CN103149597A - 基于光纤Fabry-Perot干涉仪的重力梯度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤Fabry-Perot干涉仪的重力梯度测量方法，适用于惯导技术应用领域。本发明中，把光纤Fabry-Perot干涉仪的腔长两端分别固定在柔性机构的两个质量块上，两个质量块分别通过柔性铰链与支撑结构相连，由于重力梯度的影响，上下两个质量块产生的位移不同，则固定在两个质量块上的光纤Fabry-Perot腔长会发生变化，通过干涉测量出腔长的变化量，进而计算出重力梯度。本发明采用双光纤Fabry-Perot腔双点测量取平均值，光源由同一个光源分束产生，消除了光源不稳定等对测量结果的影响；测量结果为二者腔长变化量的平均值，消除光功率等的影响；柔性机构采用八个柔性铰链组成，双侧对称布局，有利于保证系统的稳定性和提高竖直方向上的测量精度。

Description

基于光纤Fabry-Perot干涉仪的重力梯度测量方法

技术领域

本发明涉及重力梯度、光纤Fabry-Perot干涉仪以及柔性机构技术，特别适用于惯导技术应用领域，具体地说，是指一种基于光纤Fabry-Perot干涉仪的重力梯度测量方法。

背景技术

重力场的测量在国防和民用航天、地球物理、地下资源勘探、海洋、空间技术、军事应用和环境科学等领域具有重大作用，重力梯度仪又是探测地球重力场信息的重要手段，是人类社会认识地球不可缺少的一个方面，它在物理探矿、地震与海平面监测、大地水准面的精确测定、地壳垂直形变等方面将发挥越来越多的作用，尤其在惯性导航领域，测量出重力梯度,再通过对重力梯度的空间积分就可得到重力，用测量重力势二阶导数的重力梯度仪实时测量重力梯度张量分量,就能够获得准确的重力值和垂直偏差,把它们提供给惯性导航系统,就能达到精确导航的目的。

现有的重力梯度仪主要包括四种类型：旋转加速计重力梯度仪、静电悬浮重力梯度仪、超导重力梯度仪和原子干涉重力梯度仪，现在的重力梯度仪具有体积大、成本高、维护较为困难和对环境要求较高的缺点，尤其是现在精度最高的超导重力梯度仪需要苛刻的低温工作条件和昂贵的制作维护费用。

自20世纪60年代发明光纤导光以来，光纤技术得到很大发展，产生了各种各样的光纤传感器，与传统传感器相比，它具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好、便于与光纤传输系统组成遥测网络等优点，其中光纤Fabry-Perot传感器是目前历史最长、技术最为成熟、应用最为普遍的一种光纤传感器，具有结构简单、精度高、体积小、成本较低和适合批量生产的优点，应用光纤Fabry-Perot干涉仪测量重力梯度具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明主要是提供用光纤Fabry-Perot干涉仪测量重力梯度的方法，并针对此方法，设计光纤Fabry-Perot干涉仪、柔性机构以及支撑结构。

测量中，把光纤Fabry-Perot干涉仪的腔长两端分别固定在柔性机构的两个质量块上，两个质量块分别通过柔性铰链与支撑结构相连，由于重力梯度的影响，上下两个质量块产生的位移不同，则固定在两个质量块上的光纤Fabry-Perot腔长会发生变化，通过干涉测量出腔长的变化量，进而计算出重力梯度，具体的测量过程为：

第一步，柔性机构处于初始水平校准位置，此时两个质量块处于同一水平线上，受到相同的重力的影响，重力梯度为零，因此在竖直方向上没有位移差，此时光纤Fabry-Perot腔长保持不变；

第二步，柔性结构在初始水平位置的基础上旋转90度，由于两个质量块在竖直方向上受到的重力不同，两个质量块在重力作用下产生的位移不同，信号解调出此时光纤Fabry-Perot腔长的第一变化量；

