CN109212619B - 一种旋转加速度计重力梯度仪线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线运动误差补偿装置及方法，该装置包括线运动检测模块，实时检测重力梯度仪的加速度；参考信号产生模块，实时产生正交幅度调制载波；线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，实时微调线运动误差传递系数；线运动误差补偿信号产生模块，根据输入的重力梯度仪加速度信号，正交幅度调制载波，线运动误差传递系数，产生线运动误差补偿信号；自梯度补偿信号产生模块，根据重力梯度仪的姿态，产生自梯度补偿信号。该方法在重力梯度仪信号解调前进行补偿，既能补偿重力梯度仪线运动误差、自梯度，同时能够解决重力梯度仪自梯度及线运动误差引起的过电压电路饱和、过电压电路损坏问题。

Description

一种旋转加速度计重力梯度仪线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线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，导致重力梯度仪的加速度，角速度，角加速度传递到重力梯度仪的输出，造成测量误差。同时重力梯度仪线运动、自梯度、角运动会引起重力梯度仪前端信号调理电路过电压饱和或损坏。本发明提供一种能够实时补偿重力梯度仪线运动误差、自梯度的装置及方法，目前没有关于重力梯度仪线运动误差、自梯度实时补偿装置及技术的没有公开的报道。

发明内容

技术问题：本发明提供一种能够补偿重力梯度仪线运动引起的测量误差的旋转加速度计重力梯度仪线运动误差补偿装置，既能抑制温度、电磁场等环境因素对重力梯度仪的线运动误差传递系数的影响，同时还能避免重力梯度仪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实现上述效果、解决上述问题的旋转加速度计重力梯度仪线运动误差补偿方法。

技术方案：本发明的旋转加速度计重力梯度仪线运动误差补偿装置，包括：

用于检测重力梯度仪加速度的线运动检测模块；

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线运动误差传递系数的线运动误差传递系数处理模块；

用于根据重力梯度仪加速度信号、正交幅度调制载波、线运动误差传递系数产生线运动误差补偿信号的线运动误差补偿信号产生模块；

用于根据重力梯度仪的姿态产生自梯度补偿信号的自梯度补偿信号产生模块；

用于根据线运动误差补偿信号、自梯度补偿信号对含有线运动误差、自梯度的重力梯度仪信号进行补偿的补偿运算模块；

所述线运动检测模块的输出连接到线运动误差补偿信号产生模块的输入；所述参考信号产生模块的输出连接到线运动误差补偿信号产生模块、自梯度补偿信号产生模块的输入；所述线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，所述线运动误差传递系数处理模块的输出连接到线运动误差补偿信号产生模块的输入；所述线运动误差补偿信号产生模块、自梯度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，所述线运动检测模块包括加速度计和低通滤波器，所述加速度计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加速度a_x,a_y,a_z；所述低通滤波器则滤除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，所述线运动误差传递系数处理模块包括线运动误差传递系数输入模块和线运动误传递差系数调节模块，所述线运动误差传递系数输入模块，输入线运动误差传递系数初值：

所述线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，微调线运动误传递差系数；线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，实时调节线运动误差传递系数；当工作在非调节模式时，线运动误差传递系保持不变。

进一步的，本发明装置中，所述线运动误差补偿信号产生模块具有两种工作模式：非补偿模式，补偿模式；非补偿模式下，产生的t时刻总的线运动误差补偿信号C_L(t)为：

C_L(t)＝0；

在补偿模式下，产生的t时刻总的线运动误差补偿信号C_L(t)为：

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

表示t时刻输入线运动误差补偿信号产生模块的线运动误差传递系数；a_x(t),a_y(t),a_z(t)表示t时刻输入线运动误差补偿信号产生模块的加速度信号。

进一步的，本发明装置中，所述自梯度补偿信号产生模块包括姿态输入模块、自梯度模型参数输入模块、正交幅度调制载波输入模块、自梯度信号产生模块；所述姿态输入模块实时获取重力梯度仪的姿态数据；所述自梯度模型参数输入模块用于设置自梯度模型参数初值；所述正交幅度调制载波输入模块用于输入自梯度信号的正交幅度调制载波；所述自梯度信号产生模块根据输入的自梯度模型参数、重力梯度仪姿态、正交幅度调制信号产生自梯度补偿信号；自梯度补偿信号产生模块具有两种工作模式：补偿模式和非补偿模式；补偿模式下，自梯度补偿信号产生模块的输出C_sg(t)为：

