[发明专利]基于光力悬浮的全张量重力梯度测量方法及重力梯度仪

说明书

本发明公开了一种基于光力悬浮的全张量重力梯度测量方法及重力梯度仪。所述方法采用三个微球光力悬浮三轴敏感单元分别置于立体空间的三点，不共线，通过微球光力悬浮三轴敏感单元分别测得三点处的重力加速度，然后利用差分原理得到重力梯度全部张量。所述的微球光力悬浮三轴敏感单元包括敏感微球悬浮模块、敏感微球位移探测模块，其中敏感微球悬浮模块利用光力效应实现敏感微球的悬浮，敏感微球位移探测模块利用光强平衡探测原理实现敏感微球的三轴位移探测，再利用光力悬浮单元的刚度解算出三轴重力加速度。本发明可以同时实现重力梯度全张量的高灵敏度测量，同时有效减小全张量重力梯度仪的集成难度。

技术领域

本发明涉及测试装置，尤其涉及一种基于光力悬浮的全张量重力梯度测量方法及重力梯度仪。

背景技术

重力场是反映地球内部物质结构及其变迁的地球物理基本场，重力梯度表征的是单位距离内重力加速度沿一定方向的变化率，单位为s^-2(常用单位为E，1E＝10^-9s^-2)，它反映了地球内部密度变化引起的重力异常，具有比重力测量更高一级的分辨率，且更适用于运动平台。基于这些优势，重力梯度测量在大地测量、资源勘探、重力导航等领域都具有极其重要的应用。

重力梯度为重力加速度向量在笛卡尔坐标系x,y,z三个方向上的导数，这些导数组成了重力梯度张量矩阵，如式(1)所示：

重力梯度张量矩阵T是对称矩阵，满足T_xy＝T_yx,T_yz＝T_zy,T_zx＝T_xz，且三沿轴重力梯度满足T_xx+T_yy+T_zz＝0，因此重力梯度只有5个独立分量。全张量重力梯度仪是能同时测量全部5个独立重力梯度张量的仪器，其研究深受国内外科研人员重视。

目前，国际上成熟的全张量重力梯度仪为旋转加速度计重力梯度仪，其基本原理如附图1所示，4个加速度计对称分布在圆盘上，加速度计的敏感方向沿圆盘的切线方向，使圆盘以一定的角速度旋转，采集加速度计a1—a4的输出信号，使加速度a1的信号与加速度计a2的信号相加，加速度计a3的信号与加速度计a4的信号相加，再将二者相减，从而获得3个含有重力梯度信息的信号。采用三个相互垂直的转盘安装12个加速度计，使转盘以相同的角速度旋转，采用同样的信号采集方法，可以获得9个含有重力梯度元素的信号，通过数学方法可以解算出5个独立的重力梯度张量。

旋转加速度计重力梯度仪能进行重力梯度的全张量测量，但它需要测量精度极高的加速度计，同时存在加速度计安装方向误差，加速度计非线性误差、加速度计之间的标度因子不一致及各敏感轴不严格正交而产生的误差等。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于光力悬浮的全张量重力梯度测量方法及重力梯度仪。

一种基于光力悬浮的全张量重力梯度测量方法，采用三个微球光力悬浮三轴敏感单元分别置于立体空间的三点，不共线，通过微球光力悬浮三轴敏感单元分别测得三点处的重力加速度，然后利用差分原理得到重力梯度全部张量。

所述的方法，采用三个结构相同的微球光力悬浮三轴敏感单元，空间坐标分别为X轴上的(d，0，0)、Y轴上的(0，d，0)、Z轴上的(0，0，d)；通过微球光力悬浮三轴敏感单元测得(d，0，0)处的重力加速度(g_1x,g_1y,g_1z)，测得(0，d，0)处的重力加速度(g_2x,g_2y,g_2z)，测得(0，0，d)处的重力加速度(g_3x,g_3y,g_3z)，

利用差分原理求得相应方向的重力梯度，其计算公式为：