吊舱式航空低频三分量天然场电磁勘查系统及控制方法

geophysics limited公司推出了最新、最先进的一代天然场航空电磁勘查系统:mmt(mobile magnetotellurics)，该系统结合了电子学、机载系统设计和复杂信号处理技术的最新进展。
7.但ztem、airmt和mmt等当前最先进的天然场源航空电磁系统，其最低采样频率均高达25-30赫兹，它们存在两个技术瓶颈，一是从未有效解决飞行随机振动引发的低频干扰问题，导致1-30hz信号完全淹没在噪声中，严重限制其最大测深；二是难以对传感器姿态进行精确测量和主动控制，严重影响采集的数据质量。
8.

技术实现要素：

9.本发明针对上述问题提供的吊舱式航空低频三分量天然场电磁勘查系统，可以使传感器姿态得到精确测量，该系统的信号采集频率范围为3-25000hz，理论探测深度可达10000米（地质条件500ω
·
m）。
10.本发明采用如下技术方案：本发明吊舱式航空低频三分量天然场电磁勘查系统，包括外壳子系统、隔振子系统、传感器平台子系统、控制子系统；所述的外壳子系统内布置 、传感器平台子系统、控制子系统；所述的隔振子系统位于外壳子系统内，水平轴与外壳子系统之间固定有解耦轴承，用以实现隔振子系统与外壳子系统之间的旋转解耦，隔振子系统设有向外壳子系统外部延伸的水平轴，该水平轴用于与航空平台牵引绳相连；所述的传感器平台子系统及控制子系统布置在隔振子系统内，所述控制子系统通过传感器平台子系统所反馈的数据，以控制隔振子系统的非线性气动隔振过程、传感器平台子系统的动态平衡、运动模型主动预测及姿态校正。
11.本发明所述的吊舱式航空低频三分量天然场电磁勘查系统，所述的外壳子系统包括舱体模块、机翼模块、起落架模块；所述机翼模块固定在舱体模块的尾端、所述起落架模块固定在舱体模块的底端；所述的舱体模块呈水滴形状，其具有球形的前端以及锥形的尾端。
12.本发明发所述的吊舱式航空低频三分量天然场电磁勘查系统，所述的隔振子系统包括气动悬挂模块、弹性体模块、底座模块、牵引架模块；所述气动悬挂模块固定在牵引架模块上，所述底座模块通过弹性体模块悬挂在气动悬挂模块下方；所述的气动悬挂模块包括气浮轴承气缸、行进器、导轨、滑轮、凸台、底盘；所述的底盘相对布置凸台，相对布置的凸台之间设有气浮轴承气缸，行进器，导轨；所述的行进器布置在导轨内且沿导轨延伸方向滑动，气浮轴承气缸的活塞杆与行进器相连，气浮轴承气缸通过活塞杆驱动行进器移动；气浮轴承气缸布置在其中一个凸台上，该凸台上设有滑轮；具体的为底盘上左右两端各有两个凸台，左边的凸台上布置有一个气浮轴承气缸，左边的凸台共可以设有有两个气浮轴承气缸，滑轮设置在左边的两个凸台之间；所述的牵引架模块包括上圆环、下圆环、径向肋板；所述的上圆环与下圆环的圆心一致且上下布置；所述的上圆环与下圆环之间设有径向肋板；径向肋板沿上圆环与下圆环的中心呈圆周排列布置上圆环与下圆环的边缘；所述的底座模块包括悬挂环、中心圆柱、碗状底座、悬挂板；所述的悬挂环布置在
碗状底座上，碗状底座的中心设有中心圆柱，沿悬挂环径向以圆心排列若干个悬挂板；所述的弹性体模块分为垂直弹性体，水平弹性体；所述的垂直弹性体及水平弹性体的一端固定在气动悬挂模块中的行进器上，垂直弹性体及水平弹性体的另一端固定在底座模块的悬挂环上，所述的垂直弹性体及水平弹性体绕过气动悬挂模块的滑轮。
