本发明涉及重力测量领域，尤其涉及一种绝对重力测量方法和装置。
背景技术：
目前的光学干涉绝对重力仪的原理是在高真空条件下精确测量被测落体在重力场中自由下落经历的时间和位移，然后根据公式(1)：
s(t)＝s0+v0t+1/2gt2 (1)
计算得到g，其中t为被测落体的下落时间，s(t)为t时刻被测落体相对于地面的位移，s0为被测落体的初始位移，v0为被测落体的初始速度。光学干涉原理检测被测落体位移的原理如图1所示。光学干涉仪的激光光束从激光器101中发出，通过分光镜(Beam Splitter)102分为两束，反射的一束为测量光束(虚线表示)，透射的一束为参考光束(实线表示)。测量光束照射到被测落体103(被测落体103为直角立体棱镜，置于真空腔内)发生反射，经分光镜102照射到参考棱镜104，又经参考棱镜104反射至分光镜102，与参考光束汇合照射到光电探测器105上。当被测落体103自由落体时，反射回来的测量光束和透射的参考光束发生干涉，产生干涉条纹。光电探测器105将被测落体103在下落时间t产生的干涉条纹个数转换为电信号，其中干涉条纹的个数对应被测落体103的下落位移，绝对重力仪的计时装置同时记录下落的时间。忽略重力加速度g在空间上的变化的情况下，利用公式(1)，即可得到重力加速度g的数值。
然而在实际操作中，由于大地表面振动等原因，参考棱镜104相对于地球中心也会产生位移，这就使得测得的被测落体103相对于参考棱镜104的位移与被测落体103相对于地球中心的实际位移之间出现偏差，因此得到的重力加速度g的数值也不够准确。
现有技术中通过机械结构精确定位可以将被测落体的水平摆幅控制在允许范围内，然而无法避免参考棱镜随地面振动产生的竖直方向的位移。图2为振动补偿法的原理示意图。如图2所示，光学干涉仪测得的是被测落体103相对于参考棱镜104的位移d1，而实际测量中，参考棱镜104随地面振动也会产生位移d2。由于参考棱镜104随着地面振动造成干涉仪所测的被测落体实际下落位移不准确，致使最终的重力加速度值测量不准确，现有技术中一种方法是需要进行多次测量，结果取平均值的方法来消除单次测量对精确度的影响。由于该方法需要依赖大量的实验次数，并且多次测量结果的分散性(计量学中A类不确定度来衡量)比较大，效果不够理想。另一种改进的方法是采用低频测振传感器，测量参考棱镜相对于地面的位移，然后进行补偿。然而，如图3所示，该方法中低频测振传感器对不同频率、不同方向的振动又具有不同的频率响应，存在衰减和相位漂移因此使得振动测量不够准确。
技术实现要素：
本发明提供了一种绝对重力测量方法和装置，将地面振动信号补偿到被测落体下落位移上，被测落体位移的测量更加准确，进而能够更加精确的测量重力加速度。
根据本发明的一个方面，提供了一种绝对重力测量方法，包括：
时间采集单元检测被测落体的下落时间t，并将t发送给上位机；
光学干涉仪检测被测落体相对于参考棱镜的下落位移信号d1(t)，并将信号d1(t)发送给上位机；
测振单元检测参考棱镜随地面振动的位移信号d2(t)，并将信号d2(t)发送给上位机；
上位机利用信号d2(t)对信号d1(t)进行补偿，得到被测落体相对于地面的位移信号d(t)；
上位机根据信号d(t)和t得到重力加速度g。
在一个实施例中，上位机利用信号d2(t)对信号d1(t)进行补偿，得到被测落体相对于地面的位移信号d(t)的步骤包括：
利用测试信号进行测试，得到测振单元的传递函数H(f)在频点k的幅频特性Hk(f)和相频特性Φk(f)，其中1≤k≤n，n为需要测试的频点数；
