阅读说明：本技术 一种航空重力梯度仪实时重力梯度解调方法及装置 (Real-time gravity gradient demodulation method and device for aviation gravity gradiometer ) 是由 钱学武 赵立业 于 2020-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种航空重力梯度仪实时重力梯度解调方法及装置,属于精密测量领域。方法包括：首先对四只加速度计输出信号进行信号调理和滤波；然后A/D转换器根据角度信息转换器发出的同步脉冲信号对滤波后的重力梯度模拟信号进行A/D转换,得到重力梯度数字信号；接下来利用参考信号源对重力梯度数字信号进行相位角解调,得到解调相位角；最后利用解调相位角、角度信息和参考信号源对重力梯度数字序列进行实时重力梯度解调,得到具有时空信息的重力梯度数据。使用本发明提供的航空重力梯度仪实时重力梯度解调方法,能够进一步提高重力梯度测量精度,操作简单方便,同时可为后续的离线处理和地质分析提供丰富的数据材料。(The invention discloses a real-time gravity gradient demodulation method and device for an aviation gravity gradiometer, and belongs to the field of precision measurement. The method comprises the following steps: firstly, signal conditioning and filtering are carried out on output signals of four accelerometers; then the A/D converter performs A/D conversion on the filtered gravity gradient analog signal according to the synchronous pulse signal sent by the angle information converter to obtain a gravity gradient digital signal; then, phase angle demodulation is carried out on the gravity gradient digital signal by using a reference signal source to obtain a demodulation phase angle; and finally, carrying out real-time gravity gradient demodulation on the gravity gradient digital sequence by using the demodulation phase angle, the angle information and the reference signal source to obtain gravity gradient data with space-time information. The real-time gravity gradient demodulation method of the aviation gravity gradiometer provided by the invention can further improve the measurement precision of the gravity gradient, is simple and convenient to operate, and can provide abundant data materials for subsequent off-line processing and geological analysis.)

一种航空重力梯度仪实时重力梯度解调方法及装置

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，具体涉及一种航空重力梯度仪实时重力梯度解调方法及装置。

背景技术

高精度航空重力梯度测量技术对于空间科学、地球科学、地质科学、能源勘探、惯性导航等领域的研究具有重要意义。目前，重力梯度仪主要有旋转加速度计重力梯度仪、超导重力梯度仪、冷原子重力梯度仪、静电重力梯度仪，以及基于微机械加工(MEMS)技术的重力梯度仪等，其中旋转加速度计重力梯度仪是目前唯一能够商用，并且成功用在机载/船载动基座上的重力梯度测量仪器。航空重力梯度测量以其经济、高效及对小尺度地质目标特有的高分辨率而备受青睐。

旋转加速度计重力梯度仪是一种高精密测量仪器，电子元件稳定性、电子线路电磁兼容性问题、敏感器工作性能、旋转机构稳定性、温控性能等因素都会对重力梯度测量精度造成严重影响，这些因素会使重力梯度仪输出信号包含各种噪声，从而降低了测量精度。现有技术中为提高重力梯度测量精度做了很多工作，取得了一些成果，例如，专利CN108873093B公开了一种航空重力梯度仪自梯度补偿方法，通过对运载体运行过程中由于姿态改变引起的自梯度进行补偿，提高重力梯度测量精度；专利CN110471123A公开了一种旋转加速度计重力梯度仪数据诊断及处理方法，通过对重力梯度数据进行合理的数据诊断和处理，提高测量精度；专利CN109212619B公开了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，专利CN109212629B公开了一种旋转加速度计重力梯度仪角运动误差补偿装置及方法，专利CN109212620B公开了一种动基座旋转加速度计重力梯度仪误差补偿装置及方法，专利CN110068876A公开了一种基于载体自振动航空重力梯度仪运动误差补偿方法，这些误差补偿方法对重力梯度仪工作过程中的角运动误差、线运动误差、自梯度、垂向运动误差进行研究并通过特定的方法予以补偿，提高了机器测量性能。然而，除了以上影响因素外，重力梯度解调相位角的精确确定也是一个重要的影响因子，其直接影响了重力梯度测量性能。解调相位角的误差主要来自旋转机构稳定性、电机控制稳定性、电路噪声以及信号处理导致的传输延时等方面，但目前针对航空重力梯度仪解调相位角的误差补偿并没有相关文献发布或发表。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种操作简单、实施方便，并且具有实用性强的一种航空重力梯度仪实时重力梯度解调方法及装置，解决了重力梯度解调相位角不精确而导致的重力梯度测量性能下降问题，能够为高精度航空重力梯度测量提供重要的应用参考。

