基于MEMS传感器的三分量检波器定向方法

沈 统，庹先国，2，李怀良，刘 勇，阳林锋

(1．地球探测与信息技术教育部重点实验室，四川成都 610059；2．地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都 610059)

0 引言

野外施工工程中，三分量检波器一般是垂直向下放置的，但检波器水平分量的两个轴向方位角却是未知的，在这两个轴向上都会记录到直达波。因此需要求出两个轴向的方位角，进行坐标旋转变换便可以得到真正的直达波。目前最常用的方法是对三分量检波器的原始资料进行处理得到检波器的方位角[1]，其中需要假设井下检波器接收到的从P波震源传来的直达P波质点振动方向与传播方向平行，且在震源和井确定的平面内，且在水平面内的投影也呈线性[2]。这就要求原始数据的精度要比较高，而且假如不满足假设的条件，则无法准确地对三分量检波器进行定向。受到井中测斜仪器和随钻测井仪器[3-5]的启发以及根据现有微VSP测井的特点，本文从测量方位角的另一个角度入手，提出了一种利用MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System，微机电系统)传感器测量检波器方位角的方法，即在震动传感器的3个轴向上同轴连接MEMS传感器组，直接采用MEMS传感器测量检波器的方位角。

1 硬件结构

三分量检波器的定向技术以MEMS惯性传感器组为基础，MEMS惯性传感器组由三轴电子罗盘、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪构成，3种传感器轴向对应组合，将3种三轴传感器对应轴同向组合成惯性传感器组的3个轴向。将多分量的地震传感器的各个轴向与MEMS传感器组轴向同轴对应相连。这样，惯性传感器组就能实时检测地震传感器的姿态变化，即三分量检波器的姿态。

1．1MEMS传感器组

MEMS传感器组包括测量地磁分量的三轴电子罗盘，测量倾角的三轴加速度传感器和对整个系统进行动态补偿的三轴陀螺仪。

电子罗盘可以感知地磁的大小，从而根据地磁的大小测出传感器敏感轴的方位指向，但当电子罗盘倾斜或者受到地磁外强磁场干扰时，会影响其精度，造成测量结果不准确。

加速度传感器可以测量加速度的大小，当没有外界加速度时，测量的是地球的重力加速度在其各个轴向的分量，通过各个分量的大小即可测出传感器组相对于水平面的倾斜角度，而通过计算出的倾斜角度，又可以对电子罗盘做相应的倾斜补偿；考虑到应用的场合，检波器固定时，能对加速度传感器造成影响的仅有地震传感器接收到的地震波，可以通过陀螺仪对其补偿，得到需要的输出。

陀螺仪可以测量传感器沿其各个轴向的角速度，主要用于做动态补偿，考虑到地震检波器一般情况下处于静止状态，这里陀螺仪主要起辅助作用。

1．2微处理器

微处理器的功能为控制各个传感器的采样率，对3个单独的传感器进行数据融合，得到三分量检波器方位信息，实现三分量检波器的定向。系统选用的微处理器为基于ARM Cortex-M4内核的带FPU功能的32位高性能处理器STM32F405RGT6，它具有单周期的DSP指令，丰富的接口和高达168 MHz的主频。

设计中，STM32F405的I2C接口连接惯性传感器组，并通过片上串口连接485驱动器，将COMS电平信号转化成485电平信号，通过铠装电缆传输至上位机经过软件显示或直接对采集到的地震数据进行预处理。

2 检波器定向方法

2．1坐标变换

为了得到检波器的方位角，设计选用大地坐标系做参考，通过传感器计算检波器与地理北方向的夹角。当检波器垂直放于井下时，检波器3个分量的轴向如图1所示。

图1 检波器水平状态电子罗盘三轴地磁分量分布

图1中，Hx，Hy，Hz为地磁在电子罗盘3个轴向上的分量，α为磁偏角(地磁北和地理北的夹角)，可以直接查出，因此，可以轻松地求出X轴与地理北的夹角，即方位角β，则

当检波器略有倾斜(检波器放置区域地表不平坦或者施工时碰及传输电缆导致检波器倾斜)时，检波器3个分量的轴向如图2所示，由于此时电子罗盘也处于倾斜的状态，因此需要对电子罗盘进行倾斜补偿，具体方法如下。