根据Hk(f)和Φk(f)对信号d2(t)进行反演，得到反演信号d2’(t)；
利用反演信号d2’(t)对信号d1(t)进行补偿，得到被测落体相对于地面的位移信号d(t)。
在一个实施例中，利用测试信号进行测试，得到测振单元的传递函数H(f)在频点k的幅频特性Hk(f)和相频特性Φk(f)的步骤包括：
将测试信号x(t)和相应的输出信号y(t)，并将x(t)和y(t)变换为频域信号X(f)和Y(f)；
根据X(f)和Y(f)得到测振单元的传递函数H(f)在频点k的幅频特性Hk(f)和相频特性Φk(f)，其中，H(f)＝Y(f)/X(f)。
在一个实施例中，根据Hk(f)和Φk(f)对信号d2(t)进行反演，得到反演信号d2’(t)的步骤包括：
对信号d2(t)进行数字采集；
将数字采集后的信号d2(t)乘以第一窗函数，并变换为频域信号D2(f)；
在每个频点k上，将信号D2(f)的幅度值除以Hk(f)，相位值减去Φk(f)，得到修正后的频域信号D2’(f)；
将信号D2’(f)乘以第二窗函数；
将乘以第二窗函数的信号D2’(f)变换为时域信号，并进行波形拼接和基线修正，得到反演信号d2’(t)。
在一个实施例中，第一窗函数和第二窗函数为汉宁窗函数。
根据本发明的另一方面，提供了一种绝对重力测量装置，包括：时间采集单元、光学干涉仪、测振单元和上位机，其中：
时间采集单元，用于检测被测落体的下落时间t，并将t发送给上位机；
光学干涉仪，用于检测被测落体相对于参考棱镜的下落位移信号d1(t)，并将信号d1(t)发送给上位机；
测振单元，用于检测参考棱镜随地面振动的位移信号d2(t)，并将信号d2(t)发送给上位机；
上位机，用于利用信号d2(t)对信号d1(t)进行补偿，得到被测落体相对于地面的位移信号d(t)；根据信号d(t)和t得到重力加速度g。
在一个实施例中，上位机具体包括测试模块、反演模块和补偿计算模块，其中：
测试模块，用于利用测试信号进行测试，得到测振单元的传递函数H(f)在频点k的幅频特性Hk(f)和相频特性Φk(f)，其中1≤k≤n，n为需要测试的频点数；
反演模块，用于根据Hk(f)和Φk(f)对信号d2(t)进行反演，得到反演信号d2’(t)；
补偿计算模块，用于利用反演信号d2’(t)对信号d1(t)进行补偿，得到被测落体相对于地面的位移信号d(t)；根据信号d(t)和t得到重力加速度g。
在一个实施例中，测试模块具体用于将测试信号x(t)和相应的输出信号y(t)变换为频域信号X(f)和Y(f)；根据X(f)和Y(f)得到测振单元的传递函数H(f)在频点k的幅频特性Hk(f)和相频特性Φk(f)，其中，H(f)＝Y(f)/X(f)。
在一个实施例中，反演模块具体用于信号d2(t)进行数字采集；将数字采集后的信号d2(t)乘以第一窗函数，并变换为频域信号D2(f)；在每个频点k上，将信号D2(f)的幅度值除以Hk(f)，相位值减去Φk(f)，得到修正后的频域信号D2’(f)；将信号D2’(f)乘以第二窗函数；将乘以第二窗函数的信号D2’(f)变换为时域信号，并进行波形拼接和基线修正，得到反演信号d2’(t)。
在一个实施例中，第一窗函数和第二窗函数为汉宁窗函数。
本发明提供了一种绝对重力测量方法和装置，将地面振动信号补偿到被测落体下落位移上，从而使得测得的下落位移更接近于实际的被测落体的下落位移，能够显著减少测量次数，得到更加精确的重力加速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为光学干涉检测原理的示意图。
