动基座旋转加速度计重力梯度仪误差补偿装置及方法与流程

本发明涉及一种动基座旋转加速度计重力梯度仪误差补偿装置及方法，属于精密测量技术领域。

背景技术：

动基座重力梯度勘探是一种低成本、高效率的重力梯度勘探方法；是目前世界上最先进的重力场勘探方式。重力梯度数据广泛应用于地质分析、重力场建模、高精度导航、资源勘探等。重力梯度仪具有极其重要的国防、民用价值。目前国内外在研的重力梯度仪主要有冷原子重力梯度仪、超导重力梯度仪、mems重力梯度仪等。国外已经投入商业应用的重力梯度仪主要有旋转加速度计重力梯度仪及旋转超导加速度计重力梯度仪。我国的重力梯度仪样机正处于研制中。

在动基座重力梯度勘探时，由于重力梯度仪内部的加速度计存在安装误差、加速度计一阶、高阶标度系数不匹配、电路增益不匹配等，导致重力梯度仪的加速度，角速度，角加速度传递到重力梯度仪的输出，造成测量误差。同时重力梯度仪线运动、自梯度、角运动会引起重力梯度仪前端信号调理电路过电压饱和或损坏。本发明提供一种能够实时补偿重力梯度仪线运动误差、角运动误差、自梯度的装置及方法，目前没有关于重力梯度仪线运动误差、角运动误差实时补偿装置及技术的公开的报道。

技术实现要素：

技术问题：本发明提供一种能够反馈补偿重力梯度仪的加运动、角运动、自梯度引起的输出测量误差的动基座旋转加速度计重力梯度仪误差补偿装置，既能抑制温度、电磁场等环境因素对误差传递系数的影响，同时还能避免重力梯度仪的加速度、角速度、角加速度引起的重力梯度仪前端信号调理电路过电压饱和及过电压损坏。本发明同时提供一种具有以上效果、解决了以上问题的动基座旋转加速度计重力梯度仪误差补偿方法。

技术方案：本发明的动基座旋转加速度计重力梯度仪误差补偿装置，包括：

用于产生正交幅度调制载波的参考信号产生模块；

用于实时产生自梯度补偿信号的自梯度补偿信号产生模块；

用于实时产生重力梯度仪角运动误差补偿信号及检测重力梯度仪离心梯度的角运动误差补偿信号产生模块；

用于实时微调角运动误差传递系数的角运动误差传递系数处理模块；

用于实时产生重力梯度仪线运动误差补偿信号的线运动误差补偿信号产生模块；

用于实时微调线运动误差传递系数的线运动误差传递系数处理模块；

用于对安装在旋转圆盘上的加速度计的输出信号求和、求差运算的重力梯度仪加速度计信号处理模块；

用于实时调节加速度计标度系数的加速度计标度系数调节模块；

用于对含有角运动误差，线运动误差，自梯度的重力梯度信号进行补偿的补偿运算模块；

用于从补偿后的重力梯度仪信号解调输出重力梯度信号的重力梯度信号恢复模块；

所述参考信号产生模块的输出连接到自梯度补偿信号产生模块、角运动误差补偿信号产生模块、线运动误差补偿信号产生模块的输入；所述自梯度补偿信号产生模块、角运动误差补偿信号产生模块、线运动误差补偿信号产生模块、重力梯度仪加速度计信号处理模块的输出连接到补偿运算模块的输入；所述补偿运算模块的输出连接到加速度计标度系数调节模块、角运动误差传递系数处理模块、线运动误差传递系数处理模块、重力梯度信号恢复模块的输入；所述线运动误差传递系数处理模块的输出连接到线运动误差补偿信号产生模块的输入；所述角运动误差传递系数处理模块的输出连接到角运动误差补偿信号产生模块的输入；所述加速度计标度系数调节模块的输出连接到重力梯度仪加速度计信号处理模块的输入。

进一步的，本发明装置中，所述参考信号产生模块包括重力梯度仪旋转圆盘轴编码器和信号发生器；所述重力梯度仪旋转圆盘轴编码器检测重力梯度仪圆盘旋转的相位角φt，所述信号发生器根据相位角φt，产生正交幅度调制载波波sinφt，sin2φt，cosφt，cos2φt；

