绝对重力仪振动干扰抑制算法研究

论文摘要

重力场是反应地球特性的地球物理基本物理场,重力场信息对固体地球物理学、空间物理、地球动力学和地震学等基础学科的研究具有重要意义。高精度绝对重力测量是探测地球重力场信息的重要手段之一,目前世界上存在着基于激光干涉和原子干涉两类绝对重力仪。在激光干涉绝对重力仪中,测量系统、测量环境和参考立体棱镜振动干扰等多方面因素影响测量结果的准确性,其中振动干扰造成的影响尤为重要。对此目前国际上主要采用硬件隔振技术。随着高精度振动测量技术和数字信号处理技术的快速发展,为基于数字信号处理算法实现对振动干扰的抑制提供了可能。本文主要研究内容就是通过对振动干扰信号的测量,采用数字信号处理算法对其实现抑制：1、基于激光干涉绝对重力仪的工作原理,建立干涉条纹生成的理论模型,该模型随着下落距离的变化生成变频的正弦波；同时基于记录的干扰信号,建立干扰信号生成模型,该模型主要生成干扰信号中的非线性部分,由多个正弦波信号叠加而成。2、基于自由下落运动的运动方程和直线的二次微分为零,提出振动曲线画线选点抑制算法。通过数值模拟和实际测量数据抑制处理结果表明,当振动信号中非线性干扰振幅为10-7m时,算法在不同测量点处理结果的差值范围为-20～20μGal,且十六组处理结果的精度优于10μGal,算法处理结果相对于直接处理结果至少提高两个数量级。不同振幅的干扰条件下,该算法抑制处理结果的差值范围保持在20μGal以内。当振动信号中非线性干扰振幅为10-8m且频率分布发生变化时,只是当优势频率位于[192260]Hz时,改正效果相对于其他分布情况相差一个数量级。3、基于参考系的相对运动和振动干扰位移信号,提出振动干扰的位移信号抑制算法。通过数值模拟和实际测量数据抑制处理结果表明,当振动信号中非线性干扰振幅为10-7m时.算法在不同测量点处理结果的差值范围为-1～1μGal,且十六组处理结果的精度优于1μGal算法处理结果相对于直接处理结果至少提高三个数量级。不同振幅的干扰条件下,该算法抑制处理结果的差值范围保持在2μGal以内。当振动信号中非线性干扰振幅为10-8m,且频率分布发生变化时,该算法处理结果相对于直接处理结果最少提高一个数量级。4、基于参考系的相对运动和振动干扰速度信号,提出振动干扰的速度信号抑制算法。通过数值模拟和实际测量数据抑制处理结果表明,当振动信号中非线性干扰振幅为10-6ms-1时,算法在不同测量点处理结果的差值范围为10～15μGal,且十六组处理结果的精度优于1μGal,算法处理结果相对于直接处理结果至少提高两个数量级。当振幅大于10-7ms-1后,处理结果的正确度随着振幅的增大逐渐变差,但相对于直接处理结果仍然有着很好的提高；当振幅需小于10-7ms-1时,该算法处理结果的差值范围保持在2μGal以内。当振动信号中非线性干扰振幅为10-7ms-1且频率分布发生变化时,该算法处理结果相对于直接处理结果最少提高一个数量级。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 重力场概要
• 1.1.2 重力场的观测仪器
• 1.1.3 研究目的与意义
• 1.2 绝对重力仪振动干扰抑制技术
• 1.2.1 超长弹簧振动隔离技术
• 1.2.2 长周期地震计振动隔离技术
• 1.3 研究目标与内容
• 第二章 振动干扰抑制数据处理基本原理
• 2.1 绝对重力仪基本原理
• 2.1.1 获取干涉条纹
• 2.1.2 提取自由落体下落轨迹
• 2.2 测量数据的数学模型建立
• 2.2.1 理想状态干涉条纹处理
• 2.2.2 参考棱镜干扰模型模拟
• 2.2.3 带有振动干扰信号的干涉条纹模拟
• 2.3 振动干扰抑制数据处理基本流程
• 第三章 振动信号画线选点抑制算法研究
• 3.1 振动信号画线选点抑制算法基本原理
• 3.2 振动信号画线选点抑制算法建立
• 3.3 振动信号画线选点抑制算法数值模拟
• 3.3.1 不同重力值的适用性
• 3.3.2 不同振幅干扰信号数值模拟
• 3.3.3 不同频率干扰信号数值模拟
• 3.4 实际测量数据的抑制处理
• 3.4.1 不同测量点测量数据
• 3.4.2 同一测量点不同时间测量数据
• 3.5 本章小结
• 第四章 振动干扰位移信号抑制算法研究
• 4.1 振动干扰信号抑制算法基本原理
• 4.2 振动干扰位移信号抑制算法建立
• 4.3 振动干扰位移信号抑制数值模拟
• 4.3.1 不同重力值的适用性
• 4.3.2 不同振幅干扰信号的数值模拟
• 4.3.3 不同频率干扰信号的数值模拟
• 4.3 实际测量数据的抑制处理
• 4.5 本章小结
• 第五章 振动干扰速度信号抑制算法研究
• 5.1 振动干扰速度信号抑制算法建立
• 5.2 振动干扰速度信号抑制数值模拟
• 5.2.1 不同重力值的适用性
• 5.2.2 不同振幅干扰信号的数值模拟
• 5.2.3 不同频率干扰信号的数值模拟
• 5.3 实际测量数据的抑制处理
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历
• 攻读硕士学位期间参与的项目及发表的文章