一种重力梯度测量装置及测量方法制造方法及图纸

一种重力梯度测量装置，其旋转台(3)绕地垂轴水平旋转。旋转台(3)上从外到内依次为真空层(7)、第一磁屏蔽层(4)、液氮层(6)和第二磁屏蔽层(5)。在第二磁屏蔽层(5)内，在x轴上两个三轴加速度计(1、2)关于坐标轴原点以半径R的距离对称布置。第一三轴加速度计(1)和第二三轴加速度计(2)在z轴上的距离坐标轴原点的距离分别是h/2。第一磁屏蔽层(4)为常温金属屏蔽层，用于屏蔽外界地磁场干扰，第二磁屏蔽层(5)是高温超导屏蔽层，用于屏蔽外界交流磁场干扰。本发明专利技术通过两个三轴加速度计实现全张量重力梯度的测量。

Gravity gradient measuring device and measuring method

A gravity gradient measuring device in which the rotating table (3) rotates horizontally around the vertical axis of the earth. The rotating table (3) is sequentially provided with a vacuum layer (7), a first magnetic shielding layer (4), a liquid nitrogen layer (6) and a second magnetic shielding layer (5). In the second magnetic shielding layer (5), on the X axis, two three axis accelerometers (1, 2) are symmetrically arranged with respect to the origin of the coordinate axis at a distance of radius R. The distance between the first three axis accelerometer (1) and the two or three axis accelerometer (2) on the Z axis and the origin of the coordinate axis are h/2. The first magnetic shielding layer (4) is a metal shielding layer at normal temperature, which is used for shielding the interference of the external magnetic field, and the second magnetic shielding layer (5) is a high temperature superconductive shielding layer used for shielding the external AC magnetic field interference. The present invention achieves measurements of total tensor gravity gradients through two three axis accelerometers.

【技术实现步骤摘要】
一种重力梯度测量装置及测量方法
本专利技术涉一种重力梯度测量装置及其测量方法。
技术介绍
