基于伪磁梯度张量混合方向tilt梯度的磁源定位方法及其应用:以内蒙古塔木素铀矿床为例

斜磁化磁源的准确定位是磁法勘探有效圈定场源分布及划分断裂构造的重要依据.但受磁化方向影响,总磁异常与地质体分布并无明显对应关系.为此,本文从总磁异常垂向积分出发,推导出了伪磁梯度张量,定义了伪磁梯度张量的混合方向tilt梯度及混合方向解析信号振幅,提出了基于伪磁梯度张量混合方向tilt梯度水平导数组合的场源定位方法.模型试验表明,相对于解析信号振幅、tilt梯度的总水平导数及方向tilt梯度的总水平导数模这3种受磁化方向影响较小的方法,本文提出的磁源定位方法能够更有效地反映出不同磁化方向的磁源位置,具有更强的识别能力和定位精度.在内蒙古塔木素铀矿床的航磁资料应用中,新方法较好地展示出了已知断裂带的展布及出露岩浆岩的分布,同时有效地提取了塔木素铀矿床上方的弱磁异常信息,处理结果为研究区圈定隐伏岩体、划分隐伏断裂及扩大铀矿找矿靶区提供了依据.

基于磁梯度测量的磁校准方法

利用三轴磁传感器进行飞行器航向测量或者磁异常探测之前,需要对磁传感器进行磁干扰校准。为了避免由于地磁场短时波动造成校准精度下降,本文基于近地空间地磁场梯度分布特性,提出一种利用磁梯度测量的磁传感器干扰校准方法,建立了磁梯度测量系统磁干扰的24参数干扰模型,基于单传感器的椭球拟合法多组任意旋转构建多元非线性方程组,随后利用具有较高区域搜索效率的遗传算法进行非线性方程组的求解。仿真结果表明,和传统的椭球拟合校准方法相比,该方法克服了地磁场短时波动的影响,提升了磁梯度测量系统的校准精度,其磁梯度差分测量误差可校准至[1.8482 1.8453 1.9150]^(T)nT。该研究为航磁系统的载体干扰补偿和高精度测量提供了可靠保障。

基于改进梯度下降算法优化的磁梯度张量组合不变量算法的管道缺陷边缘识别模型

针对油气管道磁记忆检测受方向影响较大且缺陷边缘精确识别困难的问题,提出了一种基于改进梯度下降算法(MGD)优化的磁梯度张量组合不变量算法模型,用于管道缺陷边缘的精确识别。以L245N管线钢为试验材料,预制不同深度、不同直径的圆孔状缺陷,设计磁梯度张量测量系统,结合TSC-5M-32型磁记忆仪进行检测实验,获得管道的磁梯度张量矩阵。为克服检测方向对磁记忆信号的影响,分别提取磁梯度张量第二、第三不变量I_(1)、I_(2),进一步考虑这两种不变量在缺陷边缘处易出现模糊,根据Cardano公式对两种不变量进行改进,并分别设置权值a、b进行叠加获得组合不变量I,利用分数阶求导改进梯度下降算法确定最优权值,建立管道缺陷边缘磁记忆识别模型。研究结果表明:该模型对缺陷边缘识别平均相对误差为3.59%,最大相对误差为6%,为实际工程中管道缺陷边缘精准识别提供了可行办法。

SQUID二阶磁梯度计标定系统的空间位置优化

超导量子干涉器件(SQUID)是利用磁通量子化与约瑟夫森效应这两种特性而形成的超导器件,可以分辨极微弱磁场变化,在磁信号灵敏探测方面应用广泛。因此,为确保其输出映射的准确性与使用质量,对使用过程中其进行定期校准至关重要。本文针对SQUID二阶磁梯度计在使用过程中的标定系统优化问题展开讨论,以标定线圈圆心为中心点建立笛卡尔坐标系,固定Y轴方向的相对位置,首先从Z轴方向移动标定线圈找到电流灵敏度最大位置范围,之后进一步精确标定位置,在X轴方向找到对Z轴方向移动最不敏感的相对位置,为标定中可能出现的人为误差提供更大的容错范围。并通过解析模型与有限元仿真模型相互验证,为后续实验提供了理论依据与先行性。利用解析模型与有限元模型及实测数据确定SQUID二阶磁梯度计在使用中的校准系数均为1.107,并对所提出的标定方法所产生的不确定度进行分析,为梯度计在低噪声环境条件下进行标定提供了更大的鲁棒性。

