CN102289002A - 一种获取地球背景场重力加速度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种获取地球背景场高精度重力加速度的方法，包括：步骤1：同步记录绝对重力仪中落体自由下落过程中包含落体时间位移信息的干涉带信号和参考棱镜振动的速度信息；步骤2：提取落体下落轨迹上的时间位移坐标，即落体自由下落轨迹的重建点；步骤3：利用一簇斜率相同的平行直线，与参考棱镜速度时间坐标曲线相交，获得这些相交的交点所对应的时间点；步骤4：在落体时间位移坐标曲线上，选出与步骤2中获得的时间点所对应的重建点；步骤5：根据步骤4中所挑选出的重建点计算重力加速度。本发明的方法可以有效的去除地面振动的影响，整体测量结构避免了庞大的隔振系统，为绝对重力仪的小型化和流动测量提供了方法支持。

Description

一种获取地球背景场重力加速度的方法

技术领域

本发明涉及一种利用绝对重力仪获取重力加速度的方法，采用画线选点去除测量结果的振动误差。

背景技术

重力场是反映地球内部物质结构及其变迁的地球物理基本场，高精度重力观测资料是地震监测预报、地球科学研究、资源勘探等领域的基础，同时也是国家精密计量、飞行器导航和导弹制导等不可或缺的战略数据。激光干涉绝对重力仪是目前绝对重力仪中的一种主流设计方式，是获取微伽级（重力单位在厘米克秒制中的计量单位是厘米/秒²，为了纪念意大利人伽利略，又把厘米/秒²称为伽）绝对重力数据的一种重要的观测设备。国际计量局重力实验室与法国S.A.公司合作，于1983年研制了GA60型上抛法绝对重力仪，精度为10微伽，但是仪器大而笨重，没有得到推广。同时，中国、美国、俄罗斯、意大利、德国、乌克兰等国也相继开展了相关研究，目前唯一商用的绝对重力仪是美国Micro-G公司生产的FG5、FGL以及A10三种类型的绝对重力仪。1999年，美国斯坦福大学的诺贝尔奖获得者朱棣文教授领导的研究小组，以原子干涉技术，实现了绝对重力测量。将绝对重力观测由宏观引入微观层面，开创了一个新的领域。

激光干涉绝对重力仪主要包括落体控制机构、真空系统、干涉测量系统、地面振动隔离系统和数据采集与处理五大模块，图1为一种激光干涉绝对重力仪的实验样机的结构图。而绝对重力仪的主体包含了其中的落体控制机构和真空系统，落体控制机构在真空系统中控制落体做自由下落运动，其动作过程由计算机控制完成。激光干涉仪是干涉测量系统的具体实现，完成了测量光路的建立。地面振动隔离系统安装在干涉仪内部（例如中国的NIM系列激光干涉绝对重力仪）或者支撑整个干涉仪（例如FG5系列激光干涉绝对重力仪）。数据采集与处理包含了接收干涉信号的光电接收器、将干涉信号数字化的高速数字化仪。同时铷频标为高速数字化仪提供时间基准，而整个测量的长度基准由高稳频激光的波长（如碘吸收激光器）提供。数据处理算法主要完成从干涉信号中提取落体的时间-位移坐标以及重力加速度值的计算。

目前，激光干涉绝对重力仪是通过拟合落体下落时相对于参考棱镜的时间位移坐标，来提取测点的重力加速度值。但是由于来自落体控制机构产生的系统自振和来自自然环境中的大地脉动的影响，使得参考棱镜在落体下落的过程中呈现非线性运动。这样就使得提取的落体位移信息不仅包含了重力场对落体的作用，还包含了地面振动对参考棱镜的影响，这种影响由于其自身的非线性，带来的误差会传递到最终的测量结果。目前主要的处理方法是利用长周期弹簧将振动隔离。但是由于弹簧本身的制造工艺限制，使得隔振系统的体积变得庞大，不利于绝对重力仪的小型化和流动测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新的获取重力加速度的方法，以在不增大绝对重力仪样机体积的条件下，实现测量结果的振动误差剔除。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种获取地球背景场重力加速度的方法，包括以下步骤：

