專利名稱：重力梯度測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及重力梯度測(cè)量領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于動(dòng)基座載體上能夠有效獲得重力梯度張量中的豎直和水平分量的重力梯度測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
地球重力場(chǎng)反映了地球內(nèi)部物質(zhì)組成和分布信息，通過精確測(cè)量地球重力場(chǎng)可以反演估計(jì)出物質(zhì)的分布和變化。因此，高精度重力測(cè)量在基礎(chǔ)地質(zhì)研究、區(qū)域重力調(diào)查、大地測(cè)量、油氣田及固體礦產(chǎn)資源勘探、以及重力輔助導(dǎo)航等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。地球重力場(chǎng)測(cè)量可分為重力測(cè)量和重力梯度測(cè)量，實(shí)現(xiàn)重力測(cè)量的儀器稱為重力儀，是測(cè)量地球重力加速度，實(shí)現(xiàn)重力梯度測(cè)量稱為重力梯度儀，是測(cè)量地球重力加速度隨空間的變化，即重力梯度。由于重力梯度是地球重力場(chǎng)的空間微分，反映重力沿空間不同方向的變化率，因此與重力儀測(cè)量相比，一方面，重力梯度測(cè)量能夠反映場(chǎng)源體的細(xì)節(jié)，具有更高的分辨率；另一方面，重力梯度儀通常采用差分測(cè)量模式，不受不利于重力儀的在運(yùn)動(dòng)環(huán)境下載體加速度影響。相比地基的重力測(cè)量系統(tǒng)而言，基于動(dòng)基座載體(如飛機(jī)、汽艇、 艦船等)的重力梯度測(cè)量具有經(jīng)濟(jì)、高效、勘探深度大等優(yōu)點(diǎn)，因此也是目前西方國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展和突破的重力測(cè)量技術(shù)。國(guó)際上目前已經(jīng)投入使用的重力梯度測(cè)量系統(tǒng)是基于旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)的重力梯度儀測(cè)量系統(tǒng)，分別是FALCON部分張量重力梯度測(cè)量系統(tǒng)和Air-FTG全張量重力梯度測(cè)量系統(tǒng)。所謂全張量重力梯度測(cè)量即是對(duì)重力梯度張量中的五個(gè)獨(dú)立分量的全部測(cè)量，而部分張量重力梯度測(cè)量是對(duì)重力梯度張量中的部分分量進(jìn)行測(cè)量。FALCON和Air-FTG在非洲博茨瓦納南部進(jìn)行的對(duì)比試驗(yàn)表明，兩個(gè)系統(tǒng)都可反映該探測(cè)區(qū)域的金伯利巖體，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理，F(xiàn)ALCON和Air-FTG的豎直重力梯度張量噪聲(δ Γ zz)的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為8. 1E(1E = 10-9s-2)和7. 1E，空間分辨率達(dá)到400m和700m(參考文獻(xiàn)D. Hinks,
S.McIntosh and R. J. L. Lane, A comparison of the Falcon and Air-FTG airborne gravity gradiometer systems at the Kokong Test Block，Botswana, in R. J. L Lane， editor， Airborne Gravity 2004-Abstracts from the ASEG—PESA Airborne Gravity 2004Workshop Geoscience Australia Record 2004/18，125-134.)。另一種具有發(fā)展?jié)摿Φ闹亓μ荻葴y(cè)量系統(tǒng)是目前正處于試飛階段的超導(dǎo)重力梯度測(cè)量系統(tǒng)。目前主要有英國(guó)的ARKeX公司的EGG系統(tǒng)、加拿大的GEDEX公司HD-AGG系統(tǒng)、 以及澳大利亞西澳大學(xué)的VKl重力梯度測(cè)量系統(tǒng)?；谶~斯納效應(yīng)、超導(dǎo)回路內(nèi)磁通守恒和超導(dǎo)量子干涉器件(SQUID)的低溫超導(dǎo)重力梯度儀，其設(shè)計(jì)分辨率可達(dá)到10-3E/ V Hz, 其實(shí)驗(yàn)室指標(biāo)已達(dá)到10-2E/ V Hz0在各類地表重力梯度儀中，唯有超導(dǎo)重力梯度儀的實(shí)驗(yàn)室噪聲水平突破了 IE/ V Hz，因而成為高精度重力梯度儀研制的突破口，越來越受到西方國(guó)家的重視(參考文獻(xiàn)Daniel J. DiFrancesco, 2010, The Gravity Quest，In R. J. L. Lane editor， Airborne Gravity 2010-Abstracts from the ASEG—PESA Airborne Gravity 2010Workshop Geoscience Australia Record 2010/23 and GSNSW FileGS2010/0457，44-48.)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種研制難度相對(duì)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高的重力梯度測(cè)量系統(tǒng)，其不僅能夠提供更多的重力梯度張量信息，而且在實(shí)際測(cè)量中能夠減小重力場(chǎng)反演過程中的模型和經(jīng)驗(yàn)依賴，從而提高重力測(cè)量數(shù)據(jù)的反演和解釋結(jié)果的置信水平。