技术方案：为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，提供一种航空重力梯度仪实时重力梯度解调方法，包括以下步骤：

对四只加速度计输出的信号进行信号调理和滤波，得到重力梯度模拟信号；

A/D转换器根据角度信息转换器发出的同步脉冲信号对滤波后的重力梯度模拟信号进行A/D转换，得到重力梯度数字信号；

利用参考信号源对重力梯度数字信号进行相位角解调，得到解调相位角；

利用解调相位角、角度信息转换器输出的角度信息和参考信号源对重力梯度数字序列进行实时重力梯度解调，得到具有时空信息的重力梯度数据。

其中，所述重力梯度数字信号表达形式为：

E_out(k)＝2K_IKR{(Γ_yy-Γ_xx)sin2[ωΔt(k-1)-α]+2Γ_xycos2[ωΔt(k-1)-α]}

式中，k为数据序列索引，K为系统信号放大增益，Δt为采样时间，K_I为加速度计标度因数，R为圆盘半径，ω为圆盘旋转角频率，α为重力梯度解调相位角，E_out(k)为第(k-1)Δt时刻数字信号，Г_xx为x轴上的重力加速度分量在x轴方向上的空间导数，Г_yy为y轴上的重力加速度分量在y轴方向上的空间导数，(Г_yy-Г_xx)为重力梯度Г_yy与Г_xx之差，Г_xy为x(y)轴上的重力加速度分量在y(x)轴方向上的空间导数，所述x轴和y轴所在重力梯度仪坐标系OXYZ是东北天地理坐标系，原点O为重力梯度仪测量中心。

进一步地，所述利用参考信号源对重力梯度数字信号进行相位角解调包括：

发出数字正弦信号S_s(k,i)和数字余弦信号S_c(k,i)作为参考信号；

利用参考信号对A/D转换器的输出信号进行相位角解调，计算公式如下：

式中，

ζ_i分别为正弦、余弦信号参考源的初始相角在第i次的修正角，等式右侧|max表示寻找最大值对应的正弦、余弦信号参考源的初始相角，N为圆盘每旋转一圈角度信息转换器输出的脉冲数，ζ_q分别为第q次得到的重力梯度解调相位角。

作为优选的实施方式，得到重力梯度解调相位角和ζ_q后，对和ζ_q进行组合，把组合后的数据通过零相位低通滤波器进行滤波处理，对处理后的相位角进行均值处理，得到最终的重力梯度解调相位角α。

所述重力梯度解调表达式为：

式中，p为当前时刻的圆盘旋转圈数序列索引，M为圆盘旋转总圈数，gps为GPS提供的位置信息，θ_p,k为角度信息转换器实时输出的圆盘角位置信息。

第二方面，提供一种航空重力梯度仪实时重力梯度解调装置，包括：

信号调理模块，用于对四只加速度计输出的信号进行信号调理和滤波，得到重力梯度模拟信号；

A/D转换模块，用于根据角度信息模块发出的同步脉冲信号对滤波后的重力梯度模拟信号进行A/D转换，得到重力梯度数字信号；

角度信息模块，用于发出同步脉冲信号以及实时输出圆盘角度信息；

相位角解调模块，利用参考信号源对重力梯度数字信号进行相位角解调，得到解调相位角；以及

重力梯度解调模块，利用解调相位角、角度信息和参考信号源对重力梯度数字序列进行实时重力梯度解调，得到具有时空信息的重力梯度数据。

有益效果：本发明从实际测量系统出发，首次给出了航空重力梯度仪实时重力梯度解调的处理方法，可以实现重力梯度解调相位角补偿和高精度重力梯度解调，提高重力梯度测量精度，且该方法具有操作简便、便于实施、应用性强等特点，对提高动基座航空重力梯度测量性能具有重要参考价值。

