CN112925035B - 一种无减振平台的动态冷原子重力仪方案 - Google Patents

一种无减振平台的动态冷原子重力仪方案 Download PDF

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Abstract

一种无减振平台的动态冷原子重力仪方案，该发明涉及到重力测量领域，旨在解决传统动态冷原子重力仪中减振平台对振动的抑制效果有限以及体积和质量较大的缺陷。一种无减振平台的冷原子干涉重力仪动态应用方案，包括冷原子干涉重力传感器，挠性石英加速度计，光纤陀螺和陀螺稳定平台组成。挠性石英加速度计采集到的振动信息进行滤波处理后，再进行加权积分处理，对振动噪声干扰进行抑制补偿。该发明避免了减振平台振动抑制过程中引入的控制延时，降低冷原子重力测量系统的体积和质量，满足冷原子重力测量的工程使用需求。

Description

一种无减振平台的动态冷原子重力仪方案
技术领域
该发明涉及到重力测量领域，具体为一种无减振平台的动态冷原子重力仪方案方案。
背景技术
大地测量学、地球物理学、矿物勘探和导航等领域需要用到精确的重力信息，大面积重力测量通常是利用飞机或船舶运载相对重力仪来实现的。相对重力仪工作一段时间后，漂移会积累，这时需要回到精确重力点进行仪器校准，因此重力测量的效率和精度会受到影响。冷原子干涉型重力仪是一种新型重力测量仪器，具有用于机载或者船载重力测量的前景。冷原子重力仪在静态条件下具有很好的性能，但是在动态条件下，重力仪由于外界环境的干扰，例如振动噪声、倾斜等，将无法获取精确的重力值。传统的解决方案是采用主动加被动的减振平台以及陀螺稳定平台对相应的干扰进行抑制，从而实现精确测量的目的。
发明人在实现本发明实施例的过程中，发现背景技术中至少存在以下缺陷：
重力测量过程中，冷原子重力仪测量周期大概在零点几秒左右，仪器对高频振动干扰敏感，而减振平台的被动减振部分只能对低频振动有效果，而主动减振部分对振动的抑制具有延时性，因此减振平台对振动的抑制效果有限。此外减振平台的存在增加了冷原子重力仪的体积和质量，对于机载重力测量而言，会限制单次测量的航程，降低测量效率。
发明内容
本发明的目的：提供一种无减振平台的冷原子干涉重力仪动态应用方案，避免了减振平台振动抑制过程中引入的控制延时，降低冷原子重力测量系统的体积和质量，满足冷原子重力测量的工程使用需求。
本发明的技术方案：一种无减振平台的冷原子干涉重力仪动态应用方案，包括冷原子干涉重力传感器1，挠性石英加速度计2，光纤陀螺3和陀螺稳定平台4。
1.所述挠性石英加速度计2安装在冷原子干涉重力传感器1下方，两者的重力感应轴保持重合；
2.所述光纤陀螺3安装在冷原子干涉重力传感器1侧面，光纤陀螺3的天向轴或者Z轴与冷原子干涉重力仪1的重力感应轴保持水平；
3.所述冷原子干涉重力传感器1安装在陀螺稳定平台4的中间；
4.所述陀螺稳定平台4水平放置在载体中或者静基座上。
利用挠性石英加速度计2将系统的振动干扰信号进行采集并利用算法进行处理后，可以对冷原子干涉重力仪的相位输出进行预补偿，实现振动噪声抑制的效果。
本发明的有益效果是：本发明通过挠性石英加速度计对振动信号进行采集并处理后，对冷原子干涉重力仪进行预补偿，在未采用任何减振措施的情况下，实现了对振动干扰的抑制补偿。由于不存在主动抑振机构，冷原子重力测量系统不存在控制延时引入的问题。该发明可以让冷原子重力仪应用在动态环境中，且相比于主被动式减振平台式重力仪而言，并且降低了系统的体积和质量，可以提升重力测量的效率。
附图说明
图1是无减振平台的冷原子干涉重力仪平台方案示意图。
图2是振动噪声抑制算法示意图。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细说明
请同时参阅图1，图1为本发明无减振平台的冷原子干涉重力仪平台方案示意图。无减振平台的冷原子干涉重力仪平台方案，包括冷原子干涉重力传感器1，挠性石英加速度计2，光纤陀螺3和陀螺稳定平台4。
请同时参阅图2，利挠性石英加速度计2将系统的振动干扰信号进行采集并利用算法进行处理后，可以对冷原子干涉重力仪的相位输出进行预补偿，实现振动噪声抑制的效果。过程如下：
步骤一：光纤陀螺3获取姿态信息，并将姿态信息传递给陀螺稳定平台4，陀螺稳定平台4根据陀螺提供的姿态信息调平整个平台。
步骤二：将挠性石英加速度计2采集到的振动信息进行滤波处理，通过高通滤波器将振动频率低于挠性石英加速度计2的感应频率ωmin的振动信息进行滤波，高通滤波器的标准传递函数如下
Figure BDA0002978284890000021
其中ω0为高通滤波器的截止频率，该值应小于挠性石英加速度计2的感应频率ωmin。
步骤三：对步骤二处理后的有用振动信息进行加权积分处理，具体处理过程如下：
首先计算振动噪声的权重函数
Figure BDA0002978284890000022
冷原子干涉重力仪满足ω＜＜ΩR以及τ＜＜T的情况下(ΩR为拉比频率，τ为脉冲时间，T为拉曼干涉脉冲间隔时间)，权重函数有如下表达式
Figure BDA0002978284890000023
然后通过下式计算振动噪声对干涉仪的相位噪声贡献
Figure BDA0002978284890000024
式子中Sa(ω)为振动加速度的功率谱密度。
步骤四：并将步骤三获得的处理值
Figure BDA0002978284890000031
输入冷原子干涉重力传感器1的输出中，实现对振动噪声干扰的抑制补偿。冷原子干涉重力传感器1的输出为
Figure BDA0002978284890000032
其中A是干涉条纹的补偿，C是条纹对比度，φ0初始相移，为了获取最大灵敏度，该值设置为π/2。频率啁啾α0通过公式
Figure BDA0002978284890000033
确定，用来精确补偿多普勒频移，并以此来确定当地重力值。