进一步的，本发明装置中，所述角运动误差传递系数处理模块包括角运动误差传递系数初值设置模块和角运动误差传递系数调节模块，所述角运动误差传递系数初值设置模块用于设置角运动误差传递系数初值：所述角运动误差传递系数调节模块根据反馈的补偿后的重力梯度仪信号产生调节量，微调角运动误差传递系数；角运动误差传递系数处理模块具有两种工作模式，调节模式和非条节模式，当工作在调节模式时，实时调节角运动误差传递系数；当工作在非调节模式时，角运动误差传递系保持不变。

进一步的，本发明装置中，所述的角运动误差补偿信号产生模块包括角运动误差传递系数输入模块、角运动检测模块、参考信号输入模块、角运动补偿信号产生模块、离心梯度检测模块；

所述角运动误差传递系数输入模块用于输入角运动误差传递系数；所述参考信号输入模块用于输入正交幅值调制载波；所述角运动检测模块包括角速率传感器和低通滤波器，用于检测重力梯度仪的角运动；所述角速率传感器安装在重力梯度仪测量坐标系的x轴，y轴，z轴，测量重力梯度仪测量坐标系的角速度ωx，ωy，ωz及角加速度ωax，ωay，ωaz；所述低通滤波器则滤除角速度、角加速度信号中的高频噪声；所述角运动补偿信号产生模块根据正交幅值调制载波、角运动误差传递系数、角加速度、角速度产生角运动误差补偿信号；所述离心梯度检测模块有两种工作模式，标定模式和非标定模式，在标定模式下，离心梯度检测单元输出检测的离心梯度，在非标定模式下，离心梯度检测单元无输出。

进一步的，本发明装置中，所述的角运动误差补偿信号产生模块具有三种工作模式，非补偿模式，正常模式，标定模式；非补偿模式下，产生的角运动误差补偿信号ca(t)为：

ca(t)＝0；

在正常模式下，产生的角运动误差补偿信号ca(t)为：

在标定模式下，产生的角运动误差补偿信号ca(t)为：

式中sin2φt，cos2φt，sinφt，cosφt为t时刻输入角运动误差补偿信号产生模块的正交幅度调制载波；表示t时刻输入角运动误差补偿信号产生模块的角运动误差传递系数；ωx(t)，ωy(t)，ωz(t)，ωax(t)，ωay(t)，ωaz(t)表示t时刻输入角运动误差补偿信号产生模块的角运动信号。

进一步的，本发明装置中，所述线运动误差传递系数处理模块包括线运动误差传递系数初值设置模块和线运动误差传递系数调节模块，所述线运动误差传递系数初值设置模块用以设置线运动误差传递系数初值：所述线运动误差传递差系数调节模块根据反馈的补偿后的重力梯度仪信号产生调节量和微调线运动误差传递系数；线运动误差传递系数处理模块具有两种工作模式，调节模式和非条节模式，当工作在调节模式时，实时调节线运动误差传递系数；当工作在非调节模式时，线运动误差传递系保持不变。

进一步的，本发明装置中，所述线运动误差补偿信号产生模块包括线运动检测模块、线运动误差传递系数输入模块、参考信号输入模块、线运动补偿信号产生模块，所述线运动检测模块包括加速度计和低通滤波器，用于检测重力梯度仪的加速度；所述加速度计安装在重力梯度仪测量坐标系的x轴，y轴，z轴，测量重力梯度仪测量坐标系的加速度ax，ay，az；所述低通滤波器则滤除加速度信号中的高频噪声；所述线运动误差传递系数输入模块用于输入线运动误差传递系数；所述参考信号产生模块用于输入正交幅值调制载波；所述线运动补偿信号产生模块根据输入的正交幅值调制载波、加速度信号、线运动误差传递系数产生线运动误差补偿信号。

进一步的，本发明装置中，所述线运动误差补偿信号产生模块具有两种工作模式：非补偿模式，补偿模式；非补偿模式下，产生的线运动补偿信号cl(t)为：

cl(t)＝0；

补偿模式下，产生的线运动补偿信号cl(t)为：

式中sin2φt，cos2φt，sinφt，cosφt为t时刻输入线运动误差补偿信号产生模块的正交幅度调制载波；表示t时刻输入线运动误差补偿信号产生模块的线运动误差传递系数；ax(t)，ay(t)，az(t)表示t时刻输入线运动误差补偿信号产生模块的加速度信号。

