垂直向重力梯度测量方法技术

本发明专利技术提供一种垂直向重力梯度测量方法，包括：搭建落体控制系统和激光干涉测量系统；在落体下落过程中，激光干涉测量系统同步采样，分别采集得到携带有上落体整个运动过程信息的第1干涉光信号以及携带有下落体整个运动过程信息的第2干涉光信号；通过对干涉光信号分析解算，得到上落体在第1有效测量高度的第1绝对重力加速度值及下落体在第2有效测量高度的第2绝对重力加速度值；然后计算得到单次下落测量得到的垂直向重力梯度。优点为：基于落体控制系统，上下落体刚性连接，工作过程中的系统自振和环境振动误差为共模误差，无需对参考点进行振动隔离，振动误差不会对测量结果产生影响，因此，具有测量结果精度高、可靠和稳定的优点。

【技术实现步骤摘要】
垂直向重力梯度测量方法
本专利技术属于重力梯度测量
，具体涉及一种垂直向重力梯度测量方法。
技术介绍
在地球表面上，垂直向重力梯度大约为308.6微伽/米，其随纬度和高度的变化而存在微小变化，高精度的重力梯度测量数据，对于高精度惯性制导、地球科学、空间科学和地质科学均具有重要意义。此外，重力梯度测量已被认为是一种资源探测的有效手段之一，在基础地质调查、基础地质研究、油气矿藏等资源勘查等领域具有重要的应用价值。垂直向重力梯度测量仪是测量地球表面某个测点垂直向重力梯度的仪器。现有技术中，世界上对垂直向重力梯度测量仪的设计原理主要包括三大类：差分加速度计法、基于扭矩的测量方法和航空超导重力梯度测量方法。其中，基于扭矩的测量方法具有体积大以及测量稳定性有限等问题，从而限制了其发展。差分加速度计法在2006年，由赵立珍等设计得到，其在体积、稳定性等方面取得了重要突破。航空超导重力梯度仪也是具有发展前景的一类重要的重力梯度仪。在航空重力测量中，微小的加速度会因飞行器的移动而被掩盖，如果重力场用两个垂向排列的感应器测量两次，被掩盖的重力加速度差异就会显现，可克服快速航空测量的瓶颈。然而，现有的各类垂直向重力梯度测量方法，均属于相对测量方法，需要参考坐标及对其变化的物理量进行标定，普遍具有测量过程繁琐、测量机构体积偏大以及测量稳定性有限等不足。
技术实现思路
针对现有技术存在的缺陷，本专利技术提供一种垂直向重力梯度测量方法，可有效解决上述问题。本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术提供一种垂直向重力梯度测量方法，包括以下步骤：步骤1：搭建落体控制系统，使上托架(3-2)和下托架(4-2)通过刚性连接件(6)固定连接，进而使上托架(3-2)和下托架(4-2)在垂直方向具有固定距离h，在水平方向具有固定偏差值k；固定配置有第1测量棱镜(53-4)的上落体(3-4)置于上托架(3-2)；固定配置有第2测量棱镜(54-4)的下落体(4-4)置于下托架(4-2)；此外，上托架(3-2)和下托架(4-2)均位于真空环境中；此外，上托架(3-2)通过传动件(5)与伺服驱动系统(2)联动；步骤2：搭建激光干涉测量系统，该激光干涉测量系统包括：激光光源(50)以及经同一激光光源(50)形成的第1干涉光路测量单元和第2干涉光路测量单元；第1干涉光路测量单元与上落体对应，第2干涉光路测量单元与下落体对应；步骤3：启动伺服驱动系统(2)，在伺服驱动系统(2)的正向带动下，使上托架(3-2)和下托架(4-2)提升至初始位置，进而使第1测量棱镜(53-4)和第2测量棱镜(54-4)运行至初始位置；此时，将第1测量棱镜(53-4)初始位置记为A00，第1测量棱镜(53-4)光心与第1参考测量棱镜(53-2)光心之间的初始距离记为hinst上；hinst上为已知值；将第2测量棱镜(54-4)初始位置记为B00，第2测量棱镜(54-4)的光心与第2参考测量棱镜(54-2)的光心之间的初始距离记为hinst下；hinst下为已知值；第1测量棱镜(53-4)光心与第2测量棱镜(54-4)光心之间的初始垂直距离即为上托架(3-2)和下托架(4-2)在垂直方向的固定距离h；第1测量棱镜(53-