井下多分量测量仪器的光纤惯导系统及其数据处理方法技术方案

本发明专利技术公开一种井下多分量测量仪器的光纤惯导系统及其数据处理方法，应用于地球物理勘探技术领域，为了解决现有的井下多分量地球物理测量仪器在连续作业过程中的实时定向定位问题；本发明专利技术包括：光纤惯导定位定向系统、井下多分量地球物理测量仪器以及地面多通道控制和数据采集子系统；所述井下多分量地球物理测量仪器包括多分量传感器；所述光纤惯导定位定向系统固定于多分量传感器旁，当多分量传感器工作时，光纤惯导定位定向系统实时记录多分量传感器的实时位置、速度和姿态信息实时方位；此外通过本发明专利技术提的数据处理方法可以获得测点位置多维度的数据分布或变化，极大降低单一地球物理数据处理解释结果的非唯一性。

Optical Fiber Inertial Navigation System of Downhole Multi-component Instrument and Its Data Processing Method

The invention discloses an optical fiber inertial navigation system for downhole multi-component instruments and its data processing method, which is applied in the field of geophysical exploration technology to solve the problem of real-time orientation and positioning of existing downhole multi-component geophysical measuring instruments in the continuous operation process; the invention includes: optical fiber inertial navigation positioning and positioning system, downhole multi-component geophysical measuring instruments and so on. The ground multi-channel control and data acquisition subsystem; the underground multi-component geophysical measuring instrument includes multi-component sensors; the optical fiber inertial navigation positioning and orientation system is fixed beside the multi-component sensors, and when the multi-component sensors work, the optical fiber inertial navigation positioning and orientation system records the real-time position, velocity and attitude information of the multi-component sensors in real time; in addition, the real-time orientation of the multi-component sensors is recorded by the optical fiber inertial navigation The data processing method of the invention can obtain the multi-dimensional data distribution or variation of the position of the measuring point, greatly reducing the non-uniqueness of the interpretation result of the single geophysical data processing.