图2为振动补偿法的原理示意图。
图3为低频测振传感器一个方向的频率响应特性示意图。
图4为本发明绝对重力测量方法的一个实施例的示意图。
图5为本发明绝对重力测量方法的另一个实施例的示意图。
图6为本发明中测试测振单元传递函数频响特性的方法示意图。
图7为本发明中对信号进行反演的方法示意图。
图8为本发明绝对重力测量装置的一个实施例的示意图。
图9为本发明绝对重力测量装置上位机一个实施例的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
图4为本发明绝对重力测量方法的一个实施例的示意图。优选的，本实施例的方法步骤可由本发明的绝对重力测量装置执行，包括：
步骤401，时间采集单元检测被测落体的下落时间t1，并将t1发送给上位机。
优选的，时间采集单元采用高精度铷钟，以提高时间测量的精度。并采用同步触发信号，保证光学干涉仪与测振单元的同步测量。
步骤402，光学干涉仪检测被测落体相对于参考棱镜的下落位移信号d1(t)，并将信号d1(t)发送给上位机。
优选的，光学干涉仪为迈克尔逊激光干涉仪。
步骤403，测振单元检测参考棱镜随地面振动的位移信号d2(t)，并将信号d2(t)发送给上位机。
步骤404，上位机利用信号d2(t)对信号d1(t)进行补偿，得到被测落体相对于地面的位移信号d(t)。
例如，上位机根据参考棱镜随地面振动的位移信号d2(t)对被测落体相对于参考棱镜的下落位移信号d1(t)进行补偿，得到被测落体相对于地面的位移信号d(t)。当参考棱镜随地面振动的位移信号d2(t)与被测落体相对于参考棱镜的下落位移信号d1(t)同向时，d(t)＝d1(t)+|d2(t)|；反向时，d(t)＝d1(t)-|d2(t)|。
步骤405，上位机根据信号d(t)和t得到重力加速度g。
例如，上位机在信号d(t)和t上分别选取三个时间点t1，t2和t3，对应三个位移点d(t1)，d(t2)和d(t3)，根据公式(1)利用最小二乘法拟合得到两次项系数，乘以2即为重力加速度g1。进行多次下落测试，以N次测试为例，得到加速度gi，其中1≤i≤N，对N次结果取平均值，即可得到重力加速度g的值。本领域技术人员可以了解的是，可以根据精度要求和实验情况，确定选取的时间点个数和测量的次数，以及如何利用最小二乘法拟合得到重力加速度g。
本发明的绝对重力测量方法，将参考棱镜随地面振动的位移补偿到被测落体的下落位移上，从而使得测得的下落位移更接近于实际的被测落体的下落位移，能够显著减少测量次数，得到更加精确的重力加速度。
图5为本发明绝对重力测量方法的一个实施例的示意图。优选的，本实施例的方法步骤可由本发明的绝对重力测量装置执行，包括：
步骤501，时间采集单元检测被测落体的下落时间t，并将t发送给上位机。
优选的，采用高精度铷钟检测被测落体的下落时间t，以提高时间测量的精度。
步骤502，光学干涉仪检测被测落体相对于参考棱镜的下落位移信号d1(t)，并将信号d1(t)发送给上位机。
步骤503，测振单元检测参考棱镜随地面振动的位移信号d2(t)并发送给上位机。
步骤504，上位机利用测试信号进行测试，得到测振单元的传递函数H(f)在频点k的幅频特性Hk(f)和相频特性Φk(f)，其中1≤k≤n，n为需要测试的频点数。
优选的，根据地面振动的范围，在传递函数H(f)选取n个频点，得到H(f)在各频点的幅频特性Hk(f)和相频特性Φk(f)并保存，以便用于信号d2(t)的反演。
步骤505，上位机根据Hk(f)和Φk(f)对信号d2(t)进行反演，得到反演信号d2’(t)。进行反演后得到的反演信号d2’(t)更加精确。
