旋转加速度计重力梯度仪重力梯度解调相位角确定方法及装置与流程

本发明属于精密测量技术领域，具体涉及一种旋转加速度计重力梯度仪重力梯度解调相位角确定方法及装置。

背景技术：

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。

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的工作主要聚焦在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和补偿，如中国专利cn109212619b、cn109212629b、cn109212620b、cn110068876a、cn108873093b；或者是对重力梯度仪数据进行诊断及处理，剔除干扰数据，如cn110471123a，以此来提高机器测量性能。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非常重要，其直接影响了重力梯度的解调结果，从而影响重力梯度测量性能。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。目前，针对旋转加速度计重力梯度仪重力梯度解调相位角确定方法并没有相关文献发布或发表。

技术实现要素：

发明问题：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、实用性强的重力梯度仪重力梯度解调相位角确定方法及装置。

技术方案：第一方面，提供一种旋转加速度计重力梯度仪重力梯度解调相位角确定方法，包括以下步骤：

对四只加速度计的输出信号进行信号组合调理，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，得到重力梯度解调相位角。

其中，所述a/d转换得到的重力梯度数字信号表达式为：

式中，ak、bk分别为2k+1次谐波正弦、余弦信号幅值，ck为2k+2次谐波信号幅值，d为圆盘旋转角加速度幅值，α为重力梯度解调相位角，为调理通路信号延迟导致的延时角，φ为第一加速度计a1与重力梯度测量坐标系x轴之间的初始夹角，θ是环境物体引起的方位角，δt为采样时间，ω为重力梯度仪圆盘旋转角频率，为重力梯度仪圆盘旋转角加速度，eout(i)为第(i-1)δt时刻数字信号。

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：

产生数字正弦信号和数字余弦信号作为参考信号；

利用参考信号对a/d转换器的输出信号进行2倍频幅值解调，通过改变参考信号的初始相角直到得到最大的幅值为止，此时的初始相角即为重力梯度解调相位角。

其中，重力梯度解调相位角的计算表达式为：

式中，n为圆盘每旋转一圈角度信息转换器输出的脉冲数，ζi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，ss(k,i)为数字正弦信号，sc(k,i)为数字余弦信号，ζq分别为第q次得到的重力梯度解调相位角。

优选地，所述方法还包括：对解调得到的重力梯度解调相位角进行零相位低通滤波处理，并对滤波后的数据均值处理，得到最终的重力梯度解调相位角。

第二方面，提供一种旋转加速度计重力梯度仪重力梯度解调相位角确定装置，包括：

信号调理模块，用于对四只加速度计输出信号进行信号组合调理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；

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，得到重力梯度解调相位角。

有益效果：本发明从实际测量系统出发，首次给出旋转加速度计重力梯度仪重力梯度解调相位角确定方法，采用所提方法可以实现重力梯度信号相位的精确锁定，提高重力梯度解调精度，且该方法具有操作简便、便于实施、应用性强等特点，对重力梯度的精确梯度测量具有重要参考价值，能够为重力梯度测量提供应用参考。

附图说明

图1为本发明的旋转加速度计重力梯度仪重力梯度解调相位角确定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角在零相位滤波前后比较波形图。

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为本发明旋转加速度计重力梯度仪重力梯度解调相位角确定方法的原理示意图，结合图1，对本发明的旋转加速度计重力梯度仪重力梯度解调相位角确定方法进行说明，该方法包括以下步骤：

1)建立重力梯度仪重力梯度测量坐标系为东北天地理坐标系，记为oxyz，原点o为重力梯度仪测量中心；

2)四只加速度计输出信号经过信号调理处理，得到模拟信号eout(t)，角度信息转换器输出同步脉冲信号给a/d转换器，a/d转换器对模拟信号进行a/d转换得到第(i-1)δt时刻数字信号eout(i)，其表达式为：

式中，ak、bk分别为2k+1次谐波正弦、余弦信号幅值，ck为2k+2次谐波信号幅值，d为圆盘旋转角加速度幅值，α为重力梯度解调相位角，为调理通路信号延迟导致的延时角，φ为第一加速度计a1与重力梯度测量坐标系x轴之间的初始夹角，θ是环境物体引起的方位角，即环境物体重心到重力梯度仪重心的连线与x轴之间的夹角，δt为采样时间，ω为重力梯度仪圆盘旋转角频率，为重力梯度仪圆盘旋转角加速度；

3)参考信号源数字正余弦信号，它由dsp发出，其表达式为：

式中，ζj分别为正弦、余弦信号参考源的初始相角在第j次的修正角；

4)利用参考信号源数字正余弦信号对a/d转换器的输出信号进行2倍频幅值解调，通过改变初始相角直到得到最大的幅值为止，此时的初始相角即为重力梯度解调相位角，其计算表达式为：

式中，n为圆盘每旋转一圈角度信息转换器输出的脉冲数，ζi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，ζq分别为第q次得到的重力梯度解调相位角；

5)对得到的重力梯度解调相位角和ζq进行组合，组合方式是依次连接，即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，最终得到重力梯度解调相位角α。

基于上述的旋转加速度重力梯度仪重力梯度解调相位角确定方法的实施步骤，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度，环境物体引起的方位角为0度，对重力梯度信号进行数据采集并处理，角度变动步长为0.01°，解调相位角结果如图2所示。从图中可以看到，重力梯度解调相位角在-50.3°左右，零相位滤波处理前的解调相位角波动较大，标准差为0.14°，通过零相位滤波处理后降低了波动范围，标准差变为0.046°，最后做均值处理，得到重力梯度解调相位角均值为-50.29°。如果采用0°初始相位角作为重力梯度解调相位角，则会导致较大的重力梯度测量误差，从而影响重力梯度测量精度。

根据本发明的另一实施例，提供一种旋转加速度计重力梯度仪重力梯度解调相位角确定装置，包括：

信号调理模块，用于对四只加速度计输出信号进行信号组合调理，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，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，得到重力梯度解调相位角，可选地，该相位角解调模块采用dsp。

其中，a/d转换器输出的重力梯度数字信号表达式为：

式中，ak、bk分别为2k+1次谐波正弦、余弦信号幅值，ck为2k+2次谐波信号幅值，d为圆盘旋转角加速度幅值，α为重力梯度解调相位角，为调理通路信号延迟导致的延时角，φ为第一加速度计a1与重力梯度测量坐标系x轴之间的初始夹角，θ是环境物体引起的方位角，δt为采样时间，ω为重力梯度仪圆盘旋转角频率，为重力梯度仪圆盘旋转角加速度，eout(i)为第(i-1)δt时刻数字信号。

相位角解调模块包括：参考信号发生单元，用于产生数字正弦信号和数字余弦信号作为参考信号；

以及计算单元，被配置为利用参考信号对a/d转换器的输出信号进行2倍频幅值解调，通过改变参考信号的初始相角直到得到最大的幅值为止，此时的初始相角即为重力梯度解调相位角，重力梯度解调相位角的计算表达式为：

式中，n为圆盘每旋转一圈角度信息转换器输出的脉冲数，ζi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，ζq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，该重力梯度解调相位角确定装置还包括相位角优化模块，用于对得到的重力梯度解调相位角和ζq进行组合，依次连接得到然后对组合后的数据进行零相位低通滤波处理，再对滤波后的数据做均值处理，得到最终的重力梯度解调相位角。

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。