CN112213796B - 一种绝对重力测量方法及绝对重力仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绝对重力测量方法及绝对重力仪。本发明的测量方法步骤包括：1)在待测位置设置一平移运动测量元件和一旋转运动测量元件；2)利用该平移运动测量元件测量得到在该待测位置因平移运动产生的相对位移d，利用旋转运动测量元件测量得到平移运动测量元件敏感轴因旋转运动产生的旋转角度θ；3)根据公式

确定该待测位置的绝对重力加速度g；其中f为观测频率。本方法可直接从天然地震波中观测绝对重力，因而无需主动或被动隔振装置，且可以实现地震、重力的同时观测，便于地球物理联合勘探的实施；在理论上，随着观测频率的降低，绝对重力的观测精度将依照平方关系增加，有利于提升绝对重力观测的精度。

Description

一种绝对重力测量方法及绝对重力仪

技术领域

本发明涉及一种绝对重力测量方法及绝对重力仪，可用于绝对重力加速度的观测范畴，如地球重力场监测、大地测量、地球动力学研究、密度体及异常监测监控、建筑抗震实验、矿产资源开发、地球物理勘探、地震及地质灾害预警等工程及科研领域。

背景技术

地球上的物体均会影响到重力加速度值(以下所称的“重力”均等价于“重力加速度”)，据研究，地表的山川及大洋底部的海沟对重力的影响为小数点后第3位，而大型建筑物对重力的影响为第7位。因此，提高重力测量的精度，可极大提升重力对于周边物体的敏感性。

在重力测量方面，目前有两大类测量方式：绝对重力测量和相对重力测量，前者指直接测定重力加速度的真值，而后者则是测定某点相对于参考点的重力加速度的差值。在绝对重力测量方面，典型的重力仪为基于自由落体原理的美国劳雷公司FG5型、意大利计量院IMGC型和基于原子干涉的法国巴黎天文台可移动式重力仪，上述仪器最高精度约为小数点后第8位。这类仪器体积大、结构复杂、不易使用。在相对重力测量方面，典型的重力仪为基于弹簧结构的LCR重力仪，其原理简单，但精度低；采用超导是目前的主流研究方向，其噪声低、稳定性好，精度高，可到小数点后11位，但需要体积庞大的低温冷却设备。从激光干涉到冷原子干涉仪，绝对重力测量手段不断进步，但测量原理始终是自由落体原理，不利于、甚至限制了绝对重力仪的发展。

发明内容

针对目前绝对重力测量原理较为单一的问题，本发明的目的在于提供一种绝对重力测量方法，采用的是一种不同于自由落体原理的绝对重力测量原理。该原理在理论上无需目前高精度重力仪所需的低温冷却设备，降低了设备的体积；由于其可直接从天然地震波中观测绝对重力，因而无需主动或被动隔振装置，且可以实现地震、重力的同时观测，便于地球物理联合勘探的实施；在理论上，随着观测频率的降低，绝对重力的观测精度将依照平方关系增加，有利于提升绝对重力观测的精度。

本发明的技术方案为：

一种绝对重力测量方法，其步骤包括：

1)在待测位置设置一平移运动测量元件和一旋转运动测量元件；

2)利用该平移运动测量元件测量得到在该待测位置因平移运动产生的相对位移d，利用旋转运动测量元件测量得到平移运动测量元件敏感轴因旋转运动产生的旋转角度θ；

3)根据公式

确定该待测位置的绝对重力加速度g；其中f为观测频率。

进一步的，步骤1)所述平移运动测量元件为位移传感器或速度传感器或加速度传感器或加加速度传感器，步骤1)所述旋转运动测量元件为角度传感器或角速度传感器或角加速度传感器；步骤2)中采用位移传感器或速度传感器或加速度传感器或加加速度传感器测量平移运动时，分别采集在该待测位置因平移运动产生的相对位移d或相对运动速度v或加速度a或加加速度b；步骤2)中采用角度传感器或角速度传感器或角加速度传感器测量旋转运动时，分别采集平移运动测量元件敏感轴因旋转运动产生的旋转角度θ或角速度ω或角加速度β；步骤3)中根据公式

v＝j2πfd、a＝(j2πf)²d、b＝(j2πf)³d、ω＝j2πfθ、β＝(j2πf)²θ确定该待测位置的绝对重力加速度g；其中f为观测频率。

进一步的，所述平移运动测量元件适用的理论模型为质量-弹簧-活塞模型。

一种绝对重力仪，其特征在于，包括一平移运动测量元件、一旋转运动测量元件和数据处理单元；其中

该平移运动测量元件，用于测量得到其在待测位置因平移运动产生的相对位移d；

旋转运动测量元件，用于测量得到平移运动测量元件敏感轴因旋转运动产生的旋转角度θ；

数据处理单元，用于根据公式

确定该待测位置的绝对重力加速度g；其中f为观测频率。

进一步的，所述平移运动测量元件为位移传感器或速度传感器或加速度传感器或加加速度传感器，旋转运动测量元件为角度传感器或角速度传感器或角加速度传感器；当采用位移传感器或速度传感器或加速度传感器或加加速度传感器测量平移运动时，分别采集在该待测位置因平移运动产生的相对位移d或相对运动速度v或加速度a或加加速度b；当采用角度传感器或角速度传感器或角加速度传感器测量旋转运动时，分别采集平移运动测量元件敏感轴因旋转运动产生的旋转角度θ或角速度ω或角加速度β；然后根据公式

