CN104597520A - 一种重力梯度仪重力梯度敏感器输入激励产生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种重力梯度仪重力梯度敏感器输入激励产生方法，其主要技术特点是：将两个对称环形质量体设置在重力梯度敏感器外侧，模拟重力梯度张量分量信号对重力梯度敏感器的输入激励；计算确定环形质量分布密度，确定环形质量体横截面积；依次将两环形质量体顺逆时针旋转45度，模拟重力梯度张量分量信号对重力梯度敏感器的输入激励；在第一位置和第二位置各放置一组环形质量体，同时模拟的重力梯度张量分量信号对重力梯度敏感器的激励。本发明完全模拟重力梯度张量分量对重力梯度敏感器的输入激励特性，解决了现有方法导致重力梯度敏感器性能测试和标定结果出现偏差的问题，提高了重力梯度敏感器性能测试和测试精度。

Description

一种重力梯度仪重力梯度敏感器输入激励产生方法
技术领域
本发明属于重力梯度仪领域，尤其是一种重力梯度仪重力梯度敏感器输入激励产生方法。
背景技术
重力梯度仪可以用来测量重力梯度张量(重力加速度矢量的空间梯度)，重力梯度张量有五个独立项，即完全确定空间任意点的重力梯度张量需要五个独立量的测量。旋转加速度计重力梯度仪由安装在惯性稳定平台上正交的三套重力梯度敏感器组成，重力梯度敏感器是一个单轴旋转装置，其旋转台体上安装一组(四个)加速度计，四个加速度计A1、A2、A3、A4在台体上的安装如图1所示，oxy坐标系(不随台体旋转)为重力梯度测量坐标系，四个加速度计均布安装在以旋转轴为中心的圆周上，加速度计敏感轴方向沿圆周切向，工作时重力梯度信号被调制在转速二倍频上，即：
A1-A2+A3-A4＝2rTxx-Tyysin2ωt+4rTxycos2ωt
通过对加速度计组件输出信号(A1+A3-A2-A4)解调可得到旋转台体所在平面的重力梯度张量分量信号Txx-Tyy，Txy。
重力梯度张量Txx-Tyy为加速度计A1、A3提供幅值相同的转速二倍频正弦信号输入激励，为加速度计A2、A4提供与A1、A3幅值相反的转速二倍频正弦信号输入激励；同时重力梯度张量Txy为加速度计A1、A3提供幅值相同的转速二倍频余弦信号输入激励，为加速度计A2、A4提供与A1、A3幅值相反的转速二倍频余弦信号输入激励。四个加速度计输出组合信号A1-A2+A3-A4将重力梯度张量的影响放大4倍。
为了实现重力梯度敏感器性能测试与标定，需模拟重力梯度信号，作为重力梯度敏感器的输入激励，为实施重力梯度敏感器测试和标定创造条件。重力梯度来源于地球引力场，对重力梯度信号的模拟可以采用质量体产生质量引力场，但出于操作便利和空间等条件方面考虑，质量体通常应置于重力梯度敏感器附近，视情况质量体中心距重力梯度敏感器旋转中心可取1.5～2r范围，r为重力梯度敏感器有效旋转半径，此时质量体产生的引力场将具有高度非线性，出现对重力梯度信号的模拟失真，从而导致对重力梯度敏感器测试的偏差。如图2所示，在重力梯度敏感器一侧x轴上放置质量体M，质量体为密度18000kg/m3的边长为20cm的立方体，质量体中心距离重力梯度敏感器旋转中心为1.8r，重力梯度敏感器转速90°/s，此时质量体M模拟重力梯度张量Txx-Tyy对加速度计组件的正弦输入激励，模拟信号的时域与频域序列如图3所示，从频域可知主要频率为转速二倍频(0.5Hz)，对加速度计组件输入激励模拟基本满足要求；同时分析质量体M对单个加速度计A1输入激励，如图4所示，可知质量体M产生的加速度计A1输入激励信号频率复杂，虽然包含转速二倍频成分，但干扰频率信号强度很大，特别是转速1倍频信号，因此，质量体M不能实现对单个加速度计输入激励的真实模拟。由于加速度计不同频率响应性能差异，使用质量体M模拟重力梯度张量Txx-Tyy引起的输入激励，将会导致重力梯度敏感器性能测试和标定结果出现偏差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种重力梯度仪重力梯度敏感器输入激励产生方法，解决了现有方法导致重力梯度敏感器性能测试和标定结果出现偏差的问题。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种重力梯度仪重力梯度敏感器输入激励产生方法，其特征在于：
