CN105738962B - 全张量重力梯度测量装置和测量方法 - Google Patents

全张量重力梯度测量装置和测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及全张量重力梯度测量装置和测量方法，包括计算机、立方体框架和分别设置在立方体框架八个顶角处的敏感轴在水平面内的加速度计，处于立方体框架的同一水平面上的四个加速度计中，有一至三个加速度计的敏感轴沿西东方向，其余加速度计的敏感轴沿南北方向，位于立方体框架不同水平面上但敏感轴方向相同的加速度计中，有并且只有两个加速度计互为正上、下方，将上述装置放入直角坐标系，使立方体框架的棱边分别沿X、Y和Z方向，通过加速度计读数计算出重力梯度的XX、YY、XY、XZ、YZ分量和其余分量。本发明结构简单，可在常温和加速度计无需转动的静态下实现重力梯度测量，而且既可以在近地空间下工作、也可以在微重力环境下使用。

Description

全张量重力梯度测量装置和测量方法
技术领域
本发明涉及地球重力场测量，具体而言是全张量重力梯度测量装置和测量方法。
背景技术
精确测量地球重力场可以反演估计出物质的分布和变化，在基础地质研究、区域重力调查、大地测量、油气田及固体矿产资源勘探、以及重力辅助导航等领域具有重要的应用前景。地球的重力梯度反映重力沿空间不同方向的变化率，任一点的重力梯度由张量来描述，而张量的大小为该位置重力加速度gi(i＝x,y,z)对空间的一阶导数，即
式中gx、gy和gz分别为该点重力加速度沿x、y和z方向的分量，X为水平方向由南指向北，Y为水平方向由西指向东，Z为竖直方向指向地心。
现有的重力梯度测量系统是基于旋转加速度计的重力梯度仪测量系统，如FALCON部分张量重力梯度测量系统(测量张量ΓXX-ΓYY的组合和ΓXY)和FTG全张量重力梯度测量系统，它们多采用力平衡摆式加速度计，由于需要感受竖直方向的重力加速度分量，因此，对加速度计不仅要求精度高，而且要求量程极大。同时，在通过多个加速度计的输出组合提取重力梯度信号前，需要对该多个加速度计的性能参数进行一致性动态匹配，信号处理流程及其复杂。另外，该类梯度仪通过稳定的旋转调制来实现对重力梯度信号的分离，系统结构复杂。
另一种正在研发和试验阶段的超导重力梯度测量系统，如英国ARKeX公司的EGG系统(测量ΓZZ)、加拿大的GEDEX公司HD-AGG系统(测量ΓXZ或者ΓYZ)、以及澳大利亚西澳大学的VK1重力梯度测量系统(测量ΓZZ-ΓXX或者ΓZZ-ΓXY)等，它们只能测量部分重力梯度分量，而且运行中需要将探头部分维持在4.2K的低温环境，系统结果复杂，环境适应性较差。
荷兰屯特大学(University of Twente)的J.Flokstra博士等人提出研制一种基于微机械加工技术的重力梯度仪，通过在一块硅片上刻蚀两个加速度计做差分输出，实现重力梯度测量。但其只能应用在空间微重力环境，而无法在近地空间使用。
重力梯度测量中，不同的重力梯度分量包含不同的重力场信息，全张量重力梯度将能给出地球重力场的全面信息。然而在地表1g的重力环境下，要实现重力梯度竖直方向分量ΓZZ的测量对加速度计提出了极高的要求，譬如设两个加速度计在竖直方向的基线长度为0.1m，如果要求对ΓZZ的测量分辨率达到1E(1E＝10-9/s2)，则要求单个加速度计的分辨率优于10-11g(g为地表重力加速度大小,1g≈9.8m/s2)；另一方面，加速度计在1g的地表环境下要能正常工作，其测量范围就必须大于1g，即要求加速度计必须具有11个量级的动态范围，这对目前的研制水平而言几乎不可能达到。因此，设计出一种无需直接测量重力梯度竖直方向分量的全张量重力梯度测量装置和测量方法十分必要。
发明内容
