实验分析的一个新的舰载重力梯度测量系统的性能

1介绍

重力梯度的二阶导数引力潜力,表明重力场的变化速度矢量在三维空间1],它可以更好地表达领域的综合信息来源(2]。重力梯度测量的历史可以追溯到1886年,当男爵·冯·罗兰的原则设计了重力梯度仪基于扭转规模平衡(3,重力梯度测量成为最早的石油勘探的手段。重力梯度技术被广泛应用于辅助导航、地质学和地球物理学、大地测量学等基础研究领域(4- - - - - -10由于技术进步)。

基于石英灵活旋转加速度计重力梯度系统技术是目前唯一的商业上可行的重力梯度测量系统,如Air-FTG和Marine-FTG由贝尔地球空间(现在洛克希德·马丁公司、美国),“猎鹰”系统,必和必拓(澳大利亚),和FTGeX ARKEX(英国)。都是旋转加速度计(11,12),大约10 E和不同分辨率精度取决于安装平台(如飞艇、飞机、潜艇、等等)。3年多来,重力gradiometry已经获得海外使用海洋船舶和陆地使用固定翼飞机。数据获得缓慢移动,大型船会比数据获得更高质量更高的速度在一架固定翼飞机13,14]。

一些重力梯度仪更高程度的精度,如静电悬浮重力梯度仪(15,16),超导重力梯度仪(17),和重力梯度系统基于原子干涉的原则(18),也取得了显著的进步,正接近实用性。例如,冷原子重力梯度仪由英国伯明翰大学的研究小组已经被用来探测地下空洞(19]。测量10多分钟后,灵敏度可达20 E (1 E = 10⁻⁹/秒²)。重力梯度的单位通常是在罗兰E),在1 E对应于一个引力差异10⁻¹⁰g两点之间间隔1米。

中国航空物探遥感中心的自然资源,和天津理工学院航海仪器各关键技术取得了重大突破beiginning以来的第11个五年计划在2006年。石英挠性加速度计的分辨率提高了 $1\times {10}^{-5}$ g $1\times {10}^{-9}$ g (20.,21),和中国第一个宇宙的可控重力梯度测量系统(药物)船载移动平台开发和船载测试。这里我们简要介绍这种新药物,实验室和船上测试的结果进行了评估系统的性能。

1.1重力梯度测量原理

重力梯度仪可以测量重力加速度的空间变化率。引力场是引力势的梯度向量U。在笛卡儿坐标系统,重力梯度张量T可以定义如下:

只有五个九的重力梯度是独立的组件,如地球外部重力场的满足拉普拉斯方程和梯度张量是对称的,即T_xy= T_yx,T_xz=T_zx,T_yz=T_zy,T_xx+T_yy+ T_zz= 0。

目前的主要重力梯度仪可用于移动平台测量可分为full-tensor重力梯度仪和partial-tensor重力梯度仪基于测量元素。核心组件测量重力梯度仪的重力梯度仪(GGI)。Air-FTG,三套GGIs安装在一个惯性稳定平台,是一个典型的仪器full-tensor测量。partial-tensor重力梯度仪,另一方面,措施部分组件或重力梯度的部分组件的组合,与“猎鹰”系统是一个典型的partial-tensor乐器。重力梯度仪的原理类似于“猎鹰”的系统,衡量重力梯度张量的水平分量(即,T_yy- - - - - -T_xx和T_xy)。x - y -,z相互重合的重力梯度测量坐标系统定义对应于当地地理坐标系的E(东)、N(向北),和U(天空)坐标,分别为,T_yy,T_xx,一个T_xy(T_xy=T_yx)对应T_神经网络,T_EE,T_不,分别。

GGI测量见的原则图1。四个加速度计,a1-a4,均匀分布在半径的一个圆盘子里R集中在一点O和旋转在指定的角速率。输入轴的加速度计是沿着切线方向旋转平面和垂直于旋转轴。

加速度计的输出与重力梯度如下(22]:

在哪里 $\omega$ 旋转频率和吗t是测量时间。加速度计输出信号的总和和差异表现在情商。2解调使用转动频率的两倍(即, $2\omega$ )信号中提取重力梯度信号(T_yy- - - - - -T_xx和T_xy)。

