【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及地球物理勘探领域，具体地讲是涉及一种利用光学方法进行航空载体姿态确定进行大地磁场矢量测量的低空光学定姿三分量磁测系统及测定磁场矢量数据的方法。
技术介绍
1、磁三分量测量是一种测量磁场的方法，它能够提供磁场三个分量的信息。这种测量方法在多个领域有着广泛的应用，例如地质调查、矿产资源勘探、海洋地磁研究等。
2、在航空地球物理勘探中，航磁三分量测量技术能够获得包括磁偏角、磁倾角、垂直及水平分量在内的地磁场全要素信息，这对于对磁异常进行定性分析和定量解释非常有利。在地球物理勘探领域中，航空磁测技术目前以地磁场总场强度或总场梯度测量为主。与总场测量相比，矢量测量可同时获取地磁场模量大小和方向信息，有效减少反演中的多解性，有助于对磁性体的定量解释，提高地下矿体探测分辨率和定位精度，使得矢量磁测成为航空磁测的主要发展方向之一。
3、磁三分量为矢量数据，需要确定测试设备自身的姿态方位，根据设备自身的姿态方位和测量得到的磁三分量数据，解算得到真地理坐标环境下的磁分量数值。磁测仪器在运动中的姿态控制，成为该项技术的关键点。由于运动中的高精度姿态控制的技术困难，制约了地球物理勘探中磁场矢量测量技术的发展与应用。
4、在地面磁三分量测量中，传统的方法是使用经纬仪进行测量基线定位，并将磁矢量测试元件安装于无磁经纬仪器之上，在静止状态下逐个测量基线上每个测点的磁矢量数据。该方法定位精度较高，但属于静态观测，速度较慢，效率较低。
5、已有的卫星导航长基线定姿方式，是通过解算安置在运动载体上的多条
6、微型惯性器件，即imu，已在民用
大量应用，如可用于无人机、ar/vr设备以及光学图像防抖等，imu为主的组合传感器可做到微型芯片化，体积重量较小，但该类器件不能达到磁场矢量测量的定姿精度要求。
7、目前确实需要一种能够快速高精度实现大地磁场矢量测试的设备和方法。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服上述传统技术的不足之处，提供一种融合光学、卫星导航通讯，机器视觉、微电子、空间姿态控制，磁矢量元件、软件等技术，达到快速高精度实现大地磁场矢量测试功能的低空光学定姿三分量磁测系统。
2、本专利技术的目的是通过以下技术措施来达到的：
3、低空光学定姿三分量磁测系统，其特征在于：包括地面主机和若干台航空机，所述地面主机以无线传输方式给航空机发送轨迹指引、测量参数、卫星导航基站差分数据，所述航空机包括飞行器、主机、卫星导航模块、无线传输模块、电源、vcsel光带环、阻尼杆、若干台相机、imu模块、倾角传感器和磁分量传感器，所述主机包括处理器和存储器，所述卫星导航模块包括卫星导航信号天线，所述imu模块包括微型惯性器件，所述vcsel光带环由vcsel光点组成，所述卫星导航信号天线安装于飞行器上端，所述主机和电源安置于飞行器上，所述vcsel光带环安置于飞行器下部，所述阻尼杆位于vcsel光带环下部，所述相机和微型惯性器件通过安装平台安置于阻尼杆下部，所述磁分量传感器通过刚性杆安装于阻尼杆下部，所述磁分量传感器上安装有温度传感器，所述主机与卫星导航模块、无线传输模块、vcsel光带环、相机、imu模块、温度传感器和磁分量传感器电连接。磁分量传感器为磁三分量磁通门元件，包括磁场矢量x元件、磁场矢量y元件和磁场矢量z元件，分别获得x、y、z分量数据。
4、地面主机实现地面台站与观测磁场日变功能。地面主机可以采用航空机相同结构，地面主机的区别在于可以使用附加电源与较稳定的固定支架。相同结构的地面主机和航空机可以简化设备类型，现场工作时可以随机配用，且使用附加电源可以延长测量作业时间。
5、本申请中选择所述飞行器为旋翼式飞行器，但是选择其他类型飞行器也同样适用。所述飞行器机身涂装有与背景亮度接近的粗糙近红外光线反射材料。
6、阻尼杆为具阻尼作用的连接杆，其长度取0.8-1.0m，阻尼杆具有三个功能：1.适当加长长度，减少主机与旋翼式飞行器对磁三分量元件的电磁干扰；2.具有阻尼作用，使旋翼式飞行器的震动传递到下部的震动减弱减小，特别是大幅减少高频分量；3.起飞前支撑。阻尼是指任何振动系统在振动中，由于外界作用，如流体阻力、摩擦力等，和/或系统本身固有的原因引起的振动幅度逐渐下降的特性，以及此一特性的量化表征。阻尼的力学模型在物理学和工程学上应用广泛，根据现有技术即可构造具有阻尼作用的连接杆，不赘述。
7、相机与磁分量传感器之间的刚性杆长度约0.4m。通过刚性的刚性杆连接相机、微型惯性器件和磁分量传感器，既可以使相机与磁分量传感器间保持适当距离，尽可能减少相机对x、y、z元件的电磁干扰，还可以使三者间避免弹性震动误差，提高精度。但是在航机倾斜时，vcsel光点处位置与卫星导航信号处差别较小，但相机位置通过阻尼杆连接因此影响较大，可以显著缩短阻尼杆，甚至阻尼杆缩短为零，通过适当加长刚性杆以减少航机对磁矢量x、y、z元件的干扰，同时减少相机与卫星导航信号误差。