v＝j2πfd、a＝(j2πf)²d、b＝(j2πf)³d、ω＝j2πfθ、β＝(j2πf)²θ确定该待测位置的绝对重力加速度g；其中f为观测频率。

附图2展示了该绝对重力测量方法的基本原理，其中，有一固定在待测位置(如地面)处的平移运动传感器(类型包括位移传感器、速度传感器、加速度传感器、加加速度传感器等等)，平移运动传感器示意图如附图1所示。由于实际平移运动传感器系统均具有弹性阻尼和粘滞阻尼，为不失一般性，在理论上采用质量-弹簧-活塞模型描述具有以上阻尼的平移运动传感器：

其中：H(s)表示平移运动传感器在拉普拉斯域中的单位加速度的冲激位移响应；s为拉普拉斯复频率；k为弹簧系数，由附图1所示的弹簧所代表的弹性阻尼力产生；c为阻尼系数，由附图1所示的活塞所代表的粘滞阻尼力产生；m为附图1中质量块的质量。

在待测位置(如地面)，同时存在附图2所示方向(即平移运动传感器底面与xoz面相交方向)的平移运动d和法向为y方向的旋转运动θ。其中，平移运动d可由天然存在的平移地震波、人工或各类设备激发的平移地震波等等原因产生，旋转运动θ可由天然存在的旋转地震波、人工或各类设备激发的旋转地震波等等导致。不妨不失一般性地假设平移运动的单位为位移(国际单位制下的单位为米)、旋转运动的单位为角度(国际单位制下的单位为弧度)。在该平移运动d的激励下，平移运动传感器内部质量块产生相对运动，记为δ，其方向与平移运动d的方向一致，如附图2所示。则在拉普拉斯域中，仅由于平移运动d产生的相对位移响应ψ为：

ψ(s)＝s²d·H(s) (2)

由于平移运动传感器固定于地面，平移运动传感器受到该旋转运动影响，也将产生旋转运动，使得平移运动传感器与水平面(xoy面)的夹角为θ。则在拉普拉斯域中，平移运动传感器由于平移运动d和旋转运动θ共同产生的响应δ为：

δ(s)＝[s²d+gθ]·H(s) (3)

其中，g为重力加速度。

由式(3)可得：

其中用到了s＝j2πf，f为观测频率。

式(4)说明：本发明给出的这一绝对重力测量原理是在频率域中观测重力，而目前的重力测量原理均为时域测量。本原理可从平移及旋转运动中观测绝对重力，即绝对重力加速度g可通过测量平移运动d和旋转运动θ获得，因而无需主动或被动隔振装置，具备地震、重力同时观测的理论基础，为地球物理联合勘探的实施提供了一种高效的理论。另外，当旋转运动传感器与平移运动传感器的精度一定时，降低观测频率f可提升绝对重力的探测精度，且是依照平方关系增长的，这有利于提升绝对重力观测的精度。

需要指出的是，这里为描述的方便，以位移为单位描述平移运动，以角度为单位描述旋转运动。但事实上，无论平移运动单位为速度、加速度还是加加速度，旋转运动单位为角速度或角加速度，都可以通过求导数获得本质与式(4)相同的测量式，仍属于本发明所提出的这一绝对重力测量原理的派生。

具体地，由于在时间域求一次导数相当于在拉普拉斯域乘s＝j2πf(其中j为单位虚数根)，故当平移运动的单位变为速度v时，在拉普拉斯域中与前述位移量纲的平移运动d的关系为：

v＝j2πfd (5)

用式(5)替换式(4)中的平移运动d项即可得到平移运动单位为速度、旋转运动单位为角度时的重力观测方程。

依此类推，记平移运动单位为加速度、加加速度时，拉普拉斯域的表示分别为a、b，则：

a＝(j2πf)²d (6)

b＝(j2πf)³d (7)

记旋转运动单位为角速度、角加速度时，拉普拉斯域的表示分别为ω、β，则：

ω＝j2πfθ (8)

β＝(j2πf)²θ (9)

根据式(6)至式(9)，结合式(4)即可得到不同单位表示的平移运动、旋转运动测定绝对重力的观测方程。

本发明的实施方式如附图3的框图所示。如前述，本发明提供的绝对重力测量原理基于平移运动和旋转运动的测量，而后再经由式(4)或其派生式(结合式(5)至式(9))获得绝对重力。目前平移运动测量元件包括位移传感器(即敏感量为以位移为单位的平移运动)、速度传感器(即敏感量为以速度为单位的平移运动)、加速度传感器(即敏感量为以加速度为单位的平移运动)、加加速度传感器(即敏感量为以加加速度为单位的平移运动)，旋转运动测量元件包括角度传感器(即敏感量为以角度为单位的旋转运动)、角速度(即敏感量为以角速度为单位的旋转运动)、角加速度(即敏感量为以角加速度为单位的旋转运动)。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本发明提供了一种不同于自由落体原理的绝对重力测量原理，进行重力测量时无需目前高精度重力仪所需的低温冷却设备，降低了设备的体积；由于其可直接从天然地震波中观测绝对重力，因而无需主动或被动隔振装置，且可以实现地震、重力的同时观测，便于地球物理联合勘探的实施；而且随着观测频率的降低，绝对重力的观测精度将依照平方关系增加，有利于提升绝对重力观测的精度。