13.本发明所述的吊舱式航空低频三分量天然场电磁勘查系统，所述的传感器平台子系统包括气浮轴承模块、动态平衡模块、校正模块，传感器支架；所述校正模块固定在传感器支架上，所述传感器支架通过气浮轴承模块支撑在隔振子系统中的底座模块中心处的中心圆柱上，传感器支架及底座模块用于放置动态平衡模块；所述的气浮轴承模块包括凹形砧座、尖端；所述的凹形砧座布置在中心圆柱的顶端，凹形砧座上方布置尖端，尖端布置传感器支架的顶端；所述的凹形砧座的内凹面设有若干沿圆周排列的供气体流通的小孔；动态平衡模块包括动态平衡机构、线性气动振动器组、低功率嵌入式计算机；所述的动态平衡机构及低功率嵌入式计算机均布置在传感器支架；线性气动振动器组布置在中心圆柱上；所述的动态平衡机构包括由电机驱动的可移动质量块一m1、移动质量块二m2、移动质量块三m3；可移动质量块一m1、移动质量块二m2、移动质量块三m3按水平x向、y向及垂直、z向布置；所述的线性气动振动器组由相互垂直且以不同的频率振动的线性气动振动器一v1、线性气动振动器二v2、线性气动振动器三v3组成；所述的低功率嵌入式计算机用于接收可移动质量块一m1、移动质量块二m2、移动质量块三m3在水平x向、y向及垂直向z的位置数据传递至外部上位机；所述的校正模块包括气动驱动器组，陀螺仪稳定器组；所述的气动驱动器组为若干个分布于传感器支架的顶端；陀螺仪稳定器组由三个陀螺仪稳定器组成，其中一个陀螺仪稳定器位于传感器支架的中心轴线上，其余陀螺仪稳定器位于偏离传感器支架中心轴线上且相对布置。
14.本发明所述的吊舱式航空低频三分量天然场电磁勘查系统，还包括由上位机、主传感器组、信号调理电路、数据采集电路与无线路由器组成的采集存储模块；所述的主传感器组位于传感器平台子系统内，主传感器组用于收集场数据，且将数据传递至信号调理电路，信号调理电路将信号处理后传递至数据采集电路，数据采集电路将数据通过无线路由器传递至上位机。
15.本发明所述的吊舱式航空低频三分量天然场电磁勘查系统，其特征在于：所述的控制子系统包括气动悬挂非线性控制模块，动态平衡控制模块，传感器姿态校正控制模块；所述的气动悬挂模块非线性控制模块包括空气压缩机、储气罐、电磁阀、位移传感器、压强传感器、第一电子控制单元；所述的空气压缩机配置储气罐，储气罐与电磁阀相连，电磁阀与气浮轴承气缸相连；所述位移传感器安装在气浮轴承气缸上的活塞杆部，所述压强传感器用于监测气浮轴承气缸的工作压强，所述位移传感器、压强传感器分别与第一电子控制单元电性相连；所述的动态平衡控制模块包括上位机、嵌入式计算机、动态平衡机构、ahrs系统；
所述的ahrs系统布置在传感器支架上，且分布布置于传感器支架；所述的ahrs系统将数据传输至上位机，所述上位机将处理后的信息传递至嵌入式计算机，所述嵌入式计算机控制动态平衡机构作动；所述的传感器姿态校正控制模块包括第二电子控制单元、校正模块、倾角检测传感器组成；通过倾角检测传感器对传感器平台子系统进行倾角测量，并传递值第二电子控制单元，第二电子控制单元用于针对校正模块进行调节传感器平台子系统与竖直方向的倾角。
16.本发明所述的吊舱式航空低频三分量天然场电磁勘查系统，基于神经网络方法建立气浮轴承加速度模块与传感器平台子系统运动响应的深度学习模型，以预测传感器平台子系统的运动姿态；其具体步骤如下：s1:利用高精度三分量加速度计测量气浮轴承模块的加速度；s2:记录传感器平台子系统的实测角运动响应；s3:分析传感器平台子系统的响应分布规律；s4:基于系统辨识方法建立气浮轴承模块加速度与传感器平台子系统运动响应的深度学习模型；。
17.s5:建立传感器平台子系统3运动模型。
18.本发明所述的吊舱式航空低频三分量天然场电磁勘查系统，动态平衡控制模块的控制方法如下：s1：建立传感器平台子系统偏离稳定姿态的姿态数据与因此而产生的转动惯量之间的关系；s2:建立步骤s1中转动惯量与动态平衡机构为抵消该转动惯量而产生的位移数据之间的关系；s3:根据步骤s1和s2中的关系和ahrs系统测得的当前姿态信息计算x，y，z方向可移动质量块位移；上位机将计算出来的位移信息无线传输给嵌入式计算机，嵌入式计算机驱动x，y，z方向的可移动质量块移动到相应位置，使传感器平台子系统的质心与旋转中心重合。
