技术领域
[0001] 本
发明涉及无人机航空地球物理探测领域，特别是涉及一种无人机航磁测量系统及方法。
背景技术
[0002] 航磁测量可为地质制图和大区域地质构造研究、金属矿和固体矿藏资源的评价、石油
天然气成矿远景区的预测、工程地质和环境监测提供信息和解释成果。以往的航磁测量都是在军用飞机或
直升机上进行，国内的航磁测量一般选择运五、运十二等飞机，出于飞行安全的考虑，一般的飞行高度在距地表面1000米以上，航速一般为几百公里每小时，因此航空磁测的优点是采集效率高，缺点是由于飞行高度的影响，反映的地质效果
分辨率较低、无法开展大比例尺工作。将航磁仪安装在无人机上进行航空勘探，不仅能能够节省成本，而且也能够提高勘探测量的安全性，减少人员伤亡，既能够快速、高效、高
精度定位采集数据，大比例尺地开展作业，又能高分辨地反映地面的地质效果，同时还能够消除地面地表等干扰物和起伏地形产生的影响，目前已受到世界航空物探研究机构的广泛关注。然而现有的在无人机上搭载航磁仪的航磁测量方法都是在飞行结束后将采集的数据再导入计算机中，从而在
数据处理的过程中完成数据补偿，实时性较差，效率较低。
发明内容
[0003] 本发明的目的是提供一种能够实时完成数据补偿的无人机航磁测量系统及方法。
[0004] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
[0005] 一种无人机航磁测量系统，包括：飞行参数采集装置、补偿装置和光
泵磁
力仪；所述飞行参数采集装置、所述补偿装置和所述光泵磁力仪均安装在所述无人机上；
[0006] 所述飞行参数采集装置的输出端与所述补偿装置的输入端连接，用于采集所述无人机的实时飞行参数，并将所述实时飞行参数输出到所述补偿装置；
[0007] 光泵磁力仪的输出端与所述补偿装置的输入端连接，用于实时测量所述无人机所处
位置的
磁场强度，并将所述磁场强度发送到所述补偿装置；
[0008] 所述补偿装置用于根据所述实时飞行参数对所述磁场强度进行实时补偿。
[0009] 可选的，所述补偿装置包括三分量磁通
门传感器、
数据采集卡、补偿
控制器和
存储器；
[0010] 所述三分量磁通门传感器的输出端与所述数据采集卡的输入端连接，用于测量大
地磁场和无人机的位置信息，获得无人机磁航向
信号和坐标；
[0011] 所述数据采集卡的输出端与所述补偿控制器的输入端连接，用于将所述磁航向信号和所述坐标发送到所述补偿控制器；
[0012] 所述补偿控制器与所述存储器连接，用于根据所述磁航向信号和所述坐标计算补偿系数并将所述补偿系数存储到所述存储器中，并在航磁测量过程中从所述存储器中读取所述补偿系数从而结合所述飞行参数对所述磁场强度进行补偿。
[0013] 可选的，所述光泵磁力仪包括
探头、本地低频
振荡器、压控振荡器和处理器；所述处理器包括
模数转换器、
数模转换器、互相关计算模
块、控制
电压产生模块和磁场强度计算模块；
[0014] 所述本地低频振荡器的输出端与所述压控振荡器和所述模数转换器连接，所述本地低频振荡器用于产生低频振荡信号并将所述低频振荡信号输出到所述所述压控振荡器和所述模数转换器中；
[0015] 所述控制电压产生模块的输出端与所述
数模转换器的输入端连接，所述控制电压产生模块用于产生压控振荡器控制电压；
[0016] 所述数模转换器的输出端与所述压控振荡器的输入端连接，所述数模转换器用于对所述压控振荡器控制电压进行数模转换，生成预设
频率的控制电压，并将所述预设频率的控制电压输出到所述压控振荡器；
[0017] 所述压控振荡器的输出端与所述探头的输入端连接，所述压控振荡器用于对所述低频振荡信号和所述预设频率的控制电压进行处理，得到调频信号，并将所述调频信号输出到所述探头；
[0018] 所述探头的输出端与所述模数转换器连接的输入端连接，所述探头用于在所述调频信号的激励下产生交变激磁场，并在所述交变激磁场的作用下输出磁场信号，并将所述磁场信号输出到所述模数转换器；
[0019] 所述模数转换器的输出端与所述互相关计算模块的输入端连接，所述模数转换器用于分别对所述磁场信号和所述低频振荡信号进行模数转换，得到磁场信号序列和低频振荡信号序列，并将所述磁场信号序列和低频振荡信号序列输出到所述互相关计算模块；