附图说明

图1为平移运动传感器示意图，其中质量块、弹簧、活塞及其外部黑色方块所示的框架整体组成了一个平移运动传感器(类型包括位移传感器、速度传感器、加速度传感器、加加速度传感器等等)，用质量-弹簧-活塞模型表示。该传感器固定于地面。

图2为绝对重力观测原理图，该平移运动传感器的固定位置同时存在旋转运动θ及平移运动d，δ表示平移运动传感器内部质量块的相对位移响应。通过测量旋转运动θ及平移运动d即可通过式(4)得到重力加速度。

图3为绝对重力观测原理实施框图，首先通过角度传感器、角速度传感器或者角加速度传感器获得相应旋转运动量，通过位移传感器、速度传感器、加速度传感器或者加加速度传感器获得相应平移运动量，最后按式(4)-式(9)获得绝对重力加速度值。

图4为绝对重力观测原理实施示例，将旋转运动传感器固定于框架侧面，平移运动传感器固定于底面，整体框架固定于地面上。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细描述。

基于本绝对重力测量原理的传感器代表示例如附图4所示。其中，平移运动传感器(类型包括位移传感器、速度传感器、加速度传感器、加加速度传感器等等)、旋转运动传感器(类别包括角度传感器、角速度传感器、角加速度传感器等等)被固定于固定框架上，固定框架被固定在地面。在地面存在天然存在的平移地震波、人工或各类设备激发的平移地震波等等即框架受到的平移运动来源，天然存在的旋转地震波、人工或各类设备激发的旋转地震波等等即框架受到的旋转运动来源。如附图3所示，通过角度传感器、角速度传感器或者角加速度传感器获得相应旋转运动量，通过位移传感器、速度传感器、加速度传感器或者加加速度传感器获得相应平移运动量，最后按式(4)-式(9)获得绝对重力加速度值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种绝对重力测量方法，其步骤包括：

1)在待测位置设置一平移运动测量元件和一旋转运动测量元件；

2)利用该平移运动测量元件测量得到在该待测位置因平移运动产生的相对位移d，利用旋转运动测量元件测量得到平移运动测量元件敏感轴因旋转运动产生的旋转角度θ；

3)根据公式

确定该待测位置的绝对重力加速度g；其中f为观测频率。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)所述平移运动测量元件为位移传感器或速度传感器或加速度传感器或加加速度传感器，步骤1)所述旋转运动测量元件为角度传感器或角速度传感器或角加速度传感器；步骤2)中采用位移传感器或速度传感器或加速度传感器或加加速度传感器测量平移运动时，分别采集在该待测位置因平移运动产生的相对位移d或相对运动速度v或加速度a或加加速度b；步骤2)中采用角度传感器或角速度传感器或角加速度传感器测量旋转运动时，分别采集平移运动测量元件敏感轴因旋转运动产生的旋转角度θ或角速度ω或角加速度β；步骤3)中根据公式

v＝j2πfd、a＝(j2πf)²d、b＝(j2πf)³d、ω＝j2πfθ、β＝(j2πf)²θ确定该待测位置的绝对重力加速度g；其中f为观测频率。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述平移运动测量元件适用的理论模型为质量-弹簧-活塞模型。

4.一种绝对重力仪，其特征在于，包括一平移运动测量元件、一旋转运动测量元件和数据处理单元；其中

该平移运动测量元件，用于测量得到其在待测位置因平移运动产生的相对位移d；

旋转运动测量元件，用于测量得到平移运动测量元件敏感轴因旋转运动产生的旋转角度θ；

数据处理单元，用于根据公式

确定该待测位置的绝对重力加速度g；其中f为观测频率。

5.如权利要求4所述的绝对重力仪，其特征在于，所述平移运动测量元件为位移传感器或速度传感器或加速度传感器或加加速度传感器，旋转运动测量元件为角度传感器或角速度传感器或角加速度传感器；当采用位移传感器或速度传感器或加速度传感器或加加速度传感器测量平移运动时，分别采集在该待测位置因平移运动产生的相对位移d或相对运动速度v或加速度a或加加速度b；当采用角度传感器或角速度传感器或角加速度传感器测量旋转运动时，分别采集平移运动测量元件敏感轴因旋转运动产生的旋转角度θ或角速度ω或角加速度β；然后根据公式

v＝j2πfd、a＝(j2πf)²d、b＝(j2πf)³d、ω＝j2πfθ、β＝(j2πf)²θ确定该待测位置的绝对重力加速度g；其中f为观测频率。

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