阅读说明：本技术 一种基于fpga的激光对管重力检测仪及检测方法 (FPGA-based laser pair tube gravity detector and detection method ) 是由 刘三军 杨俊红 来国红 孙先波 徐建 于 2020-05-25 设计创作，主要内容包括：本发明属于重力检测技术领域,公开了一种基于FPGA的激光对管重力检测仪及检测方法,FPGA与电气压传感器、LCD显示屏、Wifi模块、按键和接收器电连接；电源通过导线与FPGA、电磁继电器、电磁铁、发射器连接；FPGA与电磁继电器电连接,电磁继电器与电磁铁电连接,电磁铁下端放置有小球。本发明利用FPGA内部恒温晶振产生高达200MHz的时钟对激光对管的触发时刻进行精确检测,使得时间测量的精度可以达到5纳秒；采用最小二乘法计算重力加速度,该算法对小球的初始速度、位置以及电磁继电器的反应时间不敏感,提高了测量的精度。本发明对系统精度进行分析使得整个系统具有精度高、操作简单、性价比高等特点。(The invention belongs to the technical field of gravity detection, and discloses a laser geminate transistor gravity detector and a detection method based on an FPGA (field programmable gate array). the FPGA is electrically connected with an electric voltage sensor, an LCD (liquid crystal display), a Wifi (wireless fidelity) module, a key and a receiver; the power supply is connected with the FPGA, the electromagnetic relay, the electromagnet and the emitter through leads; FPGA is connected with electromagnetic relay electricity, and electromagnetic relay is connected with the electro-magnet electricity, and the bobble has been placed to the electro-magnet lower extreme. According to the invention, a clock with the frequency of 200MHz generated by a constant-temperature crystal oscillator in the FPGA is used for accurately detecting the triggering time of the laser geminate transistor, so that the time measurement precision can reach 5 nanoseconds; the gravity acceleration is calculated by adopting a least square method, and the algorithm is insensitive to the initial speed and position of the small ball and the reaction time of the electromagnetic relay, so that the measurement precision is improved. The invention analyzes the system precision, so that the whole system has the characteristics of high precision, simple operation, high cost performance and the like.)

一种基于FPGA的激光对管重力检测仪及检测方法

技术领域

本发明属于重力检测技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的激光对管重力检测仪及检测方法。

背景技术

重力场是反映地球内部物质结构及其变迁的地球物理基本场，高精度绝对重力观测资料是地震监测预报、地球科学研究、资源勘探等领域研究的基础。国际上虽然很多国家开展了对绝对重力观测技术的探索，但实际上仅有美国Micro-G公司生产的FG5和A10两种类型的绝对重力仪实现了实用化，而且对我国施行出口管制，价格昂贵，维修周期长。我国虽然在二十世纪七八十年代由中国计量科学研究院的专家推出了与国际测量精度水平相当的NIM-I和N I M-II两种绝对重力仪，但仅停留在实验样机阶段，未能形成产品。同时，随着近年来我国在时间基准、长度基准、高精度数字化采集与控制、宽频带高精度振动测量技术等领域的飞速发展，使得研究具有自主知识产权的高精度绝对重力仪成为可能。

现有的重力检测仪测量流程如下：首先，数据处理与控制系统发送指令，电机正转，经由传动装置带动真空仓及下落物体缓慢上升至真空下落系统顶部；然后电机反转，真空仓以略大于g的加速度下落；下落物体与真空仓分离，实现自由下落；随下落物体速度增加，干涉条纹频率增加，当干涉条纹频率达到设定值时，高速信号采集系统开始对激光干涉系统与真空仓位移测量系统的输出信号进行采样，数据量满足后续计算时采样停止；下落最后阶段真空仓加速度减小，下落物体与真空仓重新接触后电机减速直到停止；同时空气折射率测量系统测量激光干涉仪测量臂路径上空气折射率；数据处理与控制系统获取测量系统数据，软件拟合计算g值并显示。重复以上过程，重力检测仪即可实现连续测量。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有技术中对真空仓位移测量系统和激光干涉测量系统进行信号采集，基准钟的采样频率仅只有10MHz，不能有效对高速信号进行采集，导致重力加速度的测量精度不是很精确。

