旋转加速度计重力梯度仪加速度计标度因子反馈调整方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种旋转加速度计重力梯度仪加速度计标度因子调整方法，尤其涉及 一种旋转加速度计重力梯度仪加速度计标度因子一致性实时在线反馈调整方法。
【背景技术】
[0002] 地球重力场反映了地球表层和地球内部的密度分布和物质运动状态，重力梯度反 映的是重力场在空间的变化率，具有比重力更高的空间分辨率，能够更加精确的反映场源 体的细节。高精度重力梯度测量对于空间科学、地球科学、地质科学的发展以及在惯性导航 等方面具有非常重要的意义，同时重力梯度测量被认为是资源勘探的最有效的手段之一， 对于基础地质调查、基础地质研究、大地测量、油气矿藏资源勘查等领域具有重要的应用前 景，航空重力梯度测量对山区、无人区、海岛和沿海大陆架部分的基础数据获取具有重要应 用价值。
[0003] 重力梯度信号非常微弱，且受到地形、地质噪声、电气噪声和机械噪声等各种噪声 的影响，特别是移动式重力梯度仪面临严峻的线加速度计和角运动加速度等外部环境的影 响，使得原本微弱的重力梯度信号更加难以获取，如何消除或降低这些干扰和噪声给科技 工作者带来了很大挑战。
[0004] 旋转加速度计重力梯度仪测量原理如图1所示，四个加速度计相互正交的安装在 旋转圆盘上，加速度计敏感轴正切于圆盘边沿，相对的两只加速度计敏感轴方向相反。四 只加速度计输出信号经过加法-减法放大电路进行信号组合和信号放大，最后经过滤波/ 梯度解调进行处理，最后得到此时的重力梯度分量；重力梯度仪在以角频率为ω旋转状态 下，四只加速度计输出信号组合基本输出信号形式为：
[0006] 其中，I、Κ2、Κ3、1(4分别为加速度计A η A2、A3、A4的标度因数，Γ χχ、Γ yy、Γ xy为圆 盘中心处的三个重力梯度张量分量，R为圆盘中心到加速度计质量中心的距离，#为圆盘旋 转角加速度，MK1-K 2Hb(K3-K4)]和Lb(K1-K2)+a (K3-K4)]分别为圆盘转速正余弦信号幅值， a，b为重力梯度仪与外部环境相关系数，f(cco)为与小于圆盘旋转频率ω的低频信号成 分，c〈l，f(dc〇)为与大于圆盘旋转频率ω的高频信号成分，d>l，由于转台不平稳产生的旋 转角加速度?会带来的二倍频信号干扰，此干扰信号频率与梯度信号频率一致，会严重影 响梯度信号的精确性，只有通过调整加速度计标度因数，使得K 1= K2= K3= K4，消除圆盘旋 转角加速度所引入的二倍频干扰信号，最终解调出高精度的重力梯度分量（Fxx- Fyy)和 (_ r xy)。
【发明内容】
[0007] 技术问题：本发明的目的在于提高旋转加速度计重力梯度仪圆盘上四只加速度计 标度因子的一致性，提出一种设计合理且能够实现加速度计标度因子实时在线反馈方法， 可以快速实现四只加速度计标度因子的一致性，有利于提高重力梯度解调精度的旋转加速 度计重力梯度仪加速度计标度因子反馈调整方法。
[0008] 技术方案：本发明的旋转加速度计重力梯度仪加速度计标度因子反馈调整方法， 包括以下步骤：
[0009] 1)将四只高精度加速度计均匀正交放置在旋转圆盘上，相对两只加速度计的输入 轴方向相反，相邻两只加速度计的输入轴相互垂直，且四只加速度计的输入轴方向正切于 圆盘边沿，其中加速度计AjP A 2为一对，A 3和A 4为一对；将圆盘坐标系设为东北天地理坐 标系，记为0ΧΥΖ，原点为0,圆盘圆心位于坐标系原点，圆盘旋转轴垂直于圆盘平面，旋转加 速度计重力梯度仪的圆盘旋转角频率为ω ;
[0010] 2)将加速度计Ap ^的输出信号和加速度计A 3、六4的输出信号分别经过加法放大 器实现信号相加放大操作，将加法放大器的输出信号V 12和V34经过减法放大器实现信号相 减放大操作，得到输出信号Ε，所述加法放大器的输出信号V 12与加速度计A P A2对应，输出 信号V34与加速度计A 3、A4对应；
[0011] 3)将所述步骤2)中得到的信号V12和V34分别经过第一带通滤波器BPFl和第二 带通滤波器BPF2实现信号滤波处理，然后将两个带通滤波器的输出信号分别转换为数字 信号，以参考信号sincot为解调基准信号，将第一带通滤波器BPFl的数字信号解调得到幅 值1，以参考信号coscot为解调基准信号，将第二带通滤波器BPF2的数字信号解调得到幅 值2,其中t为时间；
[0012] 同时将所述步骤2)中得到的信号E经过第三带通滤波器BPF3滤波处理后，将 BPF3的输出信号转换为数字信号，以参考信号sin ω st为解调基准信号，对所述的数字信号 进行幅值解调得到幅值3,其中cos为旋转加速度计重力梯度仪的圆盘摇摆角频率；
[0013] 4)将所述步骤3)中得到的三组解调后的幅值信号，分别用平滑滤波器进行平滑 处理；
[0014] 5)将所述步骤4)中得到的三组平滑处理后的信号分别经过比例、微分积分控制 器PIDl、PID2和PID3进行调节控制，得到三组调整加速度计标度因子的数字信号；
[0015] 6)将所述的三组调整加速度计标度因子的数字信号分别经过数模转换，得到与所 述三组幅值信号对应的三组模拟电流信号；
