在航空物探领域, 磁日变观测站由磁力仪、磁日变收录系统和两笔模拟记录仪组成。在工作中, 通过磁力仪的实时测量, 由磁日变收录系统收录数据, 经模拟记录仪即时输出磁日变模拟纸卷(图1)。

磁日变观测站选址应在测区内或附近, 磁日变观测除受仪器自身测量精度的影响外, 还和日变站架设点的自然、人文环境有关, 如地磁场梯度、电力线、道路、管道等^{[6, 7]}。因此应该设在磁场平静、梯度小、人文干扰少、具备电力供应和生活保障的地方。磁力仪探头位置和高度确定后应保持不变, 探头与仪器主体、建筑物之间需间隔一定距离。

图1

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	图1 磁日变观测系统

磁日变观测中每间隔30 min应在模拟纸卷上注明磁场值和时间。出现人文干扰时应及时在曲线相应处注明, 并记录干扰存在时段, 注意监视磁暴、磁扰现象, 当磁日变记录连续出现3 min内变化大于5 nT时, 应立即通知相关技术人员, 以决定飞机是否返航。还应及时做好磁日变资料整理, 认真填写日变记录登记表以及做好数据拷贝工作。

地面磁日变观测和数据收录与空中测量飞行需同步进行。通过磁日变模拟纸卷可以很好地监测磁日变情况, 并利用日变数据对航磁数据进行校正。磁日变改正值可从磁日变曲线上查得, 在磁日变曲线上量得某时刻相对早基时间的日变值并取反号, 即为该时刻的磁日变改正值^[7]; 或以某时刻日变观测值与连续观测获得的磁场基值之差取反号, 作为磁日变改正值。航磁测量磁日变改正按后者进行。

设计了利用实测磁日变数据打印模拟纸卷的硬件方案, 主要包括计算机、数模信息转换器、两笔模拟记录仪和LED显示屏(图2)。

图2

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	图2 磁日变数据的模拟输出硬件组成及工作原理

计算机用于磁日变数据的存储以及安装执行磁日变数据模拟输出软件, 并向数模信息转换器发送指令。数模信息转换器使用数模转换专用芯片和精密电压基准, 控制输出电压精度误差不大于0.01 V。利用自行编制的软件, 通过计算机串口发出指令, 可方便地控制数模转换通道输出电压值, 输出电压范围为0~5 V, 波特率为9 600 Bd。其工作方式为多通道控制模式, 串口发送一条指令, 一次控制2个数模转换通道分别输出各自设定的电压值, 从而控制磁日变曲线电压和时标(用于模拟纸卷上时间标注)电压。数模信息转换器通过RS-232串口与计算机相连接, 外接LED显示屏和两笔模拟记录仪。

使用的两笔模拟记录仪型号为3057型, 记录幅面为150 mm的单笔或双笔划线式伺服记录装置。测量范围包括满刻度10 mV~50 V共12个量程, 采用非接触式超声波位置变换器和纤维笔, 可用多种电源供电。LED显示屏用于实时显示输出电压, 与模拟输出软件中显示的电压值进行对比, 监测软硬件运行是否正常。

数模信息转换器是磁日变数据模拟输出的关键设备之一。根据美观、实用的设计原则, 其机箱长130 mm, 宽82 mm, 高50.5 mm, 符合黄金分割的美学比例, 主要包括开关、图标、各类接口、主板(安装在机箱内底部)等, 具体外观见图3。其中串口用于连接计算机, 接收计算机指令; 接线柱是连接LED显示屏和两笔模拟记录仪的接口, 输出磁日变曲线电压和时标电压。

图3

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	图3 数模信息转换器机箱外观

磁日变数据模拟输出软件基于Microsoft Windows系统使用Visual Basic 6.0计算机语言编制, 软件界面操作方便简捷, 实现了参数设定、磁场和电压值的显示。首先设置好预定参数, 再打开日变文件, 然后执行“ 开始模拟打印” 命令, 即可驱动硬件正常工作, 并实现磁日变数据的模拟输出。软件界面见图4, 各控件的主要功能如下。

图4

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	图4 磁日变数据的模拟输出软件界面

①— “ 端口号设置” , 设置数模信息转换器所连接的计算机端口。

②— “ 电压系数” , 输出电压调整, “ 1” 表示不作调整, 大于“ 1” 和小于“ 1” 分别表示放大和缩小电压倍数。当设备供电、仪器故障等因素造成输出电压不标准时, 可通过该功能使输出电压恢复正常水平。

③— “ 进度条” , 显示当前模拟打印进度。

④— “ 档位” , 模拟纸卷宽度所表达的磁日变数据最大振幅。

⑤— “ 时间轴调整” , 控制模拟输出的速度快慢, 单位为ms, “ 0” 表示不作调整, 大于“ 0” 表示延缓输出, 小于“ 0” 表示加速输出。在模拟输出前设置该参数, 也可在输出过程中实时更改, 调整打印速度。主要目的是为调整仪器零漂等原因导致的模拟输出时标和纸卷刻度错位, 以及完成快速打印任务。

⑥— “ 电压” , 显示当前磁日变值转换成的输出电压, 单位为伏特(V)。

⑦— “ 磁场” , 显示当前磁日变值, 单位为纳特(nT)。

⑧— “ 打开日变文件” , 用于选择磁日变文件所在路径。

⑨— “ 开始模拟打印” , 执行打印命令。

⑩— “ 退出” , 退出软件。

软件需对时间和磁日变值分别进行处理。在Microsoft Windows系统中, 系统时间是以秒来计时的, 而日变数据周期大约为0.5 s, 因此不能简单地根据系统时间设计打印时机。另外, 计算机毫秒计时会产生一定的误差, 短时间内产生的误差约为十

几毫秒, 而打印磁日变模拟纸卷长时间运行, 经不断积累会产生更大的误差。为此, 本软件设计了更为精准的毫秒级的计时功能, 须根据初始打印时间来归一化日变时间, 然后建立定时循环来进行定时事件的控制, 即间隔一定时间, 以初始打印时间为基准对当前时间进行校准。打印过程中, 每间隔1 min输出一次短时标电压, 每间隔5 min输出一次长时标电压。磁日变数据则根据预设的档位进行转换, 再进一步转换为相应的电压值。时标和磁日变值所对应的电压通过二进制代码的形式发送给数模信息转换器, 再由数模信息转换器控制模拟记录仪, 完成磁日变曲线和时标的打印。

图5

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	图5 软件工作流程