进一步的，本发明装置中，所述补偿运算模块根据自梯度补偿信号产生模块输出的自梯度补偿信号、线运动误差补偿信号产生模块产生的线运动误差补偿信号、角运动误差补偿信号产生模块产生的角运动误差补偿信号，对重力梯度仪加速度计信号处理模块产生的含有自梯度误差、线运动误差、角运动误差的输出进行补偿。

本发明的动基座旋转加速度计重力梯度仪误差补偿方法，包括以下步骤：

1)根据反馈的补偿后的重力梯度仪信号及线运动误差传递系数处理模块的工作模式，计算t时刻的线运动误差传递系数：

调节模式：非调节模式：

式中表示t时刻的线运动误差传递系数，表示t-1时刻的线运动误差传递系数；gc(t-1)表示t-1时刻补偿后的重力梯度仪信号；f1(gc(t-1))是t时刻线运动误差传递系数的微调量，它是gc(t-1)的函数；

根据反馈的补偿后的重力梯度仪信号及角运动误差传递系数处理模块的工作模式，计算t时刻的角运动误差传递系数：

调节模式：非调节模式：

式中表示t时刻的角运动误差传递系数，表示t-1时刻的角运动误差传递系数；gc(t-1)表示t-1时刻补偿后的重力梯度仪信号；f2(gc(t-1))表示t时刻角运动误差传递系数的微调量，它是gc(t-1)的函数；t＝0时刻的线运动误差传递系数角运动误差传递系数均通过标定得到；

根据反馈的补偿后的重力梯度仪信号，计算t时刻的加速度计标度系数：

式中表示安装在旋转圆盘上的四只加速度计在t时刻的标度系数，表示安装在旋转圆盘上的四只加速度计在t-1时刻的标度系数；gc(t-1)表示t-1时刻补偿后的重力梯度仪信号；f3(gc(t-1))表示t时刻加速度计标度系数的调节量，它是gc(t-1)的函数；

2)检测旋转加速度计重力梯度仪旋转圆盘在t时刻的相位角φt，计算t时刻的正交幅度调制载波sinφt，sin2φt，cosφt，cos2φt；检测旋转旋转加速度计重力梯度仪在t时刻的加速度ax(t)，ay(t)，az(t)；检测旋转加速度计重力梯度仪在t时刻的角速度及角加速度ωx(t)，ωy(t)，ωz(t)，ωax(t)，ωay(t)，ωaz(t)；

根据下式计算t时刻的3类线运动误差补偿信号cl1(t)，cl2(t)，cl3(t)：

根据下式计算t时刻的3类角运动误差补偿信号ca1(t)，ca2(t)，ca3(t)：

3)根据线运动误差补偿信号产生模块的工作模式，计算t时刻的总的线运动误差补偿信号cl(t)：

非补偿模式时，cl(t)＝0；

补偿模式时，cl(t)＝cl1(t)+cl2(t)+cl3(t)；

根据角运动误差补偿信号产生模块的工作模式，计算t时刻总的角运动误差补偿信号ca(t)：

非补偿模式时，ca(t)＝0；

正常模式时，ca(t)＝ca1(t)+ca2(t)+ca3(t)；

标定模式时，ca(t)＝ca2(t)+ca3(t)；

根据自梯度补偿信号产生模块的工作模式，计算t时刻的自梯度补偿信号csg(t)：

补偿模式时，

在非补偿模式时，csg(t)＝0；

式中是t时刻重力梯度仪的姿态角，p是自梯度模型的参数，是自梯度模型的inline通道的输出，它是姿态角的函数，是自梯度模型的cross通道的输出，它是姿态角的函数；

4)对t时刻含有线运动误差、角运动误差、自梯度的重力梯度仪信号g(t)，根据下式进行线运动误差补偿、角运动误差补偿、自梯度补偿；

gc(t)＝g(t)-cl(t)-csg(t)-ca(t)

式中gc(t)是t时刻补偿后的重力梯度仪信号，g(t)是t时刻含有线运动误差、角运动误差、自梯度的重力梯度仪信号，cl(t)是t时刻的线运动误差补偿信号，csg(t)是自梯度补偿信号，ca(t)是角运动误差补偿信号。