第三步，在第二步的基础上，柔性机构再次旋转180度，与第二步相比，两个质量块在竖直方向上位置互换，由于受到的重力不同，两个质量块产生位移差，信号解调出此时光纤Fabry-Perot腔长的第二变化量；

第四步，计算第二步和第三步光纤Fabry-Perot腔长的两个变化量平均值，即为柔性机构由于重力梯度的影响产生的位移差；

第五步，由位移差计算重力梯度。

本发明用于重力梯度测量的新方法，与现有的重力梯度测量方法相比，优点在于：

(1)采用双光纤Fabry-Perot腔双点测量取平均值，光源由同一个光源分束产生，消除了光源不稳定等对测量结果的影响，使测量结果更准确；

(2)双光纤Fabry-Perot腔腔长不同，初始腔长相差

即有

的相位调制，测量时信号向相反的方向变化，测量结果为二者腔长变化量的平均值，消除光功率等的影响，提高测量精度；

(3)光纤Fabry-Perot干涉仪是一种新型的传感器，具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好、结构简单、体积小、成本较低和适合于批量生产的优点，后续的信号解调可以由计算机处理，解调算法精度高，也便于系统集成；

(4)柔性机构采用八个柔性铰链组成，双侧对称布局，有利于保证系统的稳定性，减少转动过程中质量块向其余方向的运动，有利于提高竖直方向上的测量精度；

(5)柔性机构可以一体加工，不需要繁琐的装配，制作及维护的成本较低，也有利于批量生产；

(6)测量过程中，旋转两次，腔长的变化量取两次测量结果的平均值，消除由于机械加工造成的上下质量块及柔性铰链不完全对称的影响，提高测量精度；

(7)在测量装置中，转轴处于柔性机构的重心处，转动质心和重心重合，有利于保证转动过程的平稳。

附图说明

图1是初始水平校准位置时梯度测量方法的连接装置示意图；

图2是在初始水平位置基础上旋转90度后测量重力梯度时的柔性机构位置示意图；

图3是在图2基础上旋转180度后的测量重力梯度的柔性机构位置示意图；

图4是柔性机构初始水平位置三维示意图；

图5是柔性机构竖直测量位置三维示意图；

图6是本发明提供的重力梯度测量方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供一种基于光纤Fabry-Perot干涉仪的重力梯度测量方法，通过把Fabry-Perot干涉仪的腔两端固定在柔性机构的质量块上，测量出Fabry-Perot腔长的变化量，进而计算出重力梯度，并同时设计柔性机构、Fabry-Perot干涉仪。

如图1所示，所述的Fabry-Perot干涉仪包括计算机6、两个光电探测器7、光源8、一个分束器9、两个耦合器10和两组单模光纤11，所述的单模光纤11安装在柔性机构上。所述的光源8发出的激光经分束器9分为两束光，两束光分别经过耦合器10和光纤传输到光纤Fabry-Perot腔，在光纤Fabry-Perot腔中传输的两束反射光经耦合器10后传输到光电探测器7，光电探测器7将光信号转换为电信号，传输到计算机6进行信号解调处理。所述的光纤Fabry-Perot腔如图1所示，每个单模光纤11通过套筒12固定，并且每个单模光纤11的末端都具有光学高反膜13，单模光纤11末端之间的距离定义为腔长S。

重力梯度是指重力随空间的变化，数学语言可以描述为竖直方向上重力的一阶导数，重力梯度的公式表示为：

$\mathrm{\Γ}=\frac{\mathrm{\Δg}}{h}$

其中，Γ为重力梯度，Δg为测量两点之间的重力差，h为测量两点竖直方向上的距离，在测量重力梯度的过程中，只要测量出两点之间的重力差Δg和两点之间的竖直方向上的距离h即可。在用光纤Fabry-Perot干涉仪测量重力梯度的过程中，h已知，重点在于通过光纤Fabry-Perot腔长的变化量计算出柔性机构的位移差，进而计算出重力差Δg，最后计算出重力梯度，测量的过程如图6的流程图所示，包括如下步骤：