[0020] 所述互相关计算模块的输出端与所述控制电压产生模块的输入端连接，所述互相关计算模块用于对所述磁场信号序列和低频振荡信号序列进行互相关计算，得到互相关值，并将所述互相关值输出到所述控制电压产生模块；所述互相关值用于对所述压控振荡器控制电压进行调整；
[0021] 所述控制电压产生模块的输出端还与所述磁场强度计算模块的输入端连接，所述磁场强度计算模块用于在所述控制电压产生模块产生的所述压控振荡器控制电压恒定不变时，利用恒定不变的所述压控振荡器控制电压计算磁场强度。
[0022] 可选的，所述飞行参数采集装置包括GPS接收机、
陀螺仪和高度/速度传感器；
[0023] 所述GPS接收机用于通过接收卫星的定位信号从而确定所述无人机的经纬度、速度和当前时间，并将所述经纬度、所述速度和所述当前时间发送到所述补偿控制器；
[0024] 所述陀螺仪用于检测所述无人机的
俯仰、
横滚的
角度信息，并将所述角度信息发送到所述补偿控制器；
[0025] 所述高度/速度传感器用于测量所述无人机的飞行高度和相对气流的飞行速度，并将所述飞行高度和所述相对气流的飞行速度发送到所述补偿控制器。
[0026] 本发明还公开一种无人机航磁测量方法，包括：
[0027] 获取所述无人机的实时飞行参数；
[0028] 获取所述无人机的所处位置的磁场强度；
[0029] 利用预先测量得到的补偿系数，结合所述实时飞行参数对所述磁场强度进行补偿，得到无人机当前航磁强度。
[0030] 可选的，所述补偿系数的测量过程包括：
[0031] 在所述无人机静止和初始运动时采集所述无人机的磁航向信号；
[0032] 在无人机按照预设
姿态飞行时采集无人机的坐标；
[0033] 根据所述磁航向信号和所述坐标计算补偿系数。
[0034] 可选的，所述获取所述无人机的所处位置的磁场强度，具体包括：
[0035] 获取低频振荡器产生的低频振荡信号和控制电压产生模块产生的当前阶段的压控振荡器控制电压；
[0036] 利用压控振荡器将低频振荡信号和所述当前阶段的压控振荡器控制电压生成调频信号；
[0037] 在所述调频信号的激励下使光泵磁力仪探头产生交变激磁场，并在所述交变激磁场的作用下所述光泵磁力仪探头输出磁场信号；
[0038] 对所述磁场信号和所述低频振荡信号进行模数转换处理，从而得到磁场信号序列和低频振荡信号序列；
[0039] 对所述磁场信号序列和所述低频振荡信号序列进行互相关运算，得到互相关值；
[0040] 判断所述互相关值的大小是否小于预设
阈值，得到第一判断结果；
[0041] 若所述第一判断结果为是，则利用所述当前阶段的压控振荡器控制电压计算磁场强度；
[0042] 若所述第一判断结果为否，则利用所述互相关值对所述当前阶段的压控振荡器控制电压进行更新，重新计算所述互相关值，直到所述互相关值的大小小于所述预设阈值。
[0043] 可选的，在所述获取低频振荡器产生的低频振荡信号和控制电压产生模块产生的当前阶段的压控振荡器控制电压之后，在所述利用压控振荡器将低频振荡信号和所述当前阶段的压控振荡器控制电压生成调频信号之前，还包括：
[0044] 对所述当前阶段的压控振荡器控制电压进行数模转换处理。
[0045] 根据本发明提供的具体
实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明通过对磁场强度测量完成之后利用实时测量的飞行参数对磁场强度进行补偿，从而实现了对航磁强度的实时补偿，提高了数据处理效率。
附图说明
[0046] 为了更清楚地说明本发明实施例或
现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0047] 图1为本发明无人机航磁测量系统实施例的系统结构图；
[0048] 图2为本发明无人机航磁测量系统实施例的光泵磁力仪的结构图；
[0049] 图3为本发明无人机航磁测量系统实施例的补偿装置的结构图；
[0050] 图4为本发明无人机航磁测量系统实施例的光泵磁力仪的数据处理示意图。
具体实施方式
