[发明专利]海底沉积物原位探测设备的方位角测量机构及方法

摘要

本发明提供一种海底沉积物原位探测设备的准实时方位角测量机构及方法，包括固定安装于科考船上的船上地磁矢量测量仪以及与原位探测设备固定到一起的水下测量单元；水下测量单元包括方位角测量传感模块、数据采集记录模块和供电电池；方位角测量传感模块包括MEMS微型固体摆以及水下地磁矢量测量仪。优点为：是一种用于在深海环境下开展海底沉积物原位探测过程中，调查设备的高精度、低附加值、操作简易的准实时方位角测量机构，本发明基于双矢量磁力仪测量数据，可在强磁场背景下精确获得原位探测设备的艏向角，具有抗干扰能力强、稳定性好以及测量重复性高等优点，有助于在海洋地质调查中有效开展定向的海底沉积物取样和原位探测。

主权项

1.一种基于海底沉积物原位探测设备的准实时方位角测量机构的测量方法，其特征在于，海底沉积物原位探测设备的准实时方位角测量机构，包括固定安装于科考船上的船上地磁矢量测量仪以及与原位探测设备固定到一起的水下测量单元；其中，所述水下测量单元包括密封舱，内置于所述密封舱的方位角测量传感模块(2‑4)、数据采集记录模块(2‑6)和供电电池(2‑2)；其中，所述方位角测量传感模块(2‑4)包括MEMS微型固体摆以及水下地磁矢量测量仪；所述MEMS微型固体摆和所述水下地磁矢量测量仪的输出端均连接到所述数据采集记录模块(2‑6)的输入端；所述供电电池(2‑2)分别与所述方位角测量传感模块(2‑4)和所述数据采集记录模块(2‑6)连接；测量方法包括以下步骤：步骤1，当水下测量单元随着原位探测设备一起进入到深海中时，同步启动船上地磁矢量测量仪和水下测量单元的方位角测量传感模块(2‑4)；方位角测量传感模块(2‑4)的MEMS微型固体摆的测量数据为：从t＝0到t＝t1时间长度内，按采样间隔采集到的时间t对应的实时横摇角α以及实时纵摇角β；其中，t1为测量结束时间；方位角测量传感模块(2‑4)的水下地磁矢量测量仪的测量数据为：从t＝0到t＝t1时间长度内，按采样间隔采集到的时间t对应的测量坐标系下的地磁场水平分量H′，地磁场磁偏角D′和地磁场竖直分量Z′；船上地磁矢量测量仪的测量数据为：从t＝0到t＝t1时间长度内，按采样间隔采集到的时间t对应的标准坐标系下的地磁场水平分量H，地磁场磁偏角D和地磁场竖直分量Z；步骤2，对MEMS微型固体摆的测量数据进行分析，查找到实时横摇角α以及实时纵摇角β稳定时对应的起始时间t₀，并读取到稳定时的横摇角和纵摇角数据，将稳定时的横摇角记为α′；将稳定时的纵摇角记为β′；步骤3，设定观测数据数量为n组；查找水下地磁矢量测量仪的测量数据，从t₀时刻开始连续读取n组采样数据，每组采样数据均包括测量坐标系下的地磁场水平分量H′，地磁场磁偏角D′和地磁场竖直分量Z′；因此，测量坐标系下n组采样数据构成的数据记录矩阵为：其中：H′₁H′₂…H′_n分别为从t₀时刻开始测量坐标系下连续n个地磁场水平分量的值；D′₁D′₂…D′_n分别为从t₀时刻开始测量坐标系下连续n个地磁场磁偏角的值；H′₁H′₂…H′_n分别为从t₀时刻开始测量坐标系下连续n个地磁场竖直分量的值；查找船上地磁矢量测量仪的测量数据，从t₀时刻开始连续读取n组采样数据，每组采样数据均包括标准坐标系下的地