步骤506，上位机利用反演信号d2’(t)对信号d1(t)进行补偿，得到被测落体相对于地面的位移信号d(t)。
例如，上位机根据反演信号d2’(t)对被测落体相对于参考棱镜的下落位移信号d1(t)进行补偿，得到被测落体相对于地面的位移信号d(t)。当反演信号d2’(t)与被测落体相对于参考棱镜的下落位移信号d1(t)同向时，d(t)＝d1(t)+|d2’(t)|；反向时，d(t)＝d1(t)-|d2’(t)|。
步骤507，上位机根据信号d(t)和t得到重力加速度g。
例如，上位机在信号d(t)和t上分别选取三个时间点t1，t2和t3，对应三个位移点d(t1)，d(t2)和d(t3)，根据公式(1)利用最小二乘法拟合得到两次项系数，乘以2即为重力加速度g1。进行多次下落测试，以N次测试为例，得到加速度gi，其中1≤i≤N，对N次结果取平均值，即可得到重力加速度g的值。本领域技术人员可以了解的是，可以根据精度要求和实验情况，确定选取的时间点个数和测量的次数，以及如何利用最小二乘法拟合得到重力加速度g。
本发明的绝对重力测量方法，通过对信号d2(t)反演，对信号的在频域的幅度和相位进行修正，得到更加精确的反演信号d2’(t)，从而使得测得的下落位移更接近于实际的被测落体的下落位移，能够显著减少测量次数，得到更加精确的重力加速度。
图6为本发明的绝对重力测量方法的一个实施例中，测试传递函数频响特性的方法的示意图，如图6所示，包括：
步骤601，将测试信号x(t)和相应的输出信号y(t)变换为频域信号X(f)和Y(f)。
优选的，可以采用傅里叶变换、快速傅里叶变换、拉普拉斯变换等方法将时域信号x(t)和y(t)变换为频域信号X(f)和Y(f)。
步骤602，根据X(f)和Y(f)得到测振单元的传递函数H(f)在频点k的幅频特性Hk(f)和相频特性Φk(f)，其中，H(f)＝Y(f)/X(f)。
优选的，根据地面振动的频率特性及精度要求，选取频点个数n以及各频点k的频率值。本领域技术人员可以了解的是，得到测振单元的传递函数H(f)后，可以进一步得到在频点k的幅频特性Hk(f)和相频特性Φk(f)。
图7为本发明的绝对重力测量方法的一个实施例中，对信号反演方法的示意图。优选的，本实施例的方法由本发明中上位机进行，包括：
步骤701，对信号d2’(t)进行数字采集。
步骤702，将数字采集后的信号d2(t)乘以第一窗函数，并变换为频域信号D2(f)。其中，将信号d2(t)变换为频域信号D2(f)可以采用傅里叶变换、快速傅里叶变换、拉普拉斯变换等方法。
优选的，第一窗函数为汉宁窗函数。
步骤703，在每个频点k上，将信号D2(f)的幅度值除以Hk(f)，相位值减去Φk(f)，得到修正后的频域信号D2’(f)。通过对信号D2(f)进行修正，对幅度和相位进行补偿，使得到的信号D2’(f)信号平坦化，频率范围更宽，测量精度更高。
步骤704，将信号D2’(f)乘以第二窗函数。
步骤705，将乘以第二窗函数的信号D2’(f)变换为时域信号，并进行波形拼接和基线修正，得到反演信号d2’(t)。
优选的，第二窗函数为汉宁窗函数。经过步骤703-704的修正，步骤705得到的反演信号d2’(t)更加精确。其中，将频域信号D2’(f)变换为信号d2’(t)可以采用傅里叶逆变换、快速傅里叶逆变换、拉普拉斯逆变换等方法。
本发明的绝对重力测量方法通过信号的反演，可以将参考棱镜相对于地面的位移实时补偿到被测落体的下落位移中，得到的被测落体相对于地面的位移更加精确，有效减少实验次数，拟合的重力加速度g的数值也更加精确。