磁梯度张量不变量约束条件下的两点定位方法

文中针对单点磁梯度张量定位方法受地磁场估计误差影响较大,同时多点磁梯度张量定位方法容易陷入局部最优解等问题,提出一种两点磁梯度张量定位方法。该方法在单点磁梯度张量定位算法的基础上,采用两点磁梯度张量测量数据,叠加张量几何不变量的约束条件,构建关于目标位置坐标的非线性目标函数,采用基于自然选择的粒子群算法对目标位置坐标进行求解。仿真实验表明,文中提出的方法受地磁场估计误差影响较小,且能实现对全局最优解的搜索,定位精度较高。仿真分析不同系统基线长度和磁力仪灵敏度条件下文中方法对磁性目标的定位效果可知,当系统的基线长度越大,磁力仪的灵敏度越高,磁性目标定位误差越小。

基于两点磁梯度张量不变量的目标定位法

针对传统基于单点磁梯度张量的目标定位方法无法消除背景地磁场及其他干扰磁场影响的问题,通过分析磁梯度张量矩阵特征值和特征向量之间的关系,构造出与磁偶极子位置矢量与磁矩矢量夹角无关的不变量,给出位置矢量和磁矩矢量关于特征值及特征向量的数学关系表达式。建立线性方程组,解算线性方程组实现磁目标定位。实验表明,与传统Nara法相比可以有效避免干扰磁场的影响,定位精度更高,相对定位误差在10%以内,磁传感器精度和系统基线距离是影响定位误差的重要因素。

一种低温超导航磁梯度张量数据补偿模型

超导航磁梯度张量数据补偿时,补偿模型的仿真结果与实际测量数据补偿结果往往存在一定差异。本文从实测数据出发,以建立对实测数据有效的模型为目标,分析了误差的来源,结合磁干扰、安装误差、不平衡度等提出了综合补偿模型,给出了模型求解方法。同时,采用综合补偿模型对实测数据进行补偿处理并验证。实验结果表明,本文所建立的综合补偿模型适用于实测数据的补偿,能够有效降低外界干扰的影响,提高航磁梯度张量数据的质量,且补偿效果明显。

地面磁梯度测量在勘查地下污水管道中的应用

利用在辽宁某地区实测的垂直磁梯度数据,采用欧拉反褶积方法对地下异常情况进行处理和解释。正演研究表明,理论计算获得的磁梯度比实测磁总场的灵敏度高,结合磁梯度数据和欧拉反演方法可以进行较为复杂地形的解释。通过将计算获得的磁梯度异常与实测磁梯度异常对比,后者对地质体的分辨率更高。对地面垂直磁梯度数据进行反演,结果表明:该方法能够准确地确定地下污水管道的边界和埋深。

堤坝渗漏感应磁梯度检测可行性研究

堤坝的渗漏检测对堤坝的安全运行有着重要的意义。由于磁梯度测量具有观测无需与地面接触、野外容易操作以及受地磁场影响较小等优点,该技术可以很好的应用于堤坝渗漏检测当中。为了研究磁梯度张量与渗漏通道之间的关系,本文从频率域Maxwell方程组出发推导控制方程,利用有限元实现了三维频率域磁场正演,并通过理论模型测试了算法的正确性。利用高阶紧致差分算法实现了磁梯度张量的高精度计算。接着文章分析了不同模型参数磁梯度张量和渗漏通道之间的关系,表明Byz和Bzz分量可以很好的反映渗漏通道的位置。通过对磁梯度的求解避免了理论计算磁场所带来的误差,并且提高了异常分辨率。通过本文的研究,可以为实际工作中的参数设计提供理论指导。

基于正交基函数的矢量磁梯度异常探测

磁异常探测技术是一种快速有效的非接触式感知手段。针对传统的标量正交基函数(OBF)检测器获取的磁场信息有限,而矢量OBF检测器得到的磁场信息受地球磁场晃动影响显著的问题,推导一种兼具丰富磁场信息以及抗晃动性能的矢量磁梯度OBF检测器。证明当测量噪声服从高斯独立同分布时,矢量OBF检测器相较于标量OBF检测器具有更低的检测虚警率,且空间采样长度是影响OBF检测器性能的关键因素。仿真和实测结果表明:矢量磁梯度OBF检测器相对于传统检测器具有更优的检测性能,降低空间采样长度可以明显提升其探测性能;矢量磁梯度OBF检测器在低信噪比条件下可以反演得到磁性目标的磁矢量梯度信号,利用粒子群参数估计算法能估计得到目标的位置参数和磁矩参数。

