CN104459826A - 旋转加速度计重力梯度仪重力梯度信号仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转加速度计重力梯度仪重力梯度信号仿真方法，根据万有引力公式计算出圆盘上四只加速度计感应到的引力加速度计信号，四组加速度信号分别与各种误差数据相加，计算机把计算得到的含有误差的加速度数据发送给模数转换器，然后经过电流转电压信号转换、电压放大和加减操作，对加法信号和减法信号分别进行1倍频解调和固定频率信号解调，根据解调结果判断是否调整加速度计标度因数，如果解调结果满足要求，则对仿真系统总输出信号进行2倍频梯度解调，得到重力梯度值。通过本发明，可以详细研究旋转加速度计重力梯度仪的信号特征、参数调整、误差补偿以及信号处理方法。

Description

旋转加速度计重力梯度仪重力梯度信号仿真方法

技术领域

本发明涉及一种旋转加速度计重力梯度仪重力梯度信号仿真方法，尤其涉及一种基于精密仪器模拟真实系统环境的重力梯度信号仿真方法。

背景技术

地球重力场反映了地球内部物质分布和组成信息，通过精确测量地球重力场可以反演出物质分布。高精度重力梯度测量对于空间科学、地球科学、地质科学的发展以及在惯性导航等方面具有非常重要的意义，同时重力梯度测量被认为是资源勘探的最有效的手段之一，对于基础地质调查、基础地质研究、大地测量、油气矿藏资源勘查等领域具有重要的应用前景，航空重力梯度测量对山区、无人区、海岛和沿海大陆架部分的基础数据获取具有重要应用价值。

在直线加速度场中可以通过测量两点之间的加速度之差测量重力的变化，就是重力梯度，重力梯度反映的是重力加速度的空间微分，能够反映场源体的细节，具有比重力更高的分辨率。采用差分形式的重力梯度仪不受重力仪运动速度及加速度的影响，在实际的重力梯度仪系统中，梯度信号非常微弱，这对重力梯度敏感器、信号调理、噪声抑制等技术提出了严峻挑战。

本世纪初，澳大利亚BHP公司与美国Lockheed Martin公司联合研制了Falcon航空重力梯度仪，并将其安装在Cessna Grand Caravan飞机上进行了一系列能源勘探实验，取得了很好的效果，并投入了商业运行。目前，国际上正在研制的重力梯度测量系统主要包括旋转加速度计重力梯度测量系统、超导重力梯度测量系统、冷原子重力梯度测量系统等，而真正成功投入勘探应用的重力梯度测量系统只有基于美国Lockheed Martin公司研制的旋转加速度计重力全张量重力梯度仪，还有在此基础上发展起来的澳大利亚BHP公司研制的Falcon部分张量重力梯度仪和Bell Geospace(现在的Lockheed Martin)研制的Air-FTG^TM与ARKeX公司研制的FTGeX全张量重力梯度仪。目前Falcon精度达到了8.1E，Air-FTG^TM的探测精度达到8E，FTGeX的敏感度达到7E/√Hz。

发明内容

技术问题：本发明提出一种利用高精密仪表实现模拟真实系统环境，可以帮助研制人员分析旋转加速度计重力梯度仪系统误差源、研究滤波算法，有助于为旋转加速度计重力梯度仪电路设计提供验证测试平台的旋转加速度计重力梯度仪重力梯度信号仿真方法。

技术方案：本发明的旋转加速度计重力梯度仪重力梯度信号仿真方法，包括以下步骤：

1)对仿真系统参数进行初始化。

2)将四只高精度加速度计均匀正交放置在旋转圆盘上，相对两个加速度计的输入轴方向相反，相邻两个加速度计的输入轴相互垂直，且四个加速度计的输入轴方向正切于圆盘边沿，将圆盘坐标系记为OXYZ，原点为O，圆盘圆心位于坐标系原点，圆盘旋转轴垂直于圆盘平面。

