航運(yùn)設(shè)備裝載平臺(tái)磁性分布研究

航運(yùn)設(shè)備裝載平臺(tái)磁性分布研究

1無(wú)人機(jī)磁性測(cè)量特點(diǎn)飛機(jī)測(cè)量船操作模式是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)海磁體磁體測(cè)量的有效手段。目前完成的航磁測(cè)量設(shè)備的小型化首先為無(wú)人機(jī)航磁測(cè)量模式的實(shí)現(xiàn)提供了現(xiàn)實(shí)可行性。對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行加改裝,實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)與機(jī)載航磁測(cè)量設(shè)備的最佳組合,是測(cè)量前期準(zhǔn)備工作的重要內(nèi)容。無(wú)人機(jī)技術(shù)的低成本和相對(duì)成熟性,使目前可用于航磁測(cè)量的無(wú)人機(jī)種類(lèi)很多。由于無(wú)人機(jī)重量、大小、形狀和材質(zhì)等均存在明顯差異,不同類(lèi)別的無(wú)人機(jī)具有不同的磁性,因此,研究無(wú)人機(jī)磁性的特點(diǎn)和規(guī)律,是開(kāi)展無(wú)人機(jī)航磁測(cè)量的前提與基礎(chǔ)。本文根據(jù)地磁背景場(chǎng)特點(diǎn)和磁偶極子磁場(chǎng)分布規(guī)律,在簡(jiǎn)單的野外條件下,合理設(shè)計(jì)磁探頭和無(wú)人機(jī)之間的位置關(guān)系,有序調(diào)整無(wú)人機(jī)機(jī)頭的方位,以常用的總強(qiáng)度磁力儀為測(cè)量?jī)x器,通過(guò)測(cè)定多個(gè)節(jié)點(diǎn)的磁異常值,計(jì)算得出無(wú)人機(jī)的固有磁矩分量和感應(yīng)磁矩分量,并通過(guò)實(shí)例試算和驗(yàn)證。2飛機(jī)磁頭計(jì)算模型2.1無(wú)人機(jī)磁矩及分散量磁性是指自然界中鐵磁體物質(zhì)所特有的一種向外輻射磁場(chǎng)的屬性,一個(gè)物體磁性強(qiáng)弱,通常用磁矩描述。磁矩是一個(gè)矢量物理量。無(wú)人機(jī)磁矩一般包括兩部分:當(dāng)前地磁背景場(chǎng)誘發(fā)下產(chǎn)生的感應(yīng)磁矩和歷史上形成的剩余磁矩,也稱固有磁矩。感應(yīng)磁矩和剩余磁矩疊加在一起,構(gòu)成當(dāng)前無(wú)人機(jī)磁矩的全部。基于機(jī)載空間坐標(biāo)系,無(wú)人機(jī)磁矩M可分解為三個(gè)分量:縱向分量MX,橫向分量MY和垂向分量MZ,見(jiàn)圖1。每個(gè)磁矩分量由可分解為感應(yīng)磁矩Mi和固有磁矩Mp兩部分,即:2.2背景場(chǎng)磁路不足將無(wú)人機(jī)放置在磁探頭之南或之北r處,保持機(jī)頭方位為0°,使機(jī)載坐標(biāo)系與地磁空間坐標(biāo)系軸向一致,見(jiàn)圖2。由磁偶極子的磁場(chǎng)分布規(guī)律可知,橫向磁矩分量MY產(chǎn)生的磁場(chǎng)分量垂直于地磁背景場(chǎng)T0,且量級(jí)相差懸殊,因此可以忽略不計(jì),縱向磁矩分量MX和垂向磁矩分量MZ所產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)地磁背景場(chǎng)的影響,見(jiàn)圖3,即:式中,μ0為磁導(dǎo)率,μ0=4π×10-7;r為磁探頭與無(wú)人機(jī)之間的距離,單位為m。將μ0=4π×10-7代入上式得:式中,單位為nT,有關(guān)磁矩分量的單位為A/m。將無(wú)人機(jī)的機(jī)頭方位由0°調(diào)整為180°,見(jiàn)圖4。