19.有益效果发明提供的吊舱式航空低频三分量天然场电磁勘查系统，该系统的外壳体形成水滴形状，用以营造一个气流和力场与外界隔离的环境，该形状是相同材料下具有最大内部容积的最符合空气动力学的形状，可以最大限度的减少空气流产生的振动与阻力，保护内部其它子系统免受外部环境的影响。
20.发明提供的吊舱式航空低频三分量天然场电磁勘查系统中，隔振子系统采用气动悬挂隔振技术，其固有频率低至0.5hz,能够有效的隔绝载体的振动，该隔振方法具有承载能力大、应对行程大、主动可控等优点。
21.发明提供的吊舱式航空低频三分量天然场电磁勘查系统中，传感器平台子系统可以实时得到动态平衡与姿态校正，并可以实现传感器姿态的精确测量与主动控制，本发明采用天然场源代替人工场源，探测深度大，其理论探测深度可达10000米（地质条件500ω
·
m），系统的最低采集频率可达3hz。
22.附图说明
23.图1为本发明的航空低频三分量天然场电磁勘查系统的透视图。
24.图2为本发明的外壳子系统的示意图。
25.图3为本发明的隔振子系统气动悬挂模块示意图。
26.图4为本发明的隔振子系统弹性体模块示意图。
27.图5为本发明的隔振子系统底座模块示意图。
28.图6为本发明的隔振子系统牵引架模块示意图。
29.图7为本发明的传感器平台子系统的剖面图。
30.图8为本发明的传感器平台子系统气浮轴承模块砧座的示意图。
31.图9为本发明的传感器平台子系统动态平衡模块示意图。
32.图10为本发明的传感器平台子系统校正模块俯视图。
33.图11为本发明的传感器平台子系统采集存储模块流程图。
34.图12为本发明的气动悬挂非线性控制模块流程图。
35.图13为传感器平台子系统的横截面简图。
36.图14为本发明的稳定平台动态平衡控制模块的流程图。
37.图15为本发明的运动模型主动预测模块的流程图。
38.图16为本发明的传感器姿态校正控制模块的流程图。
39.附图标记：外壳子系统1；舱体模块11；机翼模块12；尾翼121；水平翼122；起落架模块13；前梁131；后梁132；防滑片133；隔振子系统2；气动悬挂模块21；气浮轴承气缸211；行进器212；导轨213；滑轮214；凸台215；刚性底盘216；活塞杆217；气浮轴承218；弹性体模块22；基本垂直的弹性体221、基本水平的弹性体222；底座模块23；悬挂环231；中心圆柱232；碗状底座233；悬挂板234；牵引架模块24；上圆环241；下圆环242；径向肋板243；水平轴244；传感器平台子系统3；气浮轴承模块31；凹形砧座311；小孔3111；尖端312；动态平衡模块32；动态平衡机构321；可移动质量一m1、可移动质量二m2、可移动质量三m3；线性气动振动器组322 ；上位机323；低功率嵌入式计算机324；线性气动振动器组一v1、线性气动振动器组二v2、线性气动振动器组三v3；校正模块33；气动驱动器组331；陀螺仪稳定器组332；气动驱动器3311；陀螺仪稳定器一3321、陀螺仪稳定器二3322、陀螺仪稳定器三3323；采集存储模块34；主传感器组341，调理电路342；数据采集电路343；无线路由器344；控制子系统4；气动悬挂非线性控制模块41；空气压缩机411；储气罐412；电磁阀413；位移传感器414；压强传感器415；第一电子控制单元416；稳定平台动态平衡控制模块42；ahrs系统421；运动模型主动预测模块43；高精度三分量加速度计431；传感器姿态校正控制模块44；传感器支架5；传感器平台子系统的旋转中心6，传感器平台子系统的质心7。
40.具体实施方式
41.为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。
