根据重力测量稳定平台的需求,开展大负载、高刚度稳定回路的设计,提出了具体的控制方案,介绍了平台系统的硬件实现.对稳定平台进行了静态实验、摇摆实验航空飞行实验,结果表明,在最大干扰力矩的作用下,稳定回路的控制精度达到了±10.5",平台角速率衰减能力优于60dB,回路运行稳定可靠,满足重力测量要求.
将人工质量体产生的引力以及引力梯度变化的正演计算方法和结论作为精确给定重力和重力梯度变化量的数学基础,可用于测试和标定重力梯度测量装置.与正方形人工质量体相比,球形质量体产生的引力变化量近似于球体全部质量位于球心位置上的点源作用,便于计算和应用.为此,采用球状人工质量体作为引力激励的分析对象,形成正演计算方法.
为了有效地消除海洋重力异常测量值中存在的噪声干扰,提高重力异常值测量的精度,采用FIR数字低通滤波技术可以有效的剔除重力异常测量信号中包含的高频噪声成分,最大程度的还原真实重力异常值.本文重点介绍了数字滤波器的原理和设计方法,利用傅里叶变换分析测量信号中所包含的真实重力信号和噪声信号在不同频率下的分布和强度.在对原始重力异常值测量信号进行频谱分析的基础之上,提出利用频率采样的方法设计符合重力信号特点的低通滤波器,并结合已有的重力异常值测量数据对该方法进行实验验证.结果表明,利用该方法设计的滤波器可以有效地剔除高频噪声成分,滤波结果与标准值的误差在0~1mGal范围内.
重力梯度仪平台当环境温度在0~40℃范围内变化时,要求其内部的重力梯度测量装置能始终工作在30℃左右.这需要用到双向温控技术,将半导体制冷应用于重力仪平台.文中介绍了双向温控结构设计的整个过程,给出了制冷功率的确定方法,阐述了隔热保温对温控精度、温控功率及系统体积的影响,分析了风路设计的关键点,总结了散冷、散热风机各自选取的原则和风路设计方法,并利用热仿真分析验证了设计的合理性.该设计达到了系统总体要求,满足重力仪平台高精度工作的环境要求.
高分辨率加速度计是重力梯度测量的核心传感器,其中石英挠性加速度计是目前重力梯度测量中主要使用的加速度计,对其噪声性能有严格的要求.为此提出一种新型基于交流恒压激励的差分电容检测原理的石英挠性加速度计低噪声伺服前放电路,在此基础上,结合加速度计表体参数和伺服线路校正参数,研制出完整的伺服线路.在系统工作频率上对伺服系统带来的噪声影响做出定量分析,其对系统的总体噪声影响约为1.0×10-10g/√Hz(0.5Hz),可以满足10E以上分辨率的重力梯度测量需要.
陀螺漂移是影响重力测量惯性稳定平台精度的主要误差源.为了保证稳定平台的性能,需要对陀螺漂移进行标定,并用标定结果对稳定平台进行补偿.笔者提出了一种利用惯性稳定平台的几何稳定状态标定陀螺漂移的方法,建立了稳定平台几何稳定状态的运动微分方程,推导出以陀螺仪漂移模型系数为状态变量的系统方程,以平台上加速度计的输出为观测量,采用扩展卡尔曼滤波器对陀螺仪漂移系数进行估计.仿真实验的结果表明,新的陀螺漂移标定方法是有效和准确的,常值漂移估计误差不超过0.7%,与加速度成比例漂移估计误差不超过1%,与加速度平方成比例的漂移估计误差不超过2%.
主要介绍了高精度加速度计温度特性和温补方法,从理论上分析了温度对加速度计输出特性影响的机理,通过试验给出了加速度计输出模型温度系数.为了了解加速度计对温度最小变化分辨能力及大温度范围受温度变化影响的趋势,模型温度系数测试进行了在指定温度点最小温度间隔变化输出特性拟合,及大温度范围输出特性拟合.通过测试发现,加速度计输入对准角也随温度发生变化,且有一定的规律,为此在建立加速度计输出温补模型时,加入了输入对准角受温度变化的参变量,这在以往温补模型报道中是没有的.为了验证温补模型的准确性,采用手动升降温的方法进行了实时温度补偿,结果达到了预期目的.
