CN108287372A - 一种基于惯性技术的重力梯度敏感器转速选择方法 - Google Patents

一种基于惯性技术的重力梯度敏感器转速选择方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108287372A
CN108287372A CN201711397082.8A CN201711397082A CN108287372A CN 108287372 A CN108287372 A CN 108287372A CN 201711397082 A CN201711397082 A CN 201711397082A CN 108287372 A CN108287372 A CN 108287372A
Authority
CN
China
Prior art keywords
noise
frequency
accelerometer
gravity gradient
white noise
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201711397082.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108287372B (zh
Inventor
高巍
李达
冯鸿奎
吴佐华
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
707th Research Institute of CSIC
Original Assignee
707th Research Institute of CSIC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 707th Research Institute of CSIC filed Critical 707th Research Institute of CSIC
Priority to CN201711397082.8A priority Critical patent/CN108287372B/zh
Publication of CN108287372A publication Critical patent/CN108287372A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108287372B publication Critical patent/CN108287372B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V7/00—Measuring gravitational fields or waves; Gravimetric prospecting or detecting

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Geophysics (AREA)
  • Navigation (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明涉及一种基于惯性技术的重力梯度敏感器转速选择方法，其技术特点在于：包括以下步骤：步骤1、确定低频处噪声能量较小的频率区间；步骤2、对静态加速度计组合信号进行Allan方差分析，并在双对数坐标系下找到白噪声的相关时间段；再将白噪声的相关时间段转换成以白噪声为主的频率区间；步骤3、将步骤1的采用功率谱密度分析方法确定的低频处噪声能量较小的频率区间与步骤2的利用Allan方差分析方法判断得出的以白噪声为主频率区间取交集，得到重力梯度敏感器旋转频率的最终频率区间。本发明能够降低加速度计本体噪声对重力梯度观测信号的影响，提高测量分辨率。