Claims (4)

1.一种基于无减振平台的冷原子干涉重力仪的噪声抑制方法，所述冷原子干涉重力仪包括冷原子干涉重力传感器(1)，挠性石英加速度计(2)，光纤陀螺(3)和陀螺稳定平台(4)；其特征在于：所述噪声抑制方法具体步骤为：
步骤一：光纤陀螺(3)获取姿态信息，并将姿态信息传递给陀螺稳定平台(4)，陀螺稳定平台(4)根据陀螺提供的姿态信息调平整个平台；
步骤二：将挠性石英加速度计(2)采集到的振动信息进行滤波处理，通过高通滤波器将振动频率低于挠性石英加速度计(2)的感应频率ωmin的振动信息进行过滤，高通滤波器的标准传递函数如下
Figure FDA0003168136040000011
其中ω0为高通滤波器的截止频率，该值应小于挠性石英加速度计(2)的感应频率ωmin；
步骤三：对步骤二处理后的有用振动信息进行滤波处理，具体处理过程如下
首先计算振动噪声的权重函数
Figure FDA0003168136040000012
冷原子干涉重力仪满足ω＜＜ΩR以及τ＜＜T的情况下，其中ΩR为拉比频率，τ为脉冲时间，T为拉曼干涉脉冲间隔时间，权重函数有如下表达式：
Figure FDA0003168136040000013
然后通过下式计算振动噪声对干涉仪的相位噪声贡献：
Figure FDA0003168136040000014
式子中Sa(ω)为振动加速度的功率谱密度；
步骤四：并将步骤三获得的处理值
Figure FDA0003168136040000015
输入冷原子干涉重力传感器(1)中，实现对振动噪声干扰的抑制补偿；冷原子干涉重力传感器(1)的输出为
Figure FDA0003168136040000016
其中A是干涉条纹的补偿，C是条纹对比度，φ0初始相移，为了获取最大灵敏度，该值设置为π/2；频率啁啾α0通过公式
Figure FDA0003168136040000017
确定，用来精确补偿多普勒频移，并以此来确定当地重力值；
所述挠性石英加速度计(2)安装在冷原子干涉重力传感器(1)下方，两者的重力感应轴保持重合。
2.根据权利要求1所述的噪声抑制方法，其特征在于：所述光纤陀螺(3)安装在冷原子干涉重力传感器(1)侧面，光纤陀螺(3)的天向轴或者Z轴与冷原子干涉重力仪的重力感应轴保持水平。
3.根据权利要求1所述的噪声抑制方法，其特征在于：所述冷原子干涉重力传感器(1)安装在陀螺稳定平台(4)的中间。
4.根据权利要求1所述的噪声抑制方法，其特征在于：所述陀螺稳定平台(4)水平放置在载体中或者静基座上。
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