一种旋转加速度计重力梯度仪运动误差事后补偿方法转让专利
申请号 : CN201811651176.8
文献号 : CN109766812B
文献日 : 2021-03-09
发明人 : 蔡体菁 , 喻名彪
申请人 : 东南大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种旋转加速度计重力梯度仪运动误差事后补偿方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)、对旋转加速度计重力梯度仪的输出数据、线运动数据、角运动数据进行滤波,以及采样率转换,降低数据噪声,同时使旋转加速度计重力梯度仪的输出数据、线运动数据、角运动数据的采样率相同;
(2)、将勘探时间总长度为L小时的重力梯度仪的输出数据、线运动数据、角运动数据,按时间分割成N个数据块;
(3)、依次剔除N个数据块中的线运动误差、角运动误差;
(4)、将N个剔除了线运动误差、角运动误差的数据块合并,并解调,得到勘探时间长度L小时的万有引力梯度输出。
2.根据权利要求1所述的一种旋转加速度计重力梯度仪运动误差事后补偿方法,其特征在于:步骤(3)中每个数据块剔除线运动误差、角运动误差的方法相同。
3.根据权利要求2所述的一种旋转加速度计重力梯度仪运动误差事后补偿方法,其特征在于:步骤(3)中每个数据块剔除线运动误差、角运动误差的步骤如下:(3-1)根据下式,计算数据块所有时刻的线运动向量、角运动向量:式中t表示数据块的时间,Lm(t)表示数据块中,时刻t的线运动向量,La(t)表示数据块中,时刻t的角运动向量,ax(t),ay(t),az(t)表示数据块中,时刻t的线运动数据,ωx(t),ωy(t),ωz(t),ωax(t),ωay(t),ωaz(t)表示数据块中,时刻t的角运动数据,Ω表示旋转加速度计重力梯度仪旋转圆盘角频率;
(3-2)将数据块所有时刻的线运动向量、角运动向量,代入下式计算数据块的运动矩阵L:
式中t1表示数据块的起始时刻,Lm(t1)表示数据块起始时刻t1的线运动向量,La(t1)表示数据块起始时刻t1的角运动向量;Lm(t)表示数据块中,时刻t的线运动向量,La(t)表示数据块中,时刻t的角运动向量;tp表示数据块的结束时刻,Lm(tp)表示数据块的结束时刻tp的线运动向量,La(tp)表示数据块结束时刻tp的角运动向量;
(3-3)根据下式,标定数据块的线运动误差系数向量Cm和角运动误差系数向量CA,Cm是1×10向量,CA是1×8向量:
[Cm,CA]=Gout·L+
式中Gout是旋转加速度计重力梯度仪输出数据块,L+表示L矩阵的加号逆;
(3-4)将标定的线运动误差系数向量Cm和角运动误差系数向量CA代入下式,剔除重力梯度仪线运动、角运动误差:
表示剔除了线运动误差、角运动误差的旋转加速度计重力梯度仪输出数据块,L是步骤(3-2)中计算的数据块的运动矩阵。
说明书 :
一种旋转加速度计重力梯度仪运动误差事后补偿方法
技术领域
背景技术
资源勘探等。重力梯度仪具有极其重要的国防、民用、科研价值。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。
加速度传递到重力梯度仪的输出,造成测量误差。旋转加速度计重力梯度仪在线误差补偿,
它的补偿电路和机械设计复杂,且只能在一定程度上抑制重力梯度仪线运动、角运动误差,
残余的重力梯度仪线运动误差、角运动误差,严重影响重力梯度仪的测量精度,需要进行事
后误差补偿。目前没有关于旋转加速度计重力梯度仪运动误差事后补偿方法的公开报道。
发明内容
重力梯度仪线运动、角运动引起的误差。在保证重力梯度仪分辨率不变的情况下,使用该方
法进行事后补偿,能极大的降低重力梯度仪对在线误差补偿系统的精度要求,简化在线误
差补偿系统的设计,从而简化重力梯度仪的电路、机械设计。本发明同时提供一种具有以上
效果、解决了以上问题的旋转加速度计重力梯度仪运动误差事后补偿方法。
运动数据的采样率相同;将勘探时间总长度为L小时的重力梯度仪的输出数据、线运动数
据、角运动数据,按时间分割成N个数据块;
(t),ωy(t),ωz(t),ωax(t),ωay(t),ωaz(t)表示数据块中,时刻t的角运动数据,Ω表示旋