Description

一种基于惯性技术的重力梯度敏感器转速选择方法
技术领域
本发明属于旋转加速度计式重力梯度敏感器技术领域，涉及一种重力梯度敏感器速选择方法，尤其是一种基于惯性技术的重力梯度敏感器转速选择方法。
背景技术
目前，旋转加速度计式重力梯度仪是对地球表面微小重力梯度变化进行连续测量的仪器。其中，作为核心敏感器的重力梯度测量组件是由安装在旋转圆盘上的四个等距离成对布放的石英挠性加速度计组成。每个加速度计的检测质心到圆盘中心距离相等，加速度计敏感轴正切于圆，两组加速度计正交安装，且每组加速度计敏感轴反向安置，如图1所示。其中，1号加速度计与3号相反，2号与4号相反。实际工作中，圆盘以恒定的角速率ω旋转，对重力梯度信号进行调制，此时四个加速度计组合输出为：
(a1+a3)-(a2+a4)＝2R[(Γxx-Γyy)sin(ωt+θ)-2Γxycos(ωt+θ)]
其中，ω为圆盘旋转速率；R为加速度计中心到圆盘中心的距离；θ为初始相位。最后，加速度计组合信号通过2ω频率解调和低通滤波得到最终的重力梯度张量Γxx-Γyy和Γxy。
由上述分析可知，相距10cm的两点间探测1E的重力梯度，理论上需要10-11g精度的加速度计。从时域角度，目前尚未有一型加速度计能够满足此项指标。
采用旋转调制方法的目的是从频率上使微小的重力梯度与惯性力分离，将重力梯度信号加载到加速度计本体噪声最小的频段内，提高信噪比。因此，重力梯度敏感器旋转速率的选择是影响仪器测量性能的最重要环节，需通过特定的方法实现相应的参数优化。传统的转速选择方法仅通过对加速度计组合信号进行功率谱密度分析确定低频段内噪声能力最小的频点，但存在以下两点不足：1、功率谱密度分析的方法从原理上对信号低频段噪声能量的辨识力不强，容易发生频率泄露，无法找到噪声能量明显最小的频点；2、功率谱密度分析的方法仅能确定低频段噪声能量的幅值，无法辨识噪声模式。鉴于以上两点原因，提出本发明的一种基于惯性技术的重力梯度敏感器转速选择方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于惯性技术的重力梯度敏感器转速选择方法，能够降低加速度计本体噪声对重力梯度观测信号的影响，提高测量分辨率。
本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：
一种基于惯性技术的重力梯度敏感器转速选择方法，包括以下步骤：
步骤1、采用功率谱密度分析方法对静态加速度计组合信号进行分析处理，得到加速度计本体噪声功率谱密度图；从该加速度计本体噪声功率谱密度图中得出该静态加速度计组合信号低频处噪声能量分布，从而确定低频处噪声能量较小的频率区间；
步骤2、对静态加速度计组合信号进行Allan方差分析，画出Allan方差曲线图；然后利用Allan方差对加速度计本体噪声模式辨识准则表中的判断准则，在双对数坐标系下找到白噪声的相关时间段；再利用Allan方差是对静态加速度计组合信号做带通滤波的特性，将白噪声的相关时间段转换成以白噪声为主的频率区间；
步骤3、将步骤1的采用功率谱密度分析方法确定的低频处噪声能量较小的频率区间与步骤2的利用Allan方差分析方法判断得出的以白噪声为主频率区间取交集，得到旋转加速度计信号的调制频率选择范围，并将该调制频率选择范围除以2得到重力梯度敏感器旋转频率的最终频率区间。
而且，所述步骤2的具体方法为：对重力梯度敏感器中加速度计组合数字信号进行功率谱密度分析，得到Allan方差曲线图；然后利用Allan方差对加速度计本体噪声模式辨识准则表中的判断准则，在Allan方差曲线图中找到白噪声相关时间段0.4-5s；再利用Allan方差相关时间τ与带通滤波器主峰频点fM的关系式将白噪声的相关时间段转换成以白噪声为主的频率区间。
本发明的优点和有益效果：
1、本发明通过频域功率谱密度与时域Allan方差相结合的分析方法，在加速度计背景噪声能量最小的频带内进一步明确被选频率区间内的噪声分布特征，选择以白噪声为主的频带，该方法可根据所选加速度计本体噪声模式对重力梯度敏感器转速进行针对性设计，最大程度发挥单体元件性能，提高测量分辨率。
2、本发明提供了一种旋转加速度计式重力梯度敏感器的转速选择方法，明确最优频率区间，使加速度计本体噪声在此频域内强度最小，且噪声特征服从白噪声分布。
附图说明
图1是本发明的背景技术中旋转加速度计式重力梯度敏感器原理示意图；
图2是本发明的加速度计本体噪声功率谱密度图；
图3是本发明的加速度计本体噪声Allan方差曲线图；
图4是本发明的重力梯度敏感器转速确定流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：
一种基于惯性技术的重力梯度敏感器转速选择方法，如图4所示，包括以下步骤：
步骤1、采用功率谱密度分析方法对静态加速度计组合信号进行分析处理，得到如图2所示的加速度计本体噪声功率谱密度图；从该加速度计本体噪声功率谱密度图中得出该静态加速度计组合信号低频处噪声能量分布，从而确定低频处噪声能量较小的频率区间；
在本实施例中，从加速度计本体噪声功率谱密度图可以看出，静态加速度计组合信号本底噪声在0-0.6Hz的频带内噪声强度大致相当且最小，得到低频处噪声能量较小的频率区间f1＝0-0.6Hz；
步骤2、对静态加速度计组合信号进行Allan方差分析，画出Allan方差曲线图，利用如表1所示的判断准则在双对数坐标系下找到白噪声(斜率为)的相关时间段，并利用Allan方差是对静态加速度计组合信号做带通滤波的特性，将白噪声(斜率为)的相关时间段转换成以白噪声为主的频率区间；
表1Allan方差对加速度计本体噪声模式辨识准则
表中：τ——Allan方差相关时间；Q——量化噪声强度；
N——随机游走噪声强度；B——零偏不稳定性噪声强度；
K——速率随机游走噪声强度；R——速率斜坡噪声强度。
在本实施例中，所述步骤2的具体方法为：对重力梯度敏感器中加速度计组合数字信号进行功率谱密度分析，得到Allan方差曲线图；然后利用Allan方差对加速度计本体噪声模式辨识准则表中的判断准则，在Allan方差曲线图中找到白噪声(斜率为)的相关时间段0.4-5s；再利用Allan方差相关时间τ与带通滤波器主峰频点fM的关系式将白噪声的相关时间段转换成以白噪声为主的频率区间f2＝0.074-0.928Hz。
步骤3、将步骤1的采用功率谱密度分析方法确定的低频处噪声能量较小的频率区间与步骤2的利用Allan方差分析方法判断得出的以白噪声为主频率区间取交集，得到旋转加速度计信号的调制频率选择范围，并将该调制频率选择范围除以2得到重力梯度敏感器旋转频率的最终频率区间。
在本实施例中，选择步骤1和步骤2确定的频率区间的重叠部分得到旋转加速度计信号的调制频率选择范围为由于重力梯度信号被调制到重力梯度敏感器旋转频率的二倍频上，所以重力梯度敏感器旋转频率应在频段内择优选择。
需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，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 (2)