分辨率是加速度计的一项重要指标.随着加速度计精度的不断提高,对分辨率精度的要求也随之提高,传统的分辨率检测方法已经不能满足测试精度的要求.笔者提出了一种基于双轴倾斜法的加速度计分辨率测试方法,并给出了具体的实施过程和例子.经过试验和分析,证明该方法能够检测出低于1μg精度的加速度计分辨率.
针对激光切割石英玻璃过程中存在翻边的问题,通过单因素试验法研究激光功率、切割速度和辅助气体压力对切缝翻边情况的影响规律,再利用正交试验法对激光切割工艺参数进行优化,来达到减轻甚至消除切割后的翻边情况.试验结果表明,该方法解决了激光切割过程中各参数匹配不当导致的切缝翻边问题.
针对高精度石英挠性加速度计对石英摆片性能改进的需求,梳理出在加工制造过程中应克服的工艺难点,对其中的研磨、刻蚀、激光切割、镀膜四个关键工序开展研究,提出各工序具体的工艺实现及采取的工艺措施,最终概括了各工序工艺要领,提出工序融合,互相兼顾的工艺思想.
在石油及矿产勘探和地质构造研究等领域,重力法是一种常用的重要方法,重力法的应用范围在很大程度上取决于重力测量设备—重力仪,高精度重力仪对重力法的应用和普及起着重要作用.因此提出研究有望用于物探领域的高精度小型化冷原子重力仪.首先,用改进的磁场线圈代替昂贵且笨重的坡莫合金来实现杂散磁场的屏蔽;其次,利用一个紧凑且小尺寸的被动隔振平台来实现地面振动的抑制.在探询时间为120ms且重复率为2.2Hz的情况下,该冷原子重力仪的重力测量灵敏度达到1.0×10-7g/Hz1/2;1000s积分时间,重力测量分辨率为5.7×10-9g.为了验证冷原子重力仪设备的稳定性,不间断测量了128h的潮汐信号.除此之外,发生在2013年9月28号巴基斯坦的一小时地震波信号被我们的高精度冷原子重力仪采集到,该信号与附近的传统地震仪测量到的地震波信号完全吻合.
一般冷原子干涉仪是在固定拉曼脉冲时间间隔T的情况下,通过扫描拉曼激光的啁啾率获得原子干涉条纹.如果要绘制出相移随着T的变化,需要较长的测量时间.本文提出了用相位解调法快速提取冷原子干涉仪的相移的方法,通过此法,可以快速获得干涉仪在整个干涉区域的系统误差,并可以快速推断出在某些特定干涉时间内导致系统发生相位移动的潜在因素.进一步,我们在实验上通过这种相位解调法快速提取出了由于二阶塞曼效应引起的干涉仪的系统误差.实验结果与理论预测相吻合,并且与通过原子干涉条纹计算出来的相位移动一致.
重力场的信息可以反映地球内部的地质构造.利用激光诱导受激拉曼跃迁的冷原子干涉仪是测量重力场最灵敏的方法之一,我们已经在实验室研制出共用一套拉曼光系统的两台同步工作的原子干涉型重力仪系统.本文对这两台系统的共模噪声的抑制进行了详细的研究,特别对主要的共模噪声源之一的振动噪声的抑制进行了细致的实验研究,并对共模噪声免疫的椭圆拟合算法进行了理论分析.
岸台日变站控制范围有限,海底日变站布放和回收困难、安全无法保证,远海区开展磁力测量面临着日变改正的技术瓶颈.研究海洋磁力梯度测量原理及梯度数据特点,首次提出同步测点的概念,建立了一套严密计算模型,可为每条测线重构日变改正.
2015年3月,由国防科技大学独立研发的SGA-WZ02重力仪在湖南长沙进行了一次车载重力测量试验,目的是为了检验、评估该重力仪应用于车载重力测量的可行性和精度水平.该重力仪系统主要由捷联惯性导航系统(SINS)、差分GNSS系统以及数据记录系统组成.试验路线为长沙市区东部的一条长约35km的高速公路,测量过程中平均车速为40km/h,本次试验共得到3条重复测线数据以进行内符合精度评估.为了评估重力异常外符合精度,使用CG-5高精度地面重力仪对该测线区域进行了测量,建立了外部重力参考数据库.本次车载试验结果表明,重复测线的内符合精度为1.64mGal/1.1km,1.12mGal/1.7km,外符合精度为2.33mGal/1.1km,1.77mGal/1.7km.