步骤1：同步记录绝对重力仪中落体下落过程中包含落体时间位移信息干涉带信号和参考棱镜振动的速度时间信息；

步骤2：利用干涉带信号提取落体下落轨迹上的时间位移坐标，即落体自由下落轨迹的重建点；

步骤3：利用一簇斜率相同的平行直线，与所述参考棱镜振动的速度时间信息所对应的参考棱镜速度时间坐标曲线相交，获得这些相交的交点所对应的时间点；

步骤4：在所述落体的时间位移信息所对应的落体时间位移坐标曲线上，选出与步骤2中获得的时间点所对应的重建点；

步骤5：根据步骤4中所挑选出的重建点计算重力加速度。

本发明的有益效果是：利用直线的二次微分为零的基本原理，挑选落体时间位移坐标曲线上的重建点，在计算重力加速度时可以有效的去除地面振动的影响，整体测量结构避免了庞大的隔振系统，为绝对重力仪的小型化和流动测量提供了方法支持。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，步骤3中，所述斜率为所述参考棱镜速度时间坐标曲线上第一个采样点与最后一个采样点连成的直线的斜率。

采用上述进一步方案的有益效果是可以确定该速度时间曲线的线性变化趋势，确定下一步中所需的直线簇斜率。

进一步，步骤3中，所述平行直线满足以下条件：所述参考棱镜速度时间坐标曲线上的至少两个采样点均在同一条直线上；或者至少有一个采样点在该直线上，但不在该直线上的采样点速度坐标与和该直线对应与该采样点时刻的纵坐标之间的误差在所述参考棱镜速度时间坐标曲线峰峰值的1%～10%以内，其中所述交点为该同一条直线和所述参考棱镜速度时间坐标曲线的交点。

采用上述进一步方案的有益效果是，利用所确定的直线簇斜率，在误差范围内挑选落体自由下落轨迹的重建点，以提高下一步的计算精度。

进一步，步骤5中，对所述重建点采用最小二乘拟合的方法，计算重力加速度。

附图说明

图1为本发明方法中所使用的绝对重力仪结构示意图；

图2为本发明的画线选点获取重力加速度的方法的步骤流程图；

图3为本发明中的测量光路示意图；

图4为采用本发明的方法在H05测点的测量结果；

图5为采用本发明的方法在H08测点的测量结果；

图6为采用本发明的方法在H03测点的测量结果。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

LS、激光器，BS、分光镜，M1、落体，M2、参考棱镜，0、光束，L1、测量光束，L2、测量光束，L3、参考光束，1、重合后的光束

 具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图2所示，本发明的获取地球背景场重力加速度的方法，主要包括以下步骤：

步骤1：同步记录绝对重力仪中落体自由下落过程中包含落体的时间位移信息的干涉带信号和参考棱镜振动的速度时间信息；

步骤2：利用干涉带信号提取落体下落轨迹上的时间位移坐标，即落体自由下落轨迹的重建点；

步骤3：利用一簇斜率相同的平行直线，与所述参考棱镜振动的速度时间信息所对应的参考棱镜速度时间坐标曲线相交，获得这些相交的交点所对应的时间点；

步骤4：在所述落体的时间位移信息所对应的落体时间位移坐标曲线上，选出与步骤2中获得的时间点所对应的重建点；

步骤5：根据步骤3中所挑选出的重建点计算重力加速度。

以下对上述步骤进行细致阐述。

本发明的获取地球背景场重力加速度的方法目的是要剔除振动给重力加速度的计算所带来的影响，以提高计算重力加速度的精确。因此从另外一个角度来说，本发明的方法也可以叫做一种震动处理方法。其整个过程如下。

将绝对重力仪中的参考棱镜安装在频带为120秒～50Hz的高灵敏度甚宽频带拾振器上。启动绝对重力仪后，如图1、图3所示，高稳频激光器LS发射的光束0经过处理，入射分光镜BS，产生测量光束L1和参考光束L3。其中，光束0从分光镜BS上表面反射成为测量光束L1，经落体M1反射成为测量光束L2并入射分光镜BS上表面；光束0从分光镜BS上表面入射，从分光镜BS下表面透射成参考光束L3，参考光束L3经过参考棱镜M2反射回分光镜BS的下表面。测量光束L2经过分光镜BS透射以及参考光束L3经过分光镜BS反射后，测量光束L2和参考光束L3重合并产生干涉，成为重合后的光束1，该光束1由光电接收器R接收后再转换为电信号，将之称为干涉带信号。同时，参考棱镜M2的振动由拾振器采集，将之称为振动信号。干涉带信号和振动信号，同时发送给高速数字化仪进行采集。