1.一种基于惯性技术的重力梯度敏感器转速选择方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、采用功率谱密度分析方法对静态加速度计组合信号进行分析处理，得到加速度计本体噪声功率谱密度图；从该加速度计本体噪声功率谱密度图中得出该静态加速度计组合信号低频处噪声能量分布，从而确定低频处噪声能量较小的频率区间；
步骤2、对静态加速度计组合信号进行Allan方差分析，画出Allan方差曲线图；然后利用Allan方差对加速度计本体噪声模式辨识准则表中的判断准则，在双对数坐标系下找到白噪声的相关时间段；再利用Allan方差是对静态加速度计组合信号做带通滤波的特性，将白噪声的相关时间段转换成以白噪声为主的频率区间；
步骤3、将步骤1的采用功率谱密度分析方法确定的低频处噪声能量较小的频率区间与步骤2的利用Allan方差分析方法判断得出的以白噪声为主频率区间取交集，得到旋转加速度计信号的调制频率选择范围，并将该调制频率选择范围除以2得到重力梯度敏感器旋转频率的最终频率区间。
2.根据权利要求1所述的一种基于惯性技术的重力梯度敏感器转速选择方法，其特征在于：所述步骤2的具体方法为：对重力梯度敏感器中加速度计组合数字信号进行功率谱密度分析，得到Allan方差曲线图；然后利用Allan方差对加速度计本体噪声模式辨识准则表中的判断准则，在Allan方差曲线图中找到白噪声相关时间段0.4-5s；再利用Allan方差相关时间τ与带通滤波器主峰频点fM的关系式将白噪声的相关时间段转换成以白噪声为主的频率区间。
CN201711397082.8A 2017-12-21 2017-12-21 一种基于惯性技术的重力梯度敏感器转速选择方法 Active CN108287372B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711397082.8A CN108287372B (zh) 2017-12-21 2017-12-21 一种基于惯性技术的重力梯度敏感器转速选择方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711397082.8A CN108287372B (zh) 2017-12-21 2017-12-21 一种基于惯性技术的重力梯度敏感器转速选择方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108287372A true CN108287372A (zh) 2018-07-17
CN108287372B CN108287372B (zh) 2019-11-26

Family

ID=62832291

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711397082.8A Active CN108287372B (zh) 2017-12-21 2017-12-21 一种基于惯性技术的重力梯度敏感器转速选择方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108287372B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109581524A (zh) * 2018-11-23 2019-04-05 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 一种旋转加速度计式重力梯度敏感器动态测量解调方法
CN109581525A (zh) * 2018-11-23 2019-04-05 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 旋转加速度计式重力梯度敏感器原始采样频率的选择方法
CN111830589A (zh) * 2020-06-18 2020-10-27 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 旋转加速度计重力梯度敏感器冗余测量信号离线融合方法
RU2759974C1 (ru) * 2021-04-21 2021-11-19 Михаил Анатольевич АБАТУРОВ Способ определения предельной точности оценки микросейсмического квазистационарного шумового фона