4)光心与第2测量棱镜(54-4)光心之间的初始水平距离即为上托架(3-2)和下托架(4-2)在水平方向的固定偏差值k；步骤4：使伺服驱动系统(2)进行反向运转，将反向运转时刻记为t＝t00时刻，同时启动激光干涉测量系统；一方面，伺服驱动系统(2)以超过重力加速度的加速度推动上托架(3-2)下落，由于上托架(3-2)和下托架(4-2)刚性连接，因此，上托架(3-2)和下托架(4-2)以超过重力加速度的加速度同步进行垂直方向的下降运动；因此，分别位于上托架(3-2)和下托架(4-2)内部的上落体(3-4)和下落体(4-4)，在经过一段非自由下落运动后，转为自由下落运动；将上落体(3-4)转为自由下落运动的时刻记为t＝t0时刻，将该时刻上落体(3-4)的位置记为A0，则A0与初始位置A00之间的垂直距离记为x0,该时刻上落体(3-4)的运动速度记为v0；此处，t0、x0和v0均为未知量；然后，当上落体(3-4)和下落体(4-4)进行一段距离的自由下落运动后，通过伺服驱动系统(2)的控制，使上托架(3-2)和下托架(4-2)停止运动，进而使上落体(3-4)和下落体(4-4)又由自由下落运动转变为非自由下落运动，最终恢复到静止状态；另一方面，从t＝t00时刻开始，激光干涉测量系统同时启动，第1干涉光路测量单元和第2干涉光路测量单元同步采样；因此，第1干涉光路测量单元采集得到携带有上落体3-4整个运动过程信息的第1干涉光信号；第2干涉光路测量单元采集得到携带有下落体4-4整个运动过程信息的第2干涉光信号；步骤5：对所述第1干涉光信号和所述第2干涉光信号进行分析解算，得到上落体在第1有效测量高度href上的第1绝对重力加速度值以及下落体在第2有效测量高度href下的第2绝对重力加速度值然后，根据以下公式(1)或公式(2)，得到单次下落测量得到的垂直向重力梯度γ；其中，第1绝对重力加速度值为上落体绝对重力加速度最佳估值；将上落体在下落过程中，绝对重力加速度为的位置记为第2绝对重力加速度值为下落体绝对重力加速度最佳估值；将下落体在下落过程中，绝对重力加速度为的位置记为步骤6：循环执行S4-S5，由此得到若干个测量得到的垂直向重力梯度γ；将测量得到的各个垂直向重力梯度γ取平均值，得到最终的垂直向重力梯度。优选的，步骤5中，当采用公式(1)求解时，具体包括以下步骤：步骤5.1，对第1干涉光信号进行分析处理，得到上落体下落轨迹的时间位移坐标(t，x)序列；其中，t为上落体从初始位置A00下落所经过的时间；x为在t时刻落体下落的位移；步骤5.2，考虑测量初始阶段和测量结束阶段的噪音、以及上落体在初始阶段和结束阶段进行非自由下落运动，因此，从时间位移坐标(t，x)序列中，确定参与干涉带有效信号计算的开始时间位移坐标(t1，x1)以及结束时间位移坐标(tn，xn)；由此得到n个按采样时间排列的时间位移坐标对，依次为：(t1，x1)、(t2，x2)…(tn，xn)；步骤5.3，采用最小二乘拟合算法，得到上落体的第1绝对重力加速度值，具体拟合算法为：1)建立以下的超定方程：(2)将(t1，x1)、(t2，x2)…(tn，xn)代入上述超定方程，可计算得到的值；也可计算得到x0、v0和γ的值，但是，由于单条干涉信号获取中，参考棱镜受到振动干扰的影响，因此，此处计算得到的γ值精度非常有限，不能作为最终结果，需丢弃；采用步骤5.1、步骤5.2和步骤5.3的方法，计算得到的值。优选的，步骤5中，href上的计算方法为：(1)设定初始条件：在href上的计算过程中，其精度在毫米量级，对于上落体，从初始位置A00到位置A0的下落运动过程为非自由下落运动过程，由于该段非自由下落运动过程对href上值的影响在误差可允许范围内，因此，忽略该段非自由下落运动过程；即：假设上落体从初始位置A00、时刻t00开始即进入到自由下落运动过程，则：t0＝0，v0＝0，x0＝0；初始位置A00的绝对重力加速度g0为已知设定值，g0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