3)将待检测物体置于步骤2)确定的圆盘坐标系中，根据万有引力公式，计算出检测物体对4只加速度计所产生的引力加速度信号，得到4组理想加速度信号，然后分别与实际物理环境下的加速度计固有噪声信号相加，得到4组加速度计信号。

4)将所述步骤3)中得到的4组加速度计信号，根据加速度计数学模型公式，分别计算得到4组实际加速度计输出的电流信号。

5)将所述步骤4)中得到的4组实际加速度计的电流信号经过高精度数模转换，产生4路对应实际加速度计信号的模拟电流信号，然后4路模拟电流信号分别经过电流转电压放大，产生对应的4路放大的模拟电压信号。将两两相对的加速度计的模拟电压信号经过低噪声加法放大进行信号相加操作，各自得到一路加法模拟信号。

6)将所述步骤5)得到的两路加法模拟信号经过双通道电压模数转换，使模拟信号转换为数字信号，得到的数字信号分别设为D₁₂和D₃₄，对数字信号D₁₂和D₃₄分别进行1倍频数字信号解调，各自得到一组解调结果。

7)将所述步骤6)中得到的两组解调结果进行如下分析判断：

若数字信号D₁₂的1倍频解调结果不为零，则调整加速度计A1的标度因数，然后返回步骤4)；

若数字信号D₃₄的1倍频解调结果不为零，则调整加速度计A4的标度因数，然后返回步骤4)；

若数字信号D₁₂和D₃₄的1倍频解调结果均为零，则进入步骤8)。

8)将所述步骤5)中输出的两路加法模拟信号经减法放大得到一路减法信号，将减法信号经过单通道电压模数转换，使模拟信号转换为数字信号，输出的数字信号记为E，对数字信号E进行频率解调，得到一组解调数据。

9)将所述步骤8)中得到的一组解调结果进行分析，当解调数据的值为零时，直接进入步骤10)，否则同时调整加速度计A3、A4的标度因数，并保证二者相等后返回步骤4)。

10)对所述步骤8)中得到的数字信号E进行2倍频梯度解调，得到检测物体对圆盘中心处产生的重力梯度值。

本发明方法的优选方案中，步骤1)中进行初始化的仿真系统参数为：加速度计数据文件，加速度计标度因数和零位偏置，加速度计检测质量中心到圆盘中心的距离，圆盘旋转角频率，系统放大增益，初始相位角，信号采样率。

本发明是利用精密仪器实现旋转加速度计重力梯度信号仿真的方法，在精密仪器高精度基础上，通过加入各种误差源数据，分析重力梯度信号特征，找出误差源影响其信号的规律，对旋转加速度计重力梯度仪系统的设计起着重要的理论和技术支撑作用。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明是利用精密仪表模拟重力梯度信号仿真的一种方法，通过该仿真系统，在理想的加速度数据中加入各种误差数据，如标度因数误差、加速度计噪声、旋转角加速度误差、加速度计安装误差等，对含有噪声的梯度信号进行分析，得出误差源影响梯度信号的规律。重力梯度信号仿真方法具有参数可调、操作便捷、针对性和实用性强等特点，是一种接近实际物理系统环境的分析方法。

重力梯度信号非常微弱，在实际物理系统环境中较难提取出来，通过本发明的重力梯度信号仿真方法，可以实现重力梯度信号全方位模拟。实际加速度计数据与各种误差数据相加经过高精度数模转换、加法放大和减法放大电路，输出含有重力梯度信息的重力梯度信号，然后经过高精度模数转换，将模拟信号转为数字信号，最后对该数字信号进行分析，根据误差解调结果对加速度计标度因数进行反馈调整，最终解调出高精度重力梯度信号；通过本仿真方法，可以模拟再现旋转加速度计重力梯度仪的噪声和误差机理，有助于验证电路设计的正确性，方便验证旋转加速度计重力梯度仪的数据处理方法和误差补偿算法，对旋转加速度计重力梯度仪系统的设计有重要的实际价值。。