非补偿模式下的输出为：

C_sg(t)＝0

式中，

是重力梯度仪在t时刻的姿态，P是重力梯度仪自梯度模型参数；

分别是重力梯度仪的Inline通道、cross通道t时刻的自梯度；sin2φ_t,cos2φ_t是t时刻的正交幅度调制载波。

进一步的，本发明装置中，所述补偿运算模块根据自梯度补偿信号、线运动误差补偿信号对重力梯度仪的输出进行补偿。

本发明的旋转加速度计重力梯度仪线运动误差补偿方法，包括以下步骤：

1)根据工作模式，计算t时刻的线运动误差传递系数：

调节模式：

非调节模式：

式中表示t-1时刻的线运动误差传递系数；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时刻线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时刻的加速度a_x(t),a_y(t),a_z(t)；

3)根据下式计算t时刻的3类线运动误差补偿信号C_L1(t),C_L2(t),C_L3(t)：

4)根据工作模式，计算t时刻的总的线运动误差补偿信号C_L(t)：

在非补偿模式时，C_L(t)＝0；

在补偿模式时，C_L(t)＝C_L1(t)+C_L2(t)+C_L3(t)；

5)根据工作模式，计算t时刻的自梯度补偿信号C_sg(t)：

补偿模式时，

在非补偿模式时，非补偿模式下的输出为：

C_sg(t)＝0

6)对t时刻含有线运动误差、自梯度的重力梯度仪信号g(t)，根据下式进行线运动误差、自梯度补偿；

g_c(t)＝g(t)-C_L(t)-C_sg(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时刻含有线运动误差、自梯度的重力梯度仪信号，C_L(t)是t时刻的总的线运动误差补偿信号，C_sg(t)是自梯度补偿信号；

更进一步的，本发明方法中，所述步骤1)中，t＝0时刻的线运动误差传递系数

均通过标定得到。

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，导致重力梯度仪的加速度，角速度，角加速度传递到重力梯度仪的输出，造成测量误差，此外重力梯度仪的线运动误差传递系数、角运动误差传递系数容易受温度、电磁场等环境因素的影响。同时重力梯度仪的加速度，角速度，角加速度会引起重力梯度仪前端信号调理电路过电压饱和，或过电压损坏，本发明能够解决以上问题。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明提供一种能够对重力梯度仪线运动误差、自梯度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线运动误差传递系数，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线运动误差传递系数的影响，能够补偿重力梯度仪线运动引起的测量误差，提高重力梯度仪的测量精度。由于重力梯度仪线运动误差信号，自梯度信号均进行了正交幅度调制，直接对重力梯度仪解调前的信号进行补偿，因此还能够解决由于重力梯度仪加速度、自梯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线运动误差、自梯度实时补偿装置结构图。

图2旋转加速度计重力梯度仪线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线运动误差补偿装置，它包括线运动检测模块，参考信号产生模块，线运动误差传递系数处理模块，线运动误差补偿信号产生模块，自梯度补偿信号产生模块，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。

线运动检测模块，为线运动误差补偿信号产生模块提供重力梯度仪加速度信号；它由加速度计，低通滤波器组成；如图2所示，加速度计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加速度a_x,a_y,a_z；低通滤波器则滤除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线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。

线运动误差传递系数处理模块，为线运动误差补偿信号产生模块提供线运动误差系数；线运动误差传递系数处理模块，由线运动误差传递系数输入模块，线运动误传递差系数调节模块组成；线运动误差传递系数输入模块，输入线运动误差传递系数初值：

线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，微调线运动误传递差系数

线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线运动误差传递系数的调节如下：

调节模式：

非调节模式：

线运动误差补偿信号产生模块，根据重力梯度仪线运动信号a_x(t),a_y(t),a_z(t)，正交幅度调制载波sin2φ_t,cos2φ_t,sinφ_t,cosφ_t，线运动误差传递系数

产生t时刻总的线运动误差补偿信号C_L(t)；线运动误差补偿信号产生模块具有2种工作模式，非补偿模式和补偿模式；非补偿模式下，产生的t时刻总的线运动误差补偿信号C_L(t)为：

C_L(t)＝0；

在补偿模式下，产生的t时刻总的线运动误差补偿信号C_L(t)为：

自梯度补偿信号产生模块，具有两种工作模式，补偿模式和非补偿模式，在补偿模式下，产生的自梯度补偿信号C_sg(t)为：

在非补偿模式时，产生的自梯度补偿信号C_sg(t)为：C_sg(t)＝0。

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，得到含有线运动误差、自梯度的重力梯度仪信号g(t)。

补偿运算模块，根据t时刻总的线运动误差补偿信号C_L(t)，自梯度补偿信号C_sg(t)，对含有线运动误差的重力梯度仪信号g(t)，根据下式进行线运动误差补偿：

g_c(t)＝g(t)-C_L(t)-C_sg(t)

补偿后的重力梯度信号g_c(t)被反馈到线运动误差传递系数处理模块，用于实时调节重力梯度仪线运动误差传递系数，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 (9)