测量多阶磁梯度张量的磁传感器阵列

为实现多阶磁梯度张量的准确测量,提出一种磁传感器阵列。阵列由9个三轴磁传感器组成,在平面呈菱形排列。根据张量对称性,提出一阶及二阶磁梯度张量计算方法。采用Floater-Hormann有理插值完成测量盲点的修正。根据磁偶极子原理建立仿真模型,研究阵列在地磁场和噪声背景下的一阶及二阶磁梯度张量测量精度。仿真结果表明,提出阵列在磁梯度张量测量精度、完整性方面优于十字形阵列和六面体阵列。基于一阶和二阶磁梯度张量的定位应用也可证明所提出阵列的有效性。

国外航磁梯度方法进展

本文介绍了北美等国家有关肮磁梯度仪、反演方法和航磁梯度应用等几个问题的进展情况,并对有关问题作了适当的评述。

地磁梯度测量及其在金属矿勘查中的试验——以拉依克勒克铜铁矿为例

随着超高灵敏度和高精度磁力仪的技术进步,磁梯度测量也成为可能,并在非爆炸物探测等工程物探领域中得到了广泛应用。为了解实测磁梯度与计算磁梯度的差异及其在金属矿上的应用效果,在新疆东准噶尔拉依克勒克铜铁矿开展了1∶5000比例尺的磁梯度测量试验。对比了实测磁梯度与计算磁梯度的异同,发现实测磁梯度与计算磁梯度两者宏观趋势基本一致,但在异常细节上存在差异;在点距和线距不相等的情况下,计算磁梯度测线效果明显,在特定方向磁异常有沿测线方向拉长的现象;不同强度异常区计算梯度与实测梯度存在差异,特别是垂向梯度差异最大。实测磁梯度对埋藏浅异常大的地质体有相对明显的探测优势,并且可以获得更多的地质体边界和位置信息,对于低缓异常,由于地形等条件限制了探头之间的距离,获得磁异常较弱。结合拉伊克勒克磁铁矿勘探成果分析,认为实测磁梯度对局部异常探测比较灵敏,对围岩是有磁性的火山岩等矿床,地磁梯度测量有利于圈定磁性体边界。实测磁梯度的二维和三维矢量图也可以区分异常体的性质等,为找矿预测提供指示。

磁梯度张量不变量的椭圆误差消除方法研究

基于磁梯度张量不变量定位方法,可以实现对目标的单点实时定位,且定位目标不限于静止目标,这一方法目前得到了人们的广泛关注,但该方法由于存在着椭圆系数导致目标定位误差较大的问题.针对该问题,提出了一种基于正六面体磁梯度张量测量系统的单点实时定位改进方法,该方法通过消除原定位方法中不变量存在的椭圆系数,从而克服椭圆误差对定位精度的影响.具体做法是通过求解测量系统中正六面体的六个平面中心点处磁梯度张量的特征值,并把这些特征值按照一定关系进行组合来消除椭圆系数,来获得六个平面的新不变量,再对这些新不变量求其梯度值,根据这些梯度值对目标进行定位,这样该定位方法可以有效的克服椭圆误差,可对目标进行单点实时定位.对改进定位方法进行了仿真实验分析,结果表明改进方法可以实现目标的单点实时定位,定位的平均相对误差较现有方法减少10.9%.改进方法对所搭载平台的机动性要求较低,其平台可做直线或曲线运动对目标实现单点实时定位.

基于磁梯度张量的目标定位改进方法

针对目前磁性目标单点磁梯度张量定位方法受地磁场影响较大的问题,通过对单点磁梯度张量定位算法的偏微分推导,提出了基于磁梯度张量的目标定位改进算法,并针对定位算法中的所需变量提出了基于正六面体磁梯度张量测量系统的变量计算方法。所提方法利用磁梯度实现目标定位,降低了地磁场对目标定位的影响。仿真结果证明,与原方法相比所提方法受地磁场测量误差的影响很小,且定位精度较高,磁力仪精度和系统基线是影响定位误差的主要因素。

