一种背负式磁梯度测量方法与流程

1.本发明涉及地球物理勘测中的磁法测量技术领域，尤其是一种背负式磁梯度测量方法。


背景技术：

2.磁法测量是地球物理领域中磁性地质勘测应用中较广泛的手段之一，能够可靠的反映地表或探测区域的磁性异常情况，通过对测区进行连续的扫测、记录并存储，并根据得到的地磁观测数据进行处理、反演和成图，能够得到不同特征的磁异常剖面图，通过对磁异常剖面图的分析并结合地质的磁场特性，可实现深层次的地质构造分析、掩埋磁性体的定位、矿产资源的区域分布、高价值磁异常目标的定位等，因此磁法测量广泛应用于地表勘查、地质找矿、地下掩埋物探测、未爆军火定位、磁目标探测等领域。
3.磁法测量的方式有很多种，按照不同的载体来区分，由飞行器作为磁测平台的磁法测量称为航空磁测、由船舶作为磁测平台的称为海洋磁测，由地面运载体作为磁测平台的称为地面磁测。
4.磁梯度测量是通过两套或两套以上磁力仪，按照一定的方式排列，同步采集磁场数据，通过同一时刻采集的磁数据来获得磁场的梯度值，相比于传统的单个磁力仪而言，磁梯度测量有很多显著的优势，比如对磁异常的分辨率高，能够获取到磁场源的更多细节和特征，不受日变和正常地磁场的影响，因此磁梯度测量逐渐成为磁法勘测的热门方向。现有地面磁测使用的磁梯度测量方法存在的主要缺陷是测量过程中不能灵活移动，便携性差，且大多采用有线供电的方式，限制了测量范围。


技术实现要素：

5.本发明的目的是克服上述背景技术中的不足，提供一种背负式磁梯度测量方法，使磁力梯度测量可以通过背负的方式实现，依托该系统来实现测磁目的，实现快速灵活的地面移动测磁。
6.本发明采用的技术方案如下：
7.一种背负式磁梯度测量方法，包括以下步骤：
8.步骤，将磁场测量系统安装到背负系统的背负骨架中；
9.磁场测量系统包括两套铯光泵探头以及后端处理设备，两套铯光泵探头分别通过伸缩式支撑杆安装在背负骨架上，伸缩式支撑杆与背负骨架之间转动连接，后端处理设备安装在背负骨架中，每套铯光泵探头均与后端处理设备电连接，后端处理设备采用电池供电的方式，背负系统以及伸缩式支撑杆均无磁性；
10.步骤，通过伸缩式支撑杆调整两套铯光泵探头的相对高度和相对距离，实现水平梯度测量、纵向梯度测量以及垂向梯度测量；
11.水平梯度测量：两套铯光泵探头的伸缩式支撑杆均竖直朝上布置，伸展至最长的状态，水平间距不变，并且调节两套铯光泵探头的角度，使得两套铯光泵探头保持在同一高
度，两套铯光泵探头共面且与水平面呈一定夹角，然后开展水平梯度测量；
12.纵向梯度测量：调整两套铯光泵探头的伸缩式支撑杆，使两个伸缩式支撑杆分别往外转动，直到两个伸缩式支撑杆处于同一平面，调节两套铯光泵探头的角度，使得两套铯光泵探头保持在同一高度，两套铯光泵探头共面且与水平面呈一定夹角；通过伸缩式支撑杆的伸展长度来调节两套铯光泵探头的纵向间距的宽度，然后开展纵向梯度测量；
13.垂向梯度测量：两套铯光泵探头的伸缩式支撑杆均竖直朝上布置，通过调节其中一个伸缩式支撑杆，使两套铯光泵探头有垂向间距，通过调节垂向间距的长度，然后开展垂向梯度测量；
14.在上述水平梯度测量、纵向梯度测量以及垂向梯度测量当中，铯光泵探头采集的磁场数据传输给后端处理设备进行处理和存储。
