航空磁梯度张量测量系统同源标定方法研究

Airborne magnetic gradient tensor measuring system is one of the important future directions of aeromagnetic surveys. This system can quickly and efficiently locate magnetic bodies under the ground or water in the three dimensional space. But there is still no a proper calibration method to improve the accuracy of this system, which greatly restricts its application, such as earth science and military. This project is based on two facts: First, the total field gradient and the magnetic gradient tensor are the different expression of spatial distribution of the same magnetic source. Second, the total field gradient and the magnetic gradient tensor measuring system are mounted onto the same aircraft and under the same interferential sources. We consider the Hilbert transform between the total field gradient and the components of magnetic gradient tensor as the theoretical basis and the high precision reference value of magnetic gradient tensor as the target. We will research the characteristic of error, the transfer law, the synthesis and the distribution models in the Hilbert transform during the process of actual flight, explore the mechanism of transferring correlation to deterministic relationship among error, put forward a set of error separation and processing methods to guarantee the high precision reference value, solve the problem that the calibration of airborne gradient tensor measuring system has no precision reference values, and break the limitation that the data processing method is difficult to apply to the instrument calibration in the early stage of data production. This project will effectively guarantee airborne gradient tensor measuring systems are effectively used on the application of science, engineering, and military.

航空磁梯度张量测量系统可以快速、高效地对地下、水下的磁性体进行三维定位，是航磁重要的发展方向之一。目前此类系统仍没有合适的标定方法以提高其精度，极大地制约其在地球科学、军事等领域上的应用。本项目提出的同源标定方法基于以下两个事实：其一，总场梯度和磁梯度张量是相同磁源磁场分布的不同表达。其二，总场梯度及磁梯度张量测量系统装载于同一飞行器上，处于相同干扰源下。本项目以总场梯度到磁梯度张量分量的希尔伯特变换法为理论基础，以提供高精度的磁梯度张量参考值为目标，系统研究实际飞行过程中希尔伯特变换法存在误差的特性、传递规律、合成及分配模型等，探索误差相关关系向确定性关系转换的机制，提出一套误差分离方法及处理算法，解决航空磁梯度张量测量系统标定时无高精度参考值的难题，打破数据处理方法难以应用到数据生产前期来进行仪器标定的局限，有力保障航空磁梯度张量测量系统在科学、工程、军事上的有效应用。

磁法仪器早已从最初的总场强度测量，发展到后来的总场水平和垂向梯度测量，演化到现在磁梯度张量测量。磁梯度张量具有众多优势，因此磁梯度张量测量系统成为新的研究热点，并被广泛应用到国防建设、科学研究和工程实践中。由于航空磁梯度张量测量系统缺少准确非零标定参考值，本项目提出了利用希尔伯特变换有总场梯度获取磁梯度张量的方法，并开展研究。项目组成员在项目执行期间，研究了希尔伯特变换误差特性、传递与合成规律，最后开发了一套误差分离和数据准确性评估的算法，能够根据飞行实验信息分辨出希尔伯特变换的准确性，从而为张量测量系统的标定提供非零参考值。此外，为了进一步帮助完成研究目标，项目组成员还研究了总场梯度计与张量仪测量误差的处理方案，设计了基于飞行模拟器的仿真模拟装置，并且开展了多次野外试验，获取了重要的航空飞行试验数据。研究结果表明此项研究可以为磁梯度张量测量系统的标定提供准确的参考值，对获取精确的磁梯度张量数据以及后续的数据解释有着重要的帮助。本项目的研究，不仅仅提供了一种标定磁梯度张量测量系统的新方法，而且提出了一种数据处理方法解决仪器标定的新思路，提供了一种评估航磁实验中数据质量的手段，设计的模拟器仿真平台也可以继续为后续的航磁测量项目提供有效的仿真数据，多次航空挂载实验也为以后的野外实验提供宝贵的经验。