紧凑型冷原子重力仪和精密重力加速度测量

冷原子重力测量技术是一种基于中性冷原子干涉原理的重力测量技术,其使用全同原子系综作为质量块及重力信息存储器,使用"拉曼光尺"作为自由下落位移测量工具,可以实现优于激光干涉绝对重力仪的测量灵敏度和较好的测量准确度.自第一台实验室冷原子重力仪诞生以来,经过近30年的发展,原子干涉重力测量技术已经成为基础研究和计量学领域实施精确和准确的绝对重力测量的成熟方法之一.同时,随着近年来紧凑型冷原子重力仪的迅速发展,原子干涉重力测量技术已经走出实验室,进入地球物理、惯性导航、空间应用等动态测量应用领域,用于进一步补充和增强现有以经典设备为主的动态重力加速度测量技术.本文将重点介绍冷原子重力测量技术的发展路线、冷原子重力仪在动态测量应用中的最新进展及其所面临的技术挑战,并对冷原子重力测量未来的工程应用研究和基础理论研究进行展望.     

重力测量在矿井水动态监测中的应用

介绍了重力测量的原理,探讨了重力测量在矿井水动态监测中的应用,提出动态测量重力仪的设计思想。     

基于原子干涉技术的精密重力测量研究

基于双光子受激拉曼跃迁的冷原子干涉仪,在基础物理研究和精密测量应用方面倍受关注,其中精密重力测量是原子干涉仪的重要应用之一.本文描述了原子干涉重力测量的原理,包括原子波包在重力场中的自由演化、激光与原子相互作用以及原子物质波的干涉过程;介绍了原子重力仪的典型实验设计、测量过程和发展趋势;综述了国内外小组在原子干涉重力测量方面的研究工作.此外本文还对当前原子干涉重力仪的主要噪声及系统误差进行了分析,介绍了背景振动、拉曼光相位噪声的抑制技术以及主要系统误差效应的评估方法.最后,本文还介绍了原子干涉测量技术在万有引力常数测量以及弱等效原理检验等基础物理研究中的应用.     

自适应小波阈值去噪在重力仪信号处理中的应用

为了有效地消除各种外界干扰噪声对高精度海洋重力仪测量值的影响，提高重力异常测量值的精度，在分析了小波阈值及自适应小波阈值去噪算法的基础上，将其应用到高精度海洋重力仪系统数据处理中，并与自适应卡尔曼滤波做了对比，以处理后信号的信噪比作为衡量3种数据处理方法优劣的依据。理论分析和仿真实验表明，自适应小波阈值去噪方法、传统的小波阈值去噪方法和自适应卡尔曼滤波都能在一定程度上消除噪声信号对重力仪测量信号的影响，但在相同情况下，自适应小波阈值去噪方法具有明显的优越性。     

多重小波分析在高精度重力仪数据处理中的应用

根据随机过程理论，建立离散的重力异常状态方程；基于多重小波理论分析的基础，将多重小波变换应用到高精度重力仪数据处理中，在高精度重力仪数据处理中采用软阈值法消除背景噪声，并与单小波多尺度分析进行了对比．以实际数据与处理后数据偏差平方和的平均数作为衡量2种数据处理方法性能的指标，理论分析和仿真实验表明：多重小波和单小波都能在一定程度上抑制噪声对高精度重力仪测量数据的影响，但多重小波的性能优于单小波．     

小型化量子重力仪高精度重力测量

重力场是地球的一个基本物理场,它携带和反映了地球的诸多信息,对基础研究和实际应用都非常重要.由于地球重力场是随空间、时间变化的,需要可移动的高精度重力仪进行测量.量子重力仪是近年发展起来的一种基于原子干涉的新型高精度重力测量设备.和传统重力仪相比,量子重力仪具有更好的稳定性和准确性,可以精密地勘测地球的重力场分布.本文对量子重力仪的基本原理、实验及其应用进行了综述,主要包括国内外小型化量子重力仪方面的最新研究成果;介绍了小型化量子重力仪的基本原理、小型化量子仪核心单元(真空系统、光路系统、隔振系统和野外测量保障系统)的研制以及在重力比对、地震监测和重力场测绘等领域的应用.最后,本文介绍了量子重力仪的精度限制因素(拉曼相位噪声、振动噪声和探测噪声)以及在其他基础物理研究领域(万有引力常数测量和弱等效原理检验)的应用.量子重力仪作为量子传感器中较为成熟的技术,尤其在动态测量方面表现出明显的优势.未来,随着量子重力仪的不断发展,还可能在地球物理、资源探勘、惯性导航和太空重力观测等领域发挥重要作用.     

高精度石英挠性加速度计闭环系统的设计与分析

探讨了石英挠性加速度计的分辨率影响因素,提出了一种对现有石英挠性加速度计的改进设计.根据重力梯度测量对加速度计分辨率的要求,推导出摆片的固有频率,然后使用有限元方法重新设计加速度计的摆片结构.另外,为了降低加速度计的机械热噪声,对表头抽真空,通过加入比例-微分环节对加速度计的控制回路进行阻尼补偿.计算出系统的开环传递函数,并对其进行动态性能仿真分析.分析结果表明:加速度计系统通过在系统前向通道添加比例微分环节能够补偿系统的阻尼,消除加速度计在固有频率处的振荡,使加速度计闭环后处于临界阻尼状态并保持系统的稳定性.改进后加速度计的系统带宽为515Hz,响应时间为3.7m s,分辨率达到10-10g,能够满足高精度测量的需要.     

基于DSC-LS的加速度计动态模型参数辨识

加速度计动态模型参数辨识对提高振动与冲击动态测试和动态分析精度等具有重要作用.针对加速度计动态模型参数频域辨识方法中栅栏效应对参数辨识精度的影响,提出了一种基于离散频谱校正-最小二乘（DSC-LS）的加速度计动态模型参数辨识方法,该方法利用H₁估计获得零频点坐标,并将FFT+FT离散频谱校正与LS方法相结合,高精度估计出谐振点坐标,然后通过特征点坐标计算加速度计动态模型参数.实验结果表明,该方法能够有效消除栅栏效应对加速度计动态模型参数辨识的影响,具有较高的加速度计动态模型参数辨识精度和抗低频窄带噪声干扰性能.      

基于死区消除与补偿的T型三电平逆变器控制策略

为了避免三电平逆变器的上下桥臂直通,开关切换过程中会引入死区.死区会提高逆变器的输出电流谐波,降低逆变器的输出电压和电流.文中分析了死区在开关管换流过程中的作用,并在此基础上提出一种死区消除与补偿相结合的方法来消除其对逆变器的不利影响.当相电流足够大时,可以根据电流的方向输入不同的驱动信号,达到在没有死区的情况下防止开关管短路的目的.当相电流接近零点时,由于电流纹波的影响,死区消除方法并不适用,只能通过引入死区来提高逆变器的稳定性,然后通过死区补偿来消除其不利影响.实验结果证明,文中方法可以有效地解决死区问题.     

基于奇异值分解的高精度重力仪信号处理方法

在分析基于矩阵奇异值分解理论的滤波算法基础上,将其应用到高精度海洋重力仪系统信号处理中.在信号处理过程中,首先采用延迟法理论重构系统的相空间,得到吸引子轨迹矩阵,然后对轨迹矩阵进行奇异值分解,用部分奇异值重构有用信号的最佳逼近矩阵,并与自适应卡尔曼滤波进行了对比分析,以实际信号与处理后信号的信噪比作为衡量2种信号处理方法好坏的依据.理论分析和仿真实验表明,奇异值分解滤波方法和自适应卡尔曼滤波都能在一定程度上消除干扰噪声对重力异常信号的影响,但在相同背景条件下,奇异值分解滤波的性能优于自适应卡尔曼滤波.     

电测法测量梳齿式微机械加速度计的机械参数

为测量梳齿式微机械加速度计敏感元件的机械参数,提出一种静态电测法。在施力电极上加载直流电压,产生与摆片重力相当的静电引力,根据静电力与重力平衡的关系式,求解出敏感元件的实际机械参数。进行了检测电路的放大性能实验、加速度计重力场静态翻滚实验和摆片的静电吸引实验。实验结果表明,该方法能准确地估算敏感元件的实际机械参数及静态性能。与其他方法相比,静态电测法能较为全面地评估加工工艺对系统性能的影响,不需要特殊的测量环境和仪器设备,能在制造现场使用。     

对动态光散射颗粒测量技术中几个问题的讨论

在分析国内外动态光散射颗粒测量技术研究动态的基础上，对在动态光散射颗粒测量技术中应用的新理论和新方法，通过增加自相关函数的拟合参数来克服热晕效应的影响，用单束光互相关方法提高信息的时间分辨率及测量浓悬浮颗粒时的改进装置等几个问题进行了讨论。     

拉格斯特-隆贝格重力仪在煤田勘探上的应用

根据煤田与围岩存在密度差,会引起重力异常的实际情况,本文采用重力法进行煤田勘探,首先分析了重力勘探的可行性,然后在介绍了拉格斯特重力仪工作原理和技术指标的基础上,使用拉格斯特重力仪进行了煤田勘探,研究了煤田重力勘测的工作过程以及对重力异常的校正。     

