技术领域
[0001] 本
发明涉及一种旋转加速度计重力梯度仪加速度计标度因子调整方法，尤其涉及一种旋转加速度计重力梯度仪加速度计标度因子一致性实时在线反馈调整方法。
背景技术
[0002] 地球重力场反映了地球表层和地球内部的
密度分布和物质运动状态，重力梯度反映的是重力场在空间的变化率，具有比重力更高的空间
分辨率，能够更加精确的反映场源体的细节。高
精度重力梯度测量对于空间科学、
地球科学、地质科学的发展以及在惯性导航等方面具有非常重要的意义，同时重力梯度测量被认为是资源勘探的最有效的手段之一，对于
基础地质调查、基础地质研究、大地测量、油气矿藏资源勘查等领域具有重要的应用前景，航空重力梯度测量对山区、无人区、海岛和沿海大陆架部分的基础数据获取具有重要应用价值。
[0003] 重力梯度
信号非常微弱，且受到地形、地质噪声、电气噪声和机械噪声等各种噪声的影响，特别是移动式重力梯度仪面临严峻的线加速度计和
角运动加速度等外部环境的影响，使得原本微弱的重力梯度信号更加难以获取，如何消除或降低这些干扰和噪声给科技工作者带来了很大挑战。
[0004] 旋转加速度计重力梯度仪测量原理如图1所示，四个加速度计相互
正交的安装在旋转圆盘上，加速度计敏感轴正切于圆盘边沿，相对的两只加速度计敏感轴方向相反。四只加速度计
输出信号经过加法-减法放大
电路进行信号组合和信号放大，最后经过滤波/梯度解调进行处理，最后得到此时的重力梯度分量；重力梯度仪在以角
频率为ω旋转状态下，四只加速度计输出信号组合基本输出信号形式为：
[0005]
[0006] 其中，K1、K2、K3、K4分别为加速度计A1、A2、A3、A4的标度因数，Γxx、Γyy、Γxy为圆盘中心处的三个重力梯度张量分量，R为圆盘中心到加速度计
质量中心的距离， 为圆盘旋转
角加速度，[a(K1-K2)+b(K3-K4)]和[b(K1-K2)+a(K3-K4)]分别为圆盘转速正余弦信号幅值，a,b为重力梯度仪与外部环境相关系数，f(cω)为与小于圆盘旋转频率ω的低频信号成分，c<1，f(dω)为与大于圆盘旋转频率ω的高频信号成分，d>1，由于转台不平稳产生的旋转角加速度 会带来的二倍频信号干扰，此
干扰信号频率与梯度信号频率一致，会严重影响梯度信号的精确性，只有通过调整加速度计标度因数，使得K1＝K2＝K3＝K4，消除圆盘旋转角加速度所引入的二倍频干扰信号，最终解调出高精度的重力梯度分量(Γxx–Γyy)和(–Γxy)。
发明内容
[0007] 技术问题：本发明的目的在于提高旋转加速度计重力梯度仪圆盘上四只加速度计标度因子的一致性，提出一种设计合理且能够实现加速度计标度因子实时在线反馈方法，可以快速实现四只加速度计标度因子的一致性，有利于提高重力梯度解调精度的旋转加速度计重力梯度仪加速度计标度因子反馈调整方法。
[0008] 技术方案：本发明的旋转加速度计重力梯度仪加速度计标度因子反馈调整方法，包括以下步骤：
[0009] 1)将四只高精度加速度计均匀正交放置在旋转圆盘上，相对两只加速度计的
输入轴方向相反，相邻两只加速度计的输入轴相互垂直，且四只加速度计的输入轴方向正切于圆盘边沿，其中加速度计A1和A2为一对，A3和A4为一对；将圆盘
坐标系设为东北天地理坐标系，记为OXYZ，原点为O，圆盘圆心位于坐标系原点，圆盘旋
转轴垂直于圆盘平面，旋转加速度计重力梯度仪的圆盘旋转角频率为ω；
[0010] 2)将加速度计A1、A2的输出信号和加速度计A3、A4的输出信号分别经过加法
放大器实现信号相加放大操作，将加法放大器的输出信号V12和V34经过减法放大器实现信号相减放大操作，得到输出信号E，所述加法放大器的输出信号V12与加速度计A1、A2对应，输出信号V34与加速度计A3、A4对应；
[0011] 3)将所述步骤2)中得到的信号V12和V34分别经过第一带通
滤波器BPF1和第二
带通滤波器BPF2实现信号滤波处理，然后将两个带通滤波器的输出信号分别转换为
