本發(fā)明屬于重力梯度儀技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種創(chuàng)建局部近似勻值引力梯度張量激勵的方法。

背景技術(shù)：

重力梯度儀是敏感重力場變化趨勢的專用設(shè)備，為了實現(xiàn)對重力場變化定量測量的準(zhǔn)確性，就必須對重力梯度儀的輸出結(jié)果進(jìn)行有效精確的標(biāo)定。而實現(xiàn)精確標(biāo)定最有效的方法就是營造勻值、可控的重力梯度場激勵，但限于現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)加速度計式重力梯度儀的元件水平以及原理方案制約，要想實現(xiàn)對水平局部張量重力梯度儀的有效標(biāo)定(理論分辨率幾十e)，必須創(chuàng)建具備高張量激勵且在一定空間尺度內(nèi)呈現(xiàn)近似勻值特性的質(zhì)量引力梯度場，以解決對于設(shè)備的標(biāo)定需求。

現(xiàn)階段定量標(biāo)定方法主要采用二倍頻分辨率等效質(zhì)量引力梯度張量激勵法，即根據(jù)萬有引力定律，計算出隨重力梯度敏感器旋轉(zhuǎn)調(diào)制頻率相對應(yīng)各采樣點的激勵質(zhì)量引力加速度沿各重梯加速度計敏感軸的有效分量，然后對理論計算得到的一系列數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)制頻率二倍頻處的數(shù)據(jù)提取，同時對真實激勵下測量得到的各采樣點輸出電信號進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)制頻率二倍頻處的解調(diào)與濾波處理，最后將處理后的輸出信號與計算得到的理論有效加速度信息進(jìn)行比例運算，從而得到重梯加速度計在調(diào)整二倍頻處的有效分辨率，間接實現(xiàn)了與該分辨能力等效的勻值引力梯度激勵標(biāo)定。但上述標(biāo)定方法并沒有真正營造出符合水平張量重力梯度測量原理中描述的勻值梯度場激勵，只體現(xiàn)了集成重力梯度敏感器所用的重梯加速度計具備敏感等效勻值重力梯度激勵的測量分辨能力。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種創(chuàng)建局部近似勻值引力梯度張量激勵的方法，解決現(xiàn)有重力梯度敏感器標(biāo)定方法不具備水平重力梯度測量原理中所展現(xiàn)的勻值梯度場特性的問題。

本發(fā)明解決現(xiàn)有的技術(shù)問題是采取以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種創(chuàng)建局部近似勻值引力梯度張量激勵的方法，包括以下步驟：

步驟1、構(gòu)建高張量局部近似勻值引力梯度張量激勵裝置；

步驟2、設(shè)置高張量近似勻值引力梯度張量激勵的量程、激勵步長和測量尺度范圍，計算引力梯度激勵模型下的空間梯度張量，從而形成量程可控、局部近似勻值的高張量引力梯度激勵。

所述高張量局部近似勻值引力梯度張量激勵裝置包括直線運動滑軌、由質(zhì)量激勵單元構(gòu)成的線型引力質(zhì)量體和重力梯度敏感器，重力梯度敏感器設(shè)置在兩個線型引力質(zhì)量體的中心位置且兩個線型引力質(zhì)量體安裝在直線運動滑軌上，兩個線型引力質(zhì)量體的質(zhì)量中心平面與重力梯度敏感器的旋轉(zhuǎn)中心平面重合。

所述線型引力質(zhì)量體由鎢鉬銅合金組成。

所述測量尺度范圍為重力梯度敏感器周圍的方形區(qū)域。

所述步驟2的重力梯度正演遞推公式為：

式中，g為萬有引力常數(shù)；ρ為引力質(zhì)量體質(zhì)量密度；ξi和ξi'分別為兩側(cè)對稱引力質(zhì)量體8個頂點的x軸坐標(biāo)值；ηi和ηi'分別為兩側(cè)對稱引力質(zhì)量體8個頂點的y軸坐標(biāo)值；γi和γi'分別為兩側(cè)對稱引力質(zhì)量體8個頂點的z軸坐標(biāo)值；x,y,z為直角坐標(biāo)系中任意觀測點的坐標(biāo)；為兩側(cè)對稱引力質(zhì)量體任意頂點與任意觀測點間的距離；為方向系數(shù)。

