一种创建局部近似匀值引力梯度张量激励的方法与流程

本发明属于重力梯度仪技术领域，尤其是一种创建局部近似匀值引力梯度张量激励的方法。

背景技术：

重力梯度仪是敏感重力场变化趋势的专用设备，为了实现对重力场变化定量测量的准确性，就必须对重力梯度仪的输出结果进行有效精确的标定。而实现精确标定最有效的方法就是营造匀值、可控的重力梯度场激励，但限于现有旋转加速度计式重力梯度仪的元件水平以及原理方案制约，要想实现对水平局部张量重力梯度仪的有效标定(理论分辨率几十e)，必须创建具备高张量激励且在一定空间尺度内呈现近似匀值特性的质量引力梯度场，以解决对于设备的标定需求。

现阶段定量标定方法主要采用二倍频分辨率等效质量引力梯度张量激励法，即根据万有引力定律，计算出随重力梯度敏感器旋转调制频率相对应各采样点的激励质量引力加速度沿各重梯加速度计敏感轴的有效分量，然后对理论计算得到的一系列数据进行旋转调制频率二倍频处的数据提取，同时对真实激励下测量得到的各采样点输出电信号进行旋转调制频率二倍频处的解调与滤波处理，最后将处理后的输出信号与计算得到的理论有效加速度信息进行比例运算，从而得到重梯加速度计在调整二倍频处的有效分辨率，间接实现了与该分辨能力等效的匀值引力梯度激励标定。但上述标定方法并没有真正营造出符合水平张量重力梯度测量原理中描述的匀值梯度场激励，只体现了集成重力梯度敏感器所用的重梯加速度计具备敏感等效匀值重力梯度激励的测量分辨能力。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种创建局部近似匀值引力梯度张量激励的方法，解决现有重力梯度敏感器标定方法不具备水平重力梯度测量原理中所展现的匀值梯度场特性的问题。

本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种创建局部近似匀值引力梯度张量激励的方法，包括以下步骤：

步骤1、构建高张量局部近似匀值引力梯度张量激励装置；

步骤2、设置高张量近似匀值引力梯度张量激励的量程、激励步长和测量尺度范围，计算引力梯度激励模型下的空间梯度张量，从而形成量程可控、局部近似匀值的高张量引力梯度激励。

所述高张量局部近似匀值引力梯度张量激励装置包括直线运动滑轨、由质量激励单元构成的线型引力质量体和重力梯度敏感器，重力梯度敏感器设置在两个线型引力质量体的中心位置且两个线型引力质量体安装在直线运动滑轨上，两个线型引力质量体的质量中心平面与重力梯度敏感器的旋转中心平面重合。

所述线型引力质量体由钨钼铜合金组成。

所述测量尺度范围为重力梯度敏感器周围的方形区域。

所述步骤2的重力梯度正演递推公式为：

式中，g为万有引力常数；ρ为引力质量体质量密度；ξi和ξi'分别为两侧对称引力质量体8个顶点的x轴坐标值；ηi和ηi'分别为两侧对称引力质量体8个顶点的y轴坐标值；γi和γi'分别为两侧对称引力质量体8个顶点的z轴坐标值；x,y,z为直角坐标系中任意观测点的坐标；为两侧对称引力质量体任意顶点与任意观测点间的距离；为方向系数。

本发明的优点和积极效果是：

本发明通过分析近似匀值引力梯度场的产生机理、分布特性以及对于重力梯度仪标定的实际作用，构建高张量局部近似匀值引力梯度张量激励装置，在重力梯度敏感器测量尺度范围内利用匀值引力梯度张量激励对仪器输出进行标定，形成量程可控、局部近似匀值等特性的高张量引力梯度激励，解决了现有重力梯度敏感器标定方法不具备水平重力梯度测量原理中所展现的匀值梯度场特性的问题。

附图说明

图1为点源质量分布示意图；

图2为在图1中设置观测范围示意图；

图3为txx、tyy和txx-tyy的计算结果示意图；

图4为本发明构建的高张量局部近似匀值引力梯度张量激励装置结构图；

图5为图4的俯视图；

图6为线型对称质量分布下产生50e激励时的梯度场分布示意图；

图7为线型对称质量分布下产生100e激励时的梯度场分布示意图；

图8为线型对称质量分布下产生150e激励时的梯度场分布示意图；

其中，图4及图5中的1为直线运动滑轨、2为引力质量体(由质量激励单元组成)、3为重力梯度敏感器、4为测量尺度范围。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