重力梯度测量始于油气普查勘探应用。在20年代的美国，扭秤重力梯度仪是油气勘探普查的唯一有效工具。由于仪器笨重，效率低，梯度数据的解释方法研究又没有跟上，后来逐渐被淘汰。但是随着时代的发展，高精度重力梯度数据的重要性逐渐显现出来，无论是对于地质勘探，地球重力场的精细模拟还是高精度的惯性导航，它都不可或缺。重力梯度测量，即测量地球重力加速度随空间的变化。由于重力梯度是地球重力场的空间微分，反映重力沿空间不同方向的变化率，因此，重力梯度测量能够反映场源的细节。由于重力梯度值或重力高次导数具有比重力本身更高的分辨率，这是重力梯度测量最主要的优点，用测量重力势二阶导数的重力梯度仪实时测量重力梯度张量分量，就能获得更准确的重力值和垂直偏差，对空间科学、地球科学和地质科学等科学技术发展起着重要作用。惯性导航系统定位精度高，但缺陷在于误差随时间积累不断增加，必须定期重调。重力梯度测量是水下修正或限定无源自主惯导系统误差积累的一种重要方法，不仅可以提高惯性导航的精度，而且解决了水下导航的长期隐蔽性问题。重力梯度：重力加速度矢量的一阶空间导数，即重力位的二阶空间导数，可由下述张量表示：其中由于重力梯度场的对称性和无旋性，又有Γxy＝Γyx,Γxz＝Γzx,Γyz＝Γzy，Γxx+Γyy+Γzz＝0。因此，重力梯度的9个张量可以简化为5个独立张量。如果测量得到5个独立张量，即可得到所有9个张量信息，即全张量重力梯度测量。目前重力梯度测量方法主要是基于差分加速度测量原理，通过加速度计之间观测量的不同组合能够获取引力梯度张量的各个分量。全张量重力梯度测量要么需要三个正交旋转轴来分离梯度信号，特别是重力梯度的非对角分量；要么需要额外使用角加速度计来测量非对角分量以及消除动态误差，一般需要6个以上加速度计的组合结构，大大增加了仪器系统的复杂性和成本。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服目前重力梯度测量结构和测量方法复杂的缺点，提出一种简单的重力梯度测量装置和测量方法，本专利技术可以进行全张量重力梯度测量。本专利技术重力梯度测量装置，包括旋转台、第一三轴加速度计、第二三轴加速度计、第一磁屏蔽层、第二磁屏蔽层、液氮层和真空层。所述的旋转台可绕地垂轴水平旋转。在旋转台上从外到内依次布置有真空层、第一磁屏蔽层、液氮层、第二磁屏蔽层。在第二磁屏蔽层内，在x轴上两个三轴加速度计关于坐标轴原点以半径R的距离对称布置。第一三轴加速度计和第二三轴加速度计在z轴上的距离坐标轴原点的距离分别是h/2，h为在z轴上第一三轴加速度计和第二三轴加速度计之间的距离。所述的第一三轴加速度计和第二三轴加速度计的结构和功能相同，均包括悬浮质量体、x轴加速度检测电极、y轴加速度检测电极和z轴加速度检测电极。x轴加速度检测电极、y轴加速度检测电极和z轴加速度检测电极组成一个腔，悬浮质量体悬浮在该腔的中心位置。悬浮质量体为一个空心的外表面封闭的金属质量体。x轴加速度检测电极、y轴加速度检测电极和z轴加速度检测电极通过高频电容电桥电路实现x轴、y轴和z轴加速度值测量，即通过测量悬浮质量体在x轴、y轴和z轴方向上的位移，然后通过位移对时间的二阶求导得到x轴、y轴和z轴方向上的加速度大小。x轴加速度检测电极、y轴加速度检测电极和z轴加速度检测电极通过加载在电极上的低频电压实现x轴、y轴、z轴三个正交方向上的静电力支承和反馈控制的功能。所述的第一磁屏蔽层为常温金属屏蔽层，材料为坡莫合金。第二磁屏蔽层为高温超导屏蔽层，材料为YBCO金属化合物。第一磁屏蔽层用来屏蔽外界地磁场干扰，第二磁屏蔽层用来屏蔽外界交流磁场干扰。所述的液氮层为一个圆柱形的双层金属薄壁层，在金属薄壁层内充入液体氮。液氮层内部实现77K左右的低温环境，使得第二磁屏蔽层的YBCO金属化合物实现超导态，液氮层还可以降低第一三轴加速度计和第二三轴加速度计的布朗运动热噪声，提高第一三轴加速度计和第二三轴加速度计的测量精度。本专利技术装置工作时，首先旋转台绕垂直于水平面的旋转轴低速旋转，第一三轴加速度计和第二三轴加速度计分别在旋转过程中测量x轴、y轴、z轴方向上的直线加速度。