(2)现有的重力检测仪体积庞大、价格昂贵，不适用于民用外出勘探。

解决以上问题及缺陷的难度为：如何制造出高精度的重力加速度检测仪并使其价格便宜，便于携带外出勘探。

解决以上问题及缺陷的意义为：自制的高精度重力检测仪可以实用于探矿方面，解决我国在他国进口的问题，即满足了国内相关领域用户需求，也解决了维修和禁运问题。并且自制的高精度重力检测仪小巧玲珑、机身轻巧，便于野外勘探，便携的重力检测仪在我国又是一大突破。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种便基于FPGA的激光对管重力检测仪及检测方法。本发明通过在一个抽成接近真空的容器中使用若干个激光对管精确测量金属小球自由下落时间，再结合对管的坐标值，利用最小二乘拟合推算出重力加速度。

本发明是这样实现的，一种便基于FPGA的激光对管重力检测方法，所述基于FPGA的激光对管重力检测仪检测方法，包括：

步骤一，利用真空泵将容器内的空气抽取干净，使小球运动不受空气阻力作用，小球做自由落体运动；在空气抽取过程中，FPGA控制的气压传感器会采集系统内的压强显示在LCD屏上，并且对真空泵进行控制；

步骤二，容器内部变成真空后，通过自己开发的手机APP与FPGA的WiFi模块连接控制电磁继电器释放小球，或者直接通过FPGA上的按键控制电磁继电器释放小球；

步骤三，当FPGA收到手机或按键的控制指令时，立即控制电磁继电器释放小球，小球下落到激光对管时，CPU即刻启动FPGA内部的高速时钟，时钟被触发时会产生一系列脉冲序列计数；

步骤四，当按下按键释放小球的同时FPGA内部的计数器也在开始计数，小球通过第一对激光对管时，将计数器从按键按下时到小球下落到第一对激光对管产生上升沿的数记为cnt0，将计数器从按键按下时到小球下落到第二对激光对管产生上升沿的数记为cnt1，以此类推，把将计数器从按键按下时到小球下落到第n对激光对管产生上升沿的数记为cnt(n-1)。

步骤五，将第一对激光对管上升沿到第二对激光对管上升沿的时间记为t₁，时间t₁为计数器从按键按下时到小球下落到第二对激光对管产生上升沿记的数cnt1减去计数器从按键按下时到小球下落到第一对激光对管产生上升沿记的数cnt0再乘以时钟采样周期T_clk。以此类推，将计数器从按键按下时到小球下落到第n对激光对管产生上升沿记的数cnt(n-1)减去计数器从按键按下时到小球下落到第一对激光对管产生上升沿记的数cnt0再乘以时钟采样周期T_clk记为t_n，将小球从第一对激光对管到第N对激光对管的时间按t₁、t₂、...、t_n依次记录下来；

步骤六，将第一对激光对管的精确坐标记为x₁，将第二对激光对管的精确坐标记为x₂，将第N对激光对管的精确坐标记为x_N。把第二对激光对管的精确坐标x₁减去第一对激光对管的精确坐标x₂记为S₁，把第三对激光对管的精确坐标x₃减去第一对激光对管的精确坐标x₁记为S₂，依次类推，把第N对激光对管的精确坐标x_N减去第一对激光对管的精确坐标x₁记为S_N；

步骤七，测量记录完成后，两对激光对管的时间、位移就与之相对应，FPGA内嵌的NiosII软核CPU通过采集的时间、位移进行处理后在LCD上显示重力加速度g值。

进一步，所述步骤七中，CPU根据采集的时间、位移数据，采用最小二乘法计算重力加速度的具体过程为：

基于FPGA的激光对管重力检测仪安放有N对激光对管，假设小球在一均匀的重力场做自由落体运动，该场重力加速度值为真实重力场下落起点下方某点的重力加速度值，以这一点为观测点，小球初始位置到这一点的距离称为有效高度，这一点到小球下落的始末位置称为参考高度；通过小球经过该点的状态可以例出一个状态方程

g为该点的重力加速度值；

以基于FPGA的激光对管重力检测仪的激光波长为基准，小球在真空系统中做自由落体运动的位移为s_n(n＝1,2,…,N)；以FPGA内部高速时钟频率为基准，测量小球下落位移所对应的时间为t_n(n＝1，2，…,N)；将多个位置所测得的位移与时间代入状态方程(1)中可得：

将方程右边的项移向左边，对其平方再求和，使得状态方程与测量结果组成一个超定方程组，因此将求g值问题转为最小二乘寻找s_n与t_n最佳函数匹配：

最佳函数匹配通过求偏导数转化为等式形式

对(4)进行化简得到关于g和v₀的恰定方程组：

将上式矩阵简写为AX＝B (6)

X＝A^-1B (7)