本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是：

本發(fā)明通過分析近似勻值引力梯度場的產(chǎn)生機(jī)理、分布特性以及對于重力梯度儀標(biāo)定的實際作用，構(gòu)建高張量局部近似勻值引力梯度張量激勵裝置，在重力梯度敏感器測量尺度范圍內(nèi)利用勻值引力梯度張量激勵對儀器輸出進(jìn)行標(biāo)定，形成量程可控、局部近似勻值等特性的高張量引力梯度激勵，解決了現(xiàn)有重力梯度敏感器標(biāo)定方法不具備水平重力梯度測量原理中所展現(xiàn)的勻值梯度場特性的問題。

附圖說明

圖1為點源質(zhì)量分布示意圖；

圖2為在圖1中設(shè)置觀測范圍示意圖；

圖3為txx、tyy和txx-tyy的計算結(jié)果示意圖；

圖4為本發(fā)明構(gòu)建的高張量局部近似勻值引力梯度張量激勵裝置結(jié)構(gòu)圖；

圖5為圖4的俯視圖；

圖6為線型對稱質(zhì)量分布下產(chǎn)生50e激勵時的梯度場分布示意圖；

圖7為線型對稱質(zhì)量分布下產(chǎn)生100e激勵時的梯度場分布示意圖；

圖8為線型對稱質(zhì)量分布下產(chǎn)生150e激勵時的梯度場分布示意圖；

其中，圖4及圖5中的1為直線運動滑軌、2為引力質(zhì)量體(由質(zhì)量激勵單元組成)、3為重力梯度敏感器、4為測量尺度范圍。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例做進(jìn)一步詳述：

一種創(chuàng)建局部近似勻值引力梯度張量激勵的方法的設(shè)計原理為：

依據(jù)點源質(zhì)量對稱分布產(chǎn)生局部勻值線引力梯度場的基礎(chǔ)，本發(fā)明認(rèn)為線型質(zhì)量場平面對稱分布同樣可產(chǎn)生類似的局部平面勻值引力梯度特性。質(zhì)量分布如圖1所示，兩條線型質(zhì)量在-ξ＜x＜ξ區(qū)域產(chǎn)生的引力梯度張量可表示如下：

式中ξ為線型質(zhì)量體上任意點的x軸坐標(biāo)值；η，η'分別為兩側(cè)對稱線型質(zhì)量體上任意點的y軸坐標(biāo)值；x為兩側(cè)對稱線型質(zhì)量體中間區(qū)域任意觀測點的x軸坐標(biāo)值；y為兩側(cè)對稱線型質(zhì)量體中間區(qū)域任意觀測點的y軸坐標(biāo)值；

對式中各張量進(jìn)行計算可知，當(dāng)線質(zhì)量源在y坐標(biāo)軸區(qū)間取(-∞，+∞)時，txy和tyx項均為零，而測量(標(biāo)定)關(guān)心的另外三個張量為：

為分析方便，利用數(shù)值積分法對上式進(jìn)行有限區(qū)間積分計算，并且選取一定的觀測范圍利用圖示法進(jìn)行觀察，用以研究對稱線型質(zhì)量分布下的引力梯度場分布特性。假設(shè)線密度ρ取1，ξ取2，η取(-10,10)區(qū)間，觀測范圍取以坐標(biāo)原點為中心邊長0.2的正方形區(qū)域，如圖2所示。txx、tyy和txx-tyy的計算結(jié)果如圖3和表1所示。