為解決上述技術(shù)問題，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種重力梯度測(cè)量系統(tǒng)，該重力梯度測(cè)量系統(tǒng)包括慣性穩(wěn)定平臺(tái)；重力梯度測(cè)量單元，該重力梯度測(cè)量單元設(shè)置在慣性穩(wěn)定平臺(tái)上，由豎直布置的超導(dǎo)重力梯度儀和水平放置的旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀共同組成；以及數(shù)據(jù)采集與處理單元，該數(shù)據(jù)采集單元通過信號(hào)線分別與所述超導(dǎo)重力梯度儀和旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀兩者的輸出端相連，用于采集其測(cè)量數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；其中所述超導(dǎo)重力梯度儀用于測(cè)量重力梯度張量中的豎直分量Γζζ，所述旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀用于測(cè)重力梯度張量中的水平分量rxy。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述超導(dǎo)重力梯度儀包括成對(duì)設(shè)置的超導(dǎo)檢測(cè)質(zhì)量；超導(dǎo)懸浮線圈，該超導(dǎo)懸浮線圈對(duì)應(yīng)于各個(gè)超導(dǎo)檢測(cè)質(zhì)量而設(shè)置，分別用于使所述超導(dǎo)檢測(cè)質(zhì)量懸浮起來以平衡地表重力加速度；超導(dǎo)位移檢測(cè)線圈，該超導(dǎo)位移檢測(cè)線圈對(duì)應(yīng)于各個(gè)超導(dǎo)檢測(cè)質(zhì)量而設(shè)置，分別用于檢測(cè)所述超導(dǎo)檢測(cè)質(zhì)量所在位置的加速度變化；超導(dǎo)電路回路，該超導(dǎo)電路回路與所述超導(dǎo)懸浮線圈和超導(dǎo)位移檢測(cè)線圈連接并共同構(gòu)成回路；檢測(cè)超導(dǎo)線圈，該檢測(cè)超導(dǎo)線圈與所述超導(dǎo)電路回路相連接并在所述超導(dǎo)檢測(cè)質(zhì)量的加速度不一致時(shí)，產(chǎn)生反映超導(dǎo)檢測(cè)質(zhì)量位移差的差分電流；以及超導(dǎo)量子干涉器件，該超導(dǎo)量子干涉器件用于對(duì)所述檢測(cè)超導(dǎo)線圈產(chǎn)生的差分電流進(jìn)行探測(cè)并予以輸出。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀包括轉(zhuǎn)臺(tái)，該轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)軸沿豎直方向并以一定的角速度勻速旋轉(zhuǎn)；四個(gè)加速度計(jì)，該加速度計(jì)以轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)軸為中心對(duì)稱正交地設(shè)置在轉(zhuǎn)臺(tái)上，其敏感軸方向沿轉(zhuǎn)臺(tái)徑向圓周的切線方向，且相對(duì)置的加速度計(jì)的敏感軸相反；以及組合輸出裝置，該組合輸出裝置分別與各個(gè)所述加速度計(jì)相連，用于將加速度計(jì)所測(cè)得的加速度值進(jìn)行組合和輸出。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述超導(dǎo)重力梯度儀和所述旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀在豎直方向上共軸安裝在慣性穩(wěn)定平臺(tái)上。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)采集與處理單元將測(cè)量數(shù)據(jù)相互檢驗(yàn)，并將其作為測(cè)量系統(tǒng)的冗余以確保測(cè)量數(shù)據(jù)的正確性。按照本發(fā)明的另一方面，提供了使用本發(fā)明的系統(tǒng)相應(yīng)執(zhí)行重力梯度測(cè)量的方法，該方法包括下列步驟
在基于航空、飛艇、車載、船載、艇載等的動(dòng)基座載體上，通過慣性穩(wěn)定平臺(tái)放置超導(dǎo)重力梯度儀和旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀，并將其運(yùn)輸至測(cè)量區(qū)域；啟動(dòng)超導(dǎo)重力梯度儀和旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀，對(duì)重力梯度張量中的豎直分量 Γ zz和水平分量Γ χχ- Γ yy和Γ xy進(jìn)行測(cè)量；通過數(shù)據(jù)采集與處理單元，對(duì)重力梯度儀和旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；以及通過數(shù)據(jù)采集與處理單元，將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相互檢驗(yàn)，同時(shí)將其作為測(cè)量系統(tǒng)的冗余以確保測(cè)量數(shù)據(jù)的正確性。按照本發(fā)明的另一方面，還提供了上述重力梯度測(cè)量方法在航空重力梯度測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用。