专利名称：重力梯度测量系统及其测量方法
技术领域：
本发明涉及重力梯度测量领域，更具体地，涉及一种基于动基座载体上能够有效获得重力梯度张量中的竖直和水平分量的重力梯度测量系统及其测量方法。
背景技术：
地球重力场反映了地球内部物质组成和分布信息，通过精确测量地球重力场可以反演估计出物质的分布和变化。因此，高精度重力测量在基础地质研究、区域重力调查、大地测量、油气田及固体矿产资源勘探、以及重力辅助导航等领域具有重要的应用前景。地球重力场测量可分为重力测量和重力梯度测量，实现重力测量的仪器称为重力仪，是测量地球重力加速度，实现重力梯度测量称为重力梯度仪，是测量地球重力加速度随空间的变化，即重力梯度。由于重力梯度是地球重力场的空间微分，反映重力沿空间不同方向的变化率，因此与重力仪测量相比，一方面，重力梯度测量能够反映场源体的细节，具有更高的分辨率；另一方面，重力梯度仪通常采用差分测量模式，不受不利于重力仪的在运动环境下载体加速度影响。相比地基的重力测量系统而言，基于动基座载体(如飞机、汽艇、 舰船等)的重力梯度测量具有经济、高效、勘探深度大等优点，因此也是目前西方国家重点发展和突破的重力测量技术。国际上目前已经投入使用的重力梯度测量系统是基于旋转加速度计的重力梯度仪测量系统，分别是FALCON部分张量重力梯度测量系统和Air-FTG全张量重力梯度测量系统。所谓全张量重力梯度测量即是对重力梯度张量中的五个独立分量的全部测量，而部分张量重力梯度测量是对重力梯度张量中的部分分量进行测量。FALCON和Air-FTG在非洲博茨瓦纳南部进行的对比试验表明，两个系统都可反映该探测区域的金伯利岩体，经过适当的数据处理，FALCON和Air-FTG的竖直重力梯度张量噪声(δ Γ zz)的标准偏差分别为8. 1E(1E = 10-9s-2)和7. 1E，空间分辨率达到400m和700m(参考文献D. Hinks,
S.McIntosh and R. J. L. Lane, A comparison of the Falcon and Air-FTG airborne gravity gradiometer systems at the Kokong Test Block，Botswana, in R. J. L Lane， editor， Airborne Gravity 2004-Abstracts from the ASEG—PESA Airborne Gravity 2004Workshop Geoscience Australia Record 2004/18，125-134.)。另一种具有发展潜力的重力梯度测量系统是目前正处于试飞阶段的超导重力梯度测量系统。目前主要有英国的ARKeX公司的EGG系统、加拿大的GEDEX公司HD-AGG系统、 以及澳大利亚西澳大学的VKl重力梯度测量系统。基于迈斯纳效应、超导回路内磁通守恒和超导量子干涉器件(SQUID)的低温超导重力梯度仪，其设计分辨率可达到10-3E/ V Hz, 其实验室指标已达到10-2E/ V Hz0在各类地表重力梯度仪中，唯有超导重力梯度仪的实验室噪声水平突破了 IE/ V Hz，因而成为高精度重力梯度仪研制的突破口，越来越受到西方国家的重视(参考文献Daniel J. DiFrancesco, 2010, The Gravity Quest，In R. J. L. Lane editor， Airborne Gravity 2010-Abstracts from the ASEG—PESA Airborne Gravity 2010Workshop Geoscience Australia Record 2010/23 and GSNSW FileGS2010/0457，44-48.)。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种研制难度相对简单、测量精度高的重力梯度测量系统，其不仅能够提供更多的重力梯度张量信息，而且在实际测量中能够减小重力场反演过程中的模型和经验依赖，从而提高重力测量数据的反演和解释结果的置信水平。