附图说明

图1为本发明的航空重力梯度仪实时重力梯度解调方法的工作原理示意图；

图2为根据本发明实施例的重力梯度解调相位补偿前后的重力梯度信息(Г_yy-Г_xx)比较的波形图；

图3为根据本发明实施例的重力梯度解调相位补偿前后的重力梯度信息Г_xy比较的波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

图1为本发明航空重力梯度仪实时重力梯度解调方法的原理示意图，结合图1，对本发明的航空重力梯度仪实时重力梯度解调方法进行说明，该方法包括以下步骤：

1)重力梯度仪放置在稳定平台上，以重力梯度仪测量中心为原点O，东北天地理坐标系为重力梯度仪坐标系，记为oxyz；

2)四只加速度计输出信号经过信号调理和滤波电路进行处理，得到模拟信号E_out(t)，角度信息转换器输出同步脉冲信号给A/D转换器，A/D转换器对模拟信号E_out(t)进行A/D转换得到第(k-1)Δt时刻数字信号E_out(k)，其表达式为：

E_out(k)＝2K_IKR{(Γ_yy-Γ_xx)sin2[ωΔt(k-1)-α]+2Γ_xycos2[ωΔt(k-1)-α]}

式中，k为数据序列索引，K为系统信号放大增益，Δt为采样时间，K_I为加速度计标度因数，R为圆盘半径，ω为圆盘旋转角频率，α为重力梯度解调相位角，Г_xx为x轴上的重力加速度分量在x轴方向上的空间导数，Г_yy为y轴上的重力加速度分量在y轴方向上的空间导数，(Г_yy-Г_xx)为重力梯度Г_yy与Г_xx之差，Г_xy为x(y)轴上的重力加速度分量在y(x)轴方向上的空间导数；

3)采用下式求解重力梯度解调相位角：

式中，ζ_i分别为正弦、余弦信号参考源的初始相角在第i次的修正角，N为圆盘每旋转一圈角度信息转换器输出的脉冲数，

ζ_q分别为第q次得到的重力梯度解调相位角，S_s(k,i)、S_c(k,i)分别为参考信号源数字正余弦信号，其由DSP模拟发出，可用下面表达式表达：

4)对得到的重力梯度解调相位角和ζ_q进行组合，组合方式为依次连接，得到

ζ₁,ζ₂,...,ζ_q，然后把组合的数据通过零相位低通滤波器进行滤波处理，最后对处理后的相位角进行均值处理，实时得到重力梯度解调相位角α；

5)光栅角编码器上的角度信息转换器实时输出圆盘角位置信息为θ_p,k，利用角位置信息θ_p,k对重力梯度数字信号进行实时重力梯度解调，得到具有时空信息的重力梯度数据，解调表达式为：

式中，p为当前时刻的圆盘旋转圈数序列索引，M为圆盘旋转总圈数，gps为GPS提供的位置信息。

基于上述的航空重力梯度仪实时重力梯度解调方法的实施步骤，下面通过一个实例验证该方法的有效性。设定圆盘基线距离为1m，加速度计标度因数为32mA/g，重力加速度为9.81m/s²，圆盘旋转周期为20s，采样率为2Hz，初始时刻，加速度计A₁与x轴之间的夹角为0°，环境物体的边长为0.3m的正方体，密度为18200kg/m³，环境物体中心距GGI中心的距离为0.72m，引起的方位角为0°，对重力梯度输出信号进行处理，计算得到重力梯度解调相位角为-50.29°，这个延时主要是由信号处理通道导致的。可以通过计算得到该环境物体引起的重力梯度分量(Г_yy-Г_xx)和Г_xy的理论值分别为-335Eu和0Eu，如果不做重力梯度解调相位角处理，如果采用0°初始相位角作为重力梯度解调相位角，解调得到的重力梯度分量(Г_yy-Г_xx)和Г_xy分别为61.89Eu和164.62Eu，与理论梯度值之间的误差达到了几百Eu，因此直接对原始重力梯度数据解调会产生非常大的测量误差，无法进行航空重力梯度测量；若采用本发明所提方法计算得到的解调相位角作为重力梯度解调初始相位角对重力梯度信号进行解调，解调得到重力梯度分量(Г_yy-Г_xx)和Г_xy分别为-335.0085Eu和0.00055Eu，与理论梯度值之间的误差小于0.01Eu，能够满足航空重力梯度测量需求，重力梯度解调相位补偿前后的梯度信息比较如图2、3所示。