磁场水平分量H，地磁场磁偏角D和地磁场竖直分量Z；因此，标准坐标系下n组采样数据构成的数据记录矩阵为：其中：H₁H₂…H_n分别为从t₀时刻开始标准坐标系下连续n个地磁场水平分量的值；D₁D₂…D_n分别为从t₀时刻开始标准坐标系下连续n个地磁场磁偏角的值；Z₁Z₂…Z_n分别为从t₀时刻开始标准坐标系下连续n个地磁场竖直分量的值；步骤4，建立目标函数F：F＝‑1×(ρ_H+ρ_D+ρ_Z)其中：ρ_H为测量坐标系下地磁场水平分量记录数据通过变换矩阵TT归算至标准坐标系下后的地磁场水平分量，与标准坐标系下实测地磁场水平分量的相关系数；ρ_D为测量坐标系下地磁场水平分量记录数据通过变换矩阵TT归算至标准坐标系下后的地磁场磁偏角，与标准坐标系下实测地磁场磁偏角的相关系数；ρ_Z为测量坐标系下地磁场竖直分量记录数据通过变换矩阵TT归算至标准坐标系下后的地磁场竖直分量，与标准坐标系下实测地磁场竖直分量的相关系数；其中：H_k′′＝(cos(β′)cos(γ)+sin(α′)sin(β′)sin(γ))H_k′+(‑cos(α′)sin(γ))D_k′+(sin(β′)cos(γ)‑sin(α′)cos(β′)sin(γ))Z_k′D_k″＝(cos(β′)sin(γ)‑sin(α′)sin(β′)cos(γ))H_k′+(cos(α′)cos(γ))D_k′+(sin(β′)sin(γ)‑sin(α′)cos(β′)cos(γ))Z_k′Z_k″＝(‑cos(α′)sin(β′))H_k′+(‑sin(α′))D_k′+(cos(α′)cos(β′))Z_k′其中：γ为待求解的艏向角；H_k代表标准坐标系下地磁场水平分量的第k个采样数据，k＝1，2…n；代表标准坐标系下采样到的n个地磁场水平分量的平均值，H_k′代表测量坐标系下地磁场水平分量的第k个采样数据，k＝1，2…n；D_k′代表测量坐标系下地磁场磁偏角的第k个采样数据，k＝1，2…n；Z_k′代表测量坐标系下地磁场竖直分量的第k个采样数据，k＝1，2…n；H_k"代表测量坐标系下地磁场水平分量的第k个采样数据通过变换矩阵T归算到标准坐标系下的地磁场水平分量；k＝1，2…n；代表测量坐标系下地磁场水平分量的n个采样数据通过变换矩阵T归算到标准坐标系下的地磁场水平分量的平均值，D_k代表标准坐标系下地磁场磁偏角的第k个采样数据，k＝1，2…n；代表标准坐标系下采样到的n个地磁场磁偏角的平均值，D_k"代表测量坐标系下地磁场磁偏角的第k个采样数据通过变换矩阵T归算到标准坐标系下的地磁场磁偏角；k＝1，2…n；代表测量坐标系下地磁场磁偏角的n个采样数据通过变换矩阵T归算到标准坐标系下的地磁场磁偏角的平均值，Z_k代表标准坐标系下地磁场竖直分量的第k个采样数据，k＝1，2…n；代表标准坐标系下采样到的n个地磁场竖直分量的平均值，Z_k"代表测量坐标系下地磁场竖直分量的第k个采样数据通过变换矩阵T归算到标准坐标系下的地磁场竖直分量；k＝1，2…n；代表测量坐标系下地磁场竖直分量的n个采样数据通过变换矩阵T归算到标准坐标系下的地磁场竖直分量的平均值，步骤5，对艏向角γ在[‑π,π]区间范围进行遍历，解算到使目标函数最小的艏向角γ值，解算到的艏向角γ即为原位探测设备进入深海稳定后的艏向角。