[0016] 7)将所述步骤6)中得到的与幅值1对应的模拟电流信号反馈到第一加速度计A1 的标度因数调整输入端口；将与幅值2对应的模拟电流信号反馈到第三加速度计A3的标度 因数调整输入端口；将与幅值3对应的模拟电流信号反馈到位于第四加速度计~的标度因 数调整输入端口，所述的四个加速度计相互正交安装在旋转圆盘上，第一加速度计A 1和第 二加速度计六2关于圆盘中心对称设置，第三加速度计A 3和第四加速度计A 4关于圆盘中心 对称设置，加速度计敏感轴正切于圆盘边沿，相对的两只加速度计敏感轴方向相反。
[0017] 进一步的，所述步骤3)中的第一带通滤波器BPF1、第二带通滤波器BPF2和第三 带通滤波器BPF3均为四阶巴特沃斯模拟滤波器，其中带通滤波器BPFl、BPF2的中心频率为 ω八2 JT)，过渡带带宽为2 ω八5 JT)，通带带宽为ω八5 JT);带通滤波器BPF3的中心频率为 ω s/ (2 π )，过渡带带宽为2 ω s/ (5 π )，通带带宽为ω s/ (5 π )。
[0018] 进一步的，所述步骤3)中的参考信号sinc〇t、cosc〇t和8化〇;^均由数字信号处 理器芯片产生。
[0019] 本发明采用三组带通模拟滤波器分别对两组加法器输出信号和一组减法器输出 信号进行滤波处理，然后对分别对滤波后的信号进行A/D转换、平滑滤波、PID调整和DAC模 拟反馈信号输出，实现加速度计标度因数实时在线反馈调整，最终达到四只加速度计标度 因数一致。
[0020] 有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
[0021] 本发明是采用三组模拟带通滤波器分别对两组加法器输出信号和一组减法器输 出信号进行滤波处理，采用带通滤波器可以有效过滤掉低频漂移和高频干扰，比传统的采 用低通滤波器效果更优。带通滤波器输出后的梯度信号经过A/D转换、幅值解调、数据平 滑、PID调整和D/A转换电路处理后，DAC输出的模拟电流信号反馈到相应的加速度计标度 因数调整输入端，实现旋转加速度计重力梯度仪上加速度计标度因数在线实时调整，最后 使得四只加速度计标度因数趋于一致，为高精度梯度信号解调提供保障。
【附图说明】
[0022] 图1为旋转加速度计重力梯度仪原理图。
[0023] 图2为加速度计标度因数在线反馈调整示意图。
[0024] 图3为带通滤波器电路原理图。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步地说明。
[0026] 本发明的旋转加速度计重力梯度仪加速度计标度因子调整方法具体流程步骤如 下：
[0027] 1)将四只高精度加速度计均匀正交放置在旋转圆盘上，相对两只加速度计的输入 轴方向相反，相邻两只加速度计的输入轴相互垂直，且四只加速度计的输入轴方向正切于 圆盘边沿，其中加速度计AjP A 2为一对，A 3和A 4为一对；将圆盘坐标系设为东北天地理坐 标系，记为0ΧΥΖ，原点为0,圆盘圆心位于坐标系原点，圆盘旋转轴垂直于圆盘平面，旋转加 速度计重力梯度仪的圆盘旋转角频率为ω ;
[0028] 2)将加速度计Ap ^的输出信号和加速度计A 3、六4的输出信号分别经过加法放大 器实现信号相加放大操作，将加法放大器的输出信号V 12和V34经过减法放大器实现信号相 减放大操作，得到输出信号Ε，所述加法放大器的输出信号V 12与加速度计A P A2对应，输出 信号V34为与加速度计A 3、A4对应；
[0029] 3)将所述步骤2)中得到的信号V12和V 34分别经过第一带通滤波器BPFl和第二 带通滤波器BPF2实现信号滤波处理，然后将两个带通滤波器的输出信号分别转换为数字 信号，以参考信号sincot为解调基准信号，将第一带通滤波器BPFl的数字信号解调得到幅 值1，以参考信号coscot为解调基准信号，将第二带通滤波器BPF2的数字信号解调得到幅 值2 ;
[0030] 同时将所述步骤2)中得到的信号E经过第三带通滤波器BPF3滤波处理，然后将 BPF3的输出信号转换为数字信号，以参考信号sin ω st为解调基准信号，对所述的数字信号 进行幅值解调得到幅值3,其中cos为旋转加速度计重力梯度仪的圆盘摇摆角频率；
[0031] 4)将所述步骤3)中得到的三组解调后的幅值信号，分别用平滑滤波器进行平滑 处理；
[0032] 5)将所述步骤4)中得到的三组平滑处理后的信号分别经过比例、微分积分控制 器PIDl、PID2和PID3进行调节控制，得到三组调整加速度计标度因子的数字信号；
[0033] 6)将所述的三组调整加速度计标度因子的数字信号分别经过数模转换，得到与所 述三组幅值信号对应的三组模拟电流信号；
[0034] 7)将所述步骤6)中得到的与幅值1对应的模拟电流信号反馈到第一加速度计A1 的标度因数调整输入端口；将与幅值2对应的模拟电流信号反馈到第三加速度计A3的标度 因数调整输入端口；将与幅值3对应的模拟电流信号反馈到位于第四加速度计~的标度因 数调整输入端口，所述的四个加速度计相互正交安装在旋转圆盘上，第一加速度计A 1和第 二加速度计六2关于圆盘中心对称设置，第三加速度计A 3和第四加速度计A 4关于圆盘中心 对称设置，加速度计敏感轴正切于圆盘边沿，相对的两只加速度计敏感轴方向相反。
[0035] 实施例：
[0036] 如图2所示，【具体实施方式】如下：
[0037]