种垂直向重力梯度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：搭建落体控制系统，使上托架(3‑2)和下托架(4‑2)通过刚性连接件(6)固定连接，进而使上托架(3‑2)和下托架(4‑2)在垂直方向具有固定距离h，在水平方向具有固定偏差值k；固定配置有第1测量棱镜(53‑4)的上落体(3‑4)置于上托架(3‑2)；固定配置有第2测量棱镜(54‑4)的下落体(4‑4)置于下托架(4‑2)；此外，上托架(3‑2)和下托架(4‑2)均位于真空环境中；此外，上托架(3‑2)通过传动件(5)与伺服驱动系统(2)联动；步骤2：搭建激光干涉测量系统，该激光干涉测量系统包括：激光光源(50)以及经同一激光光源(50)形成的第1干涉光路测量单元和第2干涉光路测量单元；第1干涉光路测量单元与上落体对应，第2干涉光路测量单元与下落体对应；步骤3：启动伺服驱动系统(2)，在伺服驱动系统(2)的正向带动下，使上托架(3‑2)和下托架(4‑2)提升至初始位置，进而使第1测量棱镜(53‑4)和第2测量棱镜(54‑4)运行至初始位置；此时，将第1测量棱镜(53‑4)初始位置记为A00，第1测量棱镜(53‑4)光心与第1参考测量棱镜(53‑2)光心之间的初始距离记为hinst上；hinst上为已知值；将第2测量棱镜(54‑4)初始位置记为B00，第2测量棱镜(54‑4)的光心与第2参考测量棱镜(54‑2)的光心之间的初始距离记为hinst下；hinst下为已知值；第1测量棱镜(53‑4)光心与第2测量棱镜(54‑4)光心之间的初始垂直距离即为上托架(3‑2)和下托架(4‑2)在垂直方向的固定距离h；第1测量棱镜(53‑4)光心与第2测量棱镜(54‑4)光心之间的初始水平距离即为上托架(3‑2)和下托架(4‑2)在水平方向的固定偏差值k；步骤4：使伺服驱动系统(2)进行反向运转，将反向运转时刻记为t＝t00时刻，同时启动激光干涉测量系统；一方面，伺服驱动系统(2)以超过重力加速度的加速度推动上托架(3‑2)下落，由于上托架(3‑2)和下托架(4‑2)刚性连接，因此，上托架(3‑2)和下托架(4‑2)以超过重力加速度的加速度同步进行垂直方向的下降运动；因此，分别位于上托架(3‑2)和下托架(4‑2)内部的上落体(3‑4)和下落体(4‑4)，在经过一段非自由下落运动后，转为自由下落运动；将上落体(3‑4)转为自由下落运动的时刻记为t＝t0时刻，将该时刻上落体(3‑4)的位置记为A0，则A0与初始位置A00之间的垂直距离记为x0,该时刻上落体(3‑4)的运动速度记为v0；此处，t0、x0和v0均为未知量；然后，当上落体(3‑4)和下落体(4‑4)进行一段距离的自由下落运动后，通过伺服驱动系统(2)的控制，使上托架(3‑2)和下托架(4‑2)停止运动，进而使上落体(3‑4)和下落体(4‑4)又由自由下落运动转变为非自由下落运动，最终恢复到静止状态；另一方面，从t＝t00时刻开始，激光干涉测量系统同时启动，第1干涉光路测量单元和第2干涉光路测量单元同步采样；因此，第1干涉光路测量单元采集得到携带有上落体3‑4整个运动过程信息的第1干涉光信号；第2干涉光路测量单元采集得到携带有下落体4‑4整个运动过程信息的第2干涉光信号；步骤5：对所述第1干涉光信号和所述第2干涉光信号进行分析解算，得到上落体在第1有效测量高度href上的第1绝对重力加速度值以及下落体在第2有效测量高度href下的第2绝对重力加速度值然后，根据以下公式(1)或公式(2)，得到单次下落测量得到的垂直向重力梯度γ；其中，第1绝对重力加速度值为上落体绝对重力加速度最佳估值；将上落体在下落过程中，绝对重力加速度为的位置记为第2绝对重力加速度值为下落体绝对重力加速度最佳估值；将下落体在下落过程中，绝对重力加速度为的位置记为步骤6：循环执行S4‑S5，由此得到若干个测量得到的垂直向重力梯度γ；将测量得到的各个垂直向重力梯度γ取平均值，得到最终的垂直向重力梯度。...