步骤1、将两个对称环形质量体设置在重力梯度敏感器外侧并将环形质量体位置标记为第一位置，模拟重力梯度张量分量信号Txx-Tyy对重力梯度敏感器的输入激励；
步骤2、根据所需激励数值大小，利用万有引力公式计算确定环形质量分布密度，进而确定环形质量体横截面积；
步骤3、将两环形质量体顺逆时针旋转45度，模拟重力梯度张量分量信号Txy对重力梯度敏感器的输入激励，并将此时环形质量体位置标记为第二位置；
步骤4、将两环形质量体继续顺逆时针旋转45度，模拟重力梯度张量分量信号Txx-Tyy对重力梯度敏感器的输入激励，并将此时环形质量体位置标记为第三位置；
步骤5、将两环形质量体继续顺逆时针旋转45度，模拟重力梯度张量分量信号Txy对重力梯度敏感器的输入激励，并将此时环形质量体位置标记为第四位置；
步骤6、在第一位置和第二位置各放置一组环形质量体，两组质量体通过空间z方向或环形质量体半径差异避免空间干涉，同时模拟的重力梯度张量分量信号Txx-Tyy、Txy对重力梯度敏感器的激励。
而且，所述步骤1是根据重力梯度敏感器附近具体情况，确定两个环形质量体的位置，其环形对应弧度为90°且关于x轴对称，两个环形质量体关于y轴对称，环形质量体圆心与重力梯度敏感器旋转中心重合，半径1.5～2r范围内取值，r是重力梯度敏感器旋转半径。
而且，所述步骤6中的一组环形质量体包括两个环形质量体。
而且，所述环形质量体的横截面为正方形。
本发明的优点和积极效果是：
本发明采用在重力梯度敏感器外侧设置两个对称环形质量体，可以完全模拟重力梯度张量分量对重力梯度敏感器的输入激励特性，解决了现有方法导致重力梯度敏感器性能测试和标定结果出现偏差的问题，提高了重力梯度敏感器性能测试和测试精度。
附图说明
图1为重力梯度敏感器原理示意图；
图2为单质量体M布置示意图；
图3为单质量体M模拟Txx-Tyy对加速度组件输入激励图；
图4为单质量体M模拟Txx-Tyy对加速度计A1输入激励图；
图5为对称质量体模拟Txx-Tyy对加速度计A1输入激励；
图6为对称质量体模拟Txx-Tyy对加速度计A1、A2输入激励；
图7为两对称环形质量体布置示意图；
图8为两对称环形质量体模拟Txx-Tyy对加速度计A1激励信号；
图9为两对称环形质量体模拟Txx-Tyy对加速度计A1、A2激励信号；
图10为两对称环形质量体模拟Txx-Tyy对加速度计组件激励信号。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：
一种重力梯度仪重力梯度敏感器输入激励产生方法，是基于以下设计实现的：
在重力梯度敏感器两侧关于y轴对称布置两个质量体M1和M2，若仍然采用立方体，此时两个质量体对单个加速度计的输入激励如图5所示，产生的输入激励信号从频域看其主要频率为0.5Hz即转速二倍频，干扰频率信号较弱，但从时域看与正弦信号仍有较大偏离。实际中重力梯度张量分量Txx-Tyy对相邻安装的加速度计产生等幅值反向正弦激励，而两个对称布置的质量体产生的相邻安装加速度计A1、A2的输入激励存在明显的相位差δ，如图6所示，即对称布置质量体虽然明显比单个质量体有更好的输入激励模拟效果，但仍然不能完全模拟重力梯度张量分量Txx-Tyy对重力梯度敏感器输入特性。
改变对称布置的质量体M1、M2的形式，不再采用集中质量的形式，采用环形分布质量的形式，如图7所示，环形质量的圆心与重力梯度敏感器旋转中心重合，环形角度为90°，每个环形质量体关于x轴对称放置，环形质量体的横截面可采用正方形。对称布置环形质量体对单个加速度计产生的输入激励如图8所示，对相邻加速度计A1、A2的输入激励对比如图9所示，对4个加速度计组件的输入激励如图10所示，从图中可以看出，对称布置环形质量体方案可以完全模拟重力梯度张量分量Txx-Tyy对重力梯度敏感器的输入激励特性。