2重力梯度仪系统和实验室性能测试

2.1系统组件

新船载药物包括GGI、惯性稳定平台,缓冲阻尼装置,温度控制单元和供电单元。

舰载GGI重力梯度仪的核心部件,由三个主要部分:身体旋转,旋转的轴系统,旋转支撑架。高分辨率的加速度计、加速度计伺服电路板重力梯度测量电路板,加速度计温度控制董事会都是安装在旋转的身体。重力梯度传感器所示的形状图2。旋转的身体是加速度计的安装基座。四个加速度计是均匀和对称排列沿圆周旋转的身体,并集中在旋转轴。

惯性稳定平台(图3)是系统的关键部件之一,和它的主要功能是房子GGI,隔离载体角运动和跟踪当地地理坐标系,并提供一个动态环境,重力梯度仪的重力梯度传感器,以满足需求。稳定平台采用机械的主要计划安排计划的古典三环半解析惯性导航系统。加速度计的输出信息平台,结合初始速度和位置绑定信息的载体,是综合解决载体的速度和位置,并进一步求出修正后的角速度,这是跟踪稳定平台所需的地理坐标系统。这纠正角速度用于正确对应的光纤陀螺仪的输出数据的平台,并应用到平台通过稳定循环使平台坐标系跟踪地理坐标系统,没有占稳定循环的错误,这样当地的水平然后north-pointing惯性平台实现。

惯性稳定平台,GGI缓冲减震装置,温度控制装置和配电装置,重力梯度数据采集和处理系统,和运动补偿模块与机电接口都连接在新船上实施药物,以确保有效的沟通和系统组件之间的连接,并实现系统的重力梯度测量操作函数(图4)。

2.2实验室静态性能测试

实验室静态精度测试是组装后的第一个性能测试进行了舰载药物。静态精度试验采用引力质量激励方法。大量重力均匀梯度场励磁装置是用来进行测试。质量墙两边的重力梯度仪是高密度的身体,可以生成一个统一引力梯度场的空间梯度仪所在地。

实验室静态试验的原理图所示图5。静态工作与中心,高密度大规模的两堵墙,生成统一的重力梯度激发放置在左右的药物。两个质量墙沿着虚线中心或双方同时在测试期间,这样不同的重力梯度可以兴奋在不同位置相对于空间位置的药物。的静态测量精度可以确定药物通过比较之间的差异理论重力梯度激励两个位置和测量药物良好的梯度差异。

重力梯度仪的重力梯度励磁,它是由两个矩形质量从远端墙距离S2和梯度仪的距离从近端端S1,理论上可以计算(23)通过定义T_紫外线= (T_yy- - - - - -T_xx)/ 2,这样的变化T_紫外线信号是224 E的变化T_xy信号是0 e .质量墙壁都被感动了多次(7次)之间的远端和近端结束测试实验。的输出信号与连续记录3和20分钟在近端和远端,分别。系统稳定的平均价值在100年代作为信号输出值和输出信号的可重复性和准确性的输出信号在两个位置之间的差异计算为每个位置多次确定药物的静态测量精度。图6显示了药物的静态精度试验曲线,和表1,2静态精度测试数据统计列表。的T_紫外线和T_xy测量精度分别为7.22 3.58 E和E。结果表明,系统的静态测量精度优于7.22 E。

2.3实验室动态精度测试

实验室动态精度测试的药物类似于静态测试方法。然而,药物在动态精度测试并不是静止的,而是被放置在一个运动仿真平台模拟船的摇摆运动。测试网站所示图7。

身体运动过程和质量的休息位置是一样的在实验室静态试验,和固定的测量时间的远端和近端结束都是6分钟。运动模拟表模拟摇摆运动对大中型船舶在测试期间四海况下的水平。摇曳的频谱所示表3。图8显示了药物的动态精度测试曲线,和表4,5动态精度测试的数据统计列表。药物的量测精度优于9.09 E外部梯度励磁变化。

3船载测试

实验室测试完成后,然后我们把船上实施药物到可移动的容器形成移动实验室,便于运输和安装。移动实验室的温度和湿度控制在一定的范围内对重力梯度仪提供一个稳定的外部环境。我们固定移动实验室在船的甲板上,并完成了第一船载近海海域的海上测试中国的黄海。