由磁偶極子的磁場(chǎng)分布規(guī)律可知,此時(shí)橫向磁矩分量MY產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)地磁背景場(chǎng)T0的影響仍可忽略不計(jì),縱向磁矩分量MX和垂向磁矩分量MZ所產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)地磁背景場(chǎng)的影響,見(jiàn)圖5,即:由式(2)、式(3)得:由上式可得固有磁矩分量MpX為:由上述分析可知,只要在磁探頭南邊r處安置無(wú)人機(jī),并分別測(cè)出無(wú)人機(jī)機(jī)頭方位分別為0°和180°時(shí)對(duì)應(yīng)的磁異常值,就可以據(jù)此計(jì)算其固有磁矩的縱向分量MpX。2.3環(huán)境場(chǎng)分布規(guī)律將無(wú)人機(jī)放置在磁探頭西面r處,保持機(jī)頭方位為0°,使機(jī)載坐標(biāo)系與地磁空間坐標(biāo)系軸向一致,見(jiàn)圖6。由磁偶極子的磁場(chǎng)分布規(guī)律可知,橫向磁矩分量MY產(chǎn)生的磁場(chǎng)垂直于地磁背景場(chǎng)T0,且量級(jí)相差懸殊,對(duì)地磁背景場(chǎng)T0的影響可忽略不計(jì),縱向磁矩分量MX和垂向磁矩分量MZ所產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)地磁背景場(chǎng)的影響,見(jiàn)圖7,即:由式(2)和式(5)可知:由式(6)可得垂向磁矩分量MZ為:由式(8)可得縱向感應(yīng)磁矩分量MiX為:式(9)就是縱向感應(yīng)磁矩分量MiX的計(jì)算模型。2.4南海磁異常量的檢測(cè)測(cè)定無(wú)人機(jī)的橫向磁矩分量時(shí),可采用縱向磁矩分量的測(cè)量方法,將機(jī)載坐標(biāo)系的Y軸與地磁空間坐標(biāo)系X軸一致,分別放置在南面節(jié)點(diǎn)上和西面節(jié)點(diǎn)上,采用總強(qiáng)度磁力儀測(cè)定磁場(chǎng)總場(chǎng)值并計(jì)算磁異常值,最后求出橫向磁矩分量,包括橫向感應(yīng)磁矩分量MiY和橫向固有磁矩分量MpY。根據(jù)上述無(wú)人機(jī)磁矩測(cè)量原理,可歸納出無(wú)人機(jī)磁矩測(cè)量的過(guò)程如下。(1)設(shè)置無(wú)人機(jī)機(jī)載坐標(biāo)系,使X軸沿?zé)o人機(jī)機(jī)頭方向,X向右,Z軸向下;(2)選擇地磁場(chǎng)變化比較平緩的平整場(chǎng)地作為測(cè)試場(chǎng)地,采用靈敏度較高的總強(qiáng)度磁力儀作為測(cè)量?jī)x器,常見(jiàn)的G882型、SeaSPY型銫光泵海洋磁力儀和GB-6型氦光泵海洋磁力儀均可;(3)在場(chǎng)地中央標(biāo)定兩條正交測(cè)線,如圖2所示,其中的南北向測(cè)線沿著地磁背景場(chǎng)方向,分別在測(cè)線上依次標(biāo)定多個(gè)測(cè)點(diǎn)的位置:1、2、……等,測(cè)點(diǎn)間距分別為1m、2m、3m……,一般情況下測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)不超過(guò)10個(gè);(4)在正交測(cè)線中央安置磁力儀探頭,同時(shí)30m以外布設(shè)地磁日變站;(5)啟動(dòng)氦光泵海洋磁力儀和日變站磁力儀,將采樣頻率設(shè)置為1Hz,連續(xù)同步采集磁力數(shù)據(jù);(6)依次將無(wú)人機(jī)搬運(yùn)到每個(gè)節(jié)點(diǎn),首先使無(wú)人機(jī)機(jī)頭方位呈0°;(7)作業(yè)人員撤離探頭后,記錄此時(shí)的節(jié)點(diǎn)編號(hào)、測(cè)量時(shí)刻和