CN109212629B - 旋转加速度计重力梯度仪角运动误差补偿装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种旋转加速度计重力梯度仪角运动误差补偿装置及方法，该装置主要包括角运动检测模块，实时检测重力梯度仪的角运动；参考信号产生模块，实时产生正交幅度调制载波；角运动误差传递系数处理模块，根据反馈的补偿后的重力梯度仪信号，实时微调角运动误差传递系数；角运动误差补偿信号产生模块，根据输入的重力梯度仪角运动信号，正交幅度调制载波，角运动误差传递系数，产生角运动误差补偿信号；补偿运算模块，对含有角运动误差的重力梯度仪信号进行补偿；离心梯度检测模块能够检测重力梯度仪受到的离心梯度，当装置工作在标定模式时，离心梯度检测模块的输出用于标定重力梯度仪标度系数。

Description

旋转加速度计重力梯度仪角运动误差补偿装置及方法

技术领域

本发明涉及一种旋转加速度计重力梯度仪角运动误差补偿装置及方法，属于精密测量技术领域。

背景技术

动基座重力梯度勘探是一种低成本、高效率的重力梯度勘探方法；是目前世界上最先进的重力场勘探方式。重力梯度数据广泛应用于地质分析、重力场建模、高精度导航、资源勘探等。重力梯度仪具有极其重要的国防、民用价值。目前国内外在研的重力梯度仪主要有冷原子重力梯度仪、超导重力梯度仪、MEMS重力梯度仪等。国外已经投入商业应用的重力梯度仪主要有旋转加速度计重力梯度仪及旋转超导加速度计重力梯度仪。我国的重力梯度仪样机正处于研制中。

在动基座重力梯度勘探时，由于重力梯度仪内部的加速度计存在安装误差、加速度计一阶、高阶标度系数不匹配、电路增益不匹配等，导致重力梯度仪的线运动及角运动传递到重力梯度仪的输出，造成测量误差。本发明提供一种能够实时补偿重力梯度仪角运动误差的装置及方法，同时还具有离心梯度标定重力梯度仪标度系数的功能。目前没有关于重力梯度仪角运动误差实时补偿技术及装置的公开报道。

发明内容

技术问题：本发明提供一种能够反馈补偿重力梯度仪的角运动引起的输出测量误差的旋转加速度计重力梯度仪角运动误差补偿装置，既能抑制温度、磁场等环境因素对误差传递系数的影响，同时还能避免重力梯度仪的角速度，角加速度引起的重力梯度仪前端信号调理电路过电压饱和和过电压损坏。本发明同时提供了一种解决上述问题的旋转加速度计重力梯度仪角运动误差补偿方法。

技术方案：本发明的旋转加速度计重力梯度仪角运动误差补偿装置，包括：

用于检测重力梯度仪的角速度及角加速度的角运动检测模块；

用于产生正交幅度调制载波的参考信号产生模块；

用于根据反馈的补偿后的重力梯度仪信号实时微调角运动误差传递系数的角运动误差传递系数处理模块；

用于根据重力梯度仪角运动信号、正交幅度调制载波、角运动误差传递系数产生角运动误差补偿信号的角运动误差补偿信号产生模块；

用以根据角运动误差补偿信号对含有角运动误差的重力梯度仪信号进行补偿的补偿运算模块；

用于检测重力梯度仪的离心梯度激励标定重力梯度仪标度系数的离心梯度检测模块；

所述角运动检测模块的输出连接到角运动误差补偿信号产生模块、离心梯度检测模块的输入；所述参考信号产生模块的输出连接到角运动误差补偿信号产生模块的输入；所述角运动误差传递系数处理模块的输入连接到补偿运算模块的输出，角运动误差传递系数处理模块的输出连接到角运动误差补偿信号产生模块的输入；角运动误差补偿信号产生模块的输出连接到补偿运算模块的输入。

进一步的，本发明装置中，角运动检测模块包括角速率传感器和低通滤波器，所述角速率传感器安装在重力梯度仪测量坐标系的x轴，y轴,z轴，测量重力梯度仪测量坐标系的角速度ω_x,ω_y,ω_z及角加速度ω_ax,ω_ay,ω_az；所述低通滤波器则滤除角速度、角加速度信号中的高频噪声。

进一步的，本发明装置中，所述参考信号产生模块包括重力梯度仪旋转圆盘轴编码器和信号发生器；所述重力梯度仪旋转圆盘轴编码器检测重力梯度仪圆盘旋转的相位角φ_t，所述信号发生器根据相位角φ_t，产生正交幅度调制载波sinφ_t，sin2φ_t，cosφ_t，cos2φ_t。