[0051] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0052] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0053] 图1为本发明无人机航磁测量系统实施例的系统结构图；图2为本发明无人机航磁测量系统实施例的光泵磁力仪的结构图；图3为本发明无人机航磁测量系统实施例的补偿装置的结构图；图4为本发明无人机航磁测量系统实施例的光泵磁力仪的数据处理示意图。
[0054] 参见图1至图4，该无人机航磁测量系统，可以应用于无人机航空地球物理探测的磁测中，从而为大区域地质构造研究、
水资源探测、金属矿和固体矿藏资源的评价、石油天然气成矿的预测、工程地质绘图和环境监测提供信息和解释成果，在国民经济建设中发挥着重要作用。该无人机航磁测量系统包括：飞行参数采集装置1、补偿装置2和光泵磁力仪3；所述飞行参数采集装置1、所述补偿装置2和所述光泵磁力仪3均安装在所述无人机上；所述飞行参数采集装置1还与无人机飞行
主控制器4连接；所述飞行主控制器4接收所述飞行参数并根据按预定方案自动控制所述无人机飞行。
[0055] 所述飞行参数采集装置1的输出端与所述补偿装置2的输入端连接，用于采集所述无人机的实时飞行参数，并将所述实时飞行参数输出到所述补偿装置2。
[0056] 光泵磁力仪3的输出端与所述补偿装置2的输入端连接，用于实时测量所述无人机所处位置的磁场强度，并将所述磁场强度发送到所述补偿装置2。
[0057] 所述补偿装置2用于根据所述实时飞行参数对所述磁场强度进行实时补偿。
[0058] 所述补偿装置2包括三分量磁通门传感器201、数据采集卡202、补偿控制器203和存储器204。
[0059] 所述三分量磁通门传感器201的输出端与所述数据采集卡202的输入端连接，用于测量大地磁场和无人机的位置信息，获得无人机磁航向信号和坐标；三分量磁通门传感器201为无人机静止时和初始运动的磁航向传感器，采用麦格韦尔磁通门传感TF-MC40，
输出信号稳定性好、低噪声，测量范围能够满足航磁补偿的需求。此传感器是基于大地磁场方向不变原理，测量大地磁场，并对所测得的磁场沿
机体轴的3个分量与无人机的位置坐标进行综合解算，得到无人机当前所在地
坐标系的磁航向信号。在测量开始之前，无人机按照事先定义好的程序进行一套标准飞行动作后，由三分量磁通门采集X、Y、Z坐标数据，补偿器中的处理机系统自动计算出磁干扰的各项系数，即补偿系数。
[0060] 所述数据采集卡202的输出端与所述补偿控制器203的输入端连接，用于将所述磁航向信号和所述坐标发送到所述补偿控制器203。
[0061] 所述补偿控制器203与所述存储器204连接，用于根据所述磁航向信号和所述坐标计算补偿系数并将所述补偿系数存储到所述存储器204中，并在航磁测量过程中从所述存储器204中读取所述补偿系数从而结合所述飞行参数对所述磁场强度进行补偿。
[0062] 所述光泵磁力仪3包括探头301、本地低频振荡器302、压控振荡器303和处理器304；所述处理器304包括模数转换器3041、数模转换器3044、互相关计算模块3042、控制电压产生模块3043和磁场强度计算模块3045。光泵磁力仪3的前端采用基于
相位的
跟踪锁定环路来保持探头301的磁共振状态，这样只要实时测量环路中压控振荡器303的输出频率或控制电压，就可以反演出磁场值。
[0063] 所述本地低频振荡器302的输出端与所述压控振荡器303和所述模数转换器3041连接，所述本地低频振荡器302用于产生角频率为ω低频振荡信号cos(ωt)并将所述低频振荡信号cos(ωt)输出到所述所述压控振荡器303和所述模数转换器3041中。
[0064] 所述控制电压产生模块3043的输出端与所述数模转换器3044的输入端连接，所述控制电压产生模块3043用于产生压控振荡器303控制电压Vctr；初始时产生的压控振荡器303控制电压为V0。
[0065] 所述数模转换器3044的输出端与所述压控振荡器303的输入端连接，所述数模转换器3044用于对所述压控振荡器303控制电压Vctr进行数模转换，生成预设频率f0的控制电压，并将所述预设频率f0的控制电压输出到所述压控振荡器303。