转加速度计重力梯度仪旋转圆盘角频率;
表示数据块中,时刻t的角运动向量;tp表示数据块的结束时刻,Lm(tp)表示数据块的结束时
刻tp的线运动向量,La(tp)表示数据块结束时刻tp的角运动向量;
出数据中的线运动、角运动误差。该运动误差事后补偿方法基于重力梯度仪高精度解析模
型,它能够从超低信噪比的重力梯度仪原始数据中,剔除重力梯度仪线运动、角运动误差,
提取万有引力梯度信号,它能够极大的降低重力梯度仪对在线误差补偿系统精度的要求,
简化重力梯度仪的电路、机械设计,同时使重力梯度仪,能够适应更加恶劣的动态环境。
附图说明
具体实施方式
量坐标系的x轴,ym是重力梯度仪测量坐标系的y轴,zm是重力梯度仪测量坐标系的z轴;在重
力梯度仪旋转圆盘中心点安装一只三轴加速度计,重力梯度勘探时,用于记录重力梯度仪
经历的线运动;在重力梯度仪测量坐标系的三个坐标轴分别安装陀螺仪,重力梯度勘探时,
记录重力梯度仪经历的角运动(角速度,角加速度)。
据、角运动数据的采样率相同;航空重力梯度勘探的时间长度可以高达7~8个小时,在整个
勘探过程中,重力梯度仪线运动误差系数向量、角运动误差系数向量会随着时间缓慢变化,
但在较短的时间段内,可以视为不变;为了提高事后误差补偿的精度,可以根据重力梯度仪
的特性,将重力梯度仪的输出数据、线运动数据、角运动数据,按时间分割成N个数据块。比
如航空重力梯度勘探的总时间长度为8小时,可以将重力梯度仪的输出数据、线运动数据、
角运动数据分割成8个连续的数据块,每个数据块的时间长度为1小时。
(t),ωy(t),ωz(t),ωax(t),ωay(t),ωaz(t)表示数据块中,时刻t的角运动数据,Ω表示旋
转加速度计重力梯度仪旋转圆盘角频率;
表示数据块中,时刻t的角运动向量;tp表示数据块的结束时刻,Lm(tp)表示数据块的结束时
刻tp的线运动向量,La(tp)表示数据块结束时刻tp的角运动向量;
转加速度计重力梯度仪安装在振动测试台,振动台对重力梯度仪施加随机的线振动和角振
动,同时将一个测试质量绕重力梯度仪旋转产生多频率万有引力梯度信号激励重力梯度
仪,模拟航空重力梯度勘探的情况;这里利用旋转加速度计重力梯度仪数字模型,模拟上述
过程。仿真的旋转加速度计重力梯度仪的圆盘半径R=0.1m,圆盘旋转角频率Ω=1.57rad/
s,旋转加速度计重力梯度仪加速度计模型参数、加速度计安装参数、加速度计放大电路参
数列出在下表:
航空勘探的紊流作用,线振动加速度服从高斯分布,垂直方向的线振动加速度均值为0.1g,
标准差为0.02g;水平方向的线振动的强度是垂直方向的15%;同时,给重力梯度仪的三个
方向施加相同强度的高斯角振动,角振动均值等于100deg/h,标准差等于50deg/h。图3是旋
转加速度计重力梯度仪的原始输出,它是重力梯度仪线运动、角运动、万有引力梯度共同激
励的输出,图4是经过事后运动误差补偿,剔除了重力梯度仪线运动、角运动误差的重力梯
度仪的输出,它仅由万有引力梯度激励。图5是剔除了重力梯度仪线运动、角运动的重力梯
度仪的输出解调恢复的万有引力梯度,与理论万有引力梯度的对比图;图中Γinline,Γcross
是理论万有引力梯度,estΓinline,estΓcross是剔除了重力梯度仪线运动、角运动的重力梯
度仪的输出解调恢复的万有引力梯度。从图中可以看出,恢复的万有引力梯度与理论万有
引力梯度一致。仿真实验中,给重力梯度仪施加的紊流量级在200mg,角速度量级在10-4~
10-3rad/s,角加速度量级10-3~10-2rad/s2;重力梯度仪的角运动、线运动引起的电压输出
量级为105V,万有引力梯度引起的电压输出量级为10-2V,因此信噪比量级为10-7。在超低信
噪比10-7,噪声比信号高千万倍的情况下,本发明提供的事后误差补偿方法,能够剔除重力
梯度仪线运动、角运动误差,精确恢复万有引力梯度,仿真实验表明本发明提供的事后运动
误差补偿方法,有极佳的性能。
脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和等同替换,这些对本发明权利要求进行
改进和等同替换后的技术方案,均落入本发明的保护范围。