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0988565B1 (en) * 1997-06-11 2005-01-12 The Broken Hill Proprietary Company Limited Gravity gradiometer
CN103033198A (zh) * 2012-12-19 2013-04-10 南京航空航天大学 一种设置光纤陀螺仿真信号中随机误差参数的方法
CN104570142A (zh) * 2015-01-05 2015-04-29 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 一种重力梯度仪重力梯度测量信号的解调方法
CN104597520A (zh) * 2015-01-05 2015-05-06 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 一种重力梯度仪重力梯度敏感器输入激励产生方法
CN105044795A (zh) * 2015-05-29 2015-11-11 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 利用光纤陀螺减小旋转加速度计重力梯度仪测量误差的方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0988565B1 (en) * 1997-06-11 2005-01-12 The Broken Hill Proprietary Company Limited Gravity gradiometer
CN103033198A (zh) * 2012-12-19 2013-04-10 南京航空航天大学 一种设置光纤陀螺仿真信号中随机误差参数的方法
CN104570142A (zh) * 2015-01-05 2015-04-29 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 一种重力梯度仪重力梯度测量信号的解调方法
CN104597520A (zh) * 2015-01-05 2015-05-06 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 一种重力梯度仪重力梯度敏感器输入激励产生方法
CN105044795A (zh) * 2015-05-29 2015-11-11 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 利用光纤陀螺减小旋转加速度计重力梯度仪测量误差的方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
杨晔 等: "基于旋转加速度计原理的重力梯度测量技术研究与试验", 《导航定位与授时》 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109581524A (zh) * 2018-11-23 2019-04-05 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 一种旋转加速度计式重力梯度敏感器动态测量解调方法
CN109581525A (zh) * 2018-11-23 2019-04-05 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 旋转加速度计式重力梯度敏感器原始采样频率的选择方法
CN109581525B (zh) * 2018-11-23 2020-06-19 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 旋转加速度计式重力梯度敏感器原始采样频率的选择方法
CN111830589A (zh) * 2020-06-18 2020-10-27 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 旋转加速度计重力梯度敏感器冗余测量信号离线融合方法
CN111830589B (zh) * 2020-06-18 2022-07-26 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 旋转加速度计重力梯度敏感器冗余测量信号离线融合方法
RU2759974C1 (ru) * 2021-04-21 2021-11-19 Михаил Анатольевич АБАТУРОВ Способ определения предельной точности оценки микросейсмического квазистационарного шумового фона

Also Published As

Publication number Publication date
CN108287372B (zh) 2019-11-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108287372B (zh) 一种基于惯性技术的重力梯度敏感器转速选择方法
CN104898176B (zh) 一种旋转加速度计重力梯度仪重力梯度解调方法
Uebayashi Extrapolation of irregular subsurface structures using the horizontal-to-vertical spectral ratio of long-period microtremors
US20040211255A1 (en) Airborne gravity gradiometers
CN109581524B (zh) 一种旋转加速度计式重力梯度敏感器动态测量解调方法
CN1194232C (zh) 地面分析系统
CN109782023B (zh) 一种通过旋转调制法测量加速度计高阶项数系数的方法
CN102750020B (zh) 获取空中鼠标位移的方法、空中鼠标及空中鼠标控制系统
Chen et al. Ultra-low-frequency tri-component fiber optic interferometric accelerometer
CN104597520B (zh) 一种重力梯度仪重力梯度敏感器输入激励产生方法
CN107153224B (zh) 检波器动态性能综合测试与评价方法
CN106990263B (zh) 加速度计分辨率的测试方法和装置
CN108426586A (zh) 一种基于光纤陀螺带宽测试校准方法及校准装置
CN105044798A (zh) 旋转加速度计重力梯度仪加速度计标度因子反馈调整方法
CN206091970U (zh) 一种旋转状态下重力加速度测量装置
CN106289645A (zh) 基于稳态激励法的转子动平衡测定方法与装置
CN107289921A (zh) 一种基于椭圆拟合的对抛式冷原子干涉陀螺仪的转动角速度测量方法
CN113885098A (zh) 一种重力敏感器低频频率响应误差在线建模及补偿方法
CN104570142B (zh) 一种重力梯度仪重力梯度测量信号的解调方法
CN107576992B (zh) 一种重力梯度仪自标定方法及离心梯度补偿方法
WILKINSON et al. Stability experiments in rotating-disk flow
CN109581525B (zh) 旋转加速度计式重力梯度敏感器原始采样频率的选择方法
CN110133098A (zh) 一种地雷声振特性的高精度测量装置及测量方法
CN113189641A (zh) 一种两道多模式瑞利波地下探测系统及方法
CN105478245B (zh) 基于主轴振动检测的双自由度精密离心机副轴动不平衡量辨识方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant