旋转加速度计重力梯度仪加速度计标度因数实时反馈调整方法_钱学武

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中国惯性技术学报
第 24 卷
比例参数调整，调整输出量经过 D/A 转换器转换为电 流信号，反馈给加速度计 A1 的标度因数调整输入端， 实现加速度计 A1 的标度因数 K11 跟踪加速度计 A2 的标 度因数 K12。同理，对另外一对加速度计输出信号之 和(A3+A4)进行 1 倍频余弦信号幅值解调，得到含有相 对 加 速 度 计 标 度 因 数 之 差 的 常 数 项 (K13K14)(aox+ gox)。该常数通过模糊 PID 控制器进行比例参数调整， 调整输出量经过 D/A 转换器转换为电流信号，反馈给 加速度计 A3 的标度因数调整输入端，实现加速度计 A3 的标度因数 K13 跟踪加速度计 A4 的标度因数 K14。 如果圆盘旋转不稳定引入旋转角加速度信号， 且角 加速度信息中含有圆盘旋转的二倍频信息， 可以采用施 加给旋转电机一个高频摇摆信号的方法。 假设摇摆信号 频率为 ωs，摇摆信号幅度为 θs，此时 GGI 输出信号中 含有摇摆信号成分为(K11+K12K13K14)Rθsime feedback adjusting methods for accelerometer scale factor in gravity gradiometer of rotating accelerometer
QIAN Xue-wu, CAI Ti-jing
(School of Instrument Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China) Abstract: High-precision measurement in gravity gradiometer of rotating accelerometer encounters severe challenge when exists such factors as the instability of the platform, the limited accuracy of the rotating mechanism, the accelerometer’s misalignment, the inconsistency of accelerometer’s scale factors and other noises. Among these factors, the accelerometer scale-factor mismatching plays a decisive role. This paper proposes an algorithm to solve this problem. Firstly, the band-passing filters are used to filter the output signals of the two opposing accelerometers and the total output signal of the GGI, respectively. Secondly, the output signals of filters are demodulated, and then, three demodulation results are smoothed. At last, the scale factor with the Fuzzy-PID feedback algorithm is adjusted. Experiment results by the proposed method prove that the inconsistency of the scale factors of four accelerometers on GGI can be dramatically improved, the adjustment level of the scale factor unbalances between the accelerometers pairs can reach 107, and the adjustment level of the scale factor balance of two pairs of accelerometers can reach 105, which show that the precision of gradient signal can be improved. Key words: gravity gradiometer; rotating accelerometer; accelerometer factor adjusting; band-passing filter 重力梯度测量对于能源勘探、地球地质科学等方 面具有非常重要的意义
第 24 卷第 2 期 2016 年 4 月 文章编号： 1005-6734(2016)02-0148-06
中国惯性技术学报 Journal of Chinese Inertial Technology
Vol.24 No.2 Apr. 2016 doi: 10.13695/ki.12-1222/o3.2016.02.002
yy xx
xy
( A1 A2 ) ( A3 A4 )