基于Stokes公式,推导了重力异常系统误差与Stokes大地水准面间的误差关系式;设计了基于EGM2008重力场模型的仿真试验,进行了重力异常系统误差传播的量化计算,验证了误差关系式的可靠性;采用误差关系式估计重力异常系统差对Stokes大地水准面的影响时会受到"误差边缘效应"的影响,经仿真试验给出了积分半径的选取与误差关系式估计精度间的关系.
在介绍旋转加速度计重力梯度仪仿真系统构成的基础上,依据旋转加速度计重力梯度仪测量原理,给出重力梯度信号仿真方法.信号仿真流程为:由计算机产生加速度计数字输出,经数模转换、模拟信号运算、放大、模数转换和数字解调,得到重力梯度数值.采用这种重力梯度信号仿真方法,可以详细研究旋转加速度计重力梯度仪的信号特征、参数调整、误差补偿以及信号处理方法,为重力梯度仪系统设计研发提供方法指导.
采用高密度光栅编码器获取圆盘当前状态下的角位置信息,利用圆盘角位置信息作为重力梯度解调基准信号的初始相位角,对重力梯度仪输出信号进行重力梯度解调,分别解调出在每个圆盘旋转角位置处的重力梯度信息,然后对每一圈解调出的重力梯度信息进行求均值,最后对解调出的两组重力梯度信息分别进行平滑滤波处理.通过重力梯度半物理仿真系统进行梯度解调实验测试,实验结果表明,采用这种梯度解调方法,可以进一步提高重力梯度解调精度,具有较高的工程实用性.
航空重力测量数据存在大量的干扰噪声,卡尔曼滤波是消除干扰、获得高精度重力异常的一种滤波方法.针对标准卡尔曼滤波精度依赖于先验量测噪声统计信息的问题,以Sage-Husa自适应卡尔曼滤波算法为基础,结合固定区间平滑,设计了量测噪声自适应的卡尔曼平滑滤波器,利用卡尔曼滤波及自适应卡尔曼平滑滤波对模型数据进行了滤波试验.试验结果说明,固定区间平滑的应用可以消除因滤波器未收敛造成的滤波误差,当量测噪声信息不明时,量测噪声自适应卡尔曼滤波器能够获得准确的滤波结果,其滤波精度高于标准卡尔曼滤波器.
在复杂地质体的重力梯度异常正演计算中,会生成巨型稠密的灵敏度矩阵,相对应的内存存储需求和矩阵向量乘法的耗时都会增加.笔者基于小波变换理论,首先从理论上给出了小波域中的重力梯度异常正演方程,之后选用不同小波基函数进行模型正演对比实验探讨计算效率.研究表明Db3小波基函数能有效减少正演计算中灵敏度矩阵对内存的需求,同时减少矩阵向量乘法操作数.
从理论上分析了起伏飞行测量对GT航空重力测量的影响程度;为了有效地验证起伏飞行的测量效果,开展平坦地形、起伏地形下的一系列缓起伏飞行测试,并分别对GT-2A直升机、固定翼航空重力缓起伏飞行测量结果进行了评价;测试结果表明:采用坡度不超过3.0°(爬升率约1/20)的缓起伏飞行方法是可行的,其重复测量内符合精度均小于0.7mGal,满足了高精度测量的要求.
国内首次开展高分辨率直升机航空重力在内陆丘陵地区采用低速、低空起伏飞行的方式执行测量任务.航空重力减振系统面对全新的直升机搭载平台和飞行环境,关于减振系统的很多技术问题需要得到解答.因此,笔者开展针对直升机航空重力减振系统振动加速度的数据采集和测试工作,获得的试验结果为今后航空重力减振系统的设计、安装与监测提供借鉴依据.