X是恰定方程组的一个最小二乘解，从而找到s_n与t_n的最佳函数匹配，即求出该点重力加速度的最佳值。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述的基于FPGA的激光对管重力检测仪检测方法的基于FPGA的激光对管重力检测仪，所述基于FPGA的激光对管重力检测仪设置有容器，容器设置有FPGA和电源，FPGA与电气压传感器、LCD显示屏、Wifi模块、按键和接收器电连接。

进一步，所述FPGA与第一电磁继电器电连接，电磁继电器与电磁铁电连接，电磁铁下端放置有小球。

进一步，所述电源通过导线与FPGA、电磁继电器、电磁铁和发射器连接。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明利用FPGA内部恒温晶振产生高达200MHz的时钟对激光对管的触发时刻进行精确检测，使得时间测量的精度可以达到5纳秒；采用最小二乘法计算重力加速度，该算法对小球的初始速度、位置以及电磁继电器的反应时间不敏感，提高了测量的精度。同时本发明将FPGA的采样频率和恰定方程组相结合对系统精度进行分析，其有利的说明了测量精度和激光对管的数量息息相关，证明该分析方法是正确的；将容器抽成真空以减少空气阻力的影响，并且通过对容器内残余空气密度对重力测量结果的建模，进一步消除残余空气的影响。

综上所述，本发明将FPGA智能控制技术、激光检测技术和真空技术充分结合起来，利用最小二乘拟合出重力加速度g，对系统精度进行分析使得整个系统具有精度高、操作简单、性价比高等特点。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于FPGA的激光对管重力检测仪结构示意图。

图中：1、容器；2、电源；3、气压传感器；4、FPGA；5、LCD显示屏；6、Wifi模块；7、按键；8、电磁继电器；9、电磁铁；10、发射器；11、接收器。

图2是本发明实施例提供的基于FPGA的激光对管重力检测仪检测方法流程图。

图3是本发明实施例提供的利用Matlab仿真可以得到激光对管对数与测量精度的关系示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种便基于FPGA的激光对管重力检测仪及检测方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于FPGA的激光对管重力检测仪包括：容器1、电源2、气压传感器3、FPGA4、LCD显示屏5、Wifi模块6、按键7、电磁继电器8、电磁铁9、发射器10和接收器11。

容器1设置有FPGA4和电源2，FPGA4与电气压传感器3、LCD显示屏5、Wifi模块6、按键7和接收器11电连接。

电源2通过导线与FPGA4、电磁继电器8、电磁铁9、发射器10连接。

FPGA4与电磁继电器8电连接，电磁继电器8与电磁铁9电连接，电磁铁9下端放置有小球。

如图2所示，本发明实施例提供的基于FPGA的激光对管重力检测仪检测方法，包括：

S101：利用真空泵将容器内的空气抽取干净，使小球运动不受空气阻力作用，小球做自由落体运动；在空气抽取过程中，FPGA控制的气压传感器会采集系统内的压强显示在LCD屏上，并且对真空泵进行控制；

S102：容器内部变成真空后，通过自己开发的手机APP与FPGA的WiFi模块连接控制电磁继电器释放小球，或者直接通过FPGA上的按键控制电磁继电器释放小球；

S103：当FPGA收到手机或按键的控制指令时，立即控制电磁继电器释放小球，小球下落到激光对管时，CPU即刻启动FPGA内部的高速时钟，时钟被触发时会产生一系列脉冲序列计数；

S104：当小球通过第一对激光对管时，计数器c1从脉冲序列的第一个上升沿开始计数，直到小球触发第二对激光对管产生上升沿时计数器c1才结束，c1结束的同时c2又开始计数；周而复始，小球通过第N对激光对管时计数器c(N-1)才结束；

S105：通过两个脉冲序列的上升沿时钟计数器数乘以时钟采样周期，以测出小球经过两点的下落时间，将小球从第一对激光对管到第N对激光对管的时间按依次记录下来；

S106：把第一对激光对管和第二对激光对管的距离记为，第二对和第三对的距离记为，依次类推，把第(N-1)对激光对管和第N对激光对管的距离记为；

S107：测量记录完成后，两对激光对管的时间、位移就与之相对应，FPGA内嵌的NiosII软核CPU通过采集的时间、位移进行处理后在LCD上显示重力加速度值。

本发明实施例提供的基于FPGA的激光对管重力检测仪检测方法具体包括：

第一步，利用真空泵将容器内的空气抽取干净，使小球运动不受空气阻力作用，小球做自由落体运动；在空气抽取过程中，FPGA控制的气压传感器会采集系统内的压强显示在LCD屏上，并且对真空泵进行控制。

