萬家佐，凌振寶，王 君，馬 超，李文可

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長春130061)

0 引 言

磁法勘探中的測量對象分為地磁場和磁異常場，磁法勘探的原理就是提取磁異常場進行研究分析來實現(xiàn)礦體定位和分析地質(zhì)構(gòu)造等目的，按探測對象的不同分為磁場模量測量、磁場矢量測量和磁梯度張量測量［1］。

磁梯度張量測量就是測量地磁場矢量三個分量在相互正交的三個方向上的空間變化率，是一種重要的磁場特性分析方法，它幾乎不受地磁場的干擾，能夠弱化背景磁場，突出局部異常磁場，沒有對地磁場方向極度敏感的缺點，是目前磁測研究的熱門方向［2～4］。

磁梯度張量測量中使用的傳感器是矢量傳感器，在實際探測中其探頭姿態(tài)的變化會導(dǎo)致磁梯度張量分量發(fā)生波動，從而出現(xiàn)假的磁異常，影響探測的分析結(jié)果，因此，在探頭中安裝慣導(dǎo)系統(tǒng)并通過慣導(dǎo)數(shù)據(jù)對該部分?jǐn)?shù)據(jù)進行補償實現(xiàn)姿態(tài)校正是非常必要的［5］。

實際設(shè)計中的慣導(dǎo)系統(tǒng)和張量數(shù)據(jù)探測與采集系統(tǒng)一方面使用不同的時鐘系統(tǒng);另一方面具有不同的數(shù)據(jù)更新率，在進行慣導(dǎo)數(shù)據(jù)和張量數(shù)據(jù)融合設(shè)計時，必須保證用于融合的兩種數(shù)據(jù)在采集時間點上嚴(yán)格一致，所以，在具體系統(tǒng)的設(shè)計中，研究有效的數(shù)據(jù)同步技術(shù)具有非常重要的意義［6～8］。

1 磁場張量梯度測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步采集技術(shù)

慣導(dǎo)系統(tǒng)和張量采集系統(tǒng)是互相獨立的，它們分別使用不同的時鐘系統(tǒng)，另一方面，二者的采樣率或者說數(shù)據(jù)更新率是不同的，慣導(dǎo)系統(tǒng)的采樣率通常在幾百赫茲，張量傳感器的數(shù)據(jù)更新率能夠達到1kHz 以上，因此，研究有效的數(shù)據(jù)同步采集技術(shù)是非常關(guān)鍵的。

GPS 接收機會輸出一種間隔為1s 的秒脈沖(pulse per second，PPS)信號，它與協(xié)調(diào)世界時(UTC)的時間同步誤差不超過1 μs，可以將數(shù)據(jù)打上時間標(biāo)記從而為全世界的用戶提供時間同步能力［9～11］。因此，可以利用慣導(dǎo)系統(tǒng)中GNSS 接收機輸出的PPS 觸發(fā)梯度傳感器的數(shù)據(jù)采集裝置進行數(shù)據(jù)采集，具體硬件實現(xiàn)方式如圖1 所示。以GPS 接收機輸出的1 PPS 為參考基準(zhǔn)，控制IMU 采集裝置和張量數(shù)據(jù)采集裝置嚴(yán)格在1 PPS 的上升沿分別進行一次姿態(tài)數(shù)據(jù)和張量數(shù)據(jù)采集，并送至上位機處理。由PPS 觸發(fā)采集裝置的采集保證了梯度傳感器數(shù)據(jù)采集裝置的采樣和慣導(dǎo)系統(tǒng)IMU 采集裝置的采樣與UTC 時間嚴(yán)格對齊。

圖1 磁梯度張量測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步采集連接方式Fig 1 Magnetic gradient tensor measurement system data synchronization acquisition mode of connection

2 磁場張量梯度測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步保存技術(shù)

軟件設(shè)計中數(shù)據(jù)同步的實現(xiàn)，是將接收的張量數(shù)據(jù)與慣導(dǎo)數(shù)據(jù)以一定的格式打包在一起，存儲到文件中，在數(shù)據(jù)打包的過程中，通過提取張量數(shù)據(jù)的時間信息和慣導(dǎo)數(shù)據(jù)的時間信息，二者對比處理，確保二者的數(shù)據(jù)信息同步。