在动基座重力梯度勘探时，由于重力梯度仪内部的加速度计存在安装误差、加速度计一阶、高阶标度系数不匹配、电路增益不匹配等，导致重力梯度仪的加速度，角速度，角加速度传递到重力梯度仪的输出，造成测量误差，此外重力梯度仪的线运动误差传递系数、角运动误差传递系数容易受温度、电磁场等环境因素的影响。同时重力梯度仪的加速度，角速度，角加速度会引起重力梯度仪前端信号调理电路过电压饱和，或过电压损坏，本发明能够解决以上问题。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明是首次给出旋转加速度计重力梯度仪线运动误差、角运动误差、自梯度实时补偿装置及方法。本发明提供一种能够对重力梯度仪线运动误差、角运动误差、自梯度进行实时补偿的装置和方法，它根据反馈的补偿后的重力梯度仪信号实时微调角运动误差传递系数、线运动误差传递系数、加速度计标度系数，能够抵消重力梯度仪环境因素比如温度、磁场等对重力梯度仪线运动误差传递系数、角运动误差传递系数、标度系数的影响，能够补偿重力梯度仪线运动、角运动、自梯度引起的测量误差，提高重力梯度仪的测量精度。同时，对重力梯度仪线运动误差、角运动误差、自梯度信号进行了正交幅值调制，直接补偿重力梯度仪解调前的信号，因此还能够解决由于重力梯度仪加速度、角速度等引起的前端信号调理电路过电压饱和，过电压损坏问题。

附图说明

图1一种旋转加速度计重力梯度仪误差实时补偿装置原理图。

图2参考信号产生模块原理图。

图3线运动误差传递系数处理模块及角运动误差传递系数处理模块原理图。

图4角运动误差补偿信号产生模块及线运动误差补偿信号产生模块原理图。

图5角速度率传感器、加速度计安装示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步地说明。

如图1所示，本发明一种动基座旋转加速度计重力梯度仪误差补偿装置，包括：用于产生正交幅度调制载波的参考信号产生模块；用于实时产生自梯度补偿信号的自梯度补偿信号产生模块；用于实时产生重力梯度仪角运动误差补偿信号的角运动误差补偿信号产生模块，该模块还能检测重力梯度仪敏感的离心梯度；用于实时微调角运动误差传递系数的角运动误差传递系数处理模块；用于实时产生重力梯度仪线运动误差补偿信号的线运动误差补偿信号产生模块；用于实时微调线运动误差传递系数的线运动误差传递系数处理模块；用于对安装在旋转圆盘上的加速度计的输出信号求和、求差运算的重力梯度仪加速度计信号处理模块；用于实时调节加速度计标度系数的加速度计标度系数调节模块；用于对含有角运动误差，线运动误差，自梯度的重力梯度信号进行补偿的补偿运算模块；用于从补偿后的重力梯度仪信号解调输出重力梯度信号的重力梯度信号恢复模块；

所述参考信号产生模块的输出连接到自梯度补偿信号产生模块、角运动误差补偿信号产生模块、线运动误差补偿信号产生模块的输入；所述自梯度补偿信号产生模块、角运动误差补偿信号产生模块、线运动误差补偿信号产生模块、重力梯度仪加速度计信号处理模块的输出连接到补偿运算模块的输入；所述补偿运算模块的输出连接到加速度计标度系数调节模块、角运动误差传递系数处理模块、线运动误差传递系数处理模块、重力梯度信号恢复模块的输入；所述线运动误差传递系数处理模块的输出连接到线运动误差补偿信号产生模块的输入；所述角运动误差传递系数处理模块的输出连接到角运动误差补偿信号产生模块的输入；所述加速度计标度系数调节模块的输出连接到重力梯度仪加速度计信号处理模块的输入。

如图2所示，所述参考信号产生模块包括重力梯度仪旋转圆盘轴编码器和信号发生器；所述重力梯度仪旋转圆盘轴编码器检测重力梯度仪圆盘旋转的相位角φt，所述信号发生器根据相位角φt，产生正交幅度调制载波波sinφt，sin2φt，cosφt，cos2φt；