通過按照本發(fā)明的重力梯度測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法，根據(jù)對(duì)水平加速度計(jì)梯度儀和超導(dǎo)梯度儀各自的特征分析，在同一慣性穩(wěn)定平臺(tái)上，將超導(dǎo)重力梯度儀設(shè)置為豎直放置用于測(cè)量重力梯度張量中的豎直分量，同時(shí)將旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀設(shè)置為水平放置用于測(cè)量重力梯度的水平分量，這種設(shè)置方式及其相應(yīng)獲得的重力梯度測(cè)量系統(tǒng)，不僅可以高精度測(cè)量包括rxy在內(nèi)的重力梯度分量，而且可以將這些數(shù)據(jù)用于相互檢驗(yàn)，作為測(cè)量系統(tǒng)的冗余以確保測(cè)量數(shù)據(jù)的正確性。與現(xiàn)有的設(shè)備相比，克服了研制基于旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)的全張量重力梯度儀中對(duì)單個(gè)加速計(jì)動(dòng)態(tài)范圍要求過高的技術(shù)問題，并且可以避免研制基于超導(dǎo)的全張量重力梯度儀中對(duì)系統(tǒng)裝配的過高精度要求，因而在實(shí)際測(cè)量中能夠取得比現(xiàn)有設(shè)備更可靠的有效測(cè)量結(jié)果。


圖I是按照本發(fā)明的重力梯度測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖I中用于測(cè)量重力梯度張量中豎直分量的超導(dǎo)重力梯度儀的平面示意圖；圖3是圖I中用于測(cè)量重力梯度張量中水平分量的旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀的結(jié)構(gòu)示意圖。在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的部件或元件，其中I-慣性穩(wěn)定平臺(tái)，2-超導(dǎo)重力梯度儀，3-旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀，4-數(shù)據(jù)采集與處理單元，5-超導(dǎo)檢測(cè)質(zhì)量，6-超導(dǎo)檢測(cè)質(zhì)量，7-超導(dǎo)懸浮線圈，8-超導(dǎo)懸浮線圈，9-超導(dǎo)位移檢測(cè)線圈，10-超導(dǎo)位移檢測(cè)線圈，11-超導(dǎo)電路回路，12-檢測(cè)超導(dǎo)線圈，13-超導(dǎo)量子干涉器件，14-加速度計(jì)，15-加速度計(jì)16-加速度計(jì)，17-加速度計(jì)，18-轉(zhuǎn)臺(tái)，19-組合輸出裝置
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體描述。首先，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案所涉及的原理及構(gòu)思要旨進(jìn)行說明。地球上物體所受的重力是地球質(zhì)量對(duì)該物體產(chǎn)生的萬有引力和該物體隨著地球自轉(zhuǎn)而引起的慣性離心力的合力，其方向?yàn)樵擖c(diǎn)的鉛垂線方向。重力加速度在數(shù)值上等于單位質(zhì)量物體在該點(diǎn)所受的重力，其方向與重力方向相同。重力梯度反映重力沿空間不同方向的變化率，任一點(diǎn)的重力梯度由三階張量來描述，其大小為該位置重力加速度g(X，y, Z)對(duì)空間的一階導(dǎo)數(shù)，即
權(quán)利要求
1.一種重力梯度測(cè)量系統(tǒng)，包括慣性穩(wěn)定平臺(tái)(I)；重力梯度測(cè)量單元，該重力梯度測(cè)量單元設(shè)置在慣性穩(wěn)定平臺(tái)(I)上，由豎直布置的超導(dǎo)重力梯度儀(2)和水平布置的旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀(3)共同組成；以及數(shù)據(jù)采集與處理單元(4)，該數(shù)據(jù)采集單元通過信號(hào)線分別與所述超導(dǎo)重力梯度儀(2)和旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀(3)兩者的輸出端相連，用于采集其測(cè)量數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；其中所述超導(dǎo)重力梯度儀(2)用于測(cè)量重力梯度張量中的豎直分量Γζζ，所述旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀用于測(cè)重力梯度張量中的水平分量rxy。
2.如權(quán)利要求I所述的重力梯度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述超導(dǎo)重力梯度儀(2)包括成對(duì)設(shè)置的超導(dǎo)檢測(cè)質(zhì)量(5，6);超導(dǎo)懸浮線圈(7，8)，該超導(dǎo)懸浮線圈對(duì)應(yīng)于各個(gè)超導(dǎo)檢測(cè)質(zhì)量(5，6)而設(shè)置，分別用于使所述超導(dǎo)檢測(cè)質(zhì)量(5，6)懸浮起來以平衡地表重力加速度；超導(dǎo)位移檢測(cè)線圈(9，10)，該超導(dǎo)位移檢測(cè)線圈對(duì)應(yīng)于各個(gè)超導(dǎo)檢測(cè)質(zhì)量(5，6)而設(shè)置，分別用于檢測(cè)所述超導(dǎo)檢測(cè)質(zhì)量所在位置的加速度變化；超導(dǎo)電路回路(11)，該超導(dǎo)電路回路與所述超導(dǎo)線圈(7，8)和超導(dǎo)位移檢測(cè)線圈(9， 