调查网络由一个5×5线网格,用一个南北线(SN04 #)选择三个往返重复测量,一个南北线(SN03 #)一个往返重复测量,和一个东西行(EW04 #)往返重复测量。行间距5公里,南北和东西是30 - 40公里的长度,分别。这艘船的速度是10节(1结≈1.852 km / h)在测试期间。测试的地点调查网络和交集点所示图9。

3.1数据处理

获得的测试数据的原始输出数据包括重力梯度传感器,所获得的连续采样率800 -赫兹;惯性测量单元的输出运动信息数据在稳定平台上,所获得的连续采样率800 -赫兹;船的态度数据,获得的连续采样率200 - hz使用外部光纤花结;和GPS定位数据,得到一个连续的采样率100 - hz。走开测量模式采用船载测试期间,导航路径的一部分,具有连续均匀的速度和航向选为一个有效的测量线。

惯性测量组件的输出运动信息数据的稳定平台在数据处理中使用补偿的原始输出数据GGI垂直运动,重力梯度信号的解调,横向角速度补偿,并self-gradient赔偿。重力梯度测量获得的数据结果然后经过低通滤波补偿重力梯度输出数据的截止频率1/300 Hz(等效光谱分辨率750 (24])。数据处理流程图所示图10。

3.2精度评价

3.2.1重复测量精度评估

重力梯度数据的重复行测量调查网络比较内部整合,和相应的精度指数计算是基于现有的评价方法(重力测量重复行25]。均方根(RMS)测量误差线交点差异值作为主要的评价标准来衡量重力梯度仪的准确性。以确保数据出现的顺序是一致的文本,高亮显示的文本修改如下,内部协议的准确性T_紫外线和T_xy组件的重复行SN03 E@750m E@750m 23.2和20.4,分别为(图11 A, B)。内部协议的准确性T_紫外线和T_xy组件的重复行EW04 E@750m E@750m 23.4和20.8,分别为(图11 C, D)。三个六个重复测量沿SN04 #测线进行试航,如图所示图9。因为高数据噪声的三个重复行SN04,内部协议的准确性T_紫外线和T_xy组件的其他三个重复行28.2 e@750m和28.8 e@750m分别为(图11 E, F)。

所示的图11总的来说,内部协议的准确性T_xy是高于T_紫外线。虽然一些测量的特点和变化趋势曲线尤其是线不是很相似图11 c, E,我们认为这是一个信号失真引起的噪音数据,也就是说,仍有很多工作要做在提高数据的信噪比,包括更新数据处理方法,特别是在动态补偿算法的优化。

3.2.2内部整合精度评估的交集点

网格测量精度评估是基于均方残差的差异调查和领带的十字路口:

在哪里 ${\delta }_{我}$ 之间的区别吗我th测线和结线测量的交叉线,和N相交点的数量计算。

调查显示有23有效交点网格所示图9。调查行SN01 #和SN02 #弯曲EW05 #开始前,在低通滤波过程中导致精度降低;因此,这些交集点排除在评价。的精度T_紫外线和T_xy测量28.2 e@750m和26.8 @750m,分别。重力梯度的不同值的统计图的交集点所示图12。

4结论

新的舰载药物的工作原理充分验证后一系列的静态和动态测试,和船舶试航。的T_紫外线实验室静态试验的精度,以实验室为基础的动态振动台试验,和船载航行试验在动态条件下比7.22 E, 9.09 E,28.2 e@750m分别为,T_xy4.16比3.58 E, E和28.8 e@750m,分别。我们船上的精度指标实施药物达到相同的数量级与现有的商业工具。

接下来,我们将继续完善该系统的硬件水平提高加速度计的分辨率,使系统更加紧凑和轻。我们还将提高信噪比和测量精度的测量数据通过升级和优化运动补偿算法。我们只注意我们使用内部协议精度作为本文评价指标由于没有其他重力测量中的数据区域。下一步是进行评估的外部协议的准确性,结合现有的重力数据,并开发一个测量校准重力梯度测量的方法,这将提高的能力验证仪器的精度指标。

数据可用性声明

原始数据支持了本文的结论将由作者提供,没有过度的预订。

作者的贡献

生理和QS导致了这项研究的概念。所有作者的研究做出了巨大的贡献和批准提交的版本。

资金

作者感谢中国中国地质调查局地质调查项目(DD20191004)和合作研究和示范应用监测技术的雪,在亚洲高山冰川和地质灾害和北极(yfe0116800 21日)。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

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