图8为本发明的绝对重力测量装置的一个实施例的示意图。如图8所示，包括：时间采集单元801、光学干涉仪802、测振单元803和上位机804，其中：
时间采集单元801用于检测被测落体的下落时间t，并将t发送给上位机804。
优选的，时间采集单元801为高精度铷钟，以提高时间测量的精度。
光学干涉仪802用于检测被测落体相对于参考棱镜的下落位移信号d1(t)，并将信号d1(t)发送给上位机804。
优选的，光学干涉仪802为迈克尔逊激光干涉仪。
测振单元803用于检测参考棱镜随地面振动的位移信号d2(t)，并将信号d2(t)发送给上位机804。
优选的，测振单元803为低频测振单元。
优选的，光学干涉仪802和测振单元803由同步触发信号触发测量，保证测量的时间同步。
上位机804用于利用信号d2(t)对信号d1(t)进行补偿，得到被测落体相对于地面的位移信号d(t)，并根据信号d(t)和t得到重力加速度g。
例如，在一个实施例中，上位机804根据参考棱镜随地面振动的位移信号d2(t)对被测落体相对于参考棱镜的下落位移信号d1(t)进行补偿，得到被测落体相对于地面的位移信号d(t)。当参考棱镜随地面振动的位移信号d2(t)与被测落体相对于参考棱镜的下落位移信号d1(t)同向时，d(t)＝d1(t)+|d2(t)|；反向时，d(t1)＝d1(t)-|d2(t)|。上位机804在信号d(t)和t上分别选取三个时间点t1，t2和t3，对应三个位移点d(t1)，d(t2)和d(t3)，根据公式(1)利用最小二乘法拟合得到两次项系数，乘以2即为重力加速度g1。进行多次下落测试，以N次测试为例，得到加速度gi，其中1≤i≤N，对N次结果取平均值，即可得到重力加速度g的值。本领域技术人员可以了解的是，可以根据精度要求和实验情况，确定选取的时间点个数和测量的次数，以及如何利用最小二乘法拟合得到重力加速度g。
本发明的绝对重力测量装置，将参考棱镜相对地面的振动位移补偿到被测落体下落位移上，从而使得测得的下落位移更接近于实际的被测落体的下落位移，能够显著减少测量次数，得到更加精确的重力加速度。
图9为本发明的绝对重力测量装置中上位机804的一个实施例的示例图。如图9所示，上位机804包括测试模块8041、反演模块8042和补偿计算模块8043，其中：
测试模块8041用于利用测试信号进行测试，得到测振单元803的传递函数H(f)在频点k的幅频特性Hk(f)和相频特性Φk(f)，其中1≤k≤n，n为需要测试的频点数。
优选的，测试模块8041将测试信号x(t)和相应的输出信号y(t)变换为频域信号X(f)和Y(f)；根据X(f)和Y(f)得到测振单元803的传递函数H(f)在频点k的幅频特性Hk(f)和相频特性Φk(f)，其中，H(f)＝Y(f)/X(f)。
反演模块8042用于根据Hk(f)和Φk(f)对信号d2(t)进行反演，得到反演信号d2’(t)。
优选的，反演模块8042对信号d2(t)进行数字采集；将数字采集后的信号d2(t)乘以第一窗函数，并变换为频域信号D2(f)；在每个频点k上，将信号D2(f)的幅度值除以Hk(f)，相位值减去Φk(f)，得到修正后的频域信号D2’(f)；将信号D2’(f)乘以第二窗函数；将乘以第二窗函数的信号D2’(f)变换为时域信号，并进行波形拼接和基线修正，得到反演信号d2’(t)。
在一个实施例中，第一窗函数和第二窗函数为汉宁窗函数。
