航運設備裝載平臺磁性分布研究

1無人機磁性測量特點飛機測量船操作模式是實現遠海磁體磁體測量的有效手段。目前完成的航磁測量設備的小型化首先為無人機航磁測量模式的實現提供了現實可行性。對無人機進行加改裝,實現無人機與機載航磁測量設備的最佳組合,是測量前期準備工作的重要內容。無人機技術的低成本和相對成熟性,使目前可用于航磁測量的無人機種類很多。由于無人機重量、大小、形狀和材質等均存在明顯差異,不同類別的無人機具有不同的磁性,因此,研究無人機磁性的特點和規律,是開展無人機航磁測量的前提與基礎。本文根據地磁背景場特點和磁偶極子磁場分布規律,在簡單的野外條件下,合理設計磁探頭和無人機之間的位置關系,有序調整無人機機頭的方位,以常用的總強度磁力儀為測量儀器,通過測定多個節點的磁異常值,計算得出無人機的固有磁矩分量和感應磁矩分量,并通過實例試算和驗證。2飛機磁頭計算模型2.1無人機磁矩及分散量磁性是指自然界中鐵磁體物質所特有的一種向外輻射磁場的屬性,一個物體磁性強弱,通常用磁矩描述。磁矩是一個矢量物理量。無人機磁矩一般包括兩部分:當前地磁背景場誘發下產生的感應磁矩和歷史上形成的剩余磁矩,也稱固有磁矩。感應磁矩和剩余磁矩疊加在一起,構成當前無人機磁矩的全部。基于機載空間坐標系,無人機磁矩M可分解為三個分量:縱向分量MX,橫向分量MY和垂向分量MZ,見圖1。每個磁矩分量由可分解為感應磁矩Mi和固有磁矩Mp兩部分,即:2.2背景場磁路不足將無人機放置在磁探頭之南或之北r處,保持機頭方位為0°,使機載坐標系與地磁空間坐標系軸向一致,見圖2。由磁偶極子的磁場分布規律可知,橫向磁矩分量MY產生的磁場分量垂直于地磁背景場T0,且量級相差懸殊,因此可以忽略不計,縱向磁矩分量MX和垂向磁矩分量MZ所產生的磁場對地磁背景場的影響,見圖3,即:式中,μ0為磁導率,μ0=4π×10-7;r為磁探頭與無人機之間的距離,單位為m。將μ0=4π×10-7代入上式得:式中,單位為nT,有關磁矩分量的單位為A/m。將無人機的機頭方位由0°調整為180°,見圖4。由磁偶極子的磁場分布規律可知,此時橫向磁矩分量MY產生的磁場對地磁背景場T0的影響仍可忽略不計,縱向磁矩分量MX和垂向磁矩分量MZ所產生的磁場對地磁背景場的影響,見圖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處安置無人機,并分別測出無人機機頭方位分別為0°和180°時對應的磁異常值,就可以據此計算其固有磁矩的縱向分量MpX。2.3環境場分布規律將無人機放置在磁探頭西面r處,保持機頭方位為0°,使機載坐標系與地磁空間坐標系軸向一致,見圖6。由磁偶極子的磁場分布規律可知,橫向磁矩分量MY產生的磁場垂直于地磁背景場T0,且量級相差懸殊,對地磁背景場T0的影響可忽略不計,縱向磁矩分量MX和垂向磁矩分量MZ所產生的磁場對地磁背景場的影響,見圖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)可得縱向感應磁矩分量MiX為:式(9)就是縱向感應磁矩分量MiX的計算模型。2.4南海磁異常量的檢測測定無人機的橫向磁矩分量時,可采用縱向磁矩分量的測量方法,將機載坐標系的Y軸與地磁空間坐標系X軸一致,分別放置在南面節點上和西面節點上,采用總強度磁力儀測定磁場總場值并計算磁異常值,最后求出橫向磁矩分量,包括橫向感應磁矩分量MiY和橫向固有磁矩分量MpY。根據上述無人機磁矩測量原理,可歸納出無人機磁矩測量的過程如下。(1)設置無人機機載坐標系,使X軸沿無人機機頭方向,X向右,Z軸向下;(2)選擇地磁場變化比較平緩的平整場地作為測試場地,采用靈敏度較高的總強度磁力儀作為測量儀器,常見的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)在場地中央標定兩條正交測線,如圖2所示,其中的南北向測線沿著地磁背景場方向,分別在測線上依次標定多個測點的位置:1、2、……等,測點間距分別為1m、2m、3m……,一般情況下測點個數不超過10個;(4)在正交測線中央安置磁力儀探頭,同時30m以外布設地磁日變站;(5)啟動氦光泵海洋磁力儀和日變站磁力儀,將采樣頻率設置為1Hz,連續同步采集磁力數據;(6)依次將無人機搬運到每個節點,首先使無人機機頭方位呈0°;(7)作業人員撤離探頭后,記錄此時的節點編號、測量時刻和磁場值;(8)然后依次把無人機機頭調整成90°、180°、270°,記錄測量時刻和磁力值;(9)測試完成后根據測量時間減去日變影響,求出無人機產生的磁異常值;(10)根據上述模型計算無人機的各個磁矩分量;(11)為保證測量精度,應在多個測點上進行測量,相互比較驗證計算結果,最后取平均值作為最終成果。3測量結果分析根據無人機航磁測量技術試驗需要,以天津全華時代航天科技公司的一款小型無人機作為承載平臺,采用G882銫光泵海洋磁力儀作為測量儀器,在濱海新區選擇一段未竣工海邊公路作為試驗場地。首先按照上述無人機磁矩測量步驟,標定正交測線及其節點,在場地中央安置G882海洋磁力儀探頭,在30m以外設置地磁日變站。在正式測量之前,通過1h的海洋磁力儀和地磁日變站的連續同步測量,計算出日變站與磁探頭之間的點位差為-43nT,數據處理時采用式(10)計算得出磁探頭在觀測時刻的地磁背景場值。式中,t為各個測量時刻;T0(t)為t時刻磁探頭處的地磁背景場值;Td(t)為t時刻日變站磁力儀讀數。依次把無人機放置在磁探頭之南和之西,探測距離分別設置為4.0m,4.5m和5.0m,無人機機頭方位依次為0°、90°、180°和270°,采集的各項數據見表1、2。根據本文提出的磁矩處理模型,計算無人機的各個磁矩分量,結果見表3、4。從表3、4可知,根據不同節點處的磁異常測量值,計算求得的無人機磁矩各個分量基本相等,由此說明上述測量結果的可靠性。由于無人機所用的絕大部分磁性材料為硬鐵材料,據國外文獻介紹,1噸硬鐵材料在自然狀態下被磁化,產生的磁矩量為0.1~1.0Am2/kg,按該無人機重量40kg估算,其總磁矩應該在4.0~40.0Am2之間,由表3和表4的計算結果可知,無人機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,磁矩合成值可達到11.7Am2,與文獻資料的估計結果相符,從另一個角度說明了本文磁矩測量方法和數據處理模型的有效性。4無人機磁矩測量模型建立本文根據地磁背景場特點和磁偶極子磁場分布規律,在簡單的野外條件下,合理設計磁探頭和無人機之間的位置關系,有序調整無人機機頭的方位,以常用的總強度磁力儀為測量儀器,通過測定多個節點的磁異常值,計算得出無人機的固有