沈 統(tǒng)，庹先國，2，李懷良，劉 勇，陽林鋒

(1．地球探測與信息技術教育部重點實驗室，四川成都 610059；2．地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，四川成都 610059)

0 引言

野外施工工程中，三分量檢波器一般是垂直向下放置的，但檢波器水平分量的兩個軸向方位角卻是未知的，在這兩個軸向上都會記錄到直達波。因此需要求出兩個軸向的方位角，進行坐標旋轉變換便可以得到真正的直達波。目前最常用的方法是對三分量檢波器的原始資料進行處理得到檢波器的方位角[1]，其中需要假設井下檢波器接收到的從P波震源傳來的直達P波質點振動方向與傳播方向平行，且在震源和井確定的平面內，且在水平面內的投影也呈線性[2]。這就要求原始數(shù)據(jù)的精度要比較高，而且假如不滿足假設的條件，則無法準確地對三分量檢波器進行定向。受到井中測斜儀器和隨鉆測井儀器[3-5]的啟發(fā)以及根據(jù)現(xiàn)有微VSP測井的特點，本文從測量方位角的另一個角度入手，提出了一種利用MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System，微機電系統(tǒng))傳感器測量檢波器方位角的方法，即在震動傳感器的3個軸向上同軸連接MEMS傳感器組，直接采用MEMS傳感器測量檢波器的方位角。

1 硬件結構

三分量檢波器的定向技術以MEMS慣性傳感器組為基礎，MEMS慣性傳感器組由三軸電子羅盤、三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀構成，3種傳感器軸向對應組合，將3種三軸傳感器對應軸同向組合成慣性傳感器組的3個軸向。將多分量的地震傳感器的各個軸向與MEMS傳感器組軸向同軸對應相連。這樣，慣性傳感器組就能實時檢測地震傳感器的姿態(tài)變化，即三分量檢波器的姿態(tài)。

1．1MEMS傳感器組

MEMS傳感器組包括測量地磁分量的三軸電子羅盤，測量傾角的三軸加速度傳感器和對整個系統(tǒng)進行動態(tài)補償?shù)娜S陀螺儀。

電子羅盤可以感知地磁的大小，從而根據(jù)地磁的大小測出傳感器敏感軸的方位指向，但當電子羅盤傾斜或者受到地磁外強磁場干擾時，會影響其精度，造成測量結果不準確。

加速度傳感器可以測量加速度的大小，當沒有外界加速度時，測量的是地球的重力加速度在其各個軸向的分量，通過各個分量的大小即可測出傳感器組相對于水平面的傾斜角度，而通過計算出的傾斜角度，又可以對電子羅盤做相應的傾斜補償；考慮到應用的場合，檢波器固定時，能對加速度傳感器造成影響的僅有地震傳感器接收到的地震波，可以通過陀螺儀對其補償，得到需要的輸出。

陀螺儀可以測量傳感器沿其各個軸向的角速度，主要用于做動態(tài)補償，考慮到地震檢波器一般情況下處于靜止狀態(tài)，這里陀螺儀主要起輔助作用。

1．2微處理器

微處理器的功能為控制各個傳感器的采樣率，對3個單獨的傳感器進行數(shù)據(jù)融合，得到三分量檢波器方位信息，實現(xiàn)三分量檢波器的定向。系統(tǒng)選用的微處理器為基于ARM Cortex-M4內核的帶FPU功能的32位高性能處理器STM32F405RGT6，它具有單周期的DSP指令，豐富的接口和高達168 MHz的主頻。

設計中，STM32F405的I2C接口連接慣性傳感器組，并通過片上串口連接485驅動器，將COMS電平信號轉化成485電平信號，通過鎧裝電纜傳輸至上位機經(jīng)過軟件顯示或直接對采集到的地震數(shù)據(jù)進行預處理。

2 檢波器定向方法

2．1坐標變換

為了得到檢波器的方位角，設計選用大地坐標系做參考，通過傳感器計算檢波器與地理北方向的夾角。當檢波器垂直放于井下時，檢波器3個分量的軸向如圖1所示。

圖1 檢波器水平狀態(tài)電子羅盤三軸地磁分量分布

圖1中，Hx，Hy，Hz為地磁在電子羅盤3個軸向上的分量，α為磁偏角(地磁北和地理北的夾角)，可以直接查出，因此，可以輕松地求出X軸與地理北的夾角，即方位角β，則

當檢波器略有傾斜(檢波器放置區(qū)域地表不平坦或者施工時碰及傳輸電纜導致檢波器傾斜)時，檢波器3個分量的軸向如圖2所示，由于此時電子羅盤也處于傾斜的狀態(tài)，因此需要對電子羅盤進行傾斜補償，具體方法如下。