附图说明

图1为旋转加速度计重力梯度仪原理图。

图2为仿真系统工作示意图。

图3为梯度信号动态解调示意图。

图4为仿真系统工作流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步地说明。

旋转加速度计重力梯度仪测量原理如图1所示，四个加速度计相互正交的安装在旋转圆盘上，加速度计敏感轴正切于圆盘边沿，相对的两只加速度计敏感轴方向相反。图2是仿真系统工作示意图，图3是梯度信号动态解调示意图，图4是仿真系统工作流程图，具体流程步骤如下：

1)计算机对所有参数进行初始化，参数主要有：需要进行测试仿真的加速度计数据文件、加速度计标度因数和零位偏置、加速度计检测质量中心到圆盘中心的距离、圆盘旋转角频率、系统放大增益、初始相位角、信号采样率等，设加速度计A1、A2、A3、A4标度因数分别设为K₁₁、K₁₂、K₁₃、K₁₄，零位偏置分别设为K₀₁、K₀₂、K₀₃、K₀₄，加速度计检测质量中心到圆盘中心的距离设为R，圆盘旋转角频率设为ω，系统放大增益设为K，初始相位角设为θ，信号采样率设为f_s，以上参数的初始化根据测试条件和实验要求进行设定，其中四只加速度计的标度因数设置为不一致，零位偏置设置后，保证一级放大器不饱和，系统放大增益为仿真系统真实信号放大倍数。

2)将四只高精度加速度计均匀正交放置在圆盘上，加速度计敏感轴正切于圆盘边沿，相对的两只加速度计的敏感轴方向相反，相邻两只加速度计的敏感轴方向相互垂直，以圆盘中心为原点，建立圆盘坐标系，定为东北天地理坐标系，记为OXYZ，坐标系原点为O，圆盘的旋转轴垂直于圆盘平面。

3)将待检测物体置于步骤2)所设的坐标系中，根据万有引力公式，计算出检测物体对4只加速度计所产生的引力加速度信号，得到4组理想加速度信号，然后分别与固定频率信号、实际物理环境下加速度计固有噪声信号相加，其中固定频率信号设为δsinω_st，δ为固定频率信号幅值，ω_s为固定频率信号频率。

4)将所述步骤3)中得到4组加速度计信号，根据加速度计数学模型公式，分别计算得到4组实际加速度计输出的电流信号。

5)计算机将所述步骤4)中得到的4组实际加速度电流信号发出，送给高精度数模转换器，产生4路对应实际加速度信号的模拟电流信号，输出的4路模拟电流信号分别设为A₁、A₂、A₃和A₄，其中信号A₁模拟的是加速度计A1实际输出的电流信号，其他信号，以此类推。然后4路模拟电流信号A₁、A₂、A₃和A₄分别经过电流转电压放大器，产生对应的4路放大的模拟电压信号，输出的4路模拟电压信号分别设为V₁、V₂、V₃和V₄。信号V₁和V₂经过加法放大器1#，实现信号相加操作，加法放大器1#的输出设为V₁₂，信号V₃和V₄经过加法放大器2#，实现信号相加操作，加法放大器2#的输出设为V₃₄。

6)将所述步骤5)得到的两路加法模拟信号V₁₂和V₃₄经过双通道电压模数转换器，使模拟信号转换为数字信号，得到的数字信号分别设为D₁₂和D₃₄，计算机读取D₁₂和D₃₄数据，然后对D₁₂和D₃₄进行1倍频数字信号解调，分别得到两组解调结果。

7)将所述步骤6)中得到的两组解调结果分别进行分析，若信号D₁₂的1倍频解调结果不为零，则调整加速度计A1标度因数K₁₁；若信号D₃₄的1倍频解调结果不为零，则调整加速度计A4标度因数K₁₄，然后返回步骤4)，否则进入步骤8)，直到所述步骤6)中得到的两组解调结果为零为止。

8)将所述步骤5)中输出的两路加法模拟信号V₁₂和V₃₄经减法放大器得到一路减法信号，减法放大的输出信号经过单通道电压模数转换器，使模拟信号转换为数字信号，输出的数字信号设为E，计算机读取E数据，然后对数字信号E在频率ω_s处进行固定频率解调，得到一组解调数据。