表1.對稱線質(zhì)量分布下有限測量尺度平面內(nèi)的各引力梯度張量激勵

從計算結(jié)果可以看出，當(dāng)質(zhì)量源關(guān)于觀測坐標(biāo)系y軸成線型對稱分布時，以觀測坐標(biāo)系原點為中心的一定觀測區(qū)域平面內(nèi)的txx-tyy張量近似等于txx張量且呈現(xiàn)近似勻值的特性，而tyy張量近似為0。因此，通過對線型質(zhì)量源對稱分布的引力梯度場定量分析，的確在對稱中心局部區(qū)域可產(chǎn)生既具有一定張量值，又具有近似勻值特性的引力梯度場，故而為后續(xù)如何定量創(chuàng)建可用于重力梯度傳感器標(biāo)定所需的近似勻值引力梯度場奠定了基礎(chǔ)。

下面結(jié)合圖4和圖5給出的具體實例對本發(fā)明進(jìn)行具體說明。

首先構(gòu)建高張量局部近似勻值引力梯度張量激勵裝置，如圖4及圖5所示。線型引力質(zhì)量體2的質(zhì)量中心平面與重力梯度敏感器3的旋轉(zhuǎn)中心平面(圖中的xy平面)重合，通過在直線型對稱滑軌機(jī)構(gòu)1上對稱移動線型引力質(zhì)量體2，沿線型方向增加、減少引力質(zhì)量體2或沿對稱移動距離方向整體增加、減少線型引力質(zhì)量體2的列數(shù)，來產(chǎn)生具有高張量且在重力梯度敏感器3測量尺度范圍4內(nèi)呈現(xiàn)近似勻值特性的引力梯度張量激勵。

然后根據(jù)所需梯度激勵幅值按照重力梯度正演遞推公式計算得到的引力質(zhì)量體2的線型分布長度，沿直線型對稱滑軌機(jī)構(gòu)1移動方向的分布列數(shù)，以及與重力梯度敏感器的水平分布間距，配置相應(yīng)所需的質(zhì)量激勵元，同時控制對稱直線滑軌機(jī)構(gòu)1按照得到的相應(yīng)移動方向進(jìn)行對稱移動，移動定位精度優(yōu)于1mm。具體方法為：

計算引力梯度激勵模型下的空間梯度張量分布公式如下：

式中，而

根據(jù)重力梯度敏感器3的標(biāo)定需求，擬定創(chuàng)建的高張量近似勻值引力梯度張量激勵為量程150e，激勵步長為50e，劃定重力梯度敏感器3的測量尺度范圍4為340×340(單位：mm)的方形區(qū)域，同時限定所創(chuàng)建的近似勻值引力梯度激勵誤差不大于激勵張量數(shù)值的10％為邊界條件，假定采用100mm×100mm×100mm的鎢鉬銅合金(其密度為18×10³kg/m³)為引力質(zhì)量體2的組成單元，利用模型正演遞推計算方法搜尋符合創(chuàng)建條件的引力質(zhì)量體2的對稱分布距離、質(zhì)量分布長度以及梯度場分布特性(如圖6至8和表2、3所示)。

表2.線型對稱質(zhì)量分布下梯度儀有效測量尺度內(nèi)的txx、tyy、txx-yy引力梯度張量激勵

表3.線型對稱質(zhì)量分布下梯度儀有效測量尺度內(nèi)的的txy引力梯度張量激勵

最后，為驗證對稱引力質(zhì)量激勵下的局部近似勻值梯度張量特性，即驗證重力梯度敏感器3的感測值對引力質(zhì)量體2相對重力梯度敏感器3的水平位置距離在對稱中心附近變化不敏感的特性，可以在實現(xiàn)對稱引力質(zhì)量激勵時，沿直線型對稱滑軌機(jī)構(gòu)1，同向小范圍并行移動引力質(zhì)量體2，以觀察重力梯度敏感器感測值的波動變化，實現(xiàn)對局部勻值特性的驗證。

需要強(qiáng)調(diào)的是，本發(fā)明所述的實施例是說明性的，而不是限定性的，因此本發(fā)明包括并不限于具體實施方式中所述的實施例，凡是由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案得出的其他實施方式，同樣屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。