15.进一步的方案，所述后端处理设备包括两套电子仓、磁力仪主机、处理单元、gps天线、gps模组以及所述电池，两套电子仓的输入侧与两套铯光泵探头通过电缆一对一电连接，电子仓接收铯光泵探头采集的磁场数据之后进行前置处理和频率转换，两套电子仓的输出侧通过电缆与磁力仪主机的输入侧电连接，将频率转换后的信号传送给磁力仪主机，磁力仪主机将频率信号处理为磁场数字信号，磁力仪主机的输出侧通过电缆与处理单元的输入侧电连接，将磁场数字信号传送给处理单元；所述gps天线固定在背负骨架上，位于两套铯光泵探头的正中间，gps天线与gps模组的输入侧电连接，gps模组的输出侧与处理单元的输入侧电连接；处理单元汇总来自磁力仪主机和gps模组的数据，并对数据进行采集、处理、显示、存储和回放，同时承担人机交互模块的指令下发和显示，以及与外部计算机进行数据交换。
16.进一步的方案，所述背负骨架的内部分为顶部功能区块、中部功能区块和底部功能区块，顶部功能区块用于固定gps天线以及铯光泵探头的伸缩式支撑杆；中部功能区块用于布置电子仓、电缆、磁力仪主机、处理单元以及gps处理器；底部功能区块用来固定电池。
17.进一步的方案，所述软背组件包括固定在背负骨架背面的背部衬垫，连接在背负骨架背面的两条肩带，以及设置在背负骨架背面下侧的腰带，背部衬垫、肩带以及腰带内部均填充海绵。
18.本发明的有益效果是：本发明将磁梯度测量的全部功能模块集成到背负式系统，使用电池供电，使地面磁梯度测量以背负的方式得以实现，具备独立性、便捷性和灵活性，极大地扩展了磁测扫测面积；通过伸缩式支撑杆的伸缩以及转动，可以改变两套铯光泵探头之间的垂直距离和水平距离，使系统具备水平梯度测量、垂向梯度测量和纵向梯度测量三种工作模式，应用范围广，采用大容量电池供电后，续航时间长，可以满足整个白天的实际作业需求。
附图说明
19.图1是磁场测量系统与背负系统的集成结构示意图。
20.图2是背负骨架的内部结构示意图。
21.图3是磁场测量系统的电路原理框架图。
22.图4是本发明的水平梯度测量模式的示意图。
23.图5是本发明的纵向梯度测量模式的示意图。
24.图6是本发明的垂向梯度测量模式的示意图。
具体实施方式
25.为使本领域的普通技术人员更加清楚地理解本发明的目的、技术方案和优点，以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述，但本发明并不局限于以下实施例。
26.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解一般术语在本发明中的具体含义。
27.本发明提供的背负式磁梯度测量方法，包括以下步骤：
28.步骤1，将磁场测量系统安装到背负系统的背负骨架5中；
29.磁场测量系统包括两套铯光泵探头1以及后端处理设备，两套铯光泵探头1分别通过伸缩式支撑杆3安装在背负骨架5上，伸缩式支撑杆3与背负骨架5之间转动连接，后端处理设备安装在背负骨架5中，每套铯光泵探头1均与后端处理设备电连接，后端处理设备采用电池供电的方式,背负系统以及伸缩式支撑杆3均无磁性；
30.步骤2，通过伸缩式支撑杆3调整两套铯光泵探头1的相对高度和相对距离，实现水平梯度测量、纵向梯度测量以及垂向梯度测量；
31.在上述水平梯度测量、纵向梯度测量以及垂向梯度测量当中，铯光泵探头1采集的磁场数据传输给后端处理设备进行处理和存储。
32.如图1所示，背负系统包括采用无磁性材料制作的背负骨架5以及与背负骨架连接的软背组件。磁场测量系统包括两套铯光泵探头1以及后端处理设备。两套铯光泵探头1分别通过伸缩式支撑杆3安装在背负骨架5上，后端处理设备安装在背负骨架5中，每套铯光泵探头1均与后端处理设备电连接。
33.如图3所示，所述后端处理设备包括两套铯光泵探头1、两套电子仓9,、磁力仪主机11、处理单元12、gps天线4、gps模组10以及电池14，两套电子仓9的输入侧与两套铯光泵探头1通过电缆一对一电连接，两套电子仓9的输出侧通过电缆与磁力仪主机11的输入侧电连接，磁力仪主机11的输出侧通过电缆与处理单元12的输入侧电连接。所述gps天线4固定在背负骨架5上，位于两套铯光泵探头1的正中间，gps天线4与gps模组10的输入侧电连接，gps模组10的输出侧与处理单元12的输入侧电连接。电池14采用大容量锂电池，为整个后端处理设备的电子设备供电。
34.所述处理单元12包括处理芯片及与其连接的存储模块、接口模块以及外围电路(图中不可见)，存储模块存储处理芯片处理后的数据，接口模块与外部计算机连接后，外部计算机读写存储模块的数据。所述处理单元12还包括人机交互模块6，该人机交互模块6由与处理芯片电连接的显示屏以及按键模块组成，显示屏和按键模块安装在背负骨架的正面。
35.所述背负骨架上设置有电量指示器13，该电量指示器13与处理单元12或者电池14电连接。所述伸缩式支撑杆3的上端通过转动支座2安装着所述铯光泵探头1，下端固定在转动块3.1上，转动块3.1通过沿前后方向布置的转轴安装背负骨架5上。所述转动块3.1与背负骨架之间通过球头柱塞进行定位(现有常规结构)，转动块3.1与背负骨架5的其中一个安装着球头柱塞，另一个开设有与球头柱塞的球珠配合的两个定位坑，两个定位坑之间的夹角为90
°
。其中一个定位坑为伸缩式支撑杆3竖直状态时转动块3.1的锁止位置，球头柱塞的
球珠顶入该定位坑，防止转动块3.1转动，主要是在水平梯度测量以及垂向梯度测量模式下起作用。另一个定位坑为伸缩式支撑杆3向外转动到位，处于水平状态时转动块3.1的锁止位置，球头柱塞的球珠顶入该定位坑，防止转动块3.1转动，主要是在纵向梯度测量模式下起作用。
36.两套铯光泵探头1采集的磁场信号，通过射频电缆传输至自身所连接的电子仓9中，在电子仓9中通过前置处理后转换成频率信号，频率信号通过信号缆传输至磁力仪主机9，由磁力仪主机9将频率信号处理为磁场数字信号。需要指出的是，磁力仪主机15同步采集和处理来自两套铯光泵探头1的频率信号，并将两路磁场数字信号同步打包，通过磁数据串口缆传输至处理单元12。
37.gps天线4接收的信号通过gps信号缆传输至gps模块10中，由gps处理器10进行处理并转换成数字信号，转换后的gps数字信号通过gps串口缆传输至处理单元12。
38.处理单元12汇总来自磁数据串口缆和gps串口缆的数据，并对数据进行采集、处理、显示、存储和回放，同时承担人机交互模块6的指令下发和显示；处理单元12通过电源线连接至电池14，由电池14提供整个系统的电源。电量指示器13通过状态缆连接至处理单元12上，以能量柱的方式指示电池14的电量状态。
39.如图2所示，所述背负骨架5采用高强度无磁性工程塑料制作，内部分为顶部功能区块5.1、中部功能区块5.2和底部功能区块5.3，顶部功能区块5.1用于固定gps天线4以及铯光泵探头1的伸缩式支撑杆3；中部功能区块用于布置电子仓9、电缆、磁力仪主机11、处理单元12以及gps处理器10；底部功能区块3.3用来固定电池14。