应用质量体模拟重力梯度张量Txy对重力梯度敏感器输入激励的步骤如下：将图7中对称布置的环形质量体旋转45°，即可模拟重力梯度张量Txy对重力梯度敏感器的输入激励。
本发明包括以下步骤：
步骤1、将两个对称环形质量体(M1、M2)设置在重力梯度敏感器外侧，根据重力梯度敏感器附近具体情况，确定两个环形质量体的位置，环形对应弧度为90°，关于x轴对称，两个环形质量体关于y轴对称，环形质量体圆心与重力梯度敏感器旋转中心重合，半径推荐在1.5～2r范围内取值，r是重力梯度敏感器旋转半径，如图7所示，此时环形质量体位置记为位置1，模拟Txx-Tyy对重力梯度敏感器的输入激励。
步骤2、根据所需激励数值大小，利用万有引力公式计算确定环形质量分布密度，进而确定环形质量体横截面积，建议取正方形。
步骤3、将两环形质量体顺逆时针旋转45度，模拟Txy对重力梯度敏感器的输入激励，此时环形质量体位置记为位置2。
步骤4、将两环形质量体继续顺逆时针旋转45度，模拟Txx-Tyy对重力梯度敏感器的输入激励，此时环形质量体位置记为位置3，其输入激励方向与处于位置1产生激励方向相反。
步骤5、将两环形质量体继续顺逆时针旋转45度，模拟Txy对重力梯度敏感器的输入激励，此时环形质量体位置记为位置4，其输入激励方向与处于位置2产生激励方向相反。至此，完成了正反两个方向的Txx-Tyy、Txy激励的模拟过程。
步骤6、同时在位置1和位置2各放置一组(两个)环形质量体，两组质量体可通过空间z方向或环形质量体半径差异避免空间干涉，此时，能够同时模拟的Txx-Tyy、Txy对重力梯度敏感器的激励。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种重力梯度仪重力梯度敏感器输入激励产生方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、将两个对称环形质量体设置在重力梯度敏感器外侧并将环形质量体位置标记为第一位置，模拟重力梯度张量分量信号Txx-Tyy对重力梯度敏感器的输入激励；
步骤2、根据所需激励数值大小，利用万有引力公式计算确定环形质量分布密度，进而确定环形质量体横截面积；
步骤3、将两环形质量体顺逆时针旋转45度，模拟重力梯度张量分量信号Txy对重力梯度敏感器的输入激励，并将此时环形质量体位置标记为第二位置；
步骤4、将两环形质量体继续顺逆时针旋转45度，模拟重力梯度张量分量信号Txx-Tyy对重力梯度敏感器的输入激励，并将此时环形质量体位置标记为第三位置；
步骤5、将两环形质量体继续顺逆时针旋转45度，模拟重力梯度张量分量信号Txy对重力梯度敏感器的输入激励，并将此时环形质量体位置标记为第四位置；
步骤6、在第一位置和第二位置各放置一组环形质量体，两组质量体通过空间z方向或环形质量体半径差异避免空间干涉，同时模拟的重力梯度张量分量信号Txx-Tyy、Txy对重力梯度敏感器的激励。
2.根据权利要求1所述的一种重力梯度仪重力梯度敏感器输入激励产生方法，其特征在于：所述步骤1是根据重力梯度敏感器附近具体情况，确定两个环形质量体的位置，其环形对应弧度为90°且关于x轴对称，两个环形质量体关于y轴对称，环形质量体圆心与重力梯度敏感器旋转中心重合，半径1.5～2r范围内取值，r是重力梯度敏感器旋转半径。
3.根据权利要求1所述的一种重力梯度仪重力梯度敏感器输入激励产生方法，其特征在于：所述步骤6中的一组环形质量体包括两个环形质量体。
4.根据权利要求1所述的一种重力梯度仪重力梯度敏感器输入激励产生方法，其特征在于：所述环形质量体的横截面为正方形。
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