磁性目标的单点磁梯度张量定位方法

针对以往利用总量磁场(或梯度)或磁场分量测量的定位方法计算量相对较大、定位实时性较差的不足,根据磁偶极子模型基础上的简易方便的磁梯度张量定位模型,利用一个测点的测量值实现了实时磁性定位。利用平面磁梯度测量系统,对定位模型进行了仿真分析,表明该方法具有较高的精度,磁探仪精度、基线距离等是影响定位误差的主要因素,该方法对实际磁定位工作具有一定的参考价值。

基于磁梯度张量的金属磁记忆检测方法

金属磁记忆是对铁磁材料早期微观损伤及应力集中进行无损检测的有效方法。为提高磁记忆检测的可靠性,充分利用磁记忆信号的矢量信息,将磁梯度张量测量及分析方法引入磁记忆检测中。根据张量缩并分析理论得到了磁记忆信号的磁梯度张量模量,通过求解梯度局部相位的一阶导数得到信号的梯度局部波数,然后分析信号的磁梯度张量模量和梯度局部波数分布特征,得到磁梯度模量和梯度局部波数极值点分别与应力集中边界和中心位置的对应关系。实验结果表明:磁梯度张量方法能够克服检测方向与缺陷夹角变化对测量信号的影响,准确地对应力集中进行判断。

四面体磁梯度张量系统的误差补偿

针对搭载于水下无人航行器(UUV)的磁梯度张量系统的系统误差,提出了一种系统误差补偿方法。该方法利用四面体磁梯度张量系统的差分测量算法,融合系统中单个矢量磁力仪的系统误差和磁力仪之间的安装中心错位误差,建立了四面体磁梯度张量系统误差数学模型;基于此数学模型提出了系统误差补偿算法,并根据磁梯度张量9分量之间的数学关系提出了补偿参数辨识方法;最后,通过仿真实验对该方法进行了验证。实验结果表明:该方法可以有效补偿磁梯度张量系统的系统误差,补偿量达96.2%,且补偿效果优于参考文献提出的系统误差补偿方法。该方法利用补偿参数对磁梯度张量系统的输出值直接进行系统误差补偿,从理论上解决了磁梯度张量系统整体误差的统一补偿问题。

基于Overhauser传感器的近地表UXO磁梯度法探测技术

实现对UXO的有效探测对保障战时己方人员安全与装备机动,以及战后人民生命财产安全和地区经济发展都具有重要的意义。目前,我国在UXO探测领域,方法理论研究方面,存在基础相对较薄弱、相关文献很少的问题;探测仪器方面,存在传感器灵敏度低(不能分辨小型航弹产生的微弱异常场)、信号提取手段落后的问题。针对这些问题,通过采用磁梯度探测方法、高精度Overhauser传感器来提高UXO探测灵敏度。首先,建立了适合航弹磁法探测的三度体的圆柱体模型,并对航弹的ΔT磁异常和垂直磁梯度异常进行了数值模拟和比较;然后,进行了背景磁场干扰和物理模型实验,验证了磁梯度法的可行性和优势;在此基础上,研究了动态核极化效应、自由基物质、Larmor信号的处理和抗干扰设计,并最终研制了基于动态核极化效应的Overhauser传感器及样机,在人工磁场发生空间中的测试结果表明其不确定度和国外主流传感器一致,均为0.3 nT。最后,在野外进行了对25 kg航弹的探测实验,测试结果表明其极限探测距离可以达到2.5 m,优于国产现役的探测器。

磁梯度张量系统的非线性校正方法

针对磁梯度张量系统中存在的零点偏移、灵敏度不一致、三轴非正交等单传感器误差和传感器之间的非对准误差,提出了磁梯度张量系统的非线性校正方法。该方法基于磁梯度张量的差分测量理论,建立了包含单传感器误差参数和传感器间非对准误差参数的张量测量数学模型;然后基于标量校正原理、张量不变量理论和点积不变量理论,提出了关于磁标量场、磁矢量场和磁张量场的4种不同的非线性约束准则,并给出了磁梯度张量系统的输出坐标系与标准正交坐标系间的非对准误差约束条件,进而建立了包含磁梯度张量系统误差参数的非线性方程组;最后,利用非线性最小二乘法求解方程组的未知参数,不仅实现了误差参数的准确估计,而且可以将磁梯度张量的输出校正到标准正交坐标系下。仿真和实验结果验证了方法的有效性,实际张量系统的张量各分量均方根误差平均值由1097.52降到14.19 nT/m。