本发明的目的是提供一种无需直接测量重力梯度竖直方向分量的全张量重力梯度测量装置和测量方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种全张量重力梯度测量装置，包括一个立方体框架、八个加速度计和一台计算机，所述立方体框架水平放置；所述立方体框架的水平棱边分别沿南北方向和西东方向，所述立方体框架的垂直棱边沿竖直方向；所述八个加速度计均为单轴加速度计；所述八个加速度计分别设置在所述立方体框架相应的八个顶角处；所述八个加速度计的敏感轴均在水平面内，并且其中四个加速度计的敏感轴沿南北方向而另四个加速度计的敏感轴沿西东方向；处于立方体框架的同一水平面上的四个加速度计中，有一至三个加速度计的敏感轴沿西东方向，其余加速度计的敏感轴沿南北方向；位于立方体框架不同水平面上但敏感轴方向相同的加速度计中，有并且只有两个加速度计互为正上、下方；所述加速度计的信号输出端分别与计算机的信号输入端连接。
本发明还提供了一种用上述装置进行全张量重力梯度测量的方法，其步骤如下：
S1.建立XYZ直角坐标系，其中X为由南指向北，Y由西指向东，Z沿竖直方向指向地心；
S2.将权利要求1所述装置放入所述XYZ直角坐标系，使立方体框架(1)的棱边分别沿X、Y和Z方向；
S3.获取重力梯度的部分分量
S3.1.将位于同一条Y方向棱边上、敏感轴均沿X方向的两个加速度计的读数之差除以所述两个加速度计之间的距离，得到重力梯度的XY分量ΓXY；或者将位于同一条X方向棱边上、敏感轴均沿Y方向的两个加速度计的读数之差除以所述两个加速度计之间的距离，得到重力梯度的YX分量ΓYX；
S3.2.将位于同一条X方向棱边上、敏感轴均沿X方向的两个加速度计的读数之差除以所述两个加速度计之间的距离，得到重力梯度的XX分量ΓXX；
S3.3.将位于同一条Y方向棱边上、敏感轴均沿Y方向的两个加速度计的读数之差除以所述两个加速度计之间的距离，得到重力梯度的YY分量ΓYY；
S3.4.将位于同一条Z方向棱边上、敏感轴均沿X方向的两个加速度计的读数之差除以所述两个加速度计之间的距离，得到重力梯度的XZ分量ΓXZ；
S3.5.将位于同一条Z方向棱边上、敏感轴均沿Y方向的两个加速度计的读数之差除以所述两个加速度计之间的距离，得到重力梯度的YZ分量ΓYZ；
S4.获取重力梯度的其余分量
将步骤S3.1至S3.5所得到的重力梯度的部分分量ΓXY或ΓYX、ΓXX、ΓYY、ΓXZ和ΓYZ分别代入下式，获取重力梯度的其余分量ΓYX或ΓXY、ΓZZ、ΓZX和ΓZY：
ΓYX＝ΓXY或ΓXY＝ΓYX，ΓZX＝ΓXZ，ΓZY＝ΓYZ，ΓZZ＝0-(ΓXX+ΓYY)式中，ΓZZ为重力梯度的ZZ分量，ΓZX为重力梯度的ZX分量，ΓZY为重力梯度的ZY分量。
本发明结构简单，可在常温和加速度计无需转动的静态下实现重力梯度测量，而且既可以在近地空间(1g重力环境)下工作、也可以搭载在卫星上(微重力环境)工作。由于八个加速度计测量时敏感轴均在水平面内，与地球1g的重力加速度方向正交，因此对单个加速度计的量程要求不高，同时也有效避免了高精度与大量程之间的矛盾。采用本发明，测量有冗余，可用于自身校验。
附图说明
图1为本发明一个实施例的测量装置结构示意图；
图2为本发明另一个实施例的测量装置结构示意图。
图中：1—立方体框架；2.1至2.8—加速度计；3—计算机。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。
实施例一