一种创建局部近似匀值引力梯度张量激励的方法的设计原理为：

依据点源质量对称分布产生局部匀值线引力梯度场的基础，本发明认为线型质量场平面对称分布同样可产生类似的局部平面匀值引力梯度特性。质量分布如图1所示，两条线型质量在-ξ＜x＜ξ区域产生的引力梯度张量可表示如下：

式中ξ为线型质量体上任意点的x轴坐标值；η，η'分别为两侧对称线型质量体上任意点的y轴坐标值；x为两侧对称线型质量体中间区域任意观测点的x轴坐标值；y为两侧对称线型质量体中间区域任意观测点的y轴坐标值；

对式中各张量进行计算可知，当线质量源在y坐标轴区间取(-∞，+∞)时，txy和tyx项均为零，而测量(标定)关心的另外三个张量为：

为分析方便，利用数值积分法对上式进行有限区间积分计算，并且选取一定的观测范围利用图示法进行观察，用以研究对称线型质量分布下的引力梯度场分布特性。假设线密度ρ取1，ξ取2，η取(-10,10)区间，观测范围取以坐标原点为中心边长0.2的正方形区域，如图2所示。txx、tyy和txx-tyy的计算结果如图3和表1所示。

表1.对称线质量分布下有限测量尺度平面内的各引力梯度张量激励

从计算结果可以看出，当质量源关于观测坐标系y轴成线型对称分布时，以观测坐标系原点为中心的一定观测区域平面内的txx-tyy张量近似等于txx张量且呈现近似匀值的特性，而tyy张量近似为0。因此，通过对线型质量源对称分布的引力梯度场定量分析，的确在对称中心局部区域可产生既具有一定张量值，又具有近似匀值特性的引力梯度场，故而为后续如何定量创建可用于重力梯度传感器标定所需的近似匀值引力梯度场奠定了基础。

下面结合图4和图5给出的具体实例对本发明进行具体说明。

首先构建高张量局部近似匀值引力梯度张量激励装置，如图4及图5所示。线型引力质量体2的质量中心平面与重力梯度敏感器3的旋转中心平面(图中的xy平面)重合，通过在直线型对称滑轨机构1上对称移动线型引力质量体2，沿线型方向增加、减少引力质量体2或沿对称移动距离方向整体增加、减少线型引力质量体2的列数，来产生具有高张量且在重力梯度敏感器3测量尺度范围4内呈现近似匀值特性的引力梯度张量激励。

然后根据所需梯度激励幅值按照重力梯度正演递推公式计算得到的引力质量体2的线型分布长度，沿直线型对称滑轨机构1移动方向的分布列数，以及与重力梯度敏感器的水平分布间距，配置相应所需的质量激励元，同时控制对称直线滑轨机构1按照得到的相应移动方向进行对称移动，移动定位精度优于1mm。具体方法为：

计算引力梯度激励模型下的空间梯度张量分布公式如下：

式中，而

根据重力梯度敏感器3的标定需求，拟定创建的高张量近似匀值引力梯度张量激励为量程150e，激励步长为50e，划定重力梯度敏感器3的测量尺度范围4为340×340(单位：mm)的方形区域，同时限定所创建的近似匀值引力梯度激励误差不大于激励张量数值的10％为边界条件，假定采用100mm×100mm×100mm的钨钼铜合金(其密度为18×10³kg/m³)为引力质量体2的组成单元，利用模型正演递推计算方法搜寻符合创建条件的引力质量体2的对称分布距离、质量分布长度以及梯度场分布特性(如图6至8和表2、3所示)。

表2.线型对称质量分布下梯度仪有效测量尺度内的txx、tyy、txx-yy引力梯度张量激励

表3.线型对称质量分布下梯度仪有效测量尺度内的的txy引力梯度张量激励

最后，为验证对称引力质量激励下的局部近似匀值梯度张量特性，即验证重力梯度敏感器3的感测值对引力质量体2相对重力梯度敏感器3的水平位置距离在对称中心附近变化不敏感的特性，可以在实现对称引力质量激励时，沿直线型对称滑轨机构1，同向小范围并行移动引力质量体2，以观察重力梯度敏感器感测值的波动变化，实现对局部匀值特性的验证。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。