CN104898176A - 一种旋转加速度计重力梯度仪重力梯度解调方法 - 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解调方法。采用高密度光栅码盘获取圆盘当前状态下的角位置信息，圆盘角位置信息作为解调基准信号的初始相位角，对重力梯度仪输出信号进行重力梯度解调，分别解调出在每个圆盘旋转角位置处的重力梯度信息，然后对每一圈解调出的重力梯度信息进行求均值，最后对解调出的两组重力梯度信息分别进行平滑滤波处理，得到更高精度的重力梯度分量。通过本发明，可以进一步提高旋转加速度计重力梯度仪重力梯度解调精度。

Description

一种旋转加速度计重力梯度仪重力梯度解调方法

技术领域

本发明涉及一种旋转加速度计重力梯度仪解调方法，尤其涉及一种采用圆盘角位置信息作为重力梯度辅助解调手段，提高重力梯度解调精度的新方法。

背景技术

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。

地面的重力梯度异常信号非常微弱，且由于加速度计加工工艺以及梯度仪使用器件性能等原因，使得梯度仪输出信号中存在相当大的噪声，这些噪声一般是重力梯度信号的1个甚至几个数量级，使得原本非常微弱的重力梯度信号更加难以提取；因此如何从大的噪声信号中提取出微弱的梯度信号具有非常大的研究价值，也是设计制造旋转加速度计重力梯度仪必须解决的环节。

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。四只加速度计输出信号经过加法-减法放大电路进行信号组合和信号放大，最后经过滤波/梯度解调进行处理，最后得到重力梯度分量；重力梯度仪在以角频率为ω旋转状态下，四只加速度计输出信号组合的理想输出信号形式为：

(A₁+A₂)-(A₃+A₄)＝2RKK_I[(Γ_xx-Γ_yy)sin2ωt+2(-Γ_xy)cos2ωt]

其中，K_I分别为加速度计的标度因数，K为信号放大增益，Γ_xx、Γ_xy、Γ_yy为圆盘中心处的三个重力梯度张量分量，R为圆盘中心到加速度计质量中心的距离，ω为圆盘旋转角频率，t为时间，对旋转加速度计重力梯度仪输出信号的正余弦部分分别进行幅值解调，可以得到重力梯度(Γ_xx-Γ_yy)和(-Γ_xy)。

发明内容

技术问题：本发明提供一种提高解调精度的旋转加速度计重力梯度仪重力梯度解调方法。该方法采用高密度光栅码盘提供圆盘角位置信息作为梯度解调的辅助信息，然后对每一圈解调到的梯度值取均值，最后对获得重力梯度信息进行平滑滤波，进一步提高重力梯度解调精度。

技术方案：本发明的旋转加速度计重力梯度仪重力梯度解调方法，包括以下步骤：

1)获取旋转加速度计重力梯度仪圆盘角位置信号θ_ij；

其中，θ_ij为圆盘旋转第j圈时在第i位置处的角度信息，i＝1，2，…，N，N为圆盘每旋转一圈得到的位置信息个数，圆盘旋转圈数j>1；

2)将所述步骤1)获得的圆盘角位置信号作为参考信号sin2ωt和cos2ωt的初始相位角；

其中，ω为圆盘旋转角频率，t为时间；

同时将旋转加速度计重力梯度仪输出信号经过带通滤波器滤波处理、A/D转换，得到数字信号；

3)将所述步骤2)得到的参考信号作为所述数字信号的解调信号，分别解调出参考信号sin2(ωt+θ_ij)在当前圆盘旋转角度下的重力梯度分量和参考信号cos2(ωt+θ_ij)在当前圆盘旋转角度下的重力梯度分量

其中，Γ_xx为x轴上的重力加速度分量在x轴方向上的空间导数，Γ_yy为y轴上的重力加速度分量在y轴方向上的空间导数；

4)圆盘在第j圈时，旋转一周后获得N个重力梯度分量和N个重力梯度分量i＝1，2，…，N，对这两组N个重力梯度分量分别求均值，得到第j圈时的两组重力梯度分量均值和

5)将所述步骤4)中得到的两组重力梯度分量均值和分别进行平滑处理，分别得到两组重力梯度分量(Γ_xx-Γ_yy)和(-Γ_xy)，Γ_xy为x(y)轴上的重力加速度在y(x)轴方向上的空间导数，(Γ_xx-Γ_yy)为重力梯度Γ_xx、Γ_yy之差。

本发明方法的优选方案中，所述步骤1)中的圆盘角位置信号是采用高密度光栅码盘，通过角度信息转换器把光栅编码转换为角度数字量得到的。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明是采用高密度光栅码盘实现圆盘位置检测，通过角度信息转换器把光栅编码转换为角度数字量，圆盘的角度信息作为解调参考信号的初始角，在每一个角度位置处进行梯度解调，对确定圈数的梯度值进行平均、平滑处理，可以进一步旋转加速度计重力梯度仪的重力梯度解调精度。

附图说明

图1为旋转加速度计重力梯度仪工作示意图。

图2为旋转加速度计重力梯度仪重力梯度解调示意图。

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。

图2是加速度计标度因数在线反馈调整示意图，具体流程步骤如下：

1)获取旋转加速度计重力梯度仪圆盘角位置信号θ_ij；

其中，θ_ij为圆盘旋转第j圈时在第i位置处的角度信息，i＝1，2，…，N，N为圆盘每旋转一圈得到的位置信息个数，圆盘旋转圈数j>1；

2)将所述步骤1)获得的圆盘角位置信号作为解调参考信号sin2ωt和cos2ωt的初始相位角，即：解调参考信号变为sin2(ωt+θ_ij)和cos2(ωt+θ_ij)，此参考信号由DSP处理器发出；