为解决上述技术问题，按照本发明的一个方面，提供了一种重力梯度测量系统，该重力梯度测量系统包括惯性稳定平台；重力梯度测量单元，该重力梯度测量单元设置在惯性稳定平台上，由竖直布置的超导重力梯度仪和水平放置的旋转加速度计重力梯度仪共同组成；以及数据采集与处理单元，该数据采集单元通过信号线分别与所述超导重力梯度仪和旋转加速度计重力梯度仪两者的输出端相连，用于采集其测量数据并进行数据处理；其中所述超导重力梯度仪用于测量重力梯度张量中的竖直分量Γζζ，所述旋转加速度计重力梯度仪用于测重力梯度张量中的水平分量rxy。作为进一步优选地，所述超导重力梯度仪包括成对设置的超导检测质量；超导悬浮线圈，该超导悬浮线圈对应于各个超导检测质量而设置，分别用于使所述超导检测质量悬浮起来以平衡地表重力加速度；超导位移检测线圈，该超导位移检测线圈对应于各个超导检测质量而设置，分别用于检测所述超导检测质量所在位置的加速度变化；超导电路回路，该超导电路回路与所述超导悬浮线圈和超导位移检测线圈连接并共同构成回路；检测超导线圈，该检测超导线圈与所述超导电路回路相连接并在所述超导检测质量的加速度不一致时，产生反映超导检测质量位移差的差分电流；以及超导量子干涉器件，该超导量子干涉器件用于对所述检测超导线圈产生的差分电流进行探测并予以输出。作为进一步优选地，所述旋转加速度计重力梯度仪包括转台，该转台的转轴沿竖直方向并以一定的角速度匀速旋转；四个加速度计，该加速度计以转台的转轴为中心对称正交地设置在转台上，其敏感轴方向沿转台径向圆周的切线方向，且相对置的加速度计的敏感轴相反；以及组合输出装置，该组合输出装置分别与各个所述加速度计相连，用于将加速度计所测得的加速度值进行组合和输出。作为进一步优选地，所述超导重力梯度仪和所述旋转加速度计重力梯度仪在竖直方向上共轴安装在惯性稳定平台上。作为进一步优选地，所述数据采集与处理单元将测量数据相互检验，并将其作为测量系统的冗余以确保测量数据的正确性。按照本发明的另一方面，提供了使用本发明的系统相应执行重力梯度测量的方法，该方法包括下列步骤
在基于航空、飞艇、车载、船载、艇载等的动基座载体上，通过惯性稳定平台放置超导重力梯度仪和旋转加速度计重力梯度仪，并将其运输至测量区域；启动超导重力梯度仪和旋转加速度计重力梯度仪，对重力梯度张量中的竖直分量 Γ zz和水平分量Γ χχ- Γ yy和Γ xy进行测量；通过数据采集与处理单元，对重力梯度仪和旋转加速度计重力梯度仪的测量数据进行实时采集；以及通过数据采集与处理单元，将实时采集的数据进行相互检验，同时将其作为测量系统的冗余以确保测量数据的正确性。按照本发明的另一方面，还提供了上述重力梯度测量方法在航空重力梯度测量领域的应用。通过按照本发明的重力梯度测量系统及其测量方法，根据对水平加速度计梯度仪和超导梯度仪各自的特征分析，在同一惯性稳定平台上，将超导重力梯度仪设置为竖直放置用于测量重力梯度张量中的竖直分量，同时将旋转加速度计重力梯度仪设置为水平放置用于测量重力梯度的水平分量，这种设置方式及其相应获得的重力梯度测量系统，不仅可以高精度测量包括rxy在内的重力梯度分量，而且可以将这些数据用于相互检验，作为测量系统的冗余以确保测量数据的正确性。与现有的设备相比，克服了研制基于旋转加速度计的全张量重力梯度仪中对单个加速计动态范围要求过高的技术问题，并且可以避免研制基于超导的全张量重力梯度仪中对系统装配的过高精度要求，因而在实际测量中能够取得比现有设备更可靠的有效测量结果。
图I是按照本发明的重力梯度测量系统的结构示意图；图2是图I中用于测量重力梯度张量中竖直分量的超导重力梯度仪的平面示意图；图3是图I中用于测量重力梯度张量中水平分量的旋转加速度计重力梯度仪的结构示意图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的部件或元件，其中I-惯性稳定平台，2-超导重力梯度仪，3-旋转加速度计重力梯度仪，4-数据采集与处理单元，5-超导检测质量，6-超导检测质量，7-超导悬浮线圈，8-超导悬浮线圈，9-超导位移检测线圈，10-超导位移检测线圈，11-超导电路回路，12-检测超导线圈，13-超导量子干涉器件，14-加速度计，15-加速度计16-加速度计，17-加速度计，18-转台，19-组合输出装置
具体实施例方式以下结合附图对本发明进行具体描述。首先，对本发明的技术方案所涉及的原理及构思要旨进行说明。地球上物体所受的重力是地球质量对该物体产生的万有引力和该物体随着地球自转而引起的惯性离心力的合力，其方向为该点的铅垂线方向。重力加速度在数值上等于单位质量物体在该点所受的重力，其方向与重力方向相同。重力梯度反映重力沿空间不同方向的变化率，任一点的重力梯度由三阶张量来描述，其大小为该位置重力加速度g(X，y, Z)对空间的一阶导数，即
