无线通信构件发射所述所接收数据以存储在数据库中。14.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的设备，其中所述基座组合件包括底座，所述球形轴承安装到所述底座。15.根据权利要求14所述的设备，其中所述底座包括从所述基座组合件向上安置的柱。16.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的设备，其中所述至少一个...

【专利技术属性】
技术研发人员：本杰明·戴维·波尔策，彼得·怀特·沃克，戈登·福克斯·韦斯特，彼得·安东尼·赫尔利，罗伯特·莱斯利·斯科特·霍格，
申请(专利权)人：淡水河谷公司，
类型：发明
国别省市：巴西,BR