进一步的，本发明装置中，所述角运动误差传递系数处理模块包括角运动误差传递系数输入模块和角运动误传递差系数调节模块；所述角运动误差传递系数输入模块，输入角运动误差传递系数初值：

所述角运动误差传递差系数调节模块，根据反馈的补偿后的重力梯度仪信号产生调节量，微调角运动误传递差系数；角运动误差传递系数处理模块具有两种工作模式，调节模式和非调节模式，当工作在调节模式时，实时调节角运动误差传递系数；当工作在非调节模式时，角运动误差传递系保持不变。

进一步的，本发明装置中，所述角运动误差补偿信号产生模块具有三种工作模式：非补偿模式，正常模式，标定模式；非补偿模式下，产生t时刻的总的角运动误差补偿信号C_A(t)为：

C_A(t)＝0；

在正常模式下，产生t时刻的总的角运动误差补偿信号C_A(t)为：

在标定模式下，产生t时刻的总的角运动误差补偿信号C_A(t)为：

式中sin2φ_t,cos2φ_t,sinφ_t,cosφ_t为t时刻输入角运动误差补偿信号产生模块的正交幅度调制载波；

表示t时刻输入角运动误差补偿信号产生模块的角运动误差传递系数；ω_x(t),ω_y(t),ω_z(t),ω_ax(t),ω_ay(t),ω_az(t)表示t时刻输入角运动误差补偿信号产生模块的角运动信号。

进一步的，本发明装置中，所述离心梯度检测模块有两种工作模式：标定模式和非标定模式，在标定模式下，离心梯度检测单元输出检测的离心梯度，在非标的模式下，离心梯度检测单元无输出。

本发明的旋转加速度计重力梯度仪角运动误差补偿方法，包括以下步骤：

1)根据工作模式，计算t时刻的角运动误差传递系数

调节模式：非调节模式：

式中表示t-1时刻的角运动误差传递系数；g_c(t-1)表示t-1时刻补偿后的重力梯度仪信号；F(g_c(t-1))是t时刻角运动误差传递系数的微调量，它是g_c(t-1)的函数；

2)检测旋转加速度计重力梯度仪旋转圆盘在t时刻的相位角φ_t，计算t时刻的正交幅度调制载波sinφ_t，sin2φ_t，cosφ_t，cos2φ_t；检测旋转旋转加速度计重力梯度仪在t时刻的角速度及角加速度ω_x(t),ω_y(t),ω_z(t),ω_ax(t),ω_ay(t),ω_az(t)；

3)根据下式计算t时刻的3类角运动误差补偿信号C_A1(t),C_A2(t),C_A3(t)：

4)根据工作模式计算t时刻的总的角运动误差补偿信号C_A(t)：

工作在非补偿模式时，C_A(t)＝0；

工作在正常模式时，C_A(t)＝C_A1(t)+C_A2(t)+C_A3(t)；

工作在标定模式时，C_A(t)＝C_A2(t)+C_A3(t)；

5)对t时刻含有角运动误差的重力梯度仪信号g(t)，根据下式进行角运动误差补偿；

g_c(t)＝g(t)-C_A(t)

式中g_c(t)是t时刻补偿后的重力梯度仪信号，g(t)是t时刻含有角运动误差的重力梯度仪信号，C_A(t)是t时刻的总的角运动误差补偿信号。

进一步的，本发明方法中，所述骤1)中，t＝0时刻的角运动误差传递系数均通过标定得到。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明是首次给出旋转加速度计重力梯度仪角运动误差实时补偿装置及方法。本发明提供一种能够对重力梯度仪角运动误差进行实时补偿的装置和方法，它根据反馈的补偿后的重力梯度仪信号实时微调角运动误差传递系数，能够抵消重力梯度仪环境因素比如温度、磁场等对重力梯度仪角运动误差传递系数的影响，能够补偿重力梯度仪角运动引起的测量误差，提高重力梯度仪的测量精度。同时，对重力梯度仪角运动误差信号进行了正交幅值调制，直接补偿重力梯度仪解调前的信号，因此还能够解决由于重力梯度仪角速度引起的前端信号调理电路过电压饱和，过电压损坏问题。

附图说明

图1旋转加速度计重力梯度仪角运动误差实时补偿装置结构图。

图2旋转加速度计重力梯度仪角运动传感器安装示意图

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。

由图1可知，本发明一种旋转加速度计重力梯度仪角运动误差补偿装置，包括角运动检测模块，参考信号产生模块，角运动误差传递系数检测模块，角运动误差补偿信号产生模块，离心梯度检测模块，补偿运算模块，重力梯度仪加速度计信号处理模块，重力梯度信号恢复模块。