通过以下测量方法及公式(1-11)，将第一三轴加速度计和第二三轴加速度计测量得到的加速度信号a1x、a2x、a3x，a1y、a2y、a3y，a1z、a2z、a3z进行滤波分离处理，即可得到五个重力梯度独立分量ΓYZ,ΓXZ,ΓXY,(ΓXX-ΓYY)，ΓZZ值，即可获得全张量重力梯度。应用本专利技术重力梯度测量装置测量重力梯度的方法如下：首先通过第一三轴加速度计和第二三轴加速度计分别在旋转过程中测量x轴、y轴、z轴方向上的直线加速度值，两个三轴加速度计测量的x轴、y轴、z轴方向上的直线加速度值相减，得到差分加速度，重力梯度参数与差分加速度值之间关系的公式为：其中，分别为第一三轴加速度计和第二三轴加速度计在坐标系a内的测量值矩阵；Γa为第一三轴加速度计和第二三轴加速度计所在坐标系a系下的重力梯度矩阵，惯性系下的重力梯度矩阵可以通过坐标变换得到；ρa为第一三轴加速度计和第二三轴加速度计位置向量的差值矩阵，当第一三轴加速度计和第二三轴加速度计的摆放位置相对固定时，此值恒定；La为第一三轴加速度计和第二三轴加速度计测量值对位移直接差分后得到的梯度测量矩阵，其中还包含角速度分量及角加速度分量为惯性坐标系旋转加速度，为坐标系a的角速度。角速度矩阵：角加速度矩阵：ωx、ωy、ωz为惯性坐标系下旋转角速度在x、y、z轴上的分量。第一三轴加速度计和第二三轴加速度计在坐标系a内的测量值矩阵为：位移差分矩阵为：将式(4)、(5)代入公式(1)可得：La为梯度测量矩阵，其中还包含角速度及角加速度分量。将式(2)的角速度矩阵和式(3)的角加速度矩阵代入式(6)，展开可得：至此获得了第一三轴加速度计和第二三轴加速度计的测量值与坐标系a下重力梯度的直接关系，下面进行坐标系a与惯性坐标系的坐标变换。坐标系a下的重力梯度矩阵Γa与惯性系下的重力梯度矩阵Γg的坐标变换公式为：其中，为坐标系a下在x、y、z坐标轴上的重力梯度值，为a坐标系下在x轴和y轴上的重力梯度值，为a坐标系下在x轴和z轴上的重力梯度值，为a坐标系下在y轴和z轴上的重力梯度值。为惯性坐标系下在x、y、z坐标轴上的重力梯度值，为惯性坐标系下在x轴和y轴上的重力梯度值，为惯性坐标系下在x轴和z轴上的重力梯度值，为惯性坐标系下在y轴和z轴上的重力梯度值。当坐标系a绕惯性系旋转的角速度为ω时，变换公式的转置矩阵为：将式(9)代入式(8)展开，得到：得到：由于第一三轴加速度计和第二三轴加速度计仅绕Z轴旋转，因此ωx＝ωy＝0，ωz恒等于ω，故将式(10)代入式(7)，整理可得：a1Z-a2Z＝2RsinωtΓYZ-2RcosωtΓXZ-hΓZZ(11)对式(11)所示的所得结果进行分析，可以发现四个重力梯度分量ΓYZ,ΓXZ,ΓXY,(ΓXX-ΓYY)分别附加在第一三轴加速度计和第二三轴加速度计输出组合中的旋转角速度ω的一倍频和二倍频正交信号上。首先对四个重力梯度分量ΓYZ,ΓXZ,ΓXY,(ΓXX-ΓYY)通过分频，分别获取一倍频和二倍频的信号，再分别通本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种重力梯度测量装置，其特征在于：所述的重力梯度测量装置包括旋转台(3)、第一三轴加速度计(1)、第二三轴加速度计(2)、第一磁屏蔽层(4)、第二磁屏蔽层(5)、液氮层(6)和真空层(7)；所述的旋转台(3)绕地垂轴水平旋转；旋转台(3)上从外到内依次布置有真空层(7)、第一磁屏蔽层(4)、液氮层(6)和第二磁屏蔽层(5)；在所述的第二磁屏蔽层(4)内，在x轴上第一三轴加速度计(1)和第二三轴加速度计(2)关于坐标轴原点以半径R的距离对称布置；第一三轴加速度计(1)和第二三轴加速度计(2)在z轴上的距离坐标轴原点的距离分别是h/2，h为第一三轴加速度计和第二三轴加速度计在z轴上的距离。