10)連接并共同構(gòu)成回路；檢測(cè)超導(dǎo)線圈(12)，該檢測(cè)超導(dǎo)線圈與所述超導(dǎo)電路回路(11)相連接并在所述超導(dǎo)檢測(cè)質(zhì)量(5，6)的加速度不一致時(shí)，產(chǎn)生反映超導(dǎo)檢測(cè)質(zhì)量位移差的差分電流；以及超導(dǎo)量子干涉器件(13)，該超導(dǎo)量子干涉器件用于對(duì)所述檢測(cè)超導(dǎo)線圈(12)產(chǎn)生的差分電流進(jìn)行探測(cè)并予以輸出；所述旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀(3)包括轉(zhuǎn)臺(tái)(18)，該轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)軸沿豎直方向并以一定的角速度勻速旋轉(zhuǎn)；四個(gè)加速度計(jì)(14，15，16，17)，該加速度計(jì)以轉(zhuǎn)臺(tái)(18)的轉(zhuǎn)軸為中心對(duì)稱正交地設(shè)置在轉(zhuǎn)臺(tái)(18)上，其敏感軸方向沿轉(zhuǎn)臺(tái)(18)徑向圓周的切線方向，且相對(duì)置的加速度計(jì)的敏感軸相反；以及組合輸出裝置(19)，該組合輸出裝置分別與各個(gè)所述加速度計(jì)(14，15，16，17)相連， 用于將加速度計(jì)所測(cè)得的加速度值進(jìn)行組合和輸出。
3.如權(quán)利要求I或2所述的重力梯度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述超導(dǎo)重力梯度儀(2) 和所述旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀(3)在豎直方向上共軸安裝在慣性穩(wěn)定平臺(tái)(I)上。
4.如權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的重力梯度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集與處理單元(4)將測(cè)量數(shù)據(jù)相互檢驗(yàn)，并將其作為測(cè)量系統(tǒng)的冗余以確保測(cè)量數(shù)據(jù)的正確性。
5.一種使用如權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)執(zhí)行重力梯度測(cè)量的方法，該方法包括下列步驟在基于例如航空、飛艇、車載、船載或艇載等的動(dòng)基座載體上，通過慣性穩(wěn)定平臺(tái)放置超導(dǎo)重力梯度儀和旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀，并將其運(yùn)輸至測(cè)量區(qū)域；啟動(dòng)超導(dǎo)重力梯度儀和旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀，對(duì)重力梯度張量中的豎直分量Γζζ和水平分量Γ χχ- Γ yy和Γ xy進(jìn)行測(cè)量；通過數(shù)據(jù)采集與處理單元，對(duì)重力梯度儀和旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；以及通過數(shù)據(jù)采集與處理單元，將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相互檢驗(yàn)，同時(shí)將其作為測(cè)量系統(tǒng)的冗余以確保測(cè)量數(shù)據(jù)的正確性。
6.一種使用如權(quán)利要求5所述的方法在航空重力梯度測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種重力梯度測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法，該測(cè)量系統(tǒng)包括慣性穩(wěn)定平臺(tái)(1)；設(shè)置在慣性穩(wěn)定平臺(tái)(1)上，由超導(dǎo)重力梯度儀(2)和旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀(3)共同組成的重力梯度測(cè)量單元；以及用于采集測(cè)量數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)采集與處理單元(4)，其中超導(dǎo)重力梯度儀(2)用于測(cè)量重力梯度張量中的豎直分量Γzz，旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀(3)用于測(cè)量水平分量Γxx-Γyy和Γxy。通過本發(fā)明，可以提供更精確的重力梯度張量信息，減小重力場(chǎng)反演過程中的模型和經(jīng)驗(yàn)依賴，所測(cè)得的數(shù)據(jù)還可以用于相互檢驗(yàn)，并作為測(cè)量系統(tǒng)的冗余以確保測(cè)量數(shù)據(jù)的正確性，從而提高重力測(cè)量數(shù)據(jù)的反演和解釋結(jié)果的置信水平。
文檔編號(hào)G01V7/16GK102608668SQ20111042949
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2011年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月19日
發(fā)明者涂良成, 羅俊 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)