其中离心梯度检测模块在标定模式下，输出重力梯度仪的离心梯度激励，在非标定模式下无输出。

角运动检测模块，为角运动误差补偿信号产生模块及离心梯度检测模块提供重力梯度仪的角速度及角加速度信号；角运动检测模块由角速率传感器，低通滤波器组成；如图2所示，角速率传感器安装在重力梯度仪测量坐标系的x轴，y轴,z轴，测量重力梯度仪测量坐标系的角速度ω_x,ω_y,ω_z及角加速度ω_ax,ω_ay,ω_az；低通滤波器则滤除角速度、角加速度信号中的高频噪声。

参考信号产生模块，用于产生正交幅度调制载波为角运动误差补偿信号产生模块提供正交幅度调制信号；参考信号产生模块，由重力梯度仪旋转圆盘轴编码器及信号发生器组成；重力梯度仪旋转圆盘轴编码器检测重力梯度仪圆盘旋转的相位角φ_t，信号发生器根据相位角φ_t，产生正交幅度调制载波sinφ_t，sin2φ_t，cosφ_t，cos2φ_t。

角运动误差传递系数处理模块，为角运动误差补偿信号产生模块提供角运动误差系数；角运动误差传递系数处理模块，由角运动误差传递系数输入模块，角运动误传递差系数调节模块组成；角运动误差传递系数输入模块，输入角运动误差传递系数初值：角运动误差传递差系数调节模块，根据反馈的补偿后的重力梯度仪信号g_c(t)及工作模式，微调角运动误传递差系数角运动误差传递系数处理模块的两种工作模式为：调节模式和非调节模式；这两种工作模式下的角运动误差传递系数的调节如下：

调节模式：

非调节模式：

式中

表示t-1时刻的角运动误差传递系数；g_c(t-1)表示t-1时刻补偿后的重力梯度仪信号；F(g_c(t-1))是t时刻角运动误差传递系数的微调量，它是g_c(t-1)的函数。

角运动误差补偿信号产生模块，根据重力梯度仪角运动信号ω_x(t),ω_y(t),ω_z(t),ω_ax(t),ω_ay(t),ω_az(t)，正交幅度调制载波sin2φ_t,cos2φ_t,sinφ_t,cosφ_t，角运动误差传递系数

产生t时刻的总的角运动误差补偿信号C_A(t)；角运动误差补偿信号产生模块具有三种工作模式，非补偿模式，正常模式，标定模式；非补偿模式下，产生t时刻的总的角运动误差补偿信号C_A(t)为：

C_A(t)＝0；

在正常模式下，产生t时刻的总的角运动误差补偿信号C_A(t)为：

在标定模式下，产生t时刻的总的角运动误差补偿信号C_A(t)为：

重力梯度仪加速度计信号处理模块，对重力梯度仪旋转圆盘上安装的四只加速度计输出信号进行处理，得到含有角运动误差的重力梯度仪信号g(t)。

补偿运算模块，根据t时刻的总的角运动误差补偿信号C_A(t)，对含有角运动误差的重力梯度仪信号g(t)，根据下式进行角运动误差补偿：

g_c(t)＝g(t)-C_A(t)

补偿后的重力梯度信号g_c(t)被反馈到角运动误差传递系数处理模块，用于实时调节重力梯度仪角运动误差传递系数，同时补偿后的重力梯度信号g_c(t)输入重力梯度信号恢复模块，解调输出重力梯度信号。

Claims (8)

1.一种旋转加速度计重力梯度仪角运动误差补偿装置，其特征在于，该装置包括：

用于检测重力梯度仪的角速度及角加速度的角运动检测模块；

用于产生正交幅度调制载波的参考信号产生模块；

用于根据反馈的补偿后的重力梯度仪信号实时微调角运动误差传递系数的角运动误差传递系数处理模块；

用于根据重力梯度仪角运动信号、正交幅度调制载波、角运动误差传递系数产生角运动误差补偿信号的角运动误差补偿信号产生模块；

用以根据角运动误差补偿信号对含有角运动误差的重力梯度仪信号进行补偿的补偿运算模块；

用于检测重力梯度仪的离心梯度激励标定重力梯度仪标度系数的离心梯度检测模块；

所述角运动检测模块的输出连接到角运动误差补偿信号产生模块、离心梯度检测模块的输入；所述参考信号产生模块的输出连接到角运动误差补偿信号产生模块的输入；所述角运动误差传递系数处理模块的输入连接到补偿运算模块的输出，角运动误差传递系数处理模块的输出连接到角运动误差补偿信号产生模块的输入；角运动误差补偿信号产生模块的输出连接到补偿运算模块的输入。