基于武汉超导数据的非潮汐信息信号提取方法研究

随着超导重力仪观测精度的提高,重力潮汐信号中非潮汐信号的提取更为方便.对武汉国际重力潮汐基准台GWR-C032型超导重力仪记录的1998年1～6月的重力潮汐数据,采用傅里叶变换、别尔采夫滤波和日均值3种方法提取重力非潮汐信号,提取的非潮汐信号幅值变化分别为-38～+37,-46～+43,-50～+48 nm/s~2,幅值变化范围均小于10μGal,并在此基础上对3种方法所提取的结果在频率域内进行功率谱分析,其分析结果与时间域分析结果一致.     

垂钻系统单轴稳定平台测量算法

针对自动垂直钻井系统中采用的单轴稳定平台,在满足小井斜动态旋转条件下,提出一种新的以三轴加速度计和三轴磁通门测量信号为数据源的井斜方位动态测量算法,并考虑不同倾斜角和钻铤转速等因素的影响,对算法进行仿真研究.结果表明:小角度倾斜的方位角动态测量精度受倾斜角和真实方位角影响,在方位角相同的情况下,倾斜角越大,测量结果的误...     

基于KF的自平衡机器人姿态角补偿方法

研究基于卡尔曼滤波(KF)的低通滤波补偿方法,对采用单轴加速度计的自平衡机器人姿态角测量系统进行补偿,消除由于振动、冲击等引起的信号失真,增强控制系统的稳定性.根据前期研究及实验,深入分析振动、冲击对传感器信号的影响,提出了一种基于最小二乘拟合原理的姿态角计算模型.在获得机器人自由振荡频率的基础上,设计了基于KF的混合低通滤波单元,并进行了物理模型实验.结果表明,该补偿方法能完全消除振动造成的传感信号失真.此外,该补偿方法对强烈冲击所造成的信号波动亦有明显衰减,能显著提升自平衡机器人的稳定性.     

基于改进六位置法的一种 MEMS 加速度计标定补偿方案

微机电系统(micro electronic mechanical system,MEMS)加速度计在测量过程中受安装误差、刻度因子及零偏影响,为提高MEMS加速度计的测量精度,在六位置法标定的基础上,提出一种改进的MEMS加速度计标定补偿方案.利用小波滤波对MEMS加速度计的原始测量值进行滤波,运用六位置法对6个位置的原始数据进行标定得到补偿模型.通过实验验证,MEMS加速度计测量精度由标定前的1.2 m/s2提高到0.01 m/s2,由MEMS加速度计解算的横滚角和俯仰角精度由标定前的1°提高到0.166 4°.     

基于新型观测器的海洋重力测量数据处理方法

为进一步改善对海洋重力测量数据处理的实时性，提出了基于扩张状态观测器的处理方法，在消除海洋重力测量数据中海浪高频干扰的同时跟踪重力变化，并进行了仿真分析，结果表明，应用扩张状态观测器不仅可以有效虑除海浪噪声干扰，还可以对重力的变化进行跟踪，证明了该处理方法的有效性。     

径向速度测量在Kalman滤波中的应用

研究一种把径向速度测量引入Kalman滤波的新方法.在分析传感器噪声特性以及测量方程结构的基础上,提出优先处理位置测量数据,然后利用位置矢量的滤波值改进对径向速度测量方程的伪线性表述,从而得到一种序贯处理、伪线性结构的滤波算法.从理论上分析了该算法的稳定性.蒙特卡洛仿真说明该算法不仅克服了推广Kalman滤波(EKF)暂态性能差的缺陷,而且其稳态性能也略优于EKF.     

基于形态小波的高精度重力仪信号快速滤波算法

为了有效抑制高精度重力测量信号中的各种强噪声以获得高精度重力信息,在分析形态小波滤波算法的基础上,结合FFT算法提出了一种快速形态小波滤波算法,并应用于高精度重力仪信号处理中.在滤波过程中,首先在常规小波分解算法各层间增加形态滤波器,以提高小波算法抑制脉冲干扰的能力.然后,将常规小波分解和重构算法进行重组,并参考FFT算法规则设计了一种快速形态小波分解重构算法,以提高小波分解和重构的计算效率.最后,通过仿真试验,将快速形态小波滤波算法与传统小波滤波算法进行性能对比.理论分析和仿真试验结果表明.快速形态小波算法的滤波效果优于传统小波滤波,其运算速度优于Mallat算法.