[0066] 所述压控振荡器303的输出端与所述探头301的输入端连接，所述压控振荡器303用于对所述低频振荡信号cos(ωt)和所述预设频率f0的控制电压进行处理，得到调频信号fctr，并将所述调频信号fctr输出到所述探头301。
[0067] 所述探头301的输出端与所述模数转换器3041连接的输入端连接，所述探头301用于在所述调频信号的激励下产生交变激磁场，并在所述交变激磁场的作用下输出磁场信号并将所述磁场信号 输出到所述模数转换器3041。
[0068] 所述模数转换器3041的输出端与所述互相关计算模块3042的输入端连接，所述模数转换器3041用于分别对所述磁场信号 和所述低频振荡信号cos(ωt)进行模数转换，得到磁场信号序列和低频振荡信号序列，并将所述磁场信号序列和低频振荡信号序列输出到所述互相关计算模块3042；所述低频振荡信号序列和磁场信号序列分别为：
[0069]
[0070]
[0071] 其中fs为模数转换器3041的
采样率。
[0072] 所述互相关计算模块3042的输出端与所述控制电压产生模块3043的输入端连接，所述互相关计算模块3042用于对所述磁场信号序列和低频振荡信号序列进行互相关计算，得到互相关值，并将所述互相关值输出到所述控制电压产生模块3043；所述互相关值用于对所述压控振荡器303控制电压进行调整；所述互相关值的计算公式为：
[0073]
[0074] 所述电压振荡器控制电压的调整公式为：
[0075] Vctr＝V0-xcorr[0]×ε
[0076] 其中ε为控制电压步进值，通常设置为数模转换器3044的最小分辨电压值。
[0077] 所述控制电压产生模块3043的输出端还与所述磁场强度计算模块3045的输入端连接，所述磁场强度计算模块3045用于在所述控制电压产生模块3043产生的所述压控振荡器303控制电压恒定不变时，利用恒定不变的所述压控振荡器303控制电压计算磁场强度。当频率f0等于探头301自身的谐振频率fr时，互相关值xcorr[0]趋近于0，即小于预设阈值，即电压振荡器控制电压不再发生变化。此时，停止上述计算过程，磁场强度计算模块3045利用恒定不变的压控振荡器303控制电压计算磁场强度。磁场强度的计算公式为：
[0078]
[0079] 其中A为压控振荡器303的增益，K为偏置，γs为旋磁比。
[0080] 所述光泵磁力仪3还包括
现场可编程门阵列305(Field-Programmable GateArray，FPGA)、外部存储器306和OLED显示器307。所述现场可编程门阵列305与所述探头301和所述处理器304连接。所述现场可编程门阵列305采用ALTERA公司的EP2C8Q208C8N芯片作为测频模块，能够满足对峰值120MHz的待测信号的计数测频要求。处理器304采用Advantech公司的3.5吋单板计算机，能够满足高速的数据采集及数据的补偿及处理的需求，同时也能够满足无人机的体积小及超低功耗的需求。外部存储器306与处理器304双向连接，用于对处理器304获取和处理的数据进行存储。OLED显示器307的输入端与处理器304的输出端连接，用于显示数据处理结果。
[0081] 在航磁测量时，补偿装置2利用实时采集的无人机的位置信息和实时飞行参数，利用补偿系数自动合成需要补偿的磁场值，达到实时补偿的目的。
[0082] 所述飞行参数采集装置1包括GPS接收机101、陀螺仪102和高度/速度传感器103。
[0083] 所述GPS接收机101用于通过接收卫星的定位信号从而确定所述无人机的经纬度、速度和当前时间，并将所述经纬度、所述速度和所述当前时间发送到所述补偿控制器203。
[0084] 所述陀螺仪102用于检测所述无人机的俯仰、横滚的角度信息，并将所述角度信息发送到所述补偿控制器203。
[0085] 所述高度/速度传感器103用于测量所述无人机的飞行高度和相对气流的飞行速度，并将所述飞行高度和所述相对气流的飞行速度发送到所述补偿控制器203。所述高度/速度传感器103采用
压力传感器测量大气静压和总压，间接得到无人机的飞行高度及相对气流的飞行速度。