9)将所述步骤8)中得到的一组解调结果进行分析，当解调结果的值不为零时，同时调整加速度计A3、A4的标度因数K₁₃和K₁₄，并保证K₁₃＝K₁₄，然后返回步骤4)，否则进入步骤10)，直到所述步骤8)中得到的解调结果为零为止。

10)对所述步骤8)中得到的数字信号E进行2倍频梯度解调，得到检测物体对圆盘中心处产生的重力梯度值。

11)计算机对步骤10)中得到的重力梯度值进行波形显示和数据保存。

利用本本发明方法的仿真系统，可以实现各种误差源分析，验证电路设计的正确性，实现误差补偿研究，并可实现数据处理方法研究。

应理解上述实施例仅用于说明本发明技术方案的具体实施方式，而不用于限制本发明的范围。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改和替换均落于本申请权利要求所限定的保护范围。

Claims (2)

1.一种旋转加速度计重力梯度仪重力梯度信号仿真方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)对仿真系统参数进行初始化；

2)将四只高精度加速度计均匀正交放置在旋转圆盘上，相对两个加速度计的输入轴方向相反，相邻两个加速度计的输入轴相互垂直，且四个加速度计的输入轴方向正切于圆盘边沿，将圆盘坐标系记为OXYZ，原点为O，圆盘圆心位于坐标系原点，圆盘旋转轴垂直于圆盘平面；

3)将待检测物体置于所述步骤2)确定的圆盘坐标系中，根据万有引力公式，计算出检测物体对4只加速度计所产生的引力加速度信号，得到4组理想加速度信号，然后分别与实际物理环境下的加速度计固有噪声信号相加，得到4组加速度计信号；

4)将所述步骤3)中得到的4组加速度计信号，根据加速度计数学模型公式，分别计算得到4组实际加速度计输出的电流信号；

5)将所述步骤4)中得到的4组实际加速度计的电流信号经过高精度数模转换，产生4路对应所述加速度计信号的模拟电流信号，然后所述4路模拟电流信号分别经过电流转电压放大，产生对应的4路放大的模拟电压信号；将两两相对的加速度计的模拟电压信号经过低噪声加法放大进行信号相加操作，各自得到一路加法模拟信号；

6)将所述步骤5)得到的两路加法模拟信号经过双通道电压模数转换，使模拟信号转换为数字信号，得到的数字信号分别设为D₁₂和D₃₄，对所述数字信号D₁₂和D₃₄分别进行1倍频数字信号解调，各自得到一组解调结果；

7)将所述步骤6)中得到的两组解调结果进行如下分析判断：

若数字信号D₁₂的1倍频解调结果不为零，则调整加速度计A1的标度因数，然后返回步骤4)；

若数字信号D₃₄的1倍频解调结果不为零，则调整加速度计A4的标度因数，然后返回步骤4)；

若数字信号D₁₂和D₃₄的1倍频解调结果均为零，则进入步骤8)；

8)将所述步骤5)中输出的两路加法模拟信号经减法放大得到一路减法信号，将所述减法信号经过单通道电压模数转换，使模拟信号转换为数字信号，输出的数字信号记为E，对数字信号E进行频率解调，得到一组解调数据；

9)将所述步骤8)中得到的一组解调结果进行分析，当解调数据的值为零时，直接进入步骤10)，否则同时调整加速度计A3、A4的标度因数，并使二者相等后返回步骤4)；

10)对所述步骤8)中得到的数字信号E进行2倍频梯度解调，得到检测物体对圆盘中心处产生的重力梯度值。

2.根据权利要求1所述的旋转加速度计重力梯度仪重力梯度信号仿真方法，其特征在于，所述步骤1)中进行初始化的仿真系统参数为：加速度计数据文件，加速度计标度因数和零位偏置，加速度计检测质量中心到圆盘中心的距离，圆盘旋转角频率，系统放大增益，初始相位角，信号采样率。