全张量重力梯度仪测量方程及误差分析

为了研究加速度计性能与全张量重力梯度仪测量精度之间的关系,从全张量重力梯度仪的测量原理出发,建立了重力梯度仪的测量方程,并根据坐标变换矩阵得到测量坐标系和惯性平台坐标系下全张量重力梯度仪的输出表达式.根据加速度计的输入输出数学模型,给出了包含加速度计性能参数的输出方程,并分析了加速度计性能对全张量重力梯度仪测量精度的影响.理论分析结果表明,当旋转圆盘中心存在加速度时,加速度计的零位偏置、标度系数的非一致性以及二阶非线性系数均产生重力梯度测量误差.通过采用高精度加速度计、高精度稳定平台及标度系数在线自动补偿技术,可以提高重力梯度仪的测量精度.

环境物体对全张量重力梯度仪的影响

在重力梯度测量过程中,由于重力梯度测量仪器周围可能有物体存在,由此产生引力梯度,这种变化可以直接被重力梯度仪所敏感。以概念中的十二加速度计组成的全张量重力梯度仪为例,根据万有引力定律,得到梯度仪敏感引力梯度计算的理论逼近公式。使用Matlab软件根据物体处于不同位置时进行仿真,得到了重力梯度仪敏感的9个梯度张量值。通过对仿真结果分析可知,物体距离重力梯度仪中心位置越远,环境物体对梯度仪的影响越小。最后给出了减小这种影响的措施。

全张量重力梯度数据误差分析及补偿

针对用于航空移动平台的高精度全张量重力梯度测量系统,深入研究了梯度仪12个加速度计按3个不同旋转轴圆盘形成差分组合的结构。在确认该结构具有有效抑制运动共模加速度、减少外界环境干扰、实现高精度探测优点的同时,着重分析了重力梯度仪测量误差的来源和影响。研究表明,主要影响包括仪器固有随机噪声和外界确定性噪声。为定量描述影响程度,推导了在航空动态环境下的测量方程,并分离出加速度计的性能不匹配、平台不稳定、圆盘转速不稳定3个主要固有因素,从时间域和频率域角度定量分析固有影响因素的噪声水平。试验分析表明,通过利用Simulink仿真系统可以获得固有因素产生的噪声水平,并提出抑制方案。针对搭载环境测量误差,还分析了实测飞行中姿态和质量的改变对重力梯度测量值造成的环境影响,提出了基于点质量源的自身梯度校正方法。

重力梯度仪仿真系统设计

为了研究旋转加速度计重力梯度仪信号产生和处理方法,设计了重力梯度仪半实物仿真系统。首先依据重力梯度仪的测量原理计算出由地下某异常体引起的重力梯度异常值,利用加速度计的输出公式,通过LabVIEW对全张量重力梯度仪的12个加速度计输出信号进行仿真,并对仿真信号进行解调,得到全张量重力梯度值。以单圆盘为例进行半实物仿真,由计算机A产生加速度信号经过硬件电路后,通过计算机B对调理过的加速度计信号进行中值滤波和解调,从而获得重力梯度异常值,精度为100 E。这种仿真系统的设计可以对全张量的重力梯度进行解调,突破了解调单圆盘信号的局限性,引入的半实物仿真增加算法的可靠性和仿真的可信度,对重力梯度仪的参数设计和实物制造有参考意义。

移动平台全张量重力梯度数据的噪声抑制

全张量重力梯度仪器测量数据中包含了大量的白噪声和有色噪声。传统的数字滤波器只能滤除某一频段外的噪声,对于混叠在重力梯度有用信号频段范围内的有色噪声不能很好的对其进行分离。为了同时滤除白噪声和有色噪声,笔者利用卡尔曼滤波器采用增广矩阵法将全张量重力梯度数据中的有色噪声进行估计,在抑制白噪声的同时将有用信号和有色噪声分离,并利用数字滤波器与卡尔曼滤波器的优点,将其结合生了更好的滤波效果,得到了更高质量的梯度信号。通过模型试验验证了本方法对噪声的滤波能力,并满足高精度重力梯度数据处理要求。

冷原子重力梯度仪发展现状及趋势

冷原子重力梯度仪利用原子的量子态叠加特性和物质波干涉特性测量绝对重力梯度信息,具有高精度、低漂移、自校准等特性,在深地/深海资源开发、地质灾害预警预防、战场环境建设与作战保障、地球科学研究等领域均具有重大潜在应用价值。简要描述了冷原子重力梯度仪的工作原理及实现方案;综述了冷原子重力梯度仪的技术优势及国内外研究现状;分析了冷原子重力梯度仪当前面临的痛点、难点问题,并对部分问题提出了解决方案,总结了冷原子重力梯度仪的发展趋势。