42.如图1所示，一种吊舱式航空低频三分量天然场电磁勘查系统，包括外壳子系统1、隔振子系统2、传感器平台子系统3和控制子系统4，隔振子系统2、传感器平台子系统3和控制子系统3安装在外壳子系统1内；隔振子系统2通过固定在其上的两个向相反方向延伸的水平轴244穿过外壳子系统1与一端固定到航空平台上的牵引绳索相连，在水平轴244与外壳子系统1之间固定有解耦轴承，用以实现隔振子系统2与外壳子系统1之间的旋转解耦，传感器平台子系统3通过气浮轴承模块31单点支撑在隔振子系统2底座模块23的中心圆柱232上，控制子系统4用以控制隔振子系统2的非线性气动隔振过程和所述传感器平台子系统3的动态平衡、运动模型主动预测与姿态校正。
43.下面对该吊舱式航空低频三分量天然场电磁勘查系统的各子系统进行详细的描述：如图1至图2所示，外壳子系统1包括舱体模块11、机翼模块12和起落架模块13，所述机翼模块12固定在舱体模块11的尾端、所述起落架模块13安装在舱体模块11的底端。
44.如图2所示，所述外壳子系统1的舱体模块11被设计成水滴形状，其具有球形的前端以及锥形的尾端，该舱体模块由四个相同的部分组成，并依靠每个部分上向外突出的法兰栓互相连接。外壳子系统1的机翼模块12固定在舱体模块11的锥形尾端，包括一个尾翼121和两个垂直于尾翼121的水平翼122。尾翼121与水平翼122均有一条边与锥形尾端相连，尾翼和水平翼的梢部采取光滑过渡措施。外壳子系统1的起落架模块13对称安装在舱体模块11的底端，所述起落架模块13被设计成滑橇式，主要由前梁131、后梁132和防滑片133组成，结构简单可靠，易于加工和维护。
45.如图3至图6所示，所述隔振子系统2包括气动悬挂模块21、弹性体模块22、底座模块23和牵引架模块24，所述气动悬挂模块21固定在牵引架模块24上，所述底座模块23通过弹性体模块22悬挂在气动悬挂模块21下方。
46.如图3所示，隔振子系统2的气动悬挂模块21主要由气浮轴承气缸211、行进器212、导轨213、滑轮214、凸台215和底盘216组成，气浮轴承气缸211固定在凸台215上，所述凸台215、滑轮214、导轨213被固定在刚性底盘216上，行进器212与气浮轴承气缸211的活塞杆217通过气浮轴承218相连，行进器212在力的作用下可在导轨213上滑动，通过控制空气压缩机向气浮轴承气缸211内输入的气体以向活塞头施加力，保证活塞处于气浮轴承气缸211行程的中心位置；空气压缩机被放置在航空平台上，通过气动系统与气浮轴承气缸相连。
47.作为本发明的优选方案，气动悬挂模块21与竖直方向成一定角度布置，因此隔振子系统2包括两种类型的气动悬挂模块，滑轮214所处的高度不同，每种类型均包含三个气动悬挂模块21，两种类型的六个气动悬挂模块21间隔60圆周分布，同种类型的气动悬挂模块21间隔120圆周分布。
48.如图4所示，隔振子系统2的弹性体模块22的一端固定到气动悬挂模块21的行进器212，另一端绕过滑轮214固定在底座模块23的悬挂环231上；由于滑轮214所处的高度不同，因此可将弹性体模块22分为基本垂直的弹性体221和基本水平的弹性体222两种类型，分别用于将有效载荷与载体之间的垂向振动和横向振动隔离开。
49.如图5所示，隔振子系统2的底座模块23包括悬挂环231、中心圆柱232以及碗状底座233，所述悬挂环231上设有与弹性体模块22相连的悬挂板234，所述中心圆柱232固定在碗状底座233的中心，用以支撑传感器平台子系统3，同时限制传感器平台子系统3的最大倾斜角度。
50.如图6所示，隔振子系统的牵引架模块由较小直径的上圆环241、较大直径的同轴下圆环242和连接上圆环241和下圆环242的多个成对径向肋板243组成，下圆环241上固定有两个向相反方向延伸的水平轴244，水平轴244穿过外壳子系统1与一端固定在航空平台上的牵引绳索相连，气动悬挂模块21固定在成对的径向肋板243之间。