如图3(a)所示，所述角运动误差传递系数处理模块，由角运动误差传递系数初值设置模块，角运动误差传递系数调节模块组成；所述角运动误差传递系数初值设置模块，用于设置角运动误差传递系数初值：所述角运动误差传递差系数调节模块，根据反馈的补偿后的重力梯度仪信号产生调节量，微调角运动误差传递系数；角运动误差传递系数处理模块具有两种工作模式，调节模式和非条节模式，当工作在调节模式时，实时调节角运动误差传递系数；当工作在非调节模式时，角运动误差传递系保持不变。

如图4(b)所示，所述的角运动误差补偿信号产生模块由角运动误差传递系数输入模块，角运动检测模块，参考信号输入模块，角运动补偿信号产生模块，离心梯度检测模块组成；所述角运动误差传递系数输入模块用于输入角运动误差传递系数；所述参考信号输入模块用于输入正交幅值调制载波；所述角运动检测模块由角速率传感器及低通滤波器组成，用于检测重力梯度仪的角运动；如图5所示，所述角速率传感器安装在重力梯度仪测量坐标系的x轴，y轴，z轴，测量重力梯度仪测量坐标系的角速度ωx，ωy，ωz及角加速度ωax，ωay，ωaz；所述低通滤波器则滤除角速度、角加速度信号中的高频噪声；所述角运动误差产生模块根据正交幅值调制载波，角运动误差传递系数，角加速度，角速度，产生角运动误差补偿信号；所述离心梯度检测模块，有两种工作模式，标定模式和非标定模式，在标定模式下，离心梯度检测单元输出检测的离心梯度，在非标定模式下，离心梯度检测单元无输出；。

所述的角运动误差补偿信号产生模块具有三种工作模式，非补偿模式，正常模式，标定模式；非补偿模式下，产生的角运动误差补偿信号ca(t)为：

ca(t)＝0；

在正常模式下，产生的角运动误差补偿信号ca(t)为：

在标定模式下，产生的角运动误差补偿信号ca(t)为：

式中sin2φt，cos2φt，sinφt，cosφt为t时刻输入角运动误差补偿信号产生模块的正交幅度调制载波；表示t时刻输入角运动误差补偿信号产生模块的角运动误差传递系数；ωx(t)，ωy(t)，ωz(t)，ωax(t)，ωay(t)，ωaz(t)表示t时刻输入角运动误差补偿信号产生模块的角运动信号；

如图3(b)所示，所述线运动误差传递系数处理模块，由线运动误差传递系数初值设置模块，线运动误差传递系数调节模块组成；所述线运动误差传递系数初值设置模块，设置线运动误差传递系数初值：所述线运动误差传递差系数调节模块，根据反馈的补偿后的重力梯度仪信号产生调节量，微调线运动误差传递系数；线运动误差传递系数处理模块具有两种工作模式，调节模式和非条节模式，当工作在调节模式时，实时调节线运动误差传递系数；当工作在非调节模式时，线运动误差传递系保持不变；

如图4(a)所示，所述线运动误差补偿信号产生模块由线运动检测模块，线运动误差传递系数输入模块，参考信号输入模块，组成；所述线运动检测模块由加速度计，低通滤波器组成，用于检测重力梯度仪的加速度；如图5所示，所述加速度计安装在重力梯度仪测量坐标系的x轴，y轴，z轴，测量重力梯度仪测量坐标系的加速度ax，ay，az；所述低通滤波器则滤除加速度信号中的高频噪声；所述线运动误差传递系数输入模块，用于输入线运动误差传递系数；所述参考信号产生模块用于输入正交幅值调制载波；所述线运动补偿信号产生模块根据输入的正交幅值调制载波，加速度信号，线运动误差传递系数产生线运动误差补偿信号。

所述线运动误差补偿信号产生模块具有两种工作模式：非补偿模式，补偿模式；非补偿模式下，产生的线运动补偿信号cl(t)为：

cl(t)＝0；

补偿模式下，产生的线运动补偿信号cl(t)为：

式中sin2φt，cos2φt，sinφt，cosφt为t时刻输入线运动误差补偿信号产生模块的正交幅度调制载波；表示t时刻输入线运动误差补偿信号产生模块的线运动误差传递系数；ax(t)，ay(t)，az(t)表示t时刻输入线运动误差补偿信号产生模块的加速度信号。