根据本发明的另一实施例，提供一种航空重力梯度仪实时重力梯度解调装置，包括：

信号调理模块，用于对四只加速度计输出的信号进行信号调理和滤波，得到重力梯度模拟信号，可选地，该信号调理模块采用信号调理和滤波电路；

A/D转换模块，用于根据角度信息模块发出的同步脉冲信号对滤波后的重力梯度模拟信号进行A/D转换，得到重力梯度数字信号，可选地，该A/D转换模块采用A/D转换器；

角度信息模块，用于发出同步脉冲信号以及实时输出圆盘角度信息，可选地，该角度信息模块采用光栅角编码器上的角度信息转换器；

相位角解调模块，利用参考信号源对重力梯度数字信号进行相位角解调，得到解调相位角；以及

重力梯度解调模块，利用解调相位角、角度信息和参考信号源对重力梯度数字序列进行实时重力梯度解调，得到具有时空信息的重力梯度数据。

可选地，相位角解调模块和重力梯度解调模块采用DSP。

具体地，A/D转换器得到的重力梯度数字信号表达形式为：

E_out(k)＝2K_IKR{(Γ_yy-Γ_xx)sin2[ωΔt(k-1)-α]+2Γ_xycos2[ωΔt(k-1)-α]}

式中，k为数据序列索引，K为系统信号放大增益，Δt为采样时间，K_I为加速度计标度因数，R为圆盘半径，ω为圆盘旋转角频率，α为重力梯度解调相位角，E_out(k)为第(k-1)Δt时刻数字信号，Г_xx为x轴上的重力加速度分量在x轴方向上的空间导数，Г_yy为y轴上的重力加速度分量在y轴方向上的空间导数，(Г_yy-Г_xx)为重力梯度Г_yy与Г_xx之差，Г_xy为x(y)轴上的重力加速度分量在y(x)轴方向上的空间导数。

其中，上述x轴和y轴所在坐标系为重力梯度仪坐标系OXYZ，该坐标系采用东北天地理坐标系，原点O为重力梯度仪测量中心。

相位角解调模块包括：参考信号发生单元，用于发出数字正弦信号S_s(k,i)和数字余弦信号S_c(k,i)作为参考信号源；参考信号表达式为：

以及计算单元，利用参考信号源对重力梯度数字信号进行相位角解调，得到解调相位角，其计算求解公式如下：

式中，ζ_i分别为正弦、余弦信号参考源的初始相角在第i次的修正角，等式右侧|max表示寻找最大值对应的正弦、余弦信号参考源的初始相角，通过不断改变初始相角直到得到最大的幅值为止，N为圆盘每旋转一圈角度信息转换器输出的脉冲数，

ζ_q分别为第q次得到的重力梯度解调相位角。

作为优选的实施方式，相位角解调模块还包括优化单元，用于对得到的重力梯度解调相位角和ζ_q进行组合，依次连接得到ζ₁,ζ₂,...,ζ_q，把组合后的数据通过零相位低通滤波器进行滤波处理，对处理后的相位角进行均值处理，得到最终的重力梯度解调相位角α。

重力梯度解调模块进行实时重力梯度解调的表达式为：

式中，p为当前时刻的圆盘旋转圈数序列索引，M为圆盘旋转总圈数，gps为GPS提供的位置信息，θ_p,k为光栅角编码器上角度信息转换器实时输出的圆盘角位置信息。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不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。