第二步，容器内部变成真空后，通过自己开发的手机APP与FPGA的WiFi模块连接控制电磁继电器释放小球，或者直接通过FPGA上的按键控制电磁继电器释放小球。

第三步，当FPGA收到手机或按键的控制指令时，立即控制电磁继电器释放小球，小球下落到激光对管时，CPU即刻启动FPGA内部的高速时钟，时钟被触发时会产生一系列脉冲序列计数。

第四步，当按下按键释放小球的同时FPGA内部的计数器也在开始计数，小球通过第一对激光对管时，将计数器从按键按下时到小球下落到第一对激光对管产生上升沿的数记为cnt0，将计数器从按键按下时到小球下落到第二对激光对管产生上升沿的数记为cnt1，以此类推，把将计数器从按键按下时到小球下落到第n对激光对管产生上升沿的数记为cnt(n-1)。

第五步，通过两个脉冲序列的上升沿时钟计数器数乘以时钟采样周期，以测出小球经过两点的下落时间t，将小球从第一对激光对管到第N对激光对管的时间按t₁、t₂、...、t_n依次记录下来。

第六步，将第一对激光对管上升沿到第二对激光对管上升沿的时间记为t₁，时间t₁为计数器从按键按下时到小球下落到第二对激光对管产生上升沿记的数cnt1减去计数器从按键按下时到小球下落到第一对激光对管产生上升沿记的数cnt0再乘以时钟采样周期T_clk。以此类推，将计数器从按键按下时到小球下落到第n对激光对管产生上升沿记的数cnt(n-1)减去计数器从按键按下时到小球下落到第一对激光对管产生上升沿记的数cnt0再乘以时钟采样周期T_clk记为t_n，将小球从第一对激光对管到第N对激光对管的时间按t₁、t₂、...、t_n依次记录下来；

第七步，将第一对激光对管的精确坐标记为x₁，将第二对激光对管的精确坐标记为x₂，将第N对激光对管的精确坐标记为x_N。把第二对激光对管的精确坐标x₁减去第一对激光对管的精确坐标x₂记为S₁，把第三对激光对管的精确坐标x₃减去第一对激光对管的精确坐标x₁记为S₂，依次类推，把第N对激光对管的精确坐标x_N减去第一对激光对管的精确坐标x₁记为S_N；

本发明实施例提供第六步中，CPU根据采集的时间、位移数据，采用最小二乘法计算重力加速度的具体过程为：

基于FPGA的激光对管重力检测仪安放有N对激光对管，假设小球在一均匀的重力场做自由落体运动，该场重力加速度值为真实重力场下落起点下方某点的重力加速度值，以这一点为观测点，小球初始位置到这一点的距离称为有效高度，这一点到小球下落的始末位置称为参考高度；通过小球经过该点的状态可以例出一个状态方程：

g为该点的重力加速度值；

以基于FPGA的激光对管重力检测仪的激光波长为基准，小球在真空系统中做自由落体运动的位移为s_n(n＝1,2,…,N)；以FPGA内部高速时钟频率为基准，测量小球下落位移所对应的时间为t_n(n＝1，2，…,N)；将多个位置所测得的位移与时间代入状态方程(1)中可得：

将方程右边的项移向左边，对其平方再求和，使得状态方程与测量结果组成一个超定方程组，因此将求g值问题转为最小二乘寻找s_n与t_n最佳函数匹配：

最佳函数匹配通过求偏导数转化为等式形式

对(4)进行化简得到关于g和v₀的恰定方程组：

将上式矩阵简写为AX＝B (6)

X＝A^-1B (7)

X是恰定方程组的一个最小二乘解，从而找到s_n与t_n的最佳函数匹配，即求出该点重力加速度的最佳值。

下面结合仿真实验对本发明的技术效果作进一步的描述。

本发明仿真实验对本发明的系统精度分析，激光对管利用Ⅱ型结构密封盒封装，采用Ⅱ型结构封装可以稳定地将激光管牢牢固定在封盒上。再通过精确的坐标将激光对管依次按固定距离安放在基于FPGA的激光对管重力检测仪内，确保发射口和接收口处在同一水平线上，使得小球下落遮住激光发射口时无位移测量误差产生，其作用是减小系统误差、提高测量精度。用时间t和位移S表示重力加速度g：