数字信号，以参考信号sinωt为解调基准信号，将第一带通滤波器BPF1的数字信号解调得到幅值1，以参考信号cosωt为解调基准信号，将第二带通滤波器BPF2的数字信号解调得到幅值2，其中t为时间；
[0012] 同时将所述步骤2)中得到的信号E经过第三带通滤波器BPF3滤波处理后，将BPF3的输出信号转换为数字信号，以参考信号sinωst为解调基准信号，对所述的数字信号进行幅值解调得到幅值3，其中ωs为旋转加速度计重力梯度仪的圆盘摇摆角频率；
[0013] 4)将所述步骤3)中得到的三组解调后的幅值信号，分别用平滑滤波器进行平滑处理；
[0014] 5)将所述步骤4)中得到的三组平滑处理后的信号分别经过比例、微分积分
控制器PID1、PID2和PID3进行调节控制，得到三组调整加速度计标度因子的数字信号；
[0015] 6)将所述的三组调整加速度计标度因子的数字信号分别经过
数模转换，得到与所述三组幅值信号对应的三组模拟
电流信号；
[0016] 7)将所述步骤6)中得到的与幅值1对应的模拟电流信号反馈到第一加速度计A1的标度因数调整输入端口；将与幅值2对应的模拟电流信号反馈到第三加速度计A3的标度因数调整输入端口；将与幅值3对应的模拟电流信号反馈到位于第四加速度计A4的标度因数调整输入端口，所述的四个加速度计相互正交安装在旋转圆盘上，第一加速度计A1和第二加速度计A2关于圆盘中心对称设置，第三加速度计A3和第四加速度计A4关于圆盘中心对称设置，加速度计敏感轴正切于圆盘边沿，相对的两只加速度计敏感轴方向相反。
[0017] 进一步的，所述步骤3)中的第一带通滤波器BPF1、第二带通滤波器BPF2和第三带通滤波器BPF3均为四阶巴特沃斯
模拟滤波器，其中带通滤波器BPF1、BPF2的中心频率为ω/(2π)，过渡带带宽为2ω/(5π)，
通带带宽为ω/(5π)；带通滤波器BPF3的中心频率为ωs/(2π)，过渡带带宽为2ωs/(5π)，通带带宽为ωs/(5π)。
[0018] 进一步的，所述步骤3)中的参考信号sinωt、cosωt和sinωst均由数字
信号处理器芯片产生。
[0019] 本发明采用三组带通模拟滤波器分别对两组加法器输出信号和一组减法器输出信号进行滤波处理，然后对分别对滤波后的信号进行A/D转换、平滑滤波、PID调整和DAC模拟反馈信号输出，实现加速度计标度因数实时在线反馈调整，最终达到四只加速度计标度因数一致。
[0020] 有益效果：本发明与
现有技术相比，具有以下优点：
[0021] 本发明是采用三组模拟带通滤波器分别对两组加法器输出信号和一组减法器输出信号进行滤波处理，采用带通滤波器可以有效过滤掉低频漂移和高频干扰，比传统的采用
低通滤波器效果更优。带通滤波器输出后的梯度信号经过A/D转换、幅值解调、数据平滑、PID调整和D/A转换电路处理后，DAC输出的模拟电流信号反馈到相应的加速度计标度因数调整输入端，实现旋转加速度计重力梯度仪上加速度计标度因数在线实时调整，最后使得四只加速度计标度因数趋于一致，为高精度梯度信号解调提供保障。
附图说明
[0022] 图1为旋转加速度计重力梯度仪原理图。
[0023] 图2为加速度计标度因数在线反馈调整示意图。
[0024] 图3为带通滤波器电路原理图。
具体实施方式
[0025] 下面结合
实施例和
说明书附图对本发明作进一步地说明。
[0026] 本发明的旋转加速度计重力梯度仪加速度计标度因子调整方法具体流程步骤如下：
[0027] 1)将四只高精度加速度计均匀正交放置在旋转圆盘上，相对两只加速度计的输入轴方向相反，相邻两只加速度计的输入轴相互垂直，且四只加速度计的输入轴方向正切于圆盘边沿，其中加速度计A1和A2为一对，A3和A4为一对；将圆盘坐标系设为东北天地理坐标系，记为OXYZ，原点为O，圆盘圆心位于坐标系原点，圆盘
旋转轴垂直于圆盘平面，旋转加速度计重力梯度仪的圆盘旋转角频率为ω；
[0028] 2)将加速度计A1、A2的输出信号和加速度计A3、A4的输出信号分别经过加法放大器实现信号相加放大操作，将加法放大器的输出信号V12和V34经过减法放大器实现信号相减放大操作，得到输出信号E，所述加法放大器的输出信号V12与加速度计A1、A2对应，输出信号V34为与加速度计A3、A4对应；