2.如权利要求1所述的一种旋转加速度计重力梯度仪角运动误差补偿装置，其特征在于：所述角运动检测模块包括角速率传感器和低通滤波器，所述角速率传感器安装在重力梯度仪测量坐标系的x轴，y轴,z轴，测量重力梯度仪测量坐标系的角速度ω_x,ω_y,ω_z及角加速度ω_ax,ω_ay,ω_az；所述低通滤波器则滤除角速度、角加速度信号中的高频噪声。

3.如权利要求1所述的一种旋转加速度计重力梯度仪角运动误差补偿装置，其特征在于：所述参考信号产生模块包括重力梯度仪旋转圆盘轴编码器和信号发生器；所述重力梯度仪旋转圆盘轴编码器检测重力梯度仪圆盘旋转的相位角φ_t，所述信号发生器根据相位角φ_t，产生正交幅度调制载波sinφ_t，sin2φ_t，cosφ_t，cos2φ_t。

4.如权利要求1、2或3所述的一种旋转加速度计重力梯度仪角运动误差补偿装置，其特征在于：所述角运动误差传递系数处理模块包括角运动误差传递系数输入模块和角运动误传递差系数调节模块；所述角运动误差传递系数输入模块，输入角运动误差传递系数初值：

所述角运动误差传递差系数调节模块，根据反馈的补偿后的重力梯度仪信号产生调节量，微调角运动误传递差系数；角运动误差传递系数处理模块具有两种工作模式，调节模式和非调节模式，当工作在调节模式时，实时调节角运动误差传递系数；当工作在非调节模式时，角运动误差传递系保持不变。

5.如权利要求1、2或3所述的一种旋转加速度计重力梯度仪角运动误差补偿装置，其特征在于：所述角运动误差补偿信号产生模块具有三种工作模式：非补偿模式，正常模式，标定模式；非补偿模式下，产生t时刻的总的角运动误差补偿信号C_A(t)为：

C_A(t)＝0；

在正常模式下，产生t时刻的总的角运动误差补偿信号C_A(t)为：

在标定模式下，产生t时刻的总的角运动误差补偿信号C_A(t)为：

式中sin2φ_t,cos2φ_t,sinφ_t,cosφ_t为t时刻输入角运动误差补偿信号产生模块的正交幅度调制载波；

表示t时刻输入角运动误差补偿信号产生模块的角运动误差传递系数；ω_x(t),ω_y(t),ω_z(t),ω_ax(t),ω_ay(t),ω_az(t)表示t时刻输入角运动误差补偿信号产生模块的角运动信号。

6.如权利要求1、2或3所述的一种旋转加速度计重力梯度仪角运动误差补偿装置，其特征在于，所述离心梯度检测模块有两种工作模式：标定模式和非标定模式，在标定模式下，离心梯度检测单元输出检测的离心梯度，在非标的模式下，离心梯度检测单元无输出。

7.一种旋转加速度计重力梯度仪角运动误差补偿方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)根据工作模式，计算t时刻的角运动误差传递系数

调节模式：

非调节模式：

式中

表示t-1时刻的角运动误差传递系数；g_c(t-1)表示t-1时刻补偿后的重力梯度仪信号；F(g_c(t-1))是t时刻角运动误差传递系数的微调量，它是g_c(t-1)的函数；

2)检测旋转加速度计重力梯度仪旋转圆盘在t时刻的相位角φ_t，计算t时刻的正交幅度调制载波sinφ_t，sin2φ_t，cosφ_t，cos2φ_t；检测旋转旋转加速度计重力梯度仪在t时刻的角速度及角加速度ω_x(t),ω_y(t),ω_z(t),ω_ax(t),ω_ay(t),ω_az(t)；

3)根据下式计算t时刻的3类角运动误差补偿信号C_A1(t),C_A2(t),C_A3(t)：

4)根据工作模式计算t时刻的总的角运动误差补偿信号C_A(t)：

工作在非补偿模式时，C_A(t)＝0；

工作在正常模式时，C_A(t)＝C_A1(t)+C_A2(t)+C_A3(t)；

工作在标定模式时，C_A(t)＝C_A2(t)+C_A3(t)；

5)对t时刻含有角运动误差的重力梯度仪信号g(t)，根据下式进行角运动误差补偿；

g_c(t)＝g(t)-C_A(t)

式中g_c(t)是t时刻补偿后的重力梯度仪信号，g(t)是t时刻含有角运动误差的重力梯度仪信号，C_A(t)是t时刻的总的角运动误差补偿信号。

8.如权利要求7所述的一种旋转加速度计重力梯度仪角运动误差补偿方法，其特征在于，所述步骤1)中，t＝0时刻的角运动误差传递系数

均通过标定得到。

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