【技术特征摘要】
1.一种垂直向重力梯度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：搭建落体控制系统，使上托架(3-2)和下托架(4-2)通过刚性连接件(6)固定连接，进而使上托架(3-2)和下托架(4-2)在垂直方向具有固定距离h，在水平方向具有固定偏差值k；固定配置有第1测量棱镜(53-4)的上落体(3-4)置于上托架(3-2)；固定配置有第2测量棱镜(54-4)的下落体(4-4)置于下托架(4-2)；此外，上托架(3-2)和下托架(4-2)均位于真空环境中；此外，上托架(3-2)通过传动件(5)与伺服驱动系统(2)联动；步骤2：搭建激光干涉测量系统，该激光干涉测量系统包括：激光光源(50)以及经同一激光光源(50)形成的第1干涉光路测量单元和第2干涉光路测量单元；第1干涉光路测量单元与上落体对应，第2干涉光路测量单元与下落体对应；步骤3：启动伺服驱动系统(2)，在伺服驱动系统(2)的正向带动下，使上托架(3-2)和下托架(4-2)提升至初始位置，进而使第1测量棱镜(53-4)和第2测量棱镜(54-4)运行至初始位置；此时，将第1测量棱镜(53-4)初始位置记为A00，第1测量棱镜(53-4)光心与第1参考测量棱镜(53-2)光心之间的初始距离记为hinst上；hinst上为已知值；将第2测量棱镜(54-4)初始位置记为B00，第2测量棱镜(54-4)的光心与第2参考测量棱镜(54-2)的光心之间的初始距离记为hinst下；hinst下为已知值；第1测量棱镜(53-4)光心与第2测量棱镜(54-4)光心之间的初始垂直距离即为上托架(3-2)和下托架(4-2)在垂直方向的固定距离h；第1测量棱镜(53-4)光心与第2测量棱镜(54-4)光心之间的初始水平距离即为上托架(3-2)和下托架(4-2)在水平方向的固定偏差值k；步骤4：使伺服驱动系统(2)进行反向运转，将反向运转时刻记为t＝t00时刻，同时启动激光干涉测量系统；一方面，伺服驱动系统(2)以超过重力加速度的加速度推动上托架(3-2)下落，由于上托架(3-2)和下托架(4-2)刚性连接，因此，上托架(3-2)和下托架(4-2)以超过重力加速度的加速度同步进行垂直方向的下降运动；因此，分别位于上托架(3-2)和下托架(4-2)内部的上落体(3-4)和下落体(4-4)，在经过一段非自由下落运动后，转为自由下落运动；将上落体(3-4)转为自由下落运动的时刻记为t＝t0时刻，将该时刻上落体(3-4)的位置记为A0，则A0与初始位置A00之间的垂直距离记为x0,该时刻上落体(3-4)的运动速度记为v0；此处，t0、x0和v0均为未知量；然后，当上落体(3-4)和下落体(4-4)进行一段距离的自由下落运动后，通过伺服驱动系统(2)的控制，使上托架(3-2)和下托架(4-2)停止运动，进而使上落体(3-4)和下落体(4-4)又由自由下落运动转变为非自由下落运动，最终恢复到静止状态；另一方面，从t＝t00时刻开始，激光干涉测量系统同时启动，第1干涉光路测量单元和第2干涉光路测量单元同步采样；因此，第1干涉光路测量单元采集得到携带有上落体(3-4)整个运动过程信息的第1干涉光信号；第2干涉光路测量单元采集得到携带有下落体(4-4)整个运动过程信息的第2干涉光信号；步骤5：对所述第1干涉光信号和所述第2干涉光信号进行分析解算，得到上落体在第1有效测量高度href上的第1绝对重力加速度值以及下落体在第2有效测量高度href下的第2绝对重力加速度值然后，根据以下公式(1)或公式(2)，得到单次下落测量得到的垂直向重力梯度γ；其中，第1绝对重力加速度值为上落体绝对重力加速度最佳估值；将上落体在下落过程中，绝对重力加速度为的位置记为第2绝对重力加速度值为下落体绝对重力加速度最佳估值；将下落体在下落过程中，绝...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴琼，滕云田，张兵，张涛，
申请(专利权)人：中国地震局地球物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11