[0029] 3)将所述步骤2)中得到的信号V12和V34分别经过第一带通滤波器BPF1和第二带通滤波器BPF2实现信号滤波处理，然后将两个带通滤波器的输出信号分别转换为数字信号，以参考信号sinωt为解调基准信号，将第一带通滤波器BPF1的数字信号解调得到幅值1，以参考信号cosωt为解调基准信号，将第二带通滤波器BPF2的数字信号解调得到幅值2；
[0030] 同时将所述步骤2)中得到的信号E经过第三带通滤波器BPF3滤波处理，然后将BPF3的输出信号转换为数字信号，以参考信号sinωst为解调基准信号，对所述的数字信号进行幅值解调得到幅值3，其中ωs为旋转加速度计重力梯度仪的圆盘摇摆角频率；
[0031] 4)将所述步骤3)中得到的三组解调后的幅值信号，分别用平滑滤波器进行平滑处理；
[0032] 5)将所述步骤4)中得到的三组平滑处理后的信号分别经过比例、微分积分控制器PID1、PID2和PID3进行调节控制，得到三组调整加速度计标度因子的数字信号；
[0033] 6)将所述的三组调整加速度计标度因子的数字信号分别经过数模转换，得到与所述三组幅值信号对应的三组模拟电流信号；
[0034] 7)将所述步骤6)中得到的与幅值1对应的模拟电流信号反馈到第一加速度计A1的标度因数调整输入端口；将与幅值2对应的模拟电流信号反馈到第三加速度计A3的标度因数调整输入端口；将与幅值3对应的模拟电流信号反馈到位于第四加速度计A4的标度因数调整输入端口，所述的四个加速度计相互正交安装在旋转圆盘上，第一加速度计A1和第二加速度计A2关于圆盘中心对称设置，第三加速度计A3和第四加速度计A4关于圆盘中心对称设置，加速度计敏感轴正切于圆盘边沿，相对的两只加速度计敏感轴方向相反。
[0035] 实施例：
[0036] 如图2所示，具体实施方式如下：
[0037] 所述加速度计标度因子反馈调整方法由三个反馈回路组成。第一反馈回路为：加速度计A1和加速度计A2输出信号经过加法放大器实现两信号相加操作，加法器1的输出信号V12依次经过BPF1、ADC、1倍频幅值解调、平滑滤波、PID1调整和DAC，DAC输出的模拟电流信号反馈给加速度计A1的标定因子调整端口；实现方法为：
[0038] 相对加速度计A1、A2经过加法器1相加后的输出信号形式为：
[0039]
[0040] 其中，f(c1ω)为与小于圆盘旋转频率ω的低频信号成分，c1<1，f(d1ω)为与大于圆盘旋转频率ω的高频信号成分，d1>1，a，b为一倍频信号幅值，K为信号放大倍数。输出信号V12经过带通滤波器，把低于圆盘旋转频率的低频信号和高于圆盘旋转频率的高频信号成分过滤掉，输出与圆盘旋转频率相同的信号，即：
[0041]
[0042] 然后带通滤波器输出信号经过A/D转换，转换成数字信号D12，对
采样到的数字信号D12进行幅值解调，解调公式为：
[0043]
[0044] 解调得到的幅值信号 经过平滑、PID控制器调整，变为较为稳定、精确的数值，然后经过D/A转换器，转换为模拟电流信号A12，
模拟信号A12反馈给加速度计A1的标度因子调整输入端，使加速度计A1的标度因子
跟踪加速度计A2的标度因子，最终实现加速度计A1与加速度计A2的标度因子一致，即：K1＝K2；
[0045] 第二反馈回路为：加速度计A3和加速度计A4输出信号经过加法放大器2实现两信号相加操作，加法器2的输出信号V34依次经过BPF2、ADC、1倍频幅值解调、平滑滤波、PID2调整和DAC，DAC输出的模拟电流信号反馈给加速度计A3的标定因子调整端口；实现方法为：
[0046] 相对加速度计A3、A4经过加法器2相加后的输出信号形式为：
[0047]
[0048] 其中，其中，f(c2ω)为与小于圆盘旋转频率ω的低频信号成分，c2<1，f(d2ω)为与大于圆盘旋转频率ω的高频信号成分，d2>1，对加法器A3、A4输出信号V34进行带通滤波处理，把低于圆盘旋转频率的低频信号和高于圆盘旋转频率的高频信号成分过滤掉，输出与圆盘旋转频率相同的信号，即：