令重力加速度g等价于一个与时间位移相关的函数f，即

(2)。

对重力加速度g求导数，得一个关于位移、时间的关系式：

对(3)进行化解得：

激光对管通过精确的坐标值按固定距离依次安放，加上真空系统的降阻作用，电磁继电器释放小球时不受阻力作自由落体运动，其运动轨迹是一条垂直于二分之一处激光的直线。此时测量距离和实际下落位移相等，则引入的位移测量误差为零，即所以

(5)。

以200MHz的时钟频率为基准，时钟采样周期

对时钟采样周期T_C求导数得(6)。

设时钟计数器数(N_T_C)为小球经历多少个时钟采样周期(T_C)到达各个激光对管，即第2、3、…、N个激光对管收到小球所经历的时钟采样周期(T_C)数，将FPGA的时钟计数器数(N_T_C)乘以时钟采样周期(T_C)得到小球触发激光对管的时刻t＝N_T_C×T_C，将第N对激光对管的时刻减去第(N-1)对激光对管的时刻便可求出该段距离的下落时间。对(6)进行化简得到即和等价，所以推出

假设给定一个重力加速度g＝9.8m/s²，小球的竖直下落距离为1m，第一对激光对管的初始位置为0.2cm，FPGA通过时钟计数器数(N_T_C)乘以时钟周期(T_C)就可以算出小球从电磁继电器自由下落到第一对激光对管的时间t₀，即到达第一对激光对管的时刻，利用v₀＝gt₀求出小球通过第一对激光对管的初始速度。将两激光对管与之对应的时刻差t和下落位移s代入第二节(5)式的恰定方程组就可以得到新的重力加速度g_get的值，用就可以得到重力加速度的测量精度，不同的激光对管数得到不同的测量精度。利用Matlab仿真可以得到激光对管对数与测量精度的关系如图3所示，对其进行线性拟合得到一条测量精度随着激光对管对数的增多而增大的曲线。

由此看出，在真空系统做自由落体的小球通过精确坐标安放的激光对管时，没有引入位移测量误差，系统的测量精度只与时间的测量精度息息相关。安放的激光对管越多，小球下落时间的测量精度越高，系统误差就越小，系统性能就越强，测量的重力加速度值就更接近理论值。

本发明的工作原理为：利用真空泵将容器内的空气抽取干净，使小球运动不受空气阻力作用，小球做自由落体运动；在空气抽取过程中，FPGA控制的气压传感器会采集系统内的压强显示在LCD屏上，并且对真空泵进行控制。容器内部变成真空后，通过自己开发的手机APP与FPGA的WiFi模块连接控制电磁继电器释放小球，或者直接通过FPGA上的按键控制电磁继电器释放小球。

当FPGA收到手机或按键的控制指令时，立即控制电磁继电器释放小球，小球下落到激光对管时，CPU即刻启动FPGA内部的高速时钟，时钟被触发时会产生一系列脉冲序列计数。当按下按键释放小球的同时FPGA内部的计数器也在开始计数，小球通过第一对激光对管时，将计数器从按键按下时到小球下落到第一对激光对管产生上升沿的数记为cnt0，将计数器从按键按下时到小球下落到第二对激光对管产生上升沿的数记为cnt1，以此类推，把将计数器从按键按下时到小球下落到第n对激光对管产生上升沿的数记为cnt(n-1)。

将第一对激光对管上升沿到第二对激光对管上升沿的时间记为t₁，时间t₁为计数器从按键按下时到小球下落到第二对激光对管产生上升沿记的数cnt1减去计数器从按键按下时到小球下落到第一对激光对管产生上升沿记的数cnt0再乘以时钟采样周期T_clk。以此类推，将计数器从按键按下时到小球下落到第n对激光对管产生上升沿记的数cnt(n-1)减去计数器从按键按下时到小球下落到第一对激光对管产生上升沿记的数cnt0再乘以时钟采样周期T_clk记为t_n，将小球从第一对激光对管到第N对激光对管的时间按t₁、t₂、...、t_n依次记录下来；

将第一对激光对管的精确坐标记为x₁，将第二对激光对管的精确坐标记为x₂，将第N对激光对管的精确坐标记为x_N。把第二对激光对管的精确坐标x₁减去第一对激光对管的精确坐标x₂记为S₁，把第三对激光对管的精确坐标x₃减去第一对激光对管的精确坐标x₁记为S₂，依次类推，把第N对激光对管的精确坐标x_N减去第一对激光对管的精确坐标x₁记为S_N；

测量记录完成后，两对激光对管的时间、位移就与之相对应，FPGA内嵌的NiosII软核CPU通过采集的时间、位移进行处理后在LCD上显示重力加速度g值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。