1.一种旋转加速度计重力梯度仪线运动误差补偿装置，其特征在于，该装置包括：

用于检测重力梯度仪加速度的线运动检测模块；

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线运动误差传递系数的线运动误差传递系数处理模块；

用于根据重力梯度仪加速度信号、正交幅度调制载波、线运动误差传递系数产生线运动误差补偿信号的线运动误差补偿信号产生模块；

用于根据重力梯度仪的姿态产生自梯度补偿信号的自梯度补偿信号产生模块；

用于根据线运动误差补偿信号、自梯度补偿信号对含有线运动误差、自梯度的重力梯度仪信号进行补偿的补偿运算模块；

所述线运动检测模块的输出连接到线运动误差补偿信号产生模块的输入；所述参考信号产生模块的输出连接到线运动误差补偿信号产生模块、自梯度补偿信号产生模块的输入；所述线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，所述线运动误差传递系数处理模块的输出连接到线运动误差补偿信号产生模块的输入；所述线运动误差补偿信号产生模块、自梯度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线运动误差补偿装置，其特征在于：所述线运动检测模块包括加速度计和低通滤波器，所述加速度计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加速度a_x,a_y,a_z；所述低通滤波器则滤除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线运动误差补偿装置，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线运动误差补偿装置，其特征在于：所述线运动误差传递系数处理模块包括线运动误差传递系数输入模块和线运动误传递差系数调节模块，所述线运动误差传递系数输入模块，输入线运动误差传递系数初值：所述线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，微调线运动误传递差系数；线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，实时调节线运动误差传递系数；当工作在非调节模式时，线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线运动误差补偿装置，其特征在于：所述线运动误差补偿信号产生模块具有两种工作模式：非补偿模式，补偿模式；非补偿模式下，产生的t时刻总的线运动误差补偿信号C_L(t)为：

C_L(t)＝0；

在补偿模式下，产生的t时刻总的线运动误差补偿信号C_L(t)为：

式中sin2φ_t,cos2φ_t,sinφ_t,cosφ_t为t时刻输入线运动误差补偿信号产生模块的正交幅度调制载波；表示t时刻输入线运动误差补偿信号产生模块的线运动误差传递系数；a_x(t),a_y(t),a_z(t)表示t时刻输入线运动误差补偿信号产生模块的加速度信号。

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线运动误差补偿装置，其特征在于：所述自梯度补偿信号产生模块包括姿态输入模块、自梯度模型参数输入模块、正交幅度调制载波输入模块、自梯度信号产生模块；所述姿态输入模块实时获取重力梯度仪的姿态数据；所述自梯度模型参数输入模块用于设置自梯度模型参数初值；所述正交幅度调制载波输入模块用于输入自梯度信号的正交幅度调制载波；所述自梯度信号产生模块根据输入的自梯度模型参数、重力梯度仪姿态、正交幅度调制信号产生自梯度补偿信号；自梯度补偿信号产生模块具有两种工作模式：补偿模式和非补偿模式；补偿模式下，自梯度补偿信号产生模块的输出C_sg(t)为：

非补偿模式下的输出为：

C_sg(t)＝0

式中，

是重力梯度仪在t时刻的姿态，P是重力梯度仪自梯度模型参数；

分别是重力梯度仪的Inline通道、cross通道t时刻的自梯度；sin2φ_t,cos2φ_t是t时刻的正交幅度调制载波。

7.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线运动误差补偿装置，其特征在于：所述补偿运算模块根据自梯度补偿信号、线运动误差补偿信号对重力梯度仪的输出进行补偿。

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

1)根据工作模式，计算t时刻的线运动误差传递系数：

调节模式：

非调节模式：

式中表示t-1时刻的线运动误差传递系数；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时刻线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时刻的加速度a_x(t),a_y(t),a_z(t)；

3)根据下式计算t时刻的3类线运动误差补偿信号C_L1(t),C_L2(t),C_L3(t)：

4)根据工作模式，计算t时刻的总的线运动误差补偿信号C_L(t)：

在非补偿模式时，C_L(t)＝0；

在补偿模式时，C_L(t)＝C_L1(t)+C_L2(t)+C_L3(t)；

5)根据工作模式，计算t时刻的自梯度补偿信号C_sg(t)：

补偿模式时，

在非补偿模式时，非补偿模式下的输出为：

C_sg(t)＝0

6)对t时刻含有线运动误差、自梯度的重力梯度仪信号g(t)，根据下式进行线运动误差、自梯度补偿；

g_c(t)＝g(t)-C_L(t)-C_sg(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时刻含有线运动误差、自梯度的重力梯度仪信号，C_L(t)是t时刻的总的线运动误差补偿信号，C_sg(t)是自梯度补偿信号。

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

均通过标定得到。

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