第一步，柔性机构处于初始水平位置，如图1所示，此时两个质量块A1和质量块B2处于同一水平线上，在竖直方向上受到的重力相同，竖直方向上没有位移差，此时可以认为不存在重力梯度，初始位置作为校准位置，为下一步的测量的做好准备。将光纤Fabry-Perot干涉仪的腔长两端分别固定在所述的两个质量块A1和B2上，此时光纤Fabry-Perot干涉仪的腔长为S，如图1；

本发明采用双光纤Fabry-Perot腔同时测量，并且两个光纤Fabry-Perot腔长之间有

的差值，实现信号的

调制，消除光源等影响。

所述柔性机构是一体加工而成，其中的两个质量块A1和B2的质量相等，体积相同，重心一致，质量一致，如图4所示，所述的柔性机构初始水平位置，两个质量块A1和质量块B2通过柔性铰链3固定在柔性机构的支撑结构4上，在所述的两个质量块A1和质量块B2中间的支撑结构4上设置有转轴5。所述的支撑结构4整体为一个“日”字形的框架结构，所述转轴5位于中间横梁上，处于柔性机构的中心。两个质量块A1和B2分别固定在两个空腔内，每个质量块A1或B2通过四个相对质量块双侧对称布局的柔性铰链3连接在支撑结构4上。

第二步，在第一步的初始水平位置基础上，柔性机构旋转90度，得到如图2所示的位置，此时两个质量块处于竖直方向上，由于竖直方向上两个质量块受到的重力不同，也即在竖直方向上产生了重力差，具体地说，处于下面的质量块受到的重力大于上面的质量块，因此下面的质量块带动柔性铰链3产生位移大于上面的质量块产生的位移，如图5所示，当柔性机构绕转轴5旋转90度到达图5所示的竖直位置时，由于重力作用，质量块A1、质量块B2和柔性铰链3均发生向下的位移。由于腔长的两端分别固定在质量块上，此时两个光纤Fabry-Perot干涉仪的腔长变大，测量出两个光纤Fabry-Perot干涉仪的腔长的变化量分别为ΔS₁₁和ΔS₂₁，则第一次测量的由于重力梯度的影响而产生的上下质量块相对位移差为ΔS₁：

${\mathrm{\ΔS}}_1=\frac{{\mathrm{\ΔS}}_{11}+{\mathrm{\ΔS}}_{21}}{2}$

第三步，在第二步的竖直位置的基础上，柔性机构旋转180度，如图3所示位置，相比第二步，两个质量块位置互换，即原来处于上面的质量块经过旋转后处于下面，原来处于下面位置的质量块经过旋转后变成处于上面的位置，此时两个质量块仍旧处于竖直方向上，由于重力梯度的影响，上下质量块的位移不同，测量出此时两个光纤Fabry-Perot干涉仪的腔长的变化量ΔS₁₂和ΔS₂₂则第二次测量的两个质量块的相对位移差为ΔS₂：

${\mathrm{\ΔS}}_2=\frac{{\mathrm{\ΔS}}_{12}+{\mathrm{\ΔS}}_{22}}{2}$

第四步，计算平均位移差ΔS：

平均位移差取两次位移差的平均值：

$\mathrm{\ΔS}=\frac{{\mathrm{\ΔS}}_1+{\mathrm{\ΔS}}_2}{2}$

第五步，计算重力梯度：

由平均位移差计算重力差的公式为：

$\mathrm{\Δg}=\frac{\mathrm{\ΔS}\·K_b}{m}$

其中m为质量块的质量，K_b为柔性机构的刚度，则重力梯度为：

$\mathrm{\Γ}=\frac{\mathrm{\Δg}}{h}$

其中h是两个质量块的中心点之间的距离。使用光纤Fabry-Perot干涉仪测量柔性机构的中两个质量块的相对位移差，不可避免的会受到光源不稳定等因素的影响，在测量的过程中，使用双光纤Fabry-Perot干涉仪，并且使用同一个光源分束产生，尽量减少光源等因素对光纤Fabry-Perot干涉测量位移的影响，提高测量精度。