其中，ω为圆盘旋转角频率，t为时间；

同时将旋转加速度计重力梯度仪输出信号经过带通滤波器滤波处理、A/D转换，得到数字信号E_ij，E_ij表示第j圈第i角度位置时的梯度数字信号；

3)将所述步骤2)得到的参考信号作为所述数字信号的解调信号，分别解调出参考信号sin2ωt在当前圆盘旋转角度下的重力梯度分量和参考信号cos2ωt在当前圆盘旋转角度下的重力梯度分量重力梯度分量计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{({\mathrm{\Γ}}_{xx}-{\mathrm{\Γ}}_{yy})}_{{\mathrm{\θ}}_{ij}}=\frac{1}{{\mathrm{KK}}_{I}RN}\underset{i=j\×1}{\overset{j\×N}{\Σ}}{E}_{ij}sin2(\mathrm{\ω}\mathrm{\Δ}ti+{\mathrm{\θ}}_{ij})\\ {(-{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{xy}})}_{{\mathrm{\θ}}_{ij}}=\frac{1}{2{\mathrm{KK}}_{I}RN}\underset{i=j\×1}{\overset{j\×N}{\Σ}}{E}_{ij}cos2(\mathrm{\ω}\mathrm{\Δ}ti+{\mathrm{\θ}}_{ij})\end{array}\right.;$

其中，Δt为采样时间间隔，Γ_xx为x轴上的重力加速度在x轴方向上的空间导数，Γ_yy为y轴上的重力加速度在y轴方向上的空间导数；

4)圆盘在第j圈时，旋转一周后获得N个重力梯度分量和N个重力梯度分量i＝1，2，…，N，对这两组N个重力梯度分量分别求均值，得到第j圈时的两组重力梯度分量均值和均值计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\left(\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Γ}}_{xx}-{\mathrm{\Γ}}_{yy}}\right)}_j=\frac{1}{N}{({\mathrm{\Γ}}_{xx}-{\mathrm{\Γ}}_{yy})}_{{\mathrm{\θ}}_{ij}}\\ {\left(\stackrel{\‾}{-{\mathrm{\Γ}}_{xy}}\right)}_j=\frac{1}{N}{(-{\mathrm{\Γ}}_{xy})}_{{\mathrm{\θ}}_{ij}}\end{array}\right.;$

5)将所述步骤4)中得到的两组重力梯度分量均值和分别进行平滑滤波处理，分别得到两组重力梯度分量(Γ_xx-Γ_yy)和(-Γ_xy)，Γ_xy为x(y)轴上的重力加速度在y(x)轴方向上的空间导数，(Γ_xx-Γ_yy)为重力梯度Γ_xx与Γ_yy之差，重力梯度平滑滤波处理公式为：

$\left\{\begin{array}{c}({\mathrm{\Γ}}_{xx}-{\mathrm{\Γ}}_{yy})=\frac{1}{M}{\left(\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Γ}}_{xx}-{\mathrm{\Γ}}_{yy}}\right)}_j\\ (-{\mathrm{\Γ}}_{xy})=\frac{1}{M}{\left(\stackrel{\‾}{-{\mathrm{\Γ}}_{xy}}\right)}_j\end{array}\right.;$

其中，M为平滑滤波处理时所需要的圆盘旋转圈数；

利用本发明的旋转加速度计重力梯度仪重力梯度解调方法，可以进一步提高旋转重力梯度仪的重力梯度解调精度，采用高精度的重力梯度信息还可以进一步提高地形地貌的反演精度，具有重要的使用和应用价值。

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解调方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)获取旋转加速度计重力梯度仪圆盘角位置信号θ_ij；

其中，θ_ij为圆盘旋转第j圈时在第i位置处的角度信息，i＝1，2，…，N，N为圆盘每旋转一圈得到的位置信息个数，圆盘旋转圈数j>1；

2)将所述步骤1)获得的圆盘角位置信号作为参考信号sin2ωt和cos2ωt的初始相位角；

其中，ω为圆盘旋转角频率，t为时间；

同时将旋转加速度计重力梯度仪输出信号经过带通滤波器滤波处理、A/D转换，得到数字信号；

3)将所述步骤2)得到的参考信号作为所述数字信号的解调信号，分别解调出参考信号sin2(ωt+θ_ij)在当前圆盘旋转角度下的重力梯度分量和参考信号cos2(ωt+θ_ij)在当前圆盘旋转角度下的重力梯度分量

其中，Γ_xx为x轴上的重力加速度分量在x轴方向上的空间导数，Γ_yy为y轴上的重力加速度分量在y轴方向上的空间导数；

4)圆盘在第j圈时，旋转一周后获得N个重力梯度分量和N个重力梯度分量i＝1，2，…，N，对这两组N个重力梯度分量分别求均值，得到第j圈时的两组重力梯度分量均值和

5)将所述步骤4)中得到的两组重力梯度分量均值和分别进行平滑处理，分别得到两组重力梯度分量(Γ_xx-Γ_yy)和(-Γ_xy)，Γ_xy为x(y)轴上的重力加速度在y(x)轴方向上的空间导数，(Γ_xx-Γ_yy)为重力梯度Γ_xx、Γ_yy之差。

2.根据权利要求1所述的一种旋转加速度计重力梯度仪重力梯度解调方法，其特征在于，所述步骤1)中的圆盘角位置信号是采用高密度光栅码盘，通过角度信息转换器把光栅编码转换为角度数字量得到的。