图2 检波器倾斜状态电子罗盘磁场分量

图2中检波器的位置可以看作是图1经过有限次的旋转得到，每次旋转相当于一次坐标变换，绕不同轴向选装对应的旋转矩阵分别为：

式中：φ为俯仰角；θ为翻滚角。

通过“aerospace rotation sequence”(航空旋转顺序)[4]，将重力的作用折算到加速度传感器的3个轴上，即

从而可以得到检波器的俯仰角φ和翻滚角θ，分别为

式中：Ax，Ay，Az为加速度传感器三轴的输出。

通过求得的俯仰角φ和翻滚角θ可以对电子罗盘进行倾斜补偿：

HX=Hxcosφ+Hysinθ-Hzcosθsinφ

HY=Hycosθ+Hzsinθ

2．2数据融合算法

针对多MEMS惯性传感器的数据融合，目前比较常用的两种数据融合算法是互补滤波算法和扩展卡尔曼滤波算法，经过郭晓鸿，杨中等人[7]的研究和试验表明，在静止、无运动加速度、有运动加速度等条件下的实验，两种滤波算法均能对传感器所在载体的姿态给出在1°精度范围内的估计，不过当在载体自由运动时，扩展卡尔曼滤波的收敛速度要优于互补滤波；可是在算法实现上，互补滤波只用修改截止频率便可以改变整个滤波器的特性，因而相对于扩展卡尔曼滤波算法，互补滤波算法的实现更为简单。考虑到实际应用中，检波器一般处于稳定的位置，不会有大的振动，而且采集站还要进行大量的数据传输及预处理，因此采用占用系统资源少并且可以到达系统要求精度的互补滤波算法对传感器的数据进行融合。

互补滤波器的原理框图如图3所示。

图3 互补滤波器示意图

陀螺仪具有良好的动态特性，可以通过积分得到短时的姿态变化信息，但由于零点漂移和积分时间的误差，进行长时间姿态解算时，会产生累积误差。电子罗盘和加速度传感器的测量没有累积误差，但是其动态特性不好。互补滤波器可以同时滤除高频和低频干扰，从而综合陀螺仪和电子罗盘与加速度传感器计算的角度得到滤波之后稳定的输出结果。

数据融合解算框图如图4所示。

图4 数据融合解算框图

3 测试效果分析

3．1圆周试验

将MEMS传感器组放在圆形转盘上，每隔30°记录20次传感器组的方位角输出，求其平均值，与用于参考的地质罗盘输出作对比，记录于表1中。

表1 圆周试验对比 (°)

3．2互补滤波效果

将检波器的方位调整到一个确定角度并保持静止不动(本试验调整为10°左右)，通过MATLAB分析采用互补滤波器经行数据融合和不采用滤波器直接使用电子罗盘和加速度传感器的输出的对比，如图5所示，从图5可以看出，加入互补滤波器后方位角的输出明显比较平滑，不会出现抖动。

图5 互补滤波效果

3．3野外测试

野外测试试验将一支三分量检波器放入井中，井深约为30 m，其中水深大约10 m，井径75 mm，采用定向套管将检波器的支撑臂固定，由于套管长度为18 m，因此最大下放深度为18 m．

试验中先将检波器朝一固定方向放入井中18 m深度处，然后以3 m为提升间隔，在每一深度，分别将检波器支撑臂对准0°、90°、180°和270°，采用单支三分量检波器进行方位测试。以270°的测量方位为例，在此方位总计读取数据32次，如图6所示。32组数据的平均值为270．062 5，标准差为1．882 6，从图6可以看出，其中最大的偏差为4°且在32次测量中仅出现1次，一般情况下的偏差均在2°以内，造成较大偏差的原因可能是测量点处有硬磁干扰的影响。

图6 270°方位测试统计

4 结束语

将捷联惯性导航技术中常用的姿态检测技术应用于三分量检波器定向，并且在野外测试试验中达到了2°以内的方位角检测精度，为三分量检波器的定向技术提供了一种新的方法，从而代替了传统的近似估计方法，并且不必再通过繁琐的计算和不一定满足条件的假设来得到三分量检波器的朝向。另外，本设计也可扩展应用于多波地震勘探、倾斜测量和人体姿态检测等领域。目前存在的不足是使用前需要人工校准电子罗盘，否则将会较大地影响测量精度，这也是后续工作的重点。

参考文献：

[1]郑儒，蒋健美，彭光艳．VSP三分量检波器定向．油气地球物理，2013，11(1)：31-34．

[2]丁拼搏．三维VSP检波器定向与多波波场分离：[学位论文]．成都：成都理工大学，2011．

[3]郭宏，姚爱国．基于加速度计和磁强计的非开挖定向钻进无线姿态测量．仪表技术与传感器，2012(5)：40-31．

[4]远方，巩宪锋，杨静，等．高精度随钻定向测量仪的设计．仪表技术与传感器，2011(1)：21-23．

[5]尹国平，魏林．井斜方位仪在石油测井领域中的应用．石油仪器，2010，24(2)：31-33．

[6]Tilt Sensing Using Linear Accelerometers．Freescale Semiconductor Application Note，AN3461，Rev．4，02/2012．

[7]郭晓鸿，杨中，陈哲，等．EKF和互补滤波器在飞行姿态确定中的应用．传感器与微系统，2011，30 (11)，149-152．

作者简介：沈统(1988-)，硕士研究生，主要研究方向为智能仪器仪表。E-mail：shtlu06@126．com