【技术特征摘要】
1.一种重力梯度测量装置，其特征在于：所述的重力梯度测量装置包括旋转台(3)、第一三轴加速度计(1)、第二三轴加速度计(2)、第一磁屏蔽层(4)、第二磁屏蔽层(5)、液氮层(6)和真空层(7)；所述的旋转台(3)绕地垂轴水平旋转；旋转台(3)上从外到内依次布置有真空层(7)、第一磁屏蔽层(4)、液氮层(6)和第二磁屏蔽层(5)；在所述的第二磁屏蔽层(4)内，在x轴上第一三轴加速度计(1)和第二三轴加速度计(2)关于坐标轴原点以半径R的距离对称布置；第一三轴加速度计(1)和第二三轴加速度计(2)在z轴上的距离坐标轴原点的距离分别是h/2，h为第一三轴加速度计和第二三轴加速度计在z轴上的距离。2.按照权利要求1所述的重力梯度测量装置，其特征在于：所述的第一三轴加速度计(1)和第二三轴加速度计(2)的结构和功能相同，均包括悬浮质量体(8)、x轴加速度检测电极(9)、y轴加速度检测电极(10)和z轴加速度检测电极(11)；x轴加速度检测电极(9)、y轴加速度检测电极(10)和z轴加速度检测电极(11)组成一个腔，悬浮质量体(8)悬浮在该腔的中心位置；悬浮质量体(8)为一个空心的外表面封闭的金属质量体；x轴加速度检测电极(9)、y轴加速度检测电极(10)和z轴加速度检测电极(11)通过高频电容电桥电路实现x轴、y轴和z轴加速度值测量，即通过测量悬浮质量体(8)在x轴、y轴和z轴方向上的位移，然后通过位移对时间的二阶求导得到x轴、y轴和z轴方向上的加速度；x轴加速度检测电极(9)、y轴加速度检测电极(10)和z轴加速度检测电极(11)通过加载在电极上的低频电压实现x轴、y轴、z轴三个正交方向上的静电力支承和反馈控制的功能。3.按照权利要求1所述的重力梯度测量装置，其特征在于：所述的第一磁屏蔽层(4)为常温金属屏蔽层，材料为坡莫合金；第二磁屏蔽层(5)是高温超导屏蔽层，材料为YBCO金属化合物；第一磁屏蔽层(4)用于屏蔽外界地磁场干扰，第二磁屏蔽层(5)用于屏蔽外界交流磁场干扰。4.应用权利要求1所述测量装置测量重力梯度的方法，其特征在于：所述的测量方法步骤如下：首先通过第一三轴加速度计(1)和第二三轴加速度计(2)分别在旋转过程中测量x轴、y轴、z轴方向上的直线加速度，两个三轴加速度计测量的x轴、y轴、z轴方向上的直线加速度值相减，得到差分加速度；重力梯度参数与差分加速度值之间关系的公式为：其中，分别为第一三轴加速度计(1)和第二三轴加速度计(2)在坐标系a内的测量值矩阵；Γa为第一三轴加速度计(1)和第二三轴加速度计(2)所在坐标系a系下的重力梯度矩阵，惯性坐标系下的重力梯度矩阵可以通过坐标变换得到；ρa为第一三轴加速度计(1)和第二三轴加速度计(2)位置向量的差值矩阵，当第一三轴加速度计(1)和第二三轴加速度计(2)之间的摆放位置相对固定时，此值恒定；La为第一三轴加速度计(1)和第二三轴加速度计(2)测量值对位移直接差分后得到的梯度测量矩阵，其中包含角速度分量及角加速度分量为惯性坐标系旋转加速度，为坐标系a的角速度；角速度矩阵：角加速度矩阵：ωx、ωy、ωz为惯性坐标系下旋转角速度在x、y、z轴上的分量；第一三轴加速度计(1)和第二三轴加速度计(2)在坐标系a内的测量值矩阵为：位移差分矩阵为：将式(4)、式(5)代入公式(1)可得：La为梯度测量矩阵，其中还包含角速度及角加速度分量；将角速度矩阵(2)和角加速度矩阵(3)代入式(6)，展开可得：...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡新宁，王秋良，陆锦焱，王晖，崔春艳，戴银明，严陆光，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11