【技术实现步骤摘要】
井下多分量测量仪器的光纤惯导系统及其数据处理方法
本专利技术属于地球物理勘探
，特别涉及一种井下多分量地球物理仪器的光纤惯导定向及相应的数据处理技术。
技术介绍
目前行业内广泛使用的井下电缆测井仪器、随钻测井仪器、井中地震仪器等都分别采用了三分量电磁、三分量重力、三分量磁场和三分量地震传感器，这些仪器在井下作业时的实时定向定位功能一直没有完全解决好，没有井下多分量仪器传感器的实时定向定位数据，后期没有办法对井下采集的多分量数据进行旋转和校正处理。目前常用的三分量姿态传感器因为使用了磁场传感器而基本上无法在有磁性的钢质套管里或钢质钻铤上正常工作。我们急需找到解决井下多分量地球物理测量仪器在连续作业过程中的实时定向定位问题的方案。惯性导航系统(英语：INS-InertialNavigationSystem)是以陀螺和加速度计为敏感器件的导航参数解算系统，该系统根据陀螺的输出建立导航坐标系，根据加速度计输出解算出运载体在导航坐标系中的速度和位置。惯性导航系统也称作惯性参考系统，是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量(如无线电导航那样)的自主式导航系统。其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下。惯性导航的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。惯性导航系统属于推算导航方式，即从一已知点的位置根据连续测得的运动体航向角和速度推算出其下一点的位置，因而可连续测出运动体的当前位置。惯性导航系统中的陀螺仪用来形成一个导航坐标系，使加速度计的测量轴稳定在该坐标系中，并给出航向和姿态角；加速度计用来测量运动体的加速度，经过对时间的一次积分得到速度，速度再经过对时间的一次积分即可得到位移。现代比较常见的几种导航技术，包括天文导航、惯性导航、卫星导航、无线电导航等等，其中，只有惯性导航是自主的，既不向外界辐射东西，也不用看天空中的恒星或接收外部的信号，它的隐蔽性是最好的。在国家的很多战略、战术武器，再如洲际飞行的民航飞机等的导航中，都必须依赖惯性导航系统或者惯导系统和其他类型的导航系统的组合。它的造价也比较昂贵，像一台导航级(即1小时误差1海里)的惯导系统，至少要几十万，而这种精度的导航系统已足够配备在波音747这样的飞机上了。现在，随着MEMS(微电子机械系统)惯性器件技术的进步，商业级、消费品级的惯性导航才逐渐走进寻常百姓家。惯性导航系统有如下优点：1、由于它是不依赖于任何外部信息，也不向外部辐射能量的自主式系统，故隐蔽性好，也不受外界电磁干扰的影响；2、可全天候、全时间地工作于空中、地球表面乃至水下；3、能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航信息连续性好而且噪声低；4、数据更新率高、短期精度和稳定性好。其缺点是：1、由于导航信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长期精度差；2、每次使用之前需要较长的初始对准时间；3、设备的价格较昂贵；4、不能给出时间信息。但惯导有固定的漂移率，这样会造成物体运动的误差，因此射程远的武器通常会采用指令、GPS等对惯导进行定时修正，以获取持续准确的位置参数。惯导系统目前已经发展出挠性惯导、光纤惯导、激光惯导、微固态惯性仪表等多种方式。陀螺仪由传统的绕线陀螺发展到静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺、微机械陀螺等。激光陀螺测量动态范围宽，线性度好，性能稳定，具有良好的温度稳定性和重复性，在高精度的应用领域中一直占据着主导位置。由于科技进步，成本较低的光纤陀螺(FOG)和微机械陀螺(MEMS)精度越来越高，是未来陀螺技术发展的方向。光纤陀螺是一种用于惯性导航的光纤传感器，因其无活动部件——高速转子，称为固态陀螺仪。这种新型全固态的陀螺仪将成为未来的主导产品，具有广泛的发展前途和应用前景。光纤陀螺的工作原理是基于萨格纳克(Sagnac)效应。萨格纳克效应是相对惯性空间转动的闭环光路中所传播光的一种普遍的相关效应，即在同一闭合光路中从同一光源发出的两束特征相等的光，以相反的方向进行传播，最后汇合到同一探测点。若绕垂直于闭合光路所在平面的轴线，相对惯性空间存在着转动角速度，则正、反方向传播的光束走过的光程不同，就产生光程差，其光程差与旋转的角速度成正比。因而只要知道了光程差及与之相应的相位差的信息，即可得到旋转角速度。与机电陀螺或激光陀螺相比，光纤陀螺具有如下特点：(1)零部件少，仪器牢固稳定，具有较强的抗冲击和抗加速运动的能力；(2)绕制的光纤较长，使检测灵敏度和分辨率比激光陀螺仪提高了好几个数量级；(3)无机械传动部件，不存在磨损问题，因而具有较长的使用寿命；(4)易于采用集成光路技术，信号稳定，且可直接用数字输出，并与计算机接口联接；(5)通过改变光纤的长度或光在线圈中的循环传播次数，可以实现不同的精度，并具有较宽的动态范围；(6)相干光束的传播时间短，因而原理上可瞬间启动，无需预热；(7)可与环形激光陀螺一起使用，构成各种惯导系统的传感器，尤其是捷联式惯导系统的传感器；(8)结构简单、价格低，体积小、重量轻。光纤陀螺在专利申请号为：201410832135.5、201820019320.5、201410599074.1、201610810893.5、201710561353.2、200910073220.6、201620080843.1、201410080780.5等申请中均得到了良好的应用。但是光纤惯导系统不能给出时间信息。
技术实现思路
为了解决井下多分量地球物理测量仪器在连续作业过程中的实时定向定位问题，本专利技术提出了一种井下多分量地球物理测量仪器的光纤惯导定位定向系统，通过在井下多分量地球物理测量仪器里安装光纤惯导定位定向系统，对井下多分量地球物理测量仪器进行实时定位定向，为井下测量的多分量地球物理数据处理解释提供重要的支持数据。针对井下多分量地球物理测量仪器的光纤惯导定位定向系统所采集的多分量地球物理数据，本专利技术还提出一种数据处理方法，可实现对地下地质构造、油气资源、金属矿产资源、地下水资源和工程地质需求的综合勘探与多参数综合评价。本专利技术采用的技术方案之一为：一种井下多分量地球物理测量仪器的光纤惯导定位定向系统，包括：光纤惯导定位定向系统、井下多分量地球物理测量仪器以及地面多通道控制和数据采集子系统；所述井下多分量地球物理测量仪器包括多分量传感器；所述光纤惯导定位定向系统固定于多分量传感器旁，当多分量传感器工作时，光纤惯导定位定向系统实时记录多分量传感器的实时位置、速度和姿态信息；当井下多分量地球物理测量仪器与地面多通道控制和数据采集子系统通信连接时，井下多分量地球物理测量仪器的多分量传感器将实测的多分量地球物理数据上传到地面控制和数据采集处理子系统，光纤惯导定位定向系统将实测的多分量传感器的实时位置、速度和姿态信息上传到地面控制和数据采集处理子系统；当井下多分量地球物理测量仪器与地面多通道控制和数据采集子系统没有通信连接时，至少包括：存储器与授时模块，井下多分量地球物理测量仪器的多分量传感器将实测的多分量地球物理数据存储在存储器中；光纤惯导定位定向系统将实测的多分量传感器的实时位置、速度和姿态信息经授时器授时后存储在存储器中；当井下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种井下多分量地球物理测量仪器的光纤惯导定位定向系统，其特征在于，包括：光纤惯导定位定向系统、井下多分量地球物理测量仪器以及地面多通道控制和数据采集子系统；所述井下多分量地球物理测量仪器包括多分量传感器；所述光纤惯导定位定向系统固定于多分量传感器旁，当多分量传感器工作时，光纤惯导定位定向系统实时记录多分量传感器的实时位置、速度和姿态信息；当井下多分量地球物理测量仪器与地面多通道控制和数据采集子系统通信连接时，井下多分量地球物理测量仪器的多分量传感器将实测的多分量地球物理数据上传到地面控制和数据采集处理子系统，光纤惯导定位定向系统将实测的多分量传感器的实时位置、速度和姿态信息上传到地面控制和数据采集处理子系统；当井下多分量地球物理测量仪器与地面多通道控制和数据采集子系统没有通信连接时，至少包括：存储器与授时模块，井下多分量地球物理测量仪器的多分量传感器将实测的多分量地球物理数据存储在存储器中；光纤惯导定位定向系统将实测的多分量传感器的实时位置、速度和姿态信息经授时器授时后存储在存储器中；当井下多分量地球物理测量仪器从井下取出后，将存储器中的数据传输至地面多通道控制和数据采集子系统；所述通信连接具体通过铠装光电复合缆连接。...