為此，設(shè)計了基于循環(huán)緩沖隊列的數(shù)據(jù)同步采集技術(shù)，使用循環(huán)隊列的好處是平衡讀取數(shù)據(jù)和寫入數(shù)據(jù)的速度差異，進而提高運行效率，節(jié)省內(nèi)存空間增強資源利用率，非常方便提取與拼接數(shù)據(jù)包，此外，很容易通過設(shè)置循環(huán)隊列的容量大小從而避免數(shù)據(jù)在接收過程中由于緩沖區(qū)阻塞而丟失的情況。

隊列是一個先進先出的線性表，其插入元素和刪除元素操作在表的不同端進行。添加元素的一端叫做隊尾，刪除元素的一端叫做隊首。而循環(huán)隊列可用式(1)來描述

把數(shù)據(jù)queue［MaxSize］描述成一個循環(huán)隊列，則第一個元素為queue［0］，第二個元素為queue［1］，其他元素依次類推，直到第MaxSize 個元素queue［MaxSize］時，下一個元素則重新指向數(shù)組queue［0］。

基于上面的思路引入循環(huán)隊列緩沖機制，通過循環(huán)隊列緩沖區(qū)可以按不同的需要保存一定時間的數(shù)據(jù)量，系統(tǒng)中梯度傳感器采集的數(shù)據(jù)與慣導(dǎo)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)是異步的，數(shù)據(jù)開始采集時分別將張量數(shù)據(jù)和慣導(dǎo)數(shù)據(jù)存放在兩個循環(huán)緩沖區(qū)內(nèi)，并定義為FIFO1 和FIFO2，并以GPS 測量的時間為標(biāo)準(zhǔn)，在兩個循環(huán)緩沖區(qū)內(nèi)提取數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)融合。軟件運行后從存放張量數(shù)據(jù)的循環(huán)隊列緩沖區(qū)FIFO1 提取標(biāo)記GPS 時間T1的數(shù)據(jù)，從存放慣導(dǎo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的循環(huán)隊列緩沖區(qū)FIFO2 提取標(biāo)記GPS 時間T2的數(shù)據(jù)，如果T1＞T2，則等待慣導(dǎo)系統(tǒng)繼續(xù)向循環(huán)隊列緩沖區(qū)FIFO2 添加數(shù)據(jù);如果T1＜T2，則等待張量數(shù)據(jù)采集模塊繼續(xù)向循環(huán)隊列緩沖區(qū)FIFO1 添加數(shù)據(jù);如果T1=T2，則將張量數(shù)據(jù)和慣導(dǎo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)標(biāo)記同樣的GPS 時間標(biāo)簽后進行數(shù)據(jù)融合處理和進一步處理工作。具體工作流程如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)同步融合處理流程圖Fig 2 Flow chart of data synchronous fusion processing

3 實驗與結(jié)果分析

在磁梯度恒定的環(huán)境中，將載有慣導(dǎo)系統(tǒng)和梯度傳感器的小車置于地面進行往復(fù)運動，記錄整個運動過程的磁場梯度張量分量數(shù)據(jù)，將保存的數(shù)據(jù)經(jīng)過Matlab 軟件進行仿真處理并對結(jié)果進行分析和比較。

從磁梯度張量的幾個分量中選取Gzz分量進行分析，經(jīng)過慣導(dǎo)系統(tǒng)測量的姿態(tài)信息對梯度傳感器測量的Gzz分量進行姿態(tài)校正處理后得到圖3所示的結(jié)果，由圖中曲線可以明顯地看出:因為在載體運動時梯度傳感器的姿態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致所測得的磁場張量有較大的波動，經(jīng)過姿態(tài)校正后的磁場梯度數(shù)據(jù)相比校正前的磁場張量波動明顯較小，曲線相對變平穩(wěn)了，符合所測環(huán)境中磁梯度的的特征。該結(jié)果表明:慣導(dǎo)系統(tǒng)對張量數(shù)據(jù)的姿態(tài)變換校正效果良好，校正程度較高。

圖3 校正前后磁場梯度分量Gzz的變化Fig 3 Change of magnetic field gradient component Gzz before and after correction

4 結(jié) 論

本文提出了一種磁場張量梯度數(shù)據(jù)同步采集與保存技術(shù)，將上位機接收梯度傳感器和慣導(dǎo)系統(tǒng)同一時刻采集的數(shù)據(jù)同步保存和處理，對于解決在航空張量測量中通過慣導(dǎo)系統(tǒng)對梯度傳感器進行姿態(tài)校正的問題提供了基礎(chǔ)和保證。

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