[发明专利]井下多分量测量仪器的光纤惯导系统及其数据处理方法

说明书

本发明公开一种井下多分量测量仪器的光纤惯导系统及其数据处理方法，应用于地球物理勘探技术领域，为了解决现有的井下多分量地球物理测量仪器在连续作业过程中的实时定向定位问题；本发明包括：光纤惯导定位定向系统、井下多分量地球物理测量仪器以及地面多通道控制和数据采集子系统；所述井下多分量地球物理测量仪器包括多分量传感器；所述光纤惯导定位定向系统固定于多分量传感器旁，当多分量传感器工作时，光纤惯导定位定向系统实时记录多分量传感器的实时位置、速度和姿态信息实时方位；此外通过本发明提的数据处理方法可以获得测点位置多维度的数据分布或变化，极大降低单一地球物理数据处理解释结果的非唯一性。

技术领域

本发明属于地球物理勘探技术领域，特别涉及一种井下多分量地球物理仪器的光纤惯导定向及相应的数据处理技术。

背景技术

目前行业内广泛使用的井下电缆测井仪器、随钻测井仪器、井中地震仪器等都分别采用了三分量电磁、三分量重力、三分量磁场和三分量地震传感器，这些仪器在井下作业时的实时定向定位功能一直没有完全解决好，没有井下多分量仪器传感器的实时定向定位数据，后期没有办法对井下采集的多分量数据进行旋转和校正处理。目前常用的三分量姿态传感器因为使用了磁场传感器而基本上无法在有磁性的钢质套管里或钢质钻铤上正常工作。我们急需找到解决井下多分量地球物理测量仪器在连续作业过程中的实时定向定位问题的方案。

惯性导航系统(英语：INS-Inertial Navigation System)是以陀螺和加速度计为敏感器件的导航参数解算系统，该系统根据陀螺的输出建立导航坐标系，根据加速度计输出解算出运载体在导航坐标系中的速度和位置。

惯性导航系统也称作惯性参考系统，是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量(如无线电导航那样)的自主式导航系统。其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下。惯性导航的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。

惯性导航系统属于推算导航方式，即从一已知点的位置根据连续测得的运动体航向角和速度推算出其下一点的位置，因而可连续测出运动体的当前位置。惯性导航系统中的陀螺仪用来形成一个导航坐标系，使加速度计的测量轴稳定在该坐标系中，并给出航向和姿态角；加速度计用来测量运动体的加速度，经过对时间的一次积分得到速度，速度再经过对时间的一次积分即可得到位移。

现代比较常见的几种导航技术，包括天文导航、惯性导航、卫星导航、无线电导航等等，其中，只有惯性导航是自主的，既不向外界辐射东西，也不用看天空中的恒星或接收外部的信号，它的隐蔽性是最好的。

在国家的很多战略、战术武器，再如洲际飞行的民航飞机等的导航中，都必须依赖惯性导航系统或者惯导系统和其他类型的导航系统的组合。它的造价也比较昂贵，像一台导航级(即1小时误差1海里)的惯导系统，至少要几十万，而这种精度的导航系统已足够配备在波音747这样的飞机上了。现在，随着MEMS(微电子机械系统)惯性器件技术的进步，商业级、消费品级的惯性导航才逐渐走进寻常百姓家。

惯性导航系统有如下优点：1、由于它是不依赖于任何外部信息，也不向外部辐射能量的自主式系统，故隐蔽性好，也不受外界电磁干扰的影响；2、可全天候、全时间地工作于空中、地球表面乃至水下；3、能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航信息连续性好而且噪声低；4、数据更新率高、短期精度和稳定性好。

其缺点是：1、由于导航信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长期精度差；2、每次使用之前需要较长的初始对准时间；3、设备的价格较昂贵；4、不能给出时间信息。