如图1所示的全张量重力梯度测量装置，包括一个立方体框架1、八个加速度计2.1至2.8和一台计算机3，所述立方体框架1水平放置；所述立方体框架1的水平棱边分别沿南北方向和西东方向，所述立方体框架1的垂直棱边沿竖直方向；所述八个加速度计2.1至2.8均为单轴加速度计；所述八个加速度计2.1至2.8分别设置在所述立方体框架1相应的八个顶角处；所述八个加速度计2.1至2.8的敏感轴均在水平面内，并且其中四个加速度计2.1、2.2、2.5和2.8的敏感轴沿南北方向而另四个加速度计2.3、2.4、2.6和2.7的敏感轴沿西东方向；处于立方体框架1的同一水平面上的四个加速度计2.1、2.2、2.3和2.4中，有二个加速度计2.3和2.4的敏感轴沿西东方向，其余加速度计2.1和2.2的敏感轴沿南北方向；处于立方体框架1的另一水平面上的四个加速度计2.5、2.6、2.7和2.8中，有二个加速度计2.6和2.7的敏感轴沿西东方向，其余加速度计2.5和2.8的敏感轴沿南北方向；位于立方体框架1不同水平面上但敏感轴沿南北方向的加速度计2.1、2.2、2.5和2.8中，有并且只有两个加速度计2.1和2.5互为正上、下方；位于立方体框架1不同水平面上但敏感轴沿西东方向的加速度计2.3、2.4、2.6和2.7中，有并且只有两个加速度计2.3和2.7互为正上、下方；所述加速度计2.1至2.8的信号输出端分别与计算机3的信号输入端连接。
用上述装置进行全张量重力梯度测量的方法，其步骤如下：
S1.建立XYZ直角坐标系，其中X为由南指向北，Y由西指向东，Z沿竖直方向指向地心；
S2.将权利要求1所述装置放入所述XYZ直角坐标系，使立方体框架(1)的棱边分别沿X、Y和Z方向；
S3.获取重力梯度的部分分量
S3.1.将位于同一条Y方向棱边上、敏感轴均沿X方向的两个加速度计2.1和2.2的读数之差8×10-9m/s2除以所述两个加速度计2.1和2.2之间的距离0.1m，得到重力梯度的XY分量ΓXY＝(8×10-9m/s2)/0.1m＝80×10-9/s2＝80E；
将位于同一条X方向棱边上、敏感轴均沿Y方向的两个加速度计2.6和2.7的读数之差8×10-9m/s2，除以所述两个加速度计2.6和2.7之间的距离0.1m，可以得到重力梯度的YX分量ΓYX＝(8×10-9m/s2)/0.1m＝80×10-9/s2＝80E；
S3.2.将位于同一条X方向棱边上、敏感轴均沿X方向的两个加速度计2.5和2.8的读数之差-206×10-9m/s2，除以所述两个加速度计2.5和2.8之间的距离0.1m，得到重力梯度的XX分量ΓXX＝(-206×10-9m/s2)/0.1m＝-2060×10-9/s2＝-2060E；
S3.3.将位于同一条Y方向棱边上、敏感轴均沿Y方向的两个加速度计2.3和2.4的读数之差-115×10-9m/s2，除以所述两个加速度计2.3和2.4之间的距离0.1m，得到重力梯度的YY分量ΓYY＝(-115×10-9m/s2)/0.1m＝-1150×10-9/s2＝-1150E；
S3.4.将位于同一条Z方向棱边上、敏感轴均沿X方向的两个加速度计2.1和2.5的读数之差25×10-9m/s2，除以所述两个加速度计2.1和2.5之间的距离0.1m，得到重力梯度的XZ分量ΓXZ＝(25×10-9m/s2)/0.1m＝250×10-9/s2＝250E；
S3.5.将位于同一条Z方向棱边上、敏感轴均沿Y方向的两个加速度计2.3和2.7的读数之差-30×10-9m/s2，除以所述两个加速度计2.3和2.7之间的距离0.1m，得到重力梯度的YZ分量ΓYZ＝(-30×10-9m/s2)/0.1m＝-30×10-9/s2＝-300E；
S4.获取重力梯度的其余分量
将步骤S3.1至S3.5所得到的重力梯度的部分分量ΓXY、ΓXX、ΓYY、ΓXZ和ΓYZ分别代入下式，获取重力梯度的其余分量ΓYX或ΓXY、ΓZZ、ΓZX和ΓZY：
ΓYX＝ΓXY＝80E，
ΓZX＝ΓXZ＝250E，
ΓZY＝ΓYZ＝-300E，
ΓZZ＝0-(ΓXX+ΓYY)＝0-(-2060E-1150E)＝3210E