所述补偿运算模块，根据自梯度补偿信号产生模块输出的自梯度补偿信号，线运动误差补偿信号产生模块产生的线运动误差补偿信号，角运动误差补偿信号产生模块产生的角运动误差补偿信号，对重力梯度仪加速度计信号处理模块产生的含有自梯度误差、线运动误差、角运动误差的输出进行补偿；

本发明的一种动基座旋转加速度计重力梯度仪误差补偿方法，包括以下步骤：

1)根据反馈的补偿后的重力梯度仪信号及线运动误差传递系数处理模块的工作模式，计算t时刻的线运动误差传递系数：

调节模式：非调节模式：

式中表示t时刻的线运动误差传递系数，表示t-1时刻的线运动误差传递系数；gc(t-1)表示t-1时刻补偿后的重力梯度仪信号；f1(gc(t-1))是t时刻线运动误差传递系数的微调量，它是gc(t-1)的函数；

根据反馈的补偿后的重力梯度仪信号及角运动误差传递系数处理模块的工作模式，计算t时刻的角运动误差传递系数：

调节模式：非调节模式：

式中表示t时刻的角运动误差传递系数，表示t-1时刻的角运动误差传递系数；gc(t-1)表示t-1时刻补偿后的重力梯度仪信号；f2(gc(t-1))表示t时刻角运动误差传递系数的微调量，它是gc(t-1)的函数；t＝0时刻的线运动误差传递系数角运动误差传递系数通过标定得到；

根据反馈的补偿后的重力梯度仪信号，计算t时刻的加速度计标度系数：

式中表示安装在旋转圆盘上的四只加速度计在t时刻的标度系数，表示安装在旋转圆盘上的四只加速度计在t-1时刻的标度系数；gc(t-1)表示t-1时刻补偿后的重力梯度仪信号；f3(gc(t-1))表示t时刻加速度计标度系数的调节量，它是gc(t-1)的函数；

2)检测旋转加速度计重力梯度仪旋转圆盘在t时刻的相位角φt，计算t时刻的正交幅度调制载波sinφt，sin2φt，cosφt，cos2φt；检测旋转旋转加速度计重力梯度仪在t时刻的加速度ax(t)，ay(t)，az(t)；检测旋转加速度计重力梯度仪在t时刻的角速度及角加速度ωx(t)，ωy(t)，ωz(t)，ωax(t)，ωay(t)，ωaz(t)；

根据下式计算t时刻的3类线运动误差补偿信号cl1(t)，cl2(t)，cl3(t)：

根据下式计算t时刻的3类角运动误差补偿信号ca1(t)，ca2(t)，ca3(t)：

3)根据线运动误差补偿信号产生模块的工作模式，计算t时刻的总的线运动误差补偿信号cl(t)：

非补偿模式时，cl(t)＝0；

补偿模式时，cl(t)＝cl1(t)+cl2(t)+cl3(t)；

根据角运动误差补偿信号产生模块的工作模式，计算t时刻总的角运动误差补偿信号ca(t)：

非补偿模式时，ca(t)＝0；

正常模式时，ca(t)＝ca1(t)+ca2(t)+ca3(t)；

标定模式时，ca(t)＝ca2(t)+ca3(t)；

根据自梯度补偿信号产生模块的工作模式，计算t时刻的自梯度补偿信号csg(t)：

补偿模式时，

在非补偿模式时，csg(t)＝0；

式中是t时刻重力梯度仪的姿态角，p是自梯度模型的参数，是自梯度模型的inline通道的输出，它是姿态角的函数，是自梯度模型的cross通道的输出，它是姿态角的函数；

4)对t时刻含有线运动误差、角运动误差、自梯度的重力梯度仪信号g(t)，根据下式进行线运动误差补偿、角运动误差补偿、自梯度补偿；

gc(t)＝g(t)-cl(t)-csg(t)-ca(t)

式中gc(t)是t时刻补偿后的重力梯度仪信号，g(t)是t时刻含有线运动误差、角运动误差、自梯度的重力梯度仪信号，cl(t)是t时刻的线运动误差补偿信号，csg(t)是自梯度补偿信号，ca(t)是角运动误差补偿信号。