权利要求
1.一种重力梯度测量系统，包括惯性稳定平台(I)；重力梯度测量单元，该重力梯度测量单元设置在惯性稳定平台(I)上，由竖直布置的超导重力梯度仪(2)和水平布置的旋转加速度计重力梯度仪(3)共同组成；以及数据采集与处理单元(4)，该数据采集单元通过信号线分别与所述超导重力梯度仪(2)和旋转加速度计重力梯度仪(3)两者的输出端相连，用于采集其测量数据并进行数据处理；其中所述超导重力梯度仪(2)用于测量重力梯度张量中的竖直分量Γζζ，所述旋转加速度计重力梯度仪用于测重力梯度张量中的水平分量rxy。
2.如权利要求I所述的重力梯度测量系统，其特征在于，所述超导重力梯度仪(2)包括成对设置的超导检测质量(5，6);超导悬浮线圈(7，8)，该超导悬浮线圈对应于各个超导检测质量(5，6)而设置，分别用于使所述超导检测质量(5，6)悬浮起来以平衡地表重力加速度；超导位移检测线圈(9，10)，该超导位移检测线圈对应于各个超导检测质量(5，6)而设置，分别用于检测所述超导检测质量所在位置的加速度变化；超导电路回路(11)，该超导电路回路与所述超导线圈(7，8)和超导位移检测线圈(9， 10)连接并共同构成回路；检测超导线圈(12)，该检测超导线圈与所述超导电路回路(11)相连接并在所述超导检测质量(5，6)的加速度不一致时，产生反映超导检测质量位移差的差分电流；以及超导量子干涉器件(13)，该超导量子干涉器件用于对所述检测超导线圈(12)产生的差分电流进行探测并予以输出；所述旋转加速度计重力梯度仪(3)包括转台(18)，该转台的转轴沿竖直方向并以一定的角速度匀速旋转；四个加速度计(14，15，16，17)，该加速度计以转台(18)的转轴为中心对称正交地设置在转台(18)上，其敏感轴方向沿转台(18)径向圆周的切线方向，且相对置的加速度计的敏感轴相反；以及组合输出装置(19)，该组合输出装置分别与各个所述加速度计(14，15，16，17)相连， 用于将加速度计所测得的加速度值进行组合和输出。
3.如权利要求I或2所述的重力梯度测量系统，其特征在于，所述超导重力梯度仪(2) 和所述旋转加速度计重力梯度仪(3)在竖直方向上共轴安装在惯性稳定平台(I)上。
4.如权利要求1-3任意一项所述的重力梯度测量系统，其特征在于，所述数据采集与处理单元(4)将测量数据相互检验，并将其作为测量系统的冗余以确保测量数据的正确性。
5.一种使用如权利要求1-4任意一项所述的系统执行重力梯度测量的方法，该方法包括下列步骤在基于例如航空、飞艇、车载、船载或艇载等的动基座载体上，通过惯性稳定平台放置超导重力梯度仪和旋转加速度计重力梯度仪，并将其运输至测量区域；启动超导重力梯度仪和旋转加速度计重力梯度仪，对重力梯度张量中的竖直分量Γζζ和水平分量Γ χχ- Γ yy和Γ xy进行测量；通过数据采集与处理单元，对重力梯度仪和旋转加速度计重力梯度仪的测量数据进行实时采集；以及通过数据采集与处理单元，将实时采集的数据进行相互检验，同时将其作为测量系统的冗余以确保测量数据的正确性。
6.一种使用如权利要求5所述的方法在航空重力梯度测量领域的应用。
全文摘要
本发明公开了一种重力梯度测量系统及其测量方法，该测量系统包括惯性稳定平台(1)；设置在惯性稳定平台(1)上，由超导重力梯度仪(2)和旋转加速度计重力梯度仪(3)共同组成的重力梯度测量单元；以及用于采集测量数据并进行数据处理的数据采集与处理单元(4)，其中超导重力梯度仪(2)用于测量重力梯度张量中的竖直分量Γzz，旋转加速度计重力梯度仪(3)用于测量水平分量Γxx-Γyy和Γxy。通过本发明，可以提供更精确的重力梯度张量信息，减小重力场反演过程中的模型和经验依赖，所测得的数据还可以用于相互检验，并作为测量系统的冗余以确保测量数据的正确性，从而提高重力测量数据的反演和解释结果的置信水平。
文档编号G01V7/16GK102608668SQ20111042949
公开日2012年7月25日 申请日期2011年12月19日 优先权日2011年12月19日
发明者涂良成, 罗俊 申请人:华中科技大学