式中，ΓZZ为重力梯度的ZZ分量，ΓZX为重力梯度的ZX分量，ΓZY为重力梯度的ZY分量。
在本实施例中，ΓYX同ΓXY的实测值相等，与理论相符，证明本系统有效。
实施例二
如图2所示的全张量重力梯度测量装置，包括一个立方体框架1、八个加速度计2.1至2.8和一台计算机3，所述立方体框架1水平放置；所述立方体框架1的水平棱边分别沿南北方向和西东方向，所述立方体框架1的垂直棱边沿竖直方向；所述八个加速度计2.1至2.8均为单轴加速度计；所述八个加速度计2.1至2.8分别设置在所述立方体框架1相应的八个顶角处；所述八个加速度计2.1至2.8的敏感轴均在水平面内，并且其中四个加速度计2.1、2.2、2.3和2.5的敏感轴沿南北方向而另四个加速度计2.4、2.6、2.7和2.8的敏感轴沿西东方向；处于立方体框架1的同一水平面上的四个加速度计2.1、2.2、2.3和2.4中，有三个加速度计2.1、2.2和2.3的敏感轴沿南北方向，加速度计2.4的敏感轴沿西东方向；处于立方体框架1的另一水平面上的四个加速度计2.5、2.6、2.7和2.8中，有三个加速度计2.6、2.7和2.8的敏感轴沿西东方向，加速度计2.5的敏感轴沿南北方向；位于立方体框架1不同水平面上但敏感轴沿南北方向的加速度计2.1、2.2、2.3和2.5中，有并且只有两个加速度计2.1和2.5互为正上、下方；位于立方体框架1不同水平面上但敏感轴沿西东方向的四个加速度计2.4、2.6、2.7和2.8中，有并且只有两个加速度计2.4和2.8互为正上、下方；所述加速度计2.1至2.8的信号输出端分别与计算机3的信号输入端连接。
用上述装置进行全张量重力梯度测量的方法，其步骤如下：
S1.建立XYZ直角坐标系，其中X为由南指向北，Y由西指向东，Z沿竖直方向指向地心；
S2.将权利要求1所述装置放入所述XYZ直角坐标系，使立方体框架(1)的棱边分别沿X、Y和Z方向；
S3.获取重力梯度的部分分量
S3.1.将位于同一条Y方向棱边上、敏感轴均沿X方向的两个加速度计2.1和2.2的读数之差-36×10-9m/s2除以所述两个加速度计2.1和2.2之间的距离0.2m，得到重力梯度的XY分量ΓXY＝(-36×10-9m/s2)/0.2m＝-180×10-9/s2＝-180E；
将位于同一条X方向棱边上、敏感轴均沿Y方向的两个加速度计2.6和2.7的读数之差-36×10-9m/s2，除以所述两个加速度计2.6和2.7之间的距离0.2m，可以得到重力梯度的YX分量ΓYX＝(-36×10-9m/s2)/0.2m＝-180×10-9/s2＝-180E；
S3.2.将位于同一条X方向棱边上、敏感轴均沿X方向的两个加速度计2.2和2.3的读数之差-480×10-9m/s2,除以所述两个加速度计2.2和2.3之间的距离0.2m，得到重力梯度的XX分量ΓXX＝(-480×10-9m/s2)/0.2m＝-2400×10-9/s2＝-2400E；
S3.3.将位于同一条Y方向棱边上、敏感轴均沿Y方向的两个加速度计2.7和2.8的读数之差-100×10-9m/s2,除以所述两个加速度计2.7和2.8之间的距离0.2m，得到重力梯度的YY分量ΓYY＝(-100×10-9m/s2)/0.2m＝-500×10-9/s2＝-500E；
S3.4.将位于同一条Z方向棱边上、敏感轴均沿X方向的两个加速度计2.1和2.5的读数之差50×10-9m/s2,除以所述两个加速度计2.1和2.5之间的距离0.2m，得到重力梯度的XZ分量ΓXZ＝(50×10-9m/s2)/0.2m＝250×10-9/s2＝250E；
S3.5.将位于同一条Z方向棱边上、敏感轴均沿Y方向的两个加速度计2.3和2.7的读数之差-60×10-9m/s2,除以所述两个加速度计2.3和2.7之间的距离0.2m，得到重力梯度的YZ分量ΓYZ＝(-60×10-9m/s2)/0.2m＝-300×10-9/s2＝-300E；