51.如图7至图10所示，传感器平台子系统3主要包括气浮轴承模块31、动态平衡模块32和校正模块33，校正模块33固定在传感器支架5上，传感器支架5通过气浮轴承模块31支撑在隔振子系统2底座模块23的中心圆柱232上，动态平衡模块32分为四部分，分别布置在不同的位置。
52.如图7至图8所示，传感器平台子系统3的气浮轴承模块31包括两部分：凹形砧座311和与之匹配的尖端312，所述尖端312可在砧座311内自由滚动；砧座311固定在隔振子系统2底座模块23的中心圆柱232上，所述尖端312连接到传感器支架5上，所述凹形砧座311上设有多个供气体流通的小孔3111，气流由空气压缩机提供，空气压缩机被布置在航空平台上，通过空气管线连接到气浮轴承模块31，从而为气浮轴承模块31提供气体，流过凹形砧座311的小孔3111的压缩空气在凹形砧座311与尖端312的微小间隙中形成气垫，该气垫可以为传感器平台子系统3提供低摩擦支撑和极高水平的旋转解耦，气浮轴承模块31由不锈钢、陶瓷或钛合金等磁导率或导电性低的材料加工而成。
53.如图9所示，传感器平台子系统3的动态平衡模块32包括动态平衡机构321、线性气动振动器组322、上位机323和低功率嵌入式计算机324，所述动态平衡机构321固定在传感器支架5上，其包括三个由电机驱动的可移动质量块m1、m2、m3，分别按照水平方向（x，y方向）和垂直方向(z方向)布置；线性气动振动器组322固定在隔振子系统2底座模块23的中心圆柱232上，由三个相互垂直且以不同的频率振动的线性气动振动器v1、v2、v3组成；上位机323与本发明的探测设备分离，用以执行控制算法并将位置控制指令通过其与嵌入式计算机之间的双向无线链路传输至低功率嵌入式计算机324；所述低功率嵌入式计算机324固定在传感器支架5上，用以接收来自上位机323的位置控制指令并驱动x，y，z方向上的可移动质量块m1、m2、m3移动到相应位置，实现传感器平台子系统3的动态平衡。
54.如图10所示，校正模块33包括气动驱动器组331和陀螺仪稳定器组332。气动驱动器组331优选四个气动驱动器3311固定在传感器支架5的顶端，通过推进空气的反力对传感器平台子系统3施加绕水平轴（x，y）轴和绕竖直轴（z轴）旋转的转矩，使传感器平台子系统3恢复到设定的姿态；所述陀螺仪稳定器组332优选三个陀螺仪稳定器固定在传感器支架5上，其中一个陀螺仪稳定器3321固定在传感器支架5中心轴线上的磁屏蔽装置中，另外两个
陀螺仪稳定器3322、3323对称固定在传感器支架5上且偏离中心轴线的磁屏蔽装置中，用于减少传感器平台子系统3在横摇、纵摇和偏航中的旋转抖动。
55.如图11所示，采集存储模块主要由场传感器组341、信号调理电路342、数据采集电路343和无线路由器344组成，上位机323与探测设备分离，主传感器组341安装在传感器支架5上用以收集场数据，主传感器组341包含多个场传感器，其可以是线圈、磁通门磁强计、原子光泵磁传感器、（低温或高温）超导量子干涉仪等，与目前常见的大线圈结构相比，所述线圈要有足够容纳各子系统和传感器的空间以及承载冷却系统和稳定平台的载重能力，所述信号调理电路342和数据采集电路343分别固定在传感器支架5上的不同位置，所述信号调理电路342用以对主传感器组341测得的低频三分量电磁数据进行信号调理，如差分放大、低通滤波等，调理后的电磁数据经数据采集电路343采集并将这些信号传输到位于传感器支架5上的无线路由器，数据链沿着局域网或传输电缆将数据从无线路由器344传输到上位机323存储并分析。
56.如图12至图15所示：所述控制子系统4主要包括气动悬挂非线性控制模块41、稳定平台动态平衡控制模块42、运动模型主动预测模块43、传感器姿态校正控制模块44组成，均采用主动控制。
57.如图12所示，控制子系统的气动悬挂模块非线性控制模块主要包括空气压缩机411、储气罐412、电磁阀413、气浮轴承气缸211、位移传感器414、压强传感器415和第一电子控制单元416组成，所述位移传感器414安装在气浮轴承气缸211上的活塞上，所述压强传感器415用于监测气浮轴承气缸211的工作压强，所述位移传感器414和压强传感器415分别与第一电子控制单元电性416相连。当第一电子控制单元416上电后，通过位移传感器414读取气浮轴承气缸活塞当前的位置，确定活塞距离行程末端的距离，此距离由第一电子控制单元416记录与处理，以提供压力控制，通过控制电磁阀413调节气浮轴承气缸211内的压强，从而对活塞的位置进行调节，使活塞处在气浮轴承气缸211的中心位置。
58.如图13所示，当所述传感器平台子系统3失衡时，其质心7偏离旋转中心6，所述线性气动振动器组322的振动会对传感器平台子系统3施加额外的转矩使其旋转，并引入噪声，因此，需要对其进行动态平衡。
59.如图13至图14所示，所述控制子系统的稳定平台动态平衡控制模块主要由上位机323、低功率嵌入式计算机324、动态平衡机构321、线性气动振动器组322和ahrs系统421组成，所述ahrs系统421安装在传感器支架5上的不同位置，其包括陀螺仪、加速度计和磁传感器，当所述传感器平台子系统3失衡时，其质心7偏离旋转中心6，所述线性气动振动器组322的振动会对传感器平台子系统3施加额外的转矩使其旋转，辅助传感器测得的姿态信息无线传输至上位机，上位机通过计算得到可移动质量块的位移量，其计算方式包括：s1：建立传感器平台子系统偏离稳定姿态的姿态数据与因此而产生的转动惯量之间的关系；s2:建立步骤s1中转动惯量与动态平衡机构为抵消该转动惯量而产生的位移数据之间的关系；s3:根据步骤s1和s2中的关系和ahrs系统测得的当前姿态信息计算x，y，z方向可移动质量块位移；上位机将计算出来的位移信息无线传输给嵌入式计算机，嵌入式计算机驱动x，y，
z方向的可移动质量块移动到相应位置，使传感器平台子系统的质心与旋转中心重合。
60.如图15所示，运动模型主动预测模块可以基于神经网络方法建立气浮轴承加速度模块与传感器平台子系统运动响应的深度学习模型来预测传感器平台子系统运动响应的深度学习模型来预测传感器平台子系统3的运动姿态，高精度三分量加速度计431布置在气浮轴承模块31附近，其步骤如下：s1:利用高精度三分量加速度计431测量气浮轴承模块31的加速度；s2:记录传感器平台子系统3的实测角运动响应；s3:分析传感器平台子系统3的响应分布规律；s4:基于系统辨识方法建立气浮轴承模块31加速度与传感器平台子系统3运动响应的深度学习模型，所示系统辨识可基于神经网膜、模糊识别或深度学习等辨识算法。
61.s5:建立传感器平台子系统3的运动模型。
62.如图16所示，传感器姿态校正控制模块44主要由第二电子控制单元441、校正模块33、倾角检测传感器442组成。当第二电子控制单元441上电后，通过倾角检测传感器442对传感器平台子系统3进行倾角测量，读取传感器平台子系统3当前的状态；这里也可用高精度三分量加速度计来测量，通过得到的重力加速度在当前姿态下的加速度值来计算传感器平台子系统3的倾角，若倾角大于第二电子控制单元441设定的需要调节的阈值，即》时，第二电子控制单元441会根据倾角的大小，计算校正模块每个气动驱动器3311施加的校正力矩，进而调节传感器平台子系统3与竖直方向的倾角，直到时，停止调节。所述校正力矩的施加装置可以是低电磁噪声的气动马达。
63.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。