【技术特征摘要】
1.一种井下多分量地球物理测量仪器的光纤惯导定位定向系统，其特征在于，包括：光纤惯导定位定向系统、井下多分量地球物理测量仪器以及地面多通道控制和数据采集子系统；所述井下多分量地球物理测量仪器包括多分量传感器；所述光纤惯导定位定向系统固定于多分量传感器旁，当多分量传感器工作时，光纤惯导定位定向系统实时记录多分量传感器的实时位置、速度和姿态信息；当井下多分量地球物理测量仪器与地面多通道控制和数据采集子系统通信连接时，井下多分量地球物理测量仪器的多分量传感器将实测的多分量地球物理数据上传到地面控制和数据采集处理子系统，光纤惯导定位定向系统将实测的多分量传感器的实时位置、速度和姿态信息上传到地面控制和数据采集处理子系统；当井下多分量地球物理测量仪器与地面多通道控制和数据采集子系统没有通信连接时，至少包括：存储器与授时模块，井下多分量地球物理测量仪器的多分量传感器将实测的多分量地球物理数据存储在存储器中；光纤惯导定位定向系统将实测的多分量传感器的实时位置、速度和姿态信息经授时器授时后存储在存储器中；当井下多分量地球物理测量仪器从井下取出后，将存储器中的数据传输至地面多通道控制和数据采集子系统；所述通信连接具体通过铠装光电复合缆连接。2.根据权利要求1所述的一种井下多分量地球物理测量仪器的光纤惯导定位定向系统，其特征在于，与地面多通道控制和数据采集子系统通信连接的井下多分量地球物理测量仪器，还包括：光电转换电路、32位模数转换电路，井下多分量地球物理测量仪器的多分量传感器与32位模数转换电路输入端相连，光纤惯导定位定向系统通过光电转换电路与32位模数转换电路输入端相连，32位模数转换电路输出端与存储器相连；所述32位模数转换电路输出端还与光电转换电路输入端相连，所述光电转换电路输出端链接铠装光电复合缆。3.根据权利要求2所述的一种井下多分量地球物理测量仪器的光纤惯导定位定向系统，其特征在于，与地面多通道控制和数据采集子系统通信连接的井下多分量地球物理测量仪器为井下三分量发射三分量阵列接收感应测井仪器，包括：井下多分量仪器外壳、三分量电磁发射线圈、三分量电磁接收线圈以及垂直电场分量传感器；光纤惯导定位定向系统安装在三分量电磁发射线圈和阵列三分量电磁接收线圈之间；所述垂直电场分量传感器输出端接32位模数转换电路输入端；所述垂直电场分量传感器采用不极化电极实现。4.根据权利要求2所述的一种井下多分量地球物理测量仪器的光纤惯导定位定向系...

【专利技术属性】
技术研发人员：余刚，王熙明，陈娟，
申请(专利权)人：中油奥博成都科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51