垂直向重力梯度测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于重力梯度测量技术领域，具体涉及一种垂直向重力梯度测量方法。
【背景技术】
[0002] 在地球表面上，垂直向重力梯度大约为308. 6微伽/米，其随炜度和高度的变化而 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种垂直向重力梯度测量方法，可有效解 决上述问题。
[0006] 本发明采用的技术方案如下：
[0007] 本发明提供一种垂直向重力梯度测量方法，包括以下步骤：
[0008] 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；
[0009] 此外，上托架（3-2)通过传动件（5)与伺服驱动系统（2)联动；
[0010] 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；
[0011] 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；
[0012] 此时，将第1测量棱镜（53-4)初始位置记为A。。，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±;hinst±为已知值；将第2测量棱镜 (54-4)初始位置记为B。。，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hinstT;hinstT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;
[0013] 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=t。。时刻，同 时启动激光干涉测量系统；
[0014] -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；
[0015] 将上落体（3-4)转为自由下落运动的时刻记为t=t。时刻，将该时刻上落体 (3-4)的位置记为A。，则A。与初始位置A。。之间的垂直距离记为x。，该时刻上落体（3-4)的 运动速度记为v。；
[0016] 此处，t。、X。和v。均为未知量；
[0017] 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；
[0018] 另一方面，从t=t。。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；
[0019] 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hraf T的第2绝对重力加速度值參F;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Y;
[0020]
[0021]
[0022] 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，绝对重力加速度为会 ±的位置记为:;
[0023] 第2绝对重力加速度值參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A,的位置记为立p;
[0024] 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Y;将测量 得到的各个垂直向重力梯度Y取平均值，得到最终的垂直向重力梯度。
[0025] 优选的，步骤5中，当采用公式（1)求解时，具体包括以下步骤：
[0026] 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A。。下落所经过的时间；x为在t时刻落体下落的 位移；
[0027] 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（ti，Xl)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：（tpXi)、（t2,x2)…（tn，xn);
[0028]步骤5. 3,采用最小二乘拟合算法，得到上落体的第1绝对重力加速度值堯t，具体 拟合算法为：
[0029] 1)建立以下的超定方程：
[0030]
[0031] (2)将匕，X》、（t2,x2)…（tn，xn)代入上述超定方程，可计算得到產上的值；
[0032] 也可计算得到x。、V。和y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Y值精度非常有限，不能作为最终结果，需丢弃；
[0033] 采用步骤5. 1、步骤5. 2和步骤5. 3的方法，计算得到会F的值。
[0034] 优选的，步骤5中，hrafil的计算方法为：
[0035] (1)设定初始条件：
[0036] 在的计算过程中，其精度在毫米量级，对于上落体，从初始位置A。。到位置A。 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；
[0037] 即：假设上落体从初始位置A。。、时刻t。。开始即进入到自由下落运动过程，则：％ = 0,vQ= 0,xQ= 0 ;初始位置A。。的绝对重力加速度g。为已知设定值，gQ= 9. 8m/s2;此外， 匕，X》、（tn，xn)已解算得到；
[0038] (2)落体自由下落运动方程为：
[0039]
⑷
[0040] 根据假设的初始条件，解上述方程，得到公式（5):
[0041]x= (l/2)g〇t2+(y/24)g〇t4 (5)
[0042] 又由于计算得到的#±是tgljtn时间段内重力场平均作用于上落体的结果，则可 用公式表达为：
[0043]
(6)
[0044]将公式（5)代入公式（6)，得到公式（7):
[0045]
(7)
[0046] 又由于计算得到的会±为某个位置的绝对重力加速度值，将所对应的位置记为位 置C，则初始位置A。。到位置C的距离记为h ，则得到公式⑶：
[0047] (8)
[0048]对比公式（7)和公式（8)，可得到公式（9):
[0049]heffil= (1/6) g〇(9)
[0050] 将初始条件tp、和g。代入公式（9)，计算得到h;
[0051] 根据公式（10)，计算得到hraf±:
[0052] href上=hinst± _heff上(10)
[0053] href下的计算方法为：
[0054] 在hrafT的计算过程中，由于整套仪器工作过程中，上下落体同步开始下落，上下落 体参与干涉带有效信号计算的开始时间h和结束时间tn相同，并且，假设上落体在初始位 置的绝对重力加速度和下落体在初始位置的绝对重力加速度相同，均为g?：= 9. 8m/s2,则可 得到式（11):
[0055] href下=href上(11)
[0056] 根据公式（11)，计算得到hrafT。
[0057] 优选的，上托架（3-2)和下托架（4-2)在垂直方向的固定距离h，即第1测量棱镜 (53-4)光心和第2测量棱镜（54-4)光心的垂直间距，取值为0. 3~0. 8m;
[0058] 上托架（3-2)和下托架（4-2)在水平方向的固定偏差值k，即第1测量棱镜（53-4) 光心和第2测量棱镜（54-4)光心的水平间距，取值为10~20mm。
[0059] 本发明提供的垂直向重力梯度测量方法具有以下优点：
[0060] 具有垂直向重力梯度测量结果精确、无需标定、无零漂、大测量范围和无需为参考 棱镜提供隔振系统的特点，同时整机还有测量过程简单、稳定性高以及测量系统占用体积 小等优点，非常适用于台站定点高精度观测地表垂直向重力梯度值。
【附图说明】
[0061] 图1为本发明提供的落体控制系统的整体结构示意图；
[0062] 图2为落体控制系统中前侧面剖开后的结构示意图；
[0063] 图3为落体控制系统中后侧面剖开后的结构