基于循環隊列的磁梯度張量測量數據同步技術設計*

萬家佐，凌振寶，王 君，馬 超，李文可

(吉林大學 儀器科學與電氣工程學院，吉林 長春130061)

0 引 言

磁法勘探中的測量對象分為地磁場和磁異常場，磁法勘探的原理就是提取磁異常場進行研究分析來實現礦體定位和分析地質構造等目的，按探測對象的不同分為磁場模量測量、磁場矢量測量和磁梯度張量測量［1］。

磁梯度張量測量就是測量地磁場矢量三個分量在相互正交的三個方向上的空間變化率，是一種重要的磁場特性分析方法，它幾乎不受地磁場的干擾，能夠弱化背景磁場，突出局部異常磁場，沒有對地磁場方向極度敏感的缺點，是目前磁測研究的熱門方向［2～4］。

磁梯度張量測量中使用的傳感器是矢量傳感器，在實際探測中其探頭姿態的變化會導致磁梯度張量分量發生波動，從而出現假的磁異常，影響探測的分析結果，因此，在探頭中安裝慣導系統并通過慣導數據對該部分數據進行補償實現姿態校正是非常必要的［5］。

實際設計中的慣導系統和張量數據探測與采集系統一方面使用不同的時鐘系統;另一方面具有不同的數據更新率，在進行慣導數據和張量數據融合設計時，必須保證用于融合的兩種數據在采集時間點上嚴格一致，所以，在具體系統的設計中，研究有效的數據同步技術具有非常重要的意義［6～8］。

1 磁場張量梯度測量系統數據同步采集技術

慣導系統和張量采集系統是互相獨立的，它們分別使用不同的時鐘系統，另一方面，二者的采樣率或者說數據更新率是不同的，慣導系統的采樣率通常在幾百赫茲，張量傳感器的數據更新率能夠達到1kHz 以上，因此，研究有效的數據同步采集技術是非常關鍵的。

GPS 接收機會輸出一種間隔為1s 的秒脈沖(pulse per second，PPS)信號，它與協調世界時(UTC)的時間同步誤差不超過1 μs，可以將數據打上時間標記從而為全世界的用戶提供時間同步能力［9～11］。因此，可以利用慣導系統中GNSS 接收機輸出的PPS 觸發梯度傳感器的數據采集裝置進行數據采集，具體硬件實現方式如圖1 所示。以GPS 接收機輸出的1 PPS 為參考基準，控制IMU 采集裝置和張量數據采集裝置嚴格在1 PPS 的上升沿分別進行一次姿態數據和張量數據采集，并送至上位機處理。由PPS 觸發采集裝置的采集保證了梯度傳感器數據采集裝置的采樣和慣導系統IMU 采集裝置的采樣與UTC 時間嚴格對齊。

圖1 磁梯度張量測量系統數據同步采集連接方式Fig 1 Magnetic gradient tensor measurement system data synchronization acquisition mode of connection

2 磁場張量梯度測量系統數據同步保存技術

軟件設計中數據同步的實現，是將接收的張量數據與慣導數據以一定的格式打包在一起，存儲到文件中，在數據打包的過程中，通過提取張量數據的時間信息和慣導數據的時間信息，二者對比處理，確保二者的數據信息同步。

為此，設計了基于循環緩沖隊列的數據同步采集技術，使用循環隊列的好處是平衡讀取數據和寫入數據的速度差異，進而提高運行效率，節省內存空間增強資源利用率，非常方便提取與拼接數據包，此外，很容易通過設置循環隊列的容量大小從而避免數據在接收過程中由于緩沖區阻塞而丟失的情況。

隊列是一個先進先出的線性表，其插入元素和刪除元素操作在表的不同端進行。添加元素的一端叫做隊尾，刪除元素的一端叫做隊首。而循環隊列可用式(1)來描述

把數據queue［MaxSize］描述成一個循環隊列，則第一個元素為queue［0］，第二個元素為queue［1］，其他元素依次類推，直到第MaxSize 個元素queue［MaxSize］時，下一個元素則重新指向數組queue［0］。

基于上面的思路引入循環隊列緩沖機制，通過循環隊列緩沖區可以按不同的需要保存一定時間的數據量，系統中梯度傳感器采集的數據與慣導系統的數據是異步的，數據開始采集時分別將張量數據和慣導數據存放在兩個循環緩沖區內，并定義為FIFO1 和FIFO2，并以GPS 測量的時間為標準，在兩個循環緩沖區內提取數據并進行數據融合。軟件運行后從存放張量數據的循環隊列緩沖區FIFO1 提取標記GPS 時間T1的數據，從存放慣導系統數據的循環隊列緩沖區FIFO2 提取標記GPS 時間T2的數據，如果T1＞T2，則等待慣導系統繼續向循環隊列緩沖區FIFO2 添加數據;如果T1＜T2，則等待張量數據采集模塊繼續向循環隊列緩沖區FIFO1 添加數據;如果T1=T2，則將張量數據和慣導系統數據標記同樣的GPS 時間標簽后進行數據融合處理和進一步處理工作。具體工作流程如圖2 所示。

圖2 數據同步融合處理流程圖Fig 2 Flow chart of data synchronous fusion processing

3 實驗與結果分析

在磁梯度恒定的環境中，將載有慣導系統和梯度傳感器的小車置于地面進行往復運動，記錄整個運動過程的磁場梯度張量分量數據，將保存的數據經過Matlab 軟件進行仿真處理并對結果進行分析和比較。

從磁梯度張量的幾個分量中選取Gzz分量進行分析，經過慣導系統測量的姿態信息對梯度傳感器測量的Gzz分量進行姿態校正處理后得到圖3所示的結果，由圖中曲線可以明顯地看出:因為在載體運動時梯度傳感器的姿態發生變化，導致所測得的磁場張量有較大的波動，經過姿態校正后的磁場梯度數據相比校正前的磁場張量波動明顯較小，曲線相對變平穩了，符合所測環境中磁梯度的的特征。該結果表明:慣導系統對張量數據的姿態變換校正效果良好，校正程度較高。

圖3 校正前后磁場梯度分量Gzz的變化Fig 3 Change of magnetic field gradient component Gzz before and after correction

4 結 論

本文提出了一種磁場張量梯度數據同步采集與保存技術，將上位機接收梯度傳感器和慣導系統同一時刻采集的數據同步保存和處理，對于解決在航空張量測量中通過慣導系統對梯度傳感器進行姿態校正的問題提供了基礎和保證。

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