圖2 檢波器傾斜狀態(tài)電子羅盤磁場分量

圖2中檢波器的位置可以看作是圖1經(jīng)過有限次的旋轉得到，每次旋轉相當于一次坐標變換，繞不同軸向選裝對應的旋轉矩陣分別為：

式中：φ為俯仰角；θ為翻滾角。

通過“aerospace rotation sequence”(航空旋轉順序)[4]，將重力的作用折算到加速度傳感器的3個軸上，即

從而可以得到檢波器的俯仰角φ和翻滾角θ，分別為

式中：Ax，Ay，Az為加速度傳感器三軸的輸出。

通過求得的俯仰角φ和翻滾角θ可以對電子羅盤進行傾斜補償：

HX=Hxcosφ+Hysinθ-Hzcosθsinφ

HY=Hycosθ+Hzsinθ

2．2數(shù)據(jù)融合算法

針對多MEMS慣性傳感器的數(shù)據(jù)融合，目前比較常用的兩種數(shù)據(jù)融合算法是互補濾波算法和擴展卡爾曼濾波算法，經(jīng)過郭曉鴻，楊中等人[7]的研究和試驗表明，在靜止、無運動加速度、有運動加速度等條件下的實驗，兩種濾波算法均能對傳感器所在載體的姿態(tài)給出在1°精度范圍內的估計，不過當在載體自由運動時，擴展卡爾曼濾波的收斂速度要優(yōu)于互補濾波；可是在算法實現(xiàn)上，互補濾波只用修改截止頻率便可以改變整個濾波器的特性，因而相對于擴展卡爾曼濾波算法，互補濾波算法的實現(xiàn)更為簡單。考慮到實際應用中，檢波器一般處于穩(wěn)定的位置，不會有大的振動，而且采集站還要進行大量的數(shù)據(jù)傳輸及預處理，因此采用占用系統(tǒng)資源少并且可以到達系統(tǒng)要求精度的互補濾波算法對傳感器的數(shù)據(jù)進行融合。

互補濾波器的原理框圖如圖3所示。

圖3 互補濾波器示意圖

陀螺儀具有良好的動態(tài)特性，可以通過積分得到短時的姿態(tài)變化信息，但由于零點漂移和積分時間的誤差，進行長時間姿態(tài)解算時，會產(chǎn)生累積誤差。電子羅盤和加速度傳感器的測量沒有累積誤差，但是其動態(tài)特性不好?；パa濾波器可以同時濾除高頻和低頻干擾，從而綜合陀螺儀和電子羅盤與加速度傳感器計算的角度得到濾波之后穩(wěn)定的輸出結果。

數(shù)據(jù)融合解算框圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)融合解算框圖

3 測試效果分析

3．1圓周試驗

將MEMS傳感器組放在圓形轉盤上，每隔30°記錄20次傳感器組的方位角輸出，求其平均值，與用于參考的地質羅盤輸出作對比，記錄于表1中。

表1 圓周試驗對比 (°)

3．2互補濾波效果

將檢波器的方位調整到一個確定角度并保持靜止不動(本試驗調整為10°左右)，通過MATLAB分析采用互補濾波器經(jīng)行數(shù)據(jù)融合和不采用濾波器直接使用電子羅盤和加速度傳感器的輸出的對比，如圖5所示，從圖5可以看出，加入互補濾波器后方位角的輸出明顯比較平滑，不會出現(xiàn)抖動。

圖5 互補濾波效果

3．3野外測試

野外測試試驗將一支三分量檢波器放入井中，井深約為30 m，其中水深大約10 m，井徑75 mm，采用定向套管將檢波器的支撐臂固定，由于套管長度為18 m，因此最大下放深度為18 m．

試驗中先將檢波器朝一固定方向放入井中18 m深度處，然后以3 m為提升間隔，在每一深度，分別將檢波器支撐臂對準0°、90°、180°和270°，采用單支三分量檢波器進行方位測試。以270°的測量方位為例，在此方位總計讀取數(shù)據(jù)32次，如圖6所示。32組數(shù)據(jù)的平均值為270．062 5，標準差為1．882 6，從圖6可以看出，其中最大的偏差為4°且在32次測量中僅出現(xiàn)1次，一般情況下的偏差均在2°以內，造成較大偏差的原因可能是測量點處有硬磁干擾的影響。

圖6 270°方位測試統(tǒng)計

4 結束語

將捷聯(lián)慣性導航技術中常用的姿態(tài)檢測技術應用于三分量檢波器定向，并且在野外測試試驗中達到了2°以內的方位角檢測精度，為三分量檢波器的定向技術提供了一種新的方法，從而代替了傳統(tǒng)的近似估計方法，并且不必再通過繁瑣的計算和不一定滿足條件的假設來得到三分量檢波器的朝向。另外，本設計也可擴展應用于多波地震勘探、傾斜測量和人體姿態(tài)檢測等領域。目前存在的不足是使用前需要人工校準電子羅盤，否則將會較大地影響測量精度，這也是后續(xù)工作的重點。

參考文獻：

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[7]郭曉鴻，楊中，陳哲，等．EKF和互補濾波器在飛行姿態(tài)確定中的應用．傳感器與微系統(tǒng)，2011，30 (11)，149-152．

作者簡介：沈統(tǒng)(1988-)，碩士研究生，主要研究方向為智能儀器儀表。E-mail：shtlu06@126．com