[0049]
[0050] 然后对滤波器输出信号进行A/D转换，转换成数字信号D34，对采样到的数字信号D34进行幅值解调，解调公式为：
[0051]
[0052] 解调得到的幅值信号 经过平滑、PID控制器调整，变为较为稳定、精确的数值，然后再经过D/A转换器，转换为模拟电流信号A34，模拟信号A34反馈给加速度计A3的标度因子调整输入端，使加速度计A3的标度因子跟踪加速度计A4的标度因子，最终实现加速度计A3与加速度计A4的标度因子一致，即：K3＝K4；
[0053] 第三反馈回路为：加法信号V12和V34经过减法放大器实现两信号相减操作，减法器的输出信号E依次经过BPF3、ADC、圆盘摇摆信号幅值解调、平滑滤波、PID3调整和DAC，DAC输出的模拟电流信号反馈给加速度计A4的标定因子调整端口；
[0054] 四只加速度计经过加法器、减法器后的输出信号形式为：
[0055]
[0056] 其中，f(ω)为与圆盘旋转频率ω相同的信号成分，从上式表达式可以看出，减法器输出信号中含有圆盘旋转角加速度信号 但角加速度信号是一种不平稳信号，里面含有各种频率成分信息，若含有两倍圆盘旋转频率信息且幅值较大，会严重干扰梯度信息的精确解调，必须消除此影响。而角加速度信号幅度是由四只加速度计标度因数组合而成，只要实现K4＝K2，再结合第一、第二反馈回路标度因数调整方法，就可以实现四只加速度计标度因数一致，实现方法是给圆盘施加小幅度高频摇摆信号，设定圆盘摇摆频率为ωs，摇摆振幅幅值为δ，即：δsinωst，此时圆盘旋转角加速度变为： 带入减法器输出信号表达式(7)，变为：
[0057]
[0058] 减法器输出信号经过带通滤波器，把低于摇摆频率的低频信号和高于摇摆频率的高频信号成分滤掉，剩下与摇摆频率相同的频率成分，即：
[0059]
[0060] 然后对滤波后的信号进行A/D转换，得到数字信号D，然后对其进行幅值解调，解调公式为：
[0061]
[0062] 解调得到的幅值信号 经过平滑、PID控制器调整，变为较为稳定、精确的数值，然后再经过D/A转换器，转换为模拟电流信号A1234，模拟信号A1234反馈给加速度计A4的标度因子调整输入端，使加速度计A4的标度因子跟踪加速度计A2的标度因子，最终实现加速度计A4与加速度计A2的标度因子一致，即：K4＝K2；从第一、二反馈调整回路中实现了K1＝K2，K3＝K4，而第三反馈回路实现K4＝K2，最终实现四只加速度计标度因子一致。
[0063] 所述步骤3)中的参考信号sinωt、cosωt均由DSP芯片产生，信号幅值解调参考信号sinωt、cosωt和sinωst由DSP芯片发出，但该数字解调功能并不局限于DSP芯片，利用其他数字处理器也可以实现数字信号幅值解调功能。
[0064] 所述步骤3)中的第一带通滤波器BPF1、第二带通滤波器BPF2和第三带通滤波器BPF3均为四阶巴特沃斯模拟滤波器，其中带通滤波器BPF1、BPF2的中心频率为ω/(2π)，过渡带带宽为2ω/(5π)，通带带宽为ω/(5π)；带通滤波器BPF3的中心频率为ωs/(2π)，过渡带带宽为2ωs/(5π)，通带带宽为ωs/(5π)。带通滤波电路由两个两阶巴特沃斯带通滤波器级联组成一个四阶巴特沃斯带通滤波器，如图3所示；第一级二阶带通滤波电路由
运算放大器A1，
电阻R1、R2、R3，电容C1、C2构成；第二级二阶带通滤波电路由运算放大器A2，电阻R4、R5、R6，电容C3、C4构成。
[0065] 利用本发明的加速度计标度因数在线反馈调整方法，可以精确实现实时在线高
稳定性、高精度的加速度计标度因数调整，实现四只加速度计标度因数高度一致性，实现高精度的梯度解调。
[0066] 应理解上述实施例仅用于说明本发明技术方案的具体实施方式，而不用于限制本发明的范围。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的
修改和替换均落于本
申请权利要求所限定的保护范围。