40.所述软背组件包括固定在背负骨架背面的背部衬垫(图中不可见)，以及连接在背负骨架背面的两条肩带7，背部衬垫以及肩带7内部均填充海绵。所述软背组件还包括腰带8，腰带8设置在背负骨架背面的下侧，腰带内部填充有海绵。必要时，还可在背负骨架背面的下侧增加腰垫。
41.两个伸缩式支撑杆3的水平间隔距离以及可调节长度根据需要设定，优选的，两个伸缩式支撑杆3的水平间隔距离为300mm，单个伸缩式支撑杆3的可调节长度为0～1000mm，因此两套铯光泵探头1组成水平梯度时，间隔距离为300mm；组成垂向梯度时，间隔距离为0～1000mm；组成纵向梯度时，间隔距离为300～2300mm。
42.电池14为整个测磁系统的移动电源，例如，输出电压24v的锂电池，容量达到22400mah，通过计算，整个测磁系统的正常工作电流为1.5a，功耗为36w(24v
×
1.5a＝36w)，则电池的续航能力为14.9h(24
×
22400
÷
1000
÷
36＝14.93h)，能够保证整个测磁系统连续工作＞12小时，能够保证整个测磁系统连续工作＞12小时。电池14固定在背负骨架5的底部功能区块5.3中，距离顶部铯光泵探头1的距离最远，最大程度的减小电池14对铯光泵探头1的磁干扰影响。
43.本发明中，水平梯度测量、纵向梯度测量以及垂向梯度测量三种测量模式如下：
44.如图4所示，水平梯度测量模式是保持两个伸缩式支撑杆3竖直向上，水平间距不变的方式，水平间距等于300mm，通过将两个伸缩式支撑杆3伸展至最长的状态，并且调节转动支座2，两套铯光泵探头1保持在同一高度，两套铯光泵探头1共面，且与水平面呈一定夹角，即可实现水平梯度测量；
45.如图5所示，纵向梯度测量模式是通过调节两个伸缩式支撑杆3，使两个伸缩式支
撑杆3分别往外转动，直到两个伸缩式支撑杆3处于同一平面且共线(一般是水平面)，调节转动支座2，两套铯光泵探头1保持在同一高度，两套铯光泵探头1共面，且与水平面呈一定夹角；然后通过调节两套铯光泵探头1的纵向间距的宽度(即两套铯光泵探头1的在水平面内的距离)，来开展纵向梯度测量，纵向间距的调节范围为300～2300mm；
46.如图6所示，垂向梯度测量模式是两个伸缩时支撑杆3均竖直朝上，通过调节其中一个伸缩式支撑杆3，使两套铯光泵探头1有垂向间距，通过调节垂向间距的长度，来开展垂向梯度测量，垂向间距的调节范围为0～1000mm。
47.地面磁测系统在进行地磁测量时，需要遍历到整个测区，探头必须到达测区的任意位置，因此磁测系统必须具备便携式的特点，尤其是供电单元，不能通过连线的方式供电，这会极大限制扫测的区域范围；为了实现梯度测量，需要多台磁力仪同步测量；为了实现不同方式的梯度测量，需要磁力仪探头的间距可调。
48.本发明在背负系统的内部空间集成了磁测作业必须的全部功能模块，包括磁力仪、电子仓、处理单元、gps单元和电池，扫测区域不受测区面积的限制，具备便携式的特点；背负系统的内部空间集成了两套铯光泵磁力仪系统，从原理上可实现磁力梯度的测量功能；两套铯光泵磁力仪的探头分别安装在两个伸缩式支撑杆上，通过调节伸缩式支撑杆的长度和方向，可以改变两个探头的水平间距、纵向间距和垂向间距，从而实现水平梯度测量、纵向梯度测量和垂向梯度测量，基于上述工作原理，可以实现本发明的目的。
49.本发明中所有电子器件均为现有成熟部件，可商购获得。
50.以上所述仅为本发明的优选实施例，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。