8、飞行器具有在磁分量传感器之下设置的三条支撑杆，用于起飞前在地面起支撑作用。在飞行器旋翼外设简易防护条，防止降落时倾倒损坏。如进一步地减少干扰，将阻尼杆加长至1.0m或以上时，应在阻尼杆最上部设置铰链，在起飞、降落时将相机、磁分量探头、刚性杆等元件收起，在主机处另外设置起降支撑杆。
9、若干台所述相机环绕围绕安装平台均匀排布。所述相机数量为6台或者8台。相机采用6台时，对应相机为水平视角64°近红外感光相机，相机采用8台时为水平视角49°近红外感光相机；相机像素可用1280×720像素，尺寸适中，既能满足测量精度需要，又可减少数据计算，提高效率。相机采用固定光圈镜头，焦距固定在无穷远处。相机镜头与感光元件之间安装半带宽15nm的窄带滤光片，滤光片中心波长取943-945nm。在光源为频谱中心为940nm时，由于镜头与感光元件之间最边缘处的光线与主轴夹角可能接近10°，使得窄带滤光片的窄带滤光特征改变，峰值向左偏移低于940nm，且vcsel光点光源在使用较长时间后，温度上升，会使光线光谱中心右移，滤光片中心波长取943-945nm最优。
10、本申请中镜头的后焦加长，使感光元件之前接收到的光线尽可能接近垂直方向地通过窄带滤光片，兼采用较小半带宽的滤光片，进一步地减少杂散光干扰。
11、所述相机帧率为20fps以上，快门为全局快门，以适应动态下的拍摄，快门速度低于1/1000s，快门速度与每一帧图像的拍摄可由外部信号控制。
12、所述vcsel光带环为vcsel球笼型光带环，vcsel球笼型光带环由三排密集均匀排布的vcsel光点组成，三排所述vcsel光点中的一排位于球笼型的中间位置，另两排所述vcse本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.低空光学定姿三分量磁测系统，其特征在于：包括地面主机和若干台航空机，所述地面主机以无线传输方式给航空机发送轨迹指引、测量参数、卫星导航基站差分数据，所述航空机包括飞行器、主机、卫星导航模块、无线传输模块、电源、VCSEL光带环、阻尼杆、若干台相机、IMU模块、倾角传感器和磁分量传感器，所述主机包括处理器和存储器，所述卫星导航模块包括卫星导航信号天线，所述IMU模块包括微型惯性器件，所述VCSEL光带环由VCSEL光点组成，所述卫星导航信号天线安装于飞行器上端，所述主机和电源安置于飞行器上，所述VCSEL光带环安置于飞行器下部，所述阻尼杆位于VCSEL光带环下部，所述相机和微型惯性器件通过安装平台安置于阻尼杆下部，所述磁分量传感器通过刚性杆安装于阻尼杆下部，所述磁分量传感器上安装有温度传感器，所述主机与卫星导航模块、无线传输模块、VCSEL光带环、相机、IMU模块、温度传感器和磁分量传感器电连接。
2.根据权利要求1所述的低空光学定姿三分量磁测系统，其特征在于：
3.根据权利要求1所述的低空光学定姿三分量磁测系统，其特征在于：
4.根据权利要
5.应用低空光学定姿三分量磁测系统测定磁场矢量数据的方法，其特征在于：采用权利要求1所述的低空光学定姿三分量磁测系统通过以下步骤测定磁场矢量数据：
6.根据权利要求5所述的应用低空光学定姿三分量磁测系统测定磁场矢量数据的方法，其特征在于：所述帧间差分计算方法如下：
7.根据权利要求6所述的应用低空光学定姿三分量磁测系统测定磁场矢量数据的方法，其特征在于：帧间差分计算后降噪并获得光点像素坐标的方法如下：
8.根据权利要求5所述的应用低空光学定姿三分量磁测系统测定磁场矢量数据的方法，其特征在于：所述解算真地理坐标环境下的磁分量数值的方法：
...【技术特征摘要】
1.低空光学定姿三分量磁测系统，其特征在于：包括地面主机和若干台航空机，所述地面主机以无线传输方式给航空机发送轨迹指引、测量参数、卫星导航基站差分数据，所述航空机包括飞行器、主机、卫星导航模块、无线传输模块、电源、vcsel光带环、阻尼杆、若干台相机、imu模块、倾角传感器和磁分量传感器，所述主机包括处理器和存储器，所述卫星导航模块包括卫星导航信号天线，所述imu模块包括微型惯性器件，所述vcsel光带环由vcsel光点组成，所述卫星导航信号天线安装于飞行器上端，所述主机和电源安置于飞行器上，所述vcsel光带环安置于飞行器下部，所述阻尼杆位于vcsel光带环下部，所述相机和微型惯性器件通过安装平台安置于阻尼杆下部，所述磁分量传感器通过刚性杆安装于阻尼杆下部，所述磁分量传感器上安装有温度传感器，所述主机与卫星导航模块、无线传输模块、vcsel光带环、相机、imu模块、温度传感器和磁分量传感器电连接。
...【专利技术属性】
技术研发人员：郭文建，李志民，刘宝江，徐洪岩，王石，李兆令，胡安顺，李星辰，
申请(专利权)人：山东省地质矿产勘查开发局第五地质大队山东省第五地质矿产勘查院，
类型：发明
国别省市：
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