航空重力地形改正是获得航空布格重力异常的重要环节,是航空重力勘探数据处理中的重点和难点问题.本文针对航空重力特点,分析了地改最大半径的选择与地形特点及计算精度的关系.为满足大数据量网格数据的计算要求,对全分辨率地形剖分方法、远近分区地形剖分方法、自适应四叉树地形剖分方法对航空重力地形改正计算的产生影响进行了对比.其中自适应四叉树地形剖分法可以对地形网格距离和高程进行综合考虑,达到最佳分辨率的地形剖分,既保证计算精度,又提高运算速度.
通过重、磁对应分析中斜率的模型研究,指出磁密比可以有效判定地质体岩性边界.首次将该方法应用于西藏东北部地区,利用卫星重、磁数据分析该区域地壳深部断裂磁密比属性,并用前人的地震资料加以证实,结果表明磁密比与地壳深部岩性转换界面具有非常好的对应关系.
匹配滤波技术分离深源场和浅源场的方法已广泛应用于重磁资料处理.本文根据格林等效层原理,设计多层格林等效源层模型,对径向平均对数功率谱进行精细线性拟合,从而实现深源场和浅源场的分离.理论模型和实际资料对比分析表明该方法简单、实用、对大面积的航空重力能快速有效的分离深源场和浅源场,在研究区域重力异常特征、深部构造特征、划分大地构造单元、确定断裂带和地质构造走向等方面提供了重要的参考依据.
针对航空物探测量中出现的GPS时间与经纬度坐标数据不更新、外界磁干扰造成磁尖峰异常等问题,提出根据测量数据特征设定数据阈值及梯度阈值进行快速检测的算法,检测出跳变点后,应用非跳变点数据对跳变点进行1D插值拟合,得到修正后的数据.本文利用C++语言实现了上述快速检测算法及6种1D插值拟合算法,并采用插件技术在GeoProbe平台研发了相应的软件插件模块.该插件为航空物探跳变点数据快速检测与修复,提供了有效的工具.
高斯—拉普拉斯算子是各向同性的二阶微分算子,具有旋转不变性,对重磁场梯度突变敏感,与异常边界走向无关;利用高斯—拉普拉斯算子消除空间尺度小于高斯空间系数的数据强度变化,压制噪声干扰,计算出梯度的零值点位置圈定重磁场的边界.理论模型和实际资料表明高斯—拉普拉斯算子方法具有边界识别效果好、分辨能力高、边界定位准确等特点,对于不同埋深、不同规模、不同产状的多场源叠加的复杂地质构造,可以清晰地勾勒出梯度相对平缓的微弱异常以及相邻叠加相互干扰的局部异常边界位置,为进一步提高重磁位场局部异常精细解释提供丰富的细节信息,对识别地质体边界、划分大地构造单元、确定断裂带和地质构造走向等具有一定意义.
基于热传导模型研究位场网格化数据补空方法,将网格数据空白区域的补空过程类比于热传导过程,实现位场网格中的已知有效信息向数据缺损区域传递,逐步填补数据空白区域.理论模型试验表明基于热传导模型补空精度高,效果明显,在边缘衔接处等值线光滑连续,能够清晰、真实、准确的反映异常梯度走向和趋势变化特征;实际航空重力资料进一步验证了该方法的可行性和实用性,补空效果更符合实测航空重力区域变化规律,最大限度的反映出区域内地质信息,丰富了位场异常信息,提高了位场数据处理和转换的精度,具有实际意义.
为了实现快速、有效地提供航空物探测量数据服务的目的,笔者针对航迹线数据的特点,研究道格拉斯-普克抽稀算法和地图优化配置技术,参照航空磁测技术规范对偏航距的要求,设定航迹上的坐标点抽稀阈值,在保证航迹基本保持不变的前提下,使坐标点数抽稀为原来的1%左右.并按测量比例尺对航迹线和测区进行分层,设定测区显示的最大比例尺和航迹线显示的最小比例尺,使大于一定测量比例尺显示时可以清晰地分辨航迹,而在小于一定测量比例尺时只显示测区图形.上述航迹线抽稀技术和地图优化配置技术的应用,使航迹线数据不必全部加载到计算机内存,大大加快了航迹线的浏览、检索速度,实现了快速、有效地提供数据服务的目的.
