卫星平台扰动对星载原子干涉重力梯度仪测量影响分析

面向未来空间应用,分析了卫星平台扰动对星载原子干涉重力梯度仪测量噪声的影响。其中卫星平台平动自由度的干扰加速度导致梯度仪质心偏差和梯度仪基线长度变化,卫星平台转动自由度的干扰加速度带来拉曼激光方向偏离,引入额外的离心力与科里奥利力。分析结果表明,对于卫星平动自由度,其干扰加速度贡献的原子干涉重力梯度仪测量噪声较小,可忽略不计;对于卫星转动自由度,可通过对卫星角运动的测量和补偿,将原子干涉重力梯度仪的测量噪声在0.1?Hz以下的测量频带内抑制到1?mE/Hz1/2。所述研究将对未来原子干涉重力梯度仪的星载应用提供理论支撑。     

一种用于重力梯度动态测量的载体环境引力梯度补偿方法

重力梯度仪动态测量时,重力梯度敏感器一直稳定在地理坐标系下,载体姿态变化使载体质量分布相对敏感器的位置发生变化,形成载体环境引力梯度变化。为提高重力梯度仪动态测量精度,提出一种基于Tikhonov正则化的载体环境引力梯度补偿方法。首先,推导了载体环境引力梯度的解析模型,建立了引力梯度变化的回归方程。然后,针对回归算子病态性问题,提出了Tikhonov正则化方法,通过半物理仿真确定最优正则化参数,使补偿量的误差控制在2%以内。最后,利用该参数处理船载试验实测数据,结果表明:所提出的方法对载体环境梯度变化补偿具有明显的效果,可将两路重力梯度测量信号内符合中误差分别降低19 E和21 E,补偿后重力梯度测量精度达到10 E的精度水平。     

航空重力与重力梯度测量对惯性稳定平台的需求分析

从航空重力与重力梯度测量原理出发,先后导出航空重力与重力梯度测量的观测方程和测量误差方程,然后依据地球重力场特征和功率谱的相关理论,结合航空重力与重力梯度测量中的GPS定位、惯性稳定平台的指向和稳定性、加速度计和梯度仪的误差模型,分析了航空重力与重力梯度测量对稳定平台的需求,在此基础上以航空重力测量中国外常用的双水獭(Twin-Otter)固定翼飞机的实际飞行参数为例,通过数值计算给出了航空重力测量分辨率达到1 mGal时,对惯性稳定平台的角度指向精度、稳定性和随机漂移的要求分别为0.0005°、0.006°/h/Hz和0.0003°/h;航空重力梯度测量分辨率1 E时,对稳定平台对应的指标要求分别降低为0.5°、0.01°/hr/Hz和0.01°/hr。     

重力梯度测量中光栅角编码器安装误差的影响及分析

旋转加速度计式重力梯度仪中的台体旋转误差会影响梯度测量精度。若以光栅角编码器作为旋转控制的角度测量元件,其安装误差会产生相应的旋转控制误差。为此,需要对光栅角编码器安装误差的产生机理进行分析,了解其对旋转加速度计式重力梯度仪测量精度的影响程度。利用光学技术方法测量光栅角编码器安装误差所引起的角速度和角加速度的变化,最后通过角位置补偿修正光栅角编码器安装误差以减小运动不平稳性对重力梯度测量的影响。实验表明该方法对光栅角编码器进行补偿可以有效减小码盘安装误差对旋转控制的影响。     

旋转加速度计重力梯度仪标定方法

提出一种旋转加速度计重力梯度仪标定方法,在重力梯度仪外侧空间确定的四个位置上依次放置一定质量的检测质量体,根据检测质量体在正交位置上引起的重力梯度大小相等,符号相反的关系确定出重力梯度标度系数,采用旋转重力梯度仪本体方式确定出重力梯度零位。给出了重力梯度零位和标度系数计算表达式,在重力梯度半物理仿真系统上进行了仿真试验验证,仿真结果表明,标定后重力梯度测量误差小于1E。     

旋转加速度计式重力梯度仪输出解调与滤波

重力梯度仪是对地球表面微小重力梯度变化进行连续测量的仪器。由于核心敏感元件加速度计工艺与性能水平限制,以及多环节安装误差等因素导致系统实际输出信号中包含了大量噪声,且信噪比极低,为了能够在强噪声中有效提取真实的重力梯度信号,需在信号解调过程中降低谐波干扰引起的测量偏差。结合误差产生机理,分析比较了不同的解调方法对重力梯度信号解调的影响,明确了合理的信号解调手段。同时,在数据处理过程中增加带通滤波环节,进一步降低动态噪声对系统的影响。结合动态摇摆实验数据的仿真验证结果表明:上述措施对重力梯度仪原始观测数据的噪声抑制具有明显效果,测量偏差在一定程度上得到解决,解调后信号的噪声幅度下降至20%,提高了系统的空间分辨率,具有工程化应用意义。     

旋转加速度计重力梯度仪前放电路的分析与设计

根据旋转加速度计重力梯度仪的测量原理,其前放电路可以分为电流放大、求和运算、求差运算和带通滤波四个功能部分。首先推导了将电路输出噪声折算到重力梯度仪输入端的计算方法;其次分析了前放电路是电路噪声的主要来源,并以低噪声为前放电路的首要设计目标,研究了前放电路增益和运放的噪声指标之间的关系,比较了10-8¹0-11g各个精度级别的加速度计对电路增益和运放噪声指标的最低需求。最后通过对研制的前放电路的试验测量证明了分析的合理性。     