图1 Fig.1
旋转加速度计重力梯度仪测量原理
Schematic of the rotating accelerometer GGI
4 只加速度计组合输出信号表达式为
A1 A2 A3 A4
cos t ( K11 K12 )(aoy g oy ) ( K13 K14 )(aox g ox ) sin t ( K11 K12 )(aox g ox ) ( K13 K14 )(aoy g oy ) ( K11 K12 ) ( K13 K14 ) R R K11 K12 K13 K14 1 2 yy xx sin 2t xy cos 2t
[1-2]
力梯度仪、超导重力梯度仪和冷原子干涉重力梯度仪 等[3]。其中，旋转加速度重力梯度仪是唯一成功用于 机载/船载动机座， 并投入商业运行的重力梯度测量仪 器。基于旋转加速度计重力梯度测量工作原理，Bell
。从 20 世纪 70 年代开始，
国外科研机构研制了多种不同工作原理的重力梯度 仪，如旋转重力仪、旋转加速度重力梯度仪、静电重
第2期
钱学武等：旋转加速度计重力梯度仪加速度计标度因数实时反馈调整方法
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Aerospace 公司(现在已并入 Lockheed Martin 公司)与 BHP Billiton 公司联合研制的部分梯度张量航空重力 梯度测量系统 FALCON 以及 Lockheed Martin 公司生 产的全张量重力梯度测量系统 Air-FTGTM 都进行了大 量的能源勘探工作，在航空重力勘探领域取得良好效 果[4-5]。目前，重力梯度仪 FALCON、Air-FTGTM 的静 态 噪 声 密 度 能 达 到 的 最 好 水 平 分 别 为 3E/√Hz 、 11E/√Hz (1E=109/s2)。Lee 指出，如果要真正实现能 源勘探，重力梯度仪噪声密度不能高于 14E/√Hz[6-7]。 国内部分科研院所已对旋转加速度计重力梯度仪进行 了相关研究，并已有重力梯度仪样机出现，但由于各 种原因，重力梯度测量精度仍然较低[8-10]。 旋转加速度计重力梯度仪是将四只 （或八只） 加速 度计对称、 正交安装在旋转圆盘上， 加速度计敏感轴方 向与圆盘边沿相切， 相对的两只加速度计敏感轴方向相 反， 圆盘旋转轴与圆盘垂直并穿过圆盘中心。 采用这种 配置方式， 一方面可以抑制圆盘的线加速度和圆盘旋转 角加速度，另一方面可以提高重力梯度信号信噪比。 然而，地表重力梯度异常非常微弱，局部重力梯度异 常更小，通常在十几到几百个 E，旋转加速度计重力 梯度仪采用高精度、高分辨率加速度计作为引力敏感 器实现重力梯度测量，若在相距 10 cm 的两点之间探 测到 1E 的重力梯度变化，理论上要求单个加速度计 分辨率要达到 1011g，如此高的分辨率对加速度计制 造和加工工艺水平构成了严峻挑战。旋转加速度计重 力梯度仪通过圆盘旋转把重力梯度信号频谱转移到高 频上，降低了对加速度计的分辨率要求，可以有效提 高重力梯度测量能力。影响重力梯度测量精度的主要 因素是加速度计标度因数一致性和平台稳定性，其中 加速度计标度因数一致性程度直接影响重力梯度解调 精度。如果要实现 1E 的梯度测量精度，要求相对两 只加速度计标度因数一致性匹配程度要达到 107 量 级，两对加速度计标度因数一致性程度小于 105 [10]。 为了提高重力梯度测量精度，诸多学者提出了加 速度计标度因数匹配方案。 Metzger E H 首次提出采用 反馈调整方法对三只加速度计标度因数进行调整， 随后 O'keefe 等人给出了加速度计内部结构改进方案，并提 出了同时对四只加速度计标度因数实时调整方案[11-12]。 本文针对旋转加速度计重力梯度仪加速度计标度因数 调整控制算法，提出先采用带通滤波器对相对两只加 速度计的加法信号和重力梯度仪总输出信号分别进行 滤波处理，然后对滤波器的输出信号分别进行 A/D 转 换，在相应频率处对 ADC 的输出信号进行幅值解调 和平滑处理，最后通过模糊 PID 控制器实现加速度计 标度因数反馈调整。通过计算机模拟仿真证明，采用 该方法可以快速实现加速度计标度因数一致性调整。
旋转加速度计重力梯度仪加速度计标度因数实时反馈调整方法
钱学武，蔡体菁
（东南大学 仪器科学与工程学院，南京 210096） 摘要：旋转加速度计重力梯度仪在实际工作过程中，由于平台稳定性、旋转机构控制精度、敏感器安装误 差、加速度计标度因数匹配性以及其他噪声源的存在，对高精度重力梯度测量构成严峻挑战。在诸多影响 因素中，加速度计标度因数的不一致性对测量精度影响最大。本文提出一种旋转加速度计重力梯度仪加速 度计标度因数实时反馈调整方法，旨在提高获取重力梯度信号的能力。该方法首先对相对两只加速度计的 和输出信号以及重力梯度仪总输出信号分别进行带通滤波，然后对滤波器输出信号中含有加速度计标度因 数不平衡信息信号进行幅值解调，对三组解调结果分别进行平滑处理，采用模糊 PID 控制算法实时反馈调 整加速度计内部的电磁线圈力矩，达到调整加速度计标度因数的目的。实验测试分析表明，采用模糊 PID 反馈调整算法可以快速实现四只加速度计标度因数一致，相对两只加速度计标度因数调整量级可以达到 107，两对加速度计标度因数的调整量级可以达到 105，提高了获取重力梯度信息的能力。 关 键 词：重力梯度仪；旋转加速度计；标度因数调整；带通滤波器 文献标志码：A 中图分类号：U666.1