机械加工过程中，不可避免的引入加工误差，上下质量块以及柔性铰链不可能完全相同，如果只是旋转90度测量一次位移差，那么不可避免的要引入加工误差的影响，旋转180度后再测量第二次位移差，最终的位移差为两次测量的位移差的平均值，尽可能减少加工误差的影响。

Claims (5)

1.基于光纤Fabry-Perot干涉仪的重力梯度测量方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步，柔性机构处于初始水平校准位置，此时两个质量块处于同一水平线上，受到相同的重力的影响，重力梯度为零，因此在竖直方向上没有位移差，此时光纤Fabry-Perot腔长保持不变；

第二步，柔性结构在初始水平位置的基础上旋转90度，信号解调出此时两个光纤Fabry-Perot腔长的变化量分别为ΔS₁₁和ΔS₂₁，则第一次测量的上下质量块相对位移差为ΔS₁：

${\mathrm{\ΔS}}_1=\frac{{\mathrm{\ΔS}}_{11}+{\mathrm{\ΔS}}_{21}}{2};$

第三步，在第二步的基础上，柔性机构再次旋转180度，与第二步相比，两个质量块在竖直方向上位置互换，由于受到的重力不同，两个质量块产生位移差，信号解调出此时两个光纤Fabry-Perot腔长的变化量ΔS₁₂和ΔS₂₂则第二次测量的两个质量块的相对位移差为ΔS₂：

${\mathrm{\ΔS}}_2=\frac{{\mathrm{\ΔS}}_{12}+{\mathrm{\ΔS}}_{22}}{2};$

第四步，计算第二步和第三步中两个质量块相对位移差的平均值，即为柔性机构由于重力梯度的影响产生的平均位移差ΔS；

第五步，由位移差计算重力梯度：

由平均位移差计算重力差Δg的公式为：

$\mathrm{\Δg}=\frac{\mathrm{\ΔS}\·K_b}{m}$

其中m为质量块的质量，K_b为柔性机构的刚度，则重力梯度Γ为：

$\mathrm{\Γ}=\frac{\mathrm{\Δg}}{h}.$

2.根据权利要求1所述的基于光纤Fabry-Perot干涉仪的重力梯度测量方法，其特征在于：所述的光纤Fabry-Perot腔有两个，并且两个光纤Fabry-Perot腔长之间有

的差值。

3.基于光纤Fabry-Perot干涉仪的重力梯度测量装置，其特征在于：包括计算机、两个光电探测器、光源、一个分束器、两个耦合器、两组单模光纤和一个柔性机构，所述的单模光纤安装在柔性机构上；所述的光源发出的激光经分束器分为两束光，两束光分别经过耦合器和光纤传输到光纤Fabry-Perot腔，在光纤Fabry-Perot腔中传输的两束反射光经耦合器后传输到光电探测器，光电探测器将光信号转换为电信号，传输到计算机进行信号解调处理。

4.根据权利要求3所述的基于光纤Fabry-Perot干涉仪的重力梯度测量装置，其特征在于：所述的柔性机构为一体成型结构，包括支撑结构、柔性铰链、两个质量块和一个转轴，两个质量块通过柔性铰链固定在柔性机构的支撑结构上，在所述的两个质量块中间的支撑结构上设置有转轴，柔性机构可绕转轴旋转。

5.根据权利要求4所述的基于光纤Fabry-Perot干涉仪的重力梯度测量装置，其特征在于：所述的支撑结构整体为一个“日”字形的框架结构，所述转轴位于中间横梁上，处于柔性机构的中心；两个质量块分别固定在两个空腔内，每个质量块通过四个相对质量块两侧对称布局的柔性铰链固定连接在支撑结构上。

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