旋转式重力梯度测量系统试验及数据处理

旋转式重力梯度测量系统采用旋转调制方式求取重力梯度信息。首先,从旋转加速度计的基本原理出发,给出了重力梯度测量系统的主要工作模式;其次,构建了旋转加速度计重力梯度测量系统组成和主要功能模块,提出了采用引力产生装置开展实验室引力梯度测量的试验方案;最后,给出了旋转加速度计重力梯度测量系统的静态梯度试验验证基本条件、试验设备,并开展了重力梯度测量试验。试验结果表明,旋转式重力梯度测量系统在实验室条件下完成引力梯度试验,该系统可以检测优于200 Eu(1 Eu=10~(-9)/s~2)的引力梯度,该系统开展的试验验证为动态重力梯度仪的研制奠定了基础。     

基于超导的全张量重力梯度敏感头设计

基于超导的迈斯纳效应与超导量子干涉技术,结合柔性并联机构理论,设计一种基于超导的全张量重力梯度敏感头。敏感头采用6个完全相同的同时具有移动与转动自由度的敏感结构,对称的布置在正六面体外,对称面的两个敏感结构相对旋转90°成垂直状态。轴向间距使两个敏感结构直接测量重力梯度轴向分量,相互垂直使两个敏感结构既可以测量重力梯度交叉分量,也可以测量共模角加速度。利用超导线圈的电感变化响应质量块位移,进一步通过超导回路将其转变为磁场变化,并由超导量子干涉器进行检测。敏感结构采用8分支的柔性并联机构支承,构成空间对称的形式,可以实现对称的力学特性,保证各处的柔性铰链产生均匀变形,减少非对称的偏移,避免单一铰链的应力集中,具有沿轴移动刚度与绕轴转动刚度小、非设计的寄生误差方向刚度大的优势。在惯性系下的全张量重力梯度值可由坐标变换得到,可以预期得到1E的测量精度。     

重力梯度仪的现状和前景

本文论述了重力梯度仪在惯性导航、地球科学、地质科学中的重要作用以及重力梯度仪的现状和前景,着重评述了旋转加速度计重力梯度仪、静电加速度计重力梯度仪和超导重力梯度仪的现状和发展,最后指出了对重力梯度仪的应用和发展需要进一步研究的问题.     

旋转加速度计重力梯度仪标度因子调整方法及误差补偿研究

在旋转加速度计重力梯度仪的重力梯度测量原理的基础上,本文提出了加速度计标度因子的在线调整方法。此方法对加速度计组合输出信号中的标度因子不平衡信息进行解调,通过反馈实现标度因子的调整,同时可实现对重力梯度仪系统误差的补偿。     

旋转加速度计重力梯度仪误差分析

安装误差和加速度计标度系数的不匹配对旋转加速度计重力梯度仪的分辨率影响很大。为此,用线性微扰方法对旋转加速度计重力梯度仪的测量方程求取变分,得到重力梯度仪的误差方程;对误差方程进行分析,得到安装误差各项对重力梯度仪输出的影响;同时,给出含有加速度计性能参数的重力梯度仪的误差方程。以澳大利亚FALCON旋转加速度计重力梯度仪为例,具体给出径向距离误差、切向误差角等大小值。     

基于油膜干涉法的表面摩擦应力测量技术研究

本文应用油膜干涉法及速度型方法在平板模型上进行低速湍流的表面摩擦阻力测量,探索了油膜法测量表面摩擦阻力的实验技术,分析了不同实验方式对测量结果的影响以及实验误差产生的原因.研究表明,模型安装方式、油膜布置方式以及重力作用的影响在油膜干涉法中基本都可以忽略,在精度要求不高的情况下,不需要对结果进行修正.通过采用热膜法和油...     

云纹干涉法现场测量中的变形试件栅复制技术

本文研究了云纹干涉法的现场测量技术.该方法在现场测量过程中复制变形的试件栅.试件栅上保留了载荷引起的变形信息,通过云纹干涉法可以得到这些变形信息.该方法不但具有云纹干涉法的所有优点,并且使云纹干涉法可以在光学实验室以外场合中应用.     

变线距全息光栅的在线检测

变线距平面光栅单色仪具有自动聚焦、消慧差、分辨率高以及装置简单等特点,在同步辐射装置、激光核聚变装置上有着广阔的应用前景。变线距平面光栅的全息制作越来越受到人们的关注,但变线距光栅的全息制作必需有高精度的密度检测技术,尤其是需要在线检测技术相配合。文中应用干涉云纹法和条纹图像处理技术,对全息光栅制作过程中的光栅线密度进行了在线检测,并给出了检测原理。讨论了变线距光栅线密度的表述,推导出了检测变线距光栅线密度的相关公式,介绍了变线距光栅线密度的在线检测原理以及干涉条纹图的处理方法。     

Extending the laser-specklegram technique to strain analysis of rotating components

A technique involving sandwich-speckle interferometry has been investigated for application in making strain measurements on rotating structures. The technique has proven to be effective in relaxing stringent timing requirements for recording laser photographs and provides extended ranges of displacement measurement. Application of the technique to an experimental rotating specimen has demonstrated the potential of the method for making accurate strain measurements.     

测量物体三维位移的像全息散斑夹片法

本文对N.Abramson提出的夹片方法作了进一步改进。提出了测量物体表面三维变形的双参考光像全息散斑夹片新方法。该法能消除物体由于刚体位移而产生的不良影响。并能有效地消除参考光对测量散斑干涉时出现的严重噪音。文中通过对悬臂梁和玻璃钢三点弯断裂试件的测量及分析,证明了提出的方法是可行的。