S4.获取重力梯度的其余分量
将步骤S3.1至S3.5所得到的重力梯度的部分分量ΓXY、ΓXX、ΓYY、ΓXZ和ΓYZ分别代入下式，获取重力梯度的其余分量ΓYX或ΓXY、ΓZZ、ΓZX和ΓZY：
ΓYX＝ΓXY＝-180E，
ΓZX＝ΓXZ＝250E，
ΓZY＝ΓYZ＝-300E，
ΓZZ＝0-(ΓXX+ΓYY)＝0-(-2400-500)＝2900E，
式中，ΓZZ为重力梯度的ZZ分量，ΓZX为重力梯度的ZX分量，ΓZY为重力梯度的ZY分量。
在本实施例中，ΓYX同ΓXY的实测值相等，与理论相符，证明本系统有效。
本说明书中未作详细描述的内容，属于本专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种全张量重力梯度测量装置，包括一个立方体框架(1)、八个加速度计(2)和一台计算机(3)，其特征在于：所述立方体框架(1)水平放置；所述立方体框架(1)的水平棱边分别沿南北方向和西东方向，所述立方体框架(1)的垂直棱边沿竖直方向；所述八个加速度计(2)均为单轴加速度计；所述八个加速度计(2)分别设置在所述立方体框架(1)相应的八个顶角处；所述八个加速度计(2)的敏感轴均在水平面内，并且其中四个加速度计(2)的敏感轴沿南北方向而另四个加速度计(2)的敏感轴沿西东方向；处于立方体框架(1)的同一水平面上的四个加速度计(2)中，有一至三个加速度计(2)的敏感轴沿西东方向，其余加速度计(2)的敏感轴沿南北方向；位于立方体框架(1)不同水平面上但敏感轴方向相同的加速度计(2)中，有并且只有两个加速度计(2)互为正上、下方；所述加速度计(2)的信号输出端分别与计算机(3)的信号输入端连接。
2.一种用权利要求1所述装置进行全张量重力梯度测量的方法，其步骤如下：
S1.建立XYZ直角坐标系，其中X为由南指向北，Y由西指向东，Z沿竖直方向指向地心；
S2.将权利要求1所述装置放入所述XYZ直角坐标系，使立方体框架(1)的棱边分别沿X、Y和Z方向；
S3.获取重力梯度的部分分量
S3.1.将位于同一条Y方向棱边上、敏感轴均沿X方向的两个加速度计(2)的读数之差除以所述两个加速度计(2)之间的距离，得到重力梯度的XY分量ΓXY；或者将位于同一条X方向棱边上、敏感轴均沿Y方向的两个加速度计(2)的读数之差除以所述两个加速度计(2)之间的距离，得到重力梯度的YX分量ΓYX；
S3.2.将位于同一条X方向棱边上、敏感轴均沿X方向的两个加速度计(2)的读数之差除以所述两个加速度计(2)之间的距离，得到重力梯度的XX分量ΓXX；
S3.3.将位于同一条Y方向棱边上、敏感轴均沿Y方向的两个加速度计(2)的读数之差除以所述两个加速度计(2)之间的距离，得到重力梯度的YY分量ΓYY；
S3.4.将位于同一条Z方向棱边上、敏感轴均沿X方向的两个加速度计(2)的读数之差除以所述两个加速度计(2)之间的距离，得到重力梯度的XZ分量ΓXZ；
S3.5.将位于同一条Z方向棱边上、敏感轴均沿Y方向的两个加速度计(2)的读数之差除以所述两个加速度计(2)之间的距离，得到重力梯度的YZ分量ΓYZ；
S4.获取重力梯度的其余分量
将步骤S3.1至S3.5所得到的重力梯度的部分分量ΓXY或ΓYX、ΓXX、ΓYY、ΓXZ和ΓYZ分别代入下式，获取重力梯度的其余分量ΓYX或ΓXY、ΓZZ、ΓZX和ΓZY：
ΓYX＝ΓXY或ΓXY＝ΓYX，ΓZX＝ΓXZ，ΓZY＝ΓYZ，ΓZZ＝0-(ΓXX+ΓYY)式中，ΓZZ为重力梯度的ZZ分量，ΓZX为重力梯度的ZX分量，ΓZY为重力梯度的ZY分量。
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