[0086] 飞行参数采集装置1还包括
转速传感器和遥测设备105。转速传感器采用非
接触方式测量
活塞式
发动机主轴转速，并换算成发动机的
油门大小及发动机的拉力或推力大小。遥测设备105用于获取遥感数据。
[0087] GPS接收机101、高度/速度传感器103和遥测设备105均通过串行口5连接到所述飞行主控制器4和所述补偿装置2。陀螺仪102通过调理
电路6和A/D转换器7连接到飞行主控制器4。调理电路6用于对陀螺仪102采集的信号进行调理，A/D转换器7用于对调理后的信号进行模数转换。
[0088] 飞行主控制器4还与
舵回路8、光泵磁力仪3和补偿装置2连接，用于将所述飞行参数输出到光泵磁力仪3和补偿装置2，并通过对舵回路8发送
控制信号从而控制无人机的飞行。
[0089] 本发明还公开一种无人机航磁测量方法，应用于上述的无人机航磁测量装置，该方法包括：
[0090] 获取所述无人机的实时飞行参数；
[0091] 获取所述无人机的所处位置的磁场强度；
[0092] 利用预先测量得到的补偿系数，结合所述实时飞行参数对所述磁场强度进行补偿，得到无人机当前航磁强度。
[0093] 所述补偿系数的测量过程包括：
[0094] 在所述无人机静止和初始运动时采集所述无人机的磁航向信号；
[0095] 在无人机按照预设姿态飞行时采集无人机的坐标；
[0096] 根据所述磁航向信号和所述坐标计算补偿系数。
[0097] 所述获取所述无人机的所处位置的磁场强度，具体包括：
[0098] 获取低频振荡器产生的低频振荡信号和控制电压产生模块产生的当前阶段的压控振荡器控制电压；
[0099] 利用压控振荡器将低频振荡信号和所述当前阶段的压控振荡器控制电压生成调频信号；
[0100] 在所述调频信号的激励下使光泵磁力仪探头产生交变激磁场，并在所述交变激磁场的作用下所述光泵磁力仪探头输出磁场信号；
[0101] 对所述磁场信号和所述低频振荡信号进行模数转换处理，从而得到磁场信号序列和低频振荡信号序列；
[0102] 对所述磁场信号序列和所述低频振荡信号序列进行互相关运算，得到互相关值；
[0103] 判断所述互相关值的大小是否小于预设阈值，得到第一判断结果；
[0104] 若所述第一判断结果为是，则利用所述当前阶段的压控振荡器控制电压计算磁场强度；
[0105] 若所述第一判断结果为否，则利用所述互相关值对所述当前阶段的压控振荡器控制电压进行更新，重新计算所述互相关值，直到所述互相关值的大小小于所述预设阈值。
[0106] 在所述获取低频振荡器产生的低频振荡信号和控制电压产生模块产生的当前阶段的压控振荡器控制电压之后，在所述利用压控振荡器将低频振荡信号和所述当前阶段的压控振荡器控制电压生成调频信号之前，还包括：
[0107] 对所述当前阶段的压控振荡器控制电压进行数模转换处理。
[0108] 本发明的技术方案具有以下技术效果：
[0109] (1)本发明采用基于嵌入式控制器的数字锁定环路辅助捕获技术，解决了无人操作时，失锁后的自动跟踪问题，相比于以往的航磁仪是使用在有人的操作环境，测量时跟踪失锁后采用人工手动解锁的技术方案，本发明充分利用了嵌入式处理器的片上资源，降低了系统复杂度，实现自动测试功能，特别适用于无人机上使用。已有航磁仪锁定环路辅助捕获技术使用
模拟器件为锁定捕获的执行机构，而本发明的数字锁定环路捕获技术的使用避免了由于模拟器件自身非理想参数和环境因素对锁定捕获过程带来的不利影响，提高了锁定捕获过程的精度和可靠性。
[0110] (2)在无人机上利用飞行数据建立飞机恒定场干扰及电
涡流干扰的数学模型，自动求取固定系数和恒定干扰分量，到达快速补偿的目的。以往的无人机上不携带补偿器，都是在飞行结束后，将采集的数据再导入计算机中，在进行数据处理时进行数据补偿，实时不好，效率较低。本发明将补偿器融合到航磁测量中，实现了航磁强度的实时补偿，提高了数据处理的效率。
[0111] 本
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0112] 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