补偿计算模块8043用于利用反演信号d2’(t)对信号d1(t)进行补偿，得到被测落体相对于地面的位移信号d(t)；根据信号d(t)和t得到重力加速度g。
例如，在一个实施例中，当反演信号d2’(t)与被测落体相对于参考棱镜的下落位移信号d1(t)同向时，d(t)＝d1(t)+|d2’(t)|；反向时，d(t)＝d1(t)-|d2’(t)|。在信号d(t)和t上分别选取三个时间点t1，t2和t3，对应三个位移点d(t1)，d(t2)和d(t3)，根据公式(1)利用最小二乘法拟合得到两次项系数，乘以2即为重力加速度g1。进行多次下落测试，以N次测试为例，得到加速度gi，其中1≤i≤N，对N次结果取平均值，即可得到重力加速度g的值。本领域技术人员可以了解的是，可以根据精度要求和实验情况，确定选取的时间点个数和测量的次数，以及如何利用最小二乘法拟合得到重力加速度g。
本发明的绝对重力测量方法，通过对信号d2(t)反演，对信号的在频域的幅度和相位进行修正，得到更加精确的反演信号d2’(t)，从而使得测得的下落位移更接近于实际的被测落体的下落位移，能够显著减少测量次数，得到更加精确的重力加速度。
下面结合图5-图9，对本发明的绝对重力测量方法和装置进行示例性说明。
时间采集单元801采用高精度铷钟进行计时，并采用同步触发信号保证光学干涉仪802和测振单元803同步测量。当被测落体在真空腔内做自由落体运动时，光学干涉仪802检测被测落体相对于参考棱镜的下落位移信号d1(t)，并将信号d1(t)发送给上位机804。测振单元803检测参考棱镜随地面振动的位移的信号d2(t)并发送给上位机804。
上位机804的测试模块8041对测振单元803进行测试。将测试信号x(t)输入测振单元803，得到相应的输出信号y(t)，利用快速傅里叶变换方法，将时域信号x(t)和y(t)变换为频域信号X(f)和Y(f)，进而得到测振单元803的传递函数H(f)。根据地面振动的频率范围和测试精度要求，选取n个频点，得到每个频点k的幅频特性Hk(f)和相频特性Φk(f)，其中1≤k≤n。将Hk(f)和Φk(f)保存，以便之后用于信号反演。
反演模块8042对信号d2(t)进行数字采集后乘以第一窗函数(例如，汉宁窗函数)，并采用快速傅里叶变换为频域信号D2(f)。在每个频点k上，反演模块8042将信号D2(f)的幅度值除以Hk(f)，相位值减去Φk(f)，进而得到修正后的频域信号D2’(f)，将信号D2’(f)乘以第二窗函数(例如汉宁窗函数)后进行快速傅里叶逆变换，将变换后得到的时域波形进行无缝拼接和基线修正，得到反演信号d2’(t)。
补偿计算模块8043利用反演信号d2’(t)对信号d1(t)进行补偿，得到被测落体相对于地面的位移信号d(t)；例如，在信号d(t)和t上分别选取三个时间点t1，t2和t3，对应三个位移点d(t1)，d(t2)和d(t3)，根据公式(1)利用最小二乘法拟合得到两次项系数，乘以2即为重力加速度g1。进行多次下落测试，以N次测试为例，得到加速度gi，其中1≤i≤N，对N次结果取平均值，即可得到重力加速度g的值。本领域技术人员可以了解的是，可以根据精度要求和实验情况，确定选取的时间点个数和测量的次数，以及如何利用最小二乘法拟合得到重力加速度g。
本发明的绝对重力测量方法和装置通过信号的反演，可以将参考棱镜相对于地面的位移实时补偿到被测落体的下落位移中，从而使得测得的下落位移更接近于实际的被测落体的下落位移，能够显著减少测量次数，得到更加精确的重力加速度。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。