磁場(chǎng)值;(8)然后依次把無(wú)人機(jī)機(jī)頭調(diào)整成90°、180°、270°,記錄測(cè)量時(shí)刻和磁力值;(9)測(cè)試完成后根據(jù)測(cè)量時(shí)間減去日變影響,求出無(wú)人機(jī)產(chǎn)生的磁異常值;(10)根據(jù)上述模型計(jì)算無(wú)人機(jī)的各個(gè)磁矩分量;(11)為保證測(cè)量精度,應(yīng)在多個(gè)測(cè)點(diǎn)上進(jìn)行測(cè)量,相互比較驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果,最后取平均值作為最終成果。3測(cè)量結(jié)果分析根據(jù)無(wú)人機(jī)航磁測(cè)量技術(shù)試驗(yàn)需要,以天津全華時(shí)代航天科技公司的一款小型無(wú)人機(jī)作為承載平臺(tái),采用G882銫光泵海洋磁力儀作為測(cè)量?jī)x器,在濱海新區(qū)選擇一段未竣工海邊公路作為試驗(yàn)場(chǎng)地。首先按照上述無(wú)人機(jī)磁矩測(cè)量步驟,標(biāo)定正交測(cè)線及其節(jié)點(diǎn),在場(chǎng)地中央安置G882海洋磁力儀探頭,在30m以外設(shè)置地磁日變站。在正式測(cè)量之前,通過(guò)1h的海洋磁力儀和地磁日變站的連續(xù)同步測(cè)量,計(jì)算出日變站與磁探頭之間的點(diǎn)位差為-43nT,數(shù)據(jù)處理時(shí)采用式(10)計(jì)算得出磁探頭在觀測(cè)時(shí)刻的地磁背景場(chǎng)值。式中,t為各個(gè)測(cè)量時(shí)刻;T0(t)為t時(shí)刻磁探頭處的地磁背景場(chǎng)值;Td(t)為t時(shí)刻日變站磁力儀讀數(shù)。依次把無(wú)人機(jī)放置在磁探頭之南和之西,探測(cè)距離分別設(shè)置為4.0m,4.5m和5.0m,無(wú)人機(jī)機(jī)頭方位依次為0°、90°、180°和270°,采集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、2。根據(jù)本文提出的磁矩處理模型,計(jì)算無(wú)人機(jī)的各個(gè)磁矩分量,結(jié)果見(jiàn)表3、4。從表3、4可知,根據(jù)不同節(jié)點(diǎn)處的磁異常測(cè)量值,計(jì)算求得的無(wú)人機(jī)磁矩各個(gè)分量基本相等,由此說(shuō)明上述測(cè)量結(jié)果的可靠性。由于無(wú)人機(jī)所用的絕大部分磁性材料為硬鐵材料,據(jù)國(guó)外文獻(xiàn)介紹,1噸硬鐵材料在自然狀態(tài)下被磁化,產(chǎn)生的磁矩量為0.1~1.0Am2/kg,按該無(wú)人機(jī)重量40kg估算,其總磁矩應(yīng)該在4.0~40.0Am2之間,由表3和表4的計(jì)算結(jié)果可知,無(wú)人機(jī)磁矩縱向分量最大為MX=5.2+4.8=10.0Am2,橫向分量最大為MY=2.4Am2,垂向分量最大為MZ=5.5Am2,磁矩合成值可達(dá)到11.7Am2,與文獻(xiàn)資料的估計(jì)結(jié)果相符,從另一個(gè)角度說(shuō)明了本文磁矩測(cè)量方法和數(shù)據(jù)處理模型的有效性。4無(wú)人機(jī)磁矩測(cè)量模型建立本文根據(jù)地磁背景場(chǎng)特點(diǎn)和磁偶極子磁場(chǎng)分布規(guī)律,在簡(jiǎn)單的野外條件下,合理設(shè)計(jì)磁探頭和無(wú)人機(jī)之間的位置關(guān)系,有序調(diào)整無(wú)人機(jī)機(jī)頭的方位,以常用的總強(qiáng)度磁力儀為測(cè)量?jī)x器,通過(guò)測(cè)定多個(gè)節(jié)點(diǎn)的磁異常值,計(jì)算得出無(wú)人機(jī)的固有