由于接收到的干涉带信号可以认为是一些列频率逐渐增加的调频正弦波，因此通过过零点算法（经过去均值后提取每个周期的正弦波信号过零点精确时刻的算法称为过零点算法）从干涉带信号中提取落体下落轨迹上的时间位移坐标。当得到干涉带的过零点后，可以得到每个过零点的时刻，然后均分这些过零点，将每N个过零点作为一段。落体相对于参考棱镜每下落半个激光波长λ，产生一条干涉带，即一个周期的调频正弦波，因此，每N个过零点就等于落体相对于参考境下落了                                                

的距离。这样就可以计算落体下落过程中每下落S对应的时间点，得到落体下落过程中的时间位移坐标，即落体轨迹的重建点。

从振动信号中提取速度时间信息，生成速度时间曲线。由于参考棱镜和拾振器是直接安装在绝对重力仪中的，测量时绝对重力仪又是放置于地面的，所以所获得的振动信号也即是地面的震动信号。利用一簇斜率相同的平行直线与该速度时间曲线相交，挑选与这些相交的交点时间所对应的落体时间位移坐标作为重建点，最后对这些重建点进行最小二乘拟合，计算所测量地点的重力加速度值。其理论过程如下：

首先设测量出落体下落过程中的参考棱镜的振动曲线为：

                                            （1）

然后采用一簇斜率相同的平行直线与该振动曲线（速度时间曲线，即从振动信号中生成的速度时间曲线）相交，设斜率为

，则所有的交点满足：

                                          （2）

对（2）式进行两次微分得到：

                                   （3）

由于干涉带信号和振动信号的采集是同步的，采集参数完全相同，因此挑选出与该簇平行直线与该振动曲线的交点所处时间所对应的落体轨迹上的时间位移坐标进行最小二乘拟合。在这些时间点上的干涉带波形受到的振动影响可以认为是线性的，在计算重力加速度时，由（3）式可知，振动的影响会随着二次微分的过程自动置零，即可以消除参考棱镜的振动对计算结果的影响。

这里直线簇的斜率一般取振动曲线第一个采样点与最后一个采样点连成的直线的斜率。该簇平行直线需要满足以下条件：振动曲线上的至少两个采样点均在同一条直线上；或者至少有一个采样点在该直线上，但不在该直线上的采样点的速度坐标与该直线对应与该采样点时刻的纵坐标之间的误差在振动曲线的峰峰值的1%～10%以内，其中所述的交点为该同一条直线和该振动曲线的交点。具体来说，直线簇与振动曲线相交时，由于振动曲线是离散性的（因为振动曲线是经过高速数字化仪采集后的数字信号，是离散信号），这里设定一个阈值TH，认为该簇平行直线与振动曲线相交后，纵坐标与相邻采样点之间的误差小于阈值TH时，就认为是一条有效画线。因为振动曲线的离散性，不可能所选的直线簇中的每条直线都与振动信号精确相交，而是在一定误差范围内的相交，因此这里需要设定一个阈值，也就是说满足这个阈值条件的直线都认为是有效的直线。一般来说，阈值TH是根据实验时的测量位置的背景振动情况来确定的。在背景振动大的测量位置，阈值TH一般取振动曲线非线性部分峰峰值的10%，在振动小的测量位置，可以取振动曲线非线性部分峰峰值的1%～5%。

上述方法利用直线的二次微分为零的基本原理，挑选落体轨迹上的重建点，在计算重力加速度过程中能够有效的去除地面振动的影响。整体测量结构避免了庞大的隔振系统，为绝对重力仪的小型化和流动测量提供了方法支持。

本发明中使用的最小二乘方法是一种参数估计算法（具体可参见：方崇智、萧德云的《过程辨识》，2004年清华大学出版社出版，参考页码133-156页），具体过程如下：

考虑到落体自由下落时光速有限性和地球表面的重力梯度值，落体下落的位置可以用下式表示：

              （4）

其中，??为地球表面重力梯度，

为考虑光速有限性后的时间，可以用

表达。

观测点重力加速度值，

为落体初始位置相对与参考棱镜的距离，

为第i时刻落体相对于参考棱镜的距离，则对与每次测量中获取的n个时刻对应的落体位移，可以利用（4）式得到如下表达：

                          （5）

（5）式可以写成向量形式：

  （6）

通过最小二乘估计，可以得到参数向量的最小二乘解：

                                         （7）

其中上标T表示矩阵的转置，-1表示矩阵的逆。由于所要计算的测点重力加速度值是

中的一个元素，故通过这种算法可以计算出测点的重力加速度值，这种算法充分应用了测量数据，计算精度高。

本发明的方法是一种画线选点拟合的方法，在以下的实施例中，画线选点需要以下五个参数：落体自由下落过程中相对于起始点开始取数的距离L1；落体自由下落过程中相对于起始点结束取数的距离L2；直线簇中每条直线的最小长度L3（以计算的时间位移坐标表示）；直线簇中每条直线相对于其他直线的不平行度L4（以计算的时间位移坐标表示）；遍历整条振动曲线，寻找每条直线的两个端点时的扫描间隔L5（以计算的时间位移坐标表示）。

以下列出三个计算实例显示画线选点拟合的结果。实验地点的地基分别为较厚土层（H05测点），碎石层（H08测点）和基岩（H03），画线选点拟合法的五个参数取相同的值，分别取L1=1cm，L2=7cm，L3=10，L4=1，L5=5。

算例1

H05测点，测量结果如图4，平行直线簇选取70条直线，选取70对时间位移坐标，采用直接拟合算法计算结果与参考值偏差为4592微伽，而采用本发明的画线选点法结果与参考值偏差为-1451微伽。

算例2

H08测点，测量结果如图5，平行直线簇选取120条直线，选取120对时间位移坐标，采用直接拟合算法计算结果与参考值偏差为1336微伽，而采用本发明的画线选点法结果与参考值偏差为-167微伽。

算例3

H03测点，测量结果如图6，平行直线簇选取93条直线，选取93对时间位移坐标，采用直接拟合算法计算结果与参考值偏差为830微伽，而采用本发明的画线选点法结果与参考值偏差为313微伽。

上述3个算例中，采用本发明的画线选点法因为因为有效的去除地面振动的影响，所以其结果均好于只限拟合算法的结果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种获取地球背景场重力加速度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：同步记录绝对重力仪中落体自由下落过程中包含落体时间位移信息的干涉带信号和参考棱镜振动的速度时间信息；

步骤2：利用干涉带信号提取落体下落轨迹上的时间位移坐标，即落体自由下落轨迹的重建点；

步骤3：利用一簇斜率相同的平行直线，与所述参考棱镜振动的速度时间信息所对应的参考棱镜速度时间坐标曲线相交，获得这些相交的交点所对应的时间点；

步骤4：在所述落体的时间位移信息所对应的落体时间位移坐标曲线上，选出与步骤2中获得的时间点所对应的重建点；

步骤5：根据步骤4中所挑选出的重建点计算重力加速度。

2.根据权利要求1所述的获取地球背景场重力加速度的方法，其特征在于：步骤3中，所述斜率为所述参考棱镜速度时间坐标曲线上第一个采样点与最后一个采样点连成的直线的斜率。

3.根据权利要求1或2所述的获取地球背景场重力加速度的方法，其特征在于：步骤3中，所述平行直线满足以下条件：所述参考棱镜速度时间坐标曲线上的至少两个采样点均在直线簇中某一条直线上；或者至少有一个采样点在该直线上，不在该直线上的采样点速度坐标与该直线对应与该采样点时刻的纵坐标之间的误差在所述参考棱镜速度时间坐标曲线的峰峰值的1%～10%以内，其中所述交点为该同一条直线和所述参考棱镜速度时间坐标曲线的交点。

4.根据权利要求1所述的获取地球背景场重力加速度的方法，其特征在于：步骤5中，对所述重建点采用最小二乘拟合的方法，计算重力加速度。

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