（精密仪器及机械专业论文）海洋重力仪信号检测及数据处理方法的研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

晗尔滨+ f 程大学碛士学谴论文 摘要 要实现惯性重力组合导航，首先要建立需要导航区域的重力图数 嚣淳，该数据疼数据熬燕接来源藏是耩雳海洋蓬力仪邂一遂行灞量。在 潜器航行过程中，需要利用海洋重力仪实时测量所在位置的艇力值，以 诧葙事先建立瓣该海区瓣重力强数据黪一超，遽_ 过鹜黪廷琵方法实现耄 力对惯肆误差的修正，从而达到无源导航定位的目的。 奉论文以缎性，重力缝合导簸为应蠲篱景，嚣海洋蓬力传懑器静王俸 原理进行分析，并对其信号检测及数据处理方法进行研究。 论文营先对海洋重力测量豹一系列理论及特豫瞧遘行分攒，讨论现 有的各种海洋重力仪的工作原理及各自的优缺点。 其次，对c h z 型海洋重力传感嚣进行了分瓠，建立英数学模裂， 在此摹础上，设计出了基于微机的c h z 型海洋重力传感器的模拟器及 蒸信号糗测回鼹。同时，本文还对海洋重力仪戆数摄处理方法进 亍了磷 究，并分析了主要的测髓误差，数据处理及谡差分析主要包括：e j t v 6 s 修正及误差分橱、消除离频找动加速度数低通滤波器设计、熬力仪零点 漂移改正以及温度变化对海洋整力测量精度的影响分析。 最羼* 针对实现的海洋重力传感嚣摸拟器，设计擞了用予检测熏力 传感器信号的基于d s p 的硬件电路，并利用d s p 的高速运算性能，对 所检测的重力传感器信号进行榴应的处理，劳和导航计算机实现数据通 信。从而为惯性重力组台导航打下一定基础。 荚键词：海洋重力仪：夔力测羹；重力导航；数字信号处理 晗零滨工程夫学礞学链论文 a b s t r a c t c o n s i d e rt ot h en e e d so fi n e r t i a ln a v i g a t i o n ，g r a v i t yi n t e g r a t e d n a v i g a t i o ns y s t e m ，t h ed a t a b a s eo fg r a v i t ym a po ft h e a r e aw h e r e v e h i c l ew i l lb en a v i g a t e dm u s tb ee s t a b l i s h e da tf i r s t t h ed a t ao ft h e d a t a b a s ei so b t a i n e d b y o c e a n g r a v i m e t e r ，a n o t h e r h a n d ，w h e n v e h i c l ew o r k s ，t h eg r a v i t ym u s tb em e a s u r e db yo c e a ng r a v i m e t e rt o r e d u c et h ee r r o ro fi n e r t i a ln a v i g a t i o ns y s t e mb ym a pm a t c h i n g f o rt h e p u r p o s e o fi n e r t i a l n a v i g a l i o n g r a v i t yi n t e g r a t e d n a v i g a t i o ns y s t e m ，t h i s a r t i c l e a n a l y s e s t h e p r i n c i p l e o fo c e a n g r a v i m e t e rs e n s o r sa n d t h ew a yf o rd e t e c t i n ga n dp r o c e s s i n go ft h e i r s i g n a l a tf i r s t ，t h i sa r t i c l e a n a l y s e s t h e t h e o r y a n d p a r t i c u l a r i t y o f o c e a ng r a v i t ym e a s u r e m e n t ，t h e nt a l k sa b o u tt h eo p e r a t i o np r i n c i p l e o f m a n y o c e a ng r a v i m e t e r sa n dt h e i rm e r i t sa n dd e m e r i t s s e c o n d l y ，t h ec h z o c e a ng r a v i m e t e rs e n s o ri sa n a l y z e d ，a n di t s m a t h e m a t i c a lm o d e li so b t a i n e d o nt h eb a s i so f i t ，t h ea r t i c l ed e s i g n s t h es i m u l a t o ro ft h ec h zo c e a n g r a v i m e t e rs e n s o ra n di t ss i g n a l d e t e c t i n gs o l u t i o n t h ew a yf o rp r o c e s s i n gd a t ao fo c e a ng r a v i m e t e r a n dm a i nm e a s u r e m e n te r r o ri s r e s e a r c h e d ，t h o s ei n c l u d ee 6 t v 6 s c o r r e c t i n ga n de r r o ra n a l y z i n g ，d e s i g no fl p f i l t e rf o re l i m i n a t i n gt h e d i s t u r b i n ga c c e l e r a t i o n ，“z e r oe x c u r s i o n o fg r a v i m e t e rc o r r e c t i n g a n d a n a l y z i n g o ft h ee f f e c to f t e m p e r a t u r eu p o ng r a v i t y m e a s u r e m e n t f i n a l l y ，t h i sa r t i c l ed e s i g n so n b a s e dd s p h a r d w a r et od e t e c tt h e o c e a n g r a v i m e t e r s i m u l a t o r s s i g n a l t h a th a sb e e n d e s i g n e d t h e s o f t w a r ei sp r o g r a m m e dt op r o c e s st h eo b t a i n e dd a t ab y m a k i n gi i s e o f h i g h * s p e e dp e r f o r m a n c e o fd s p t h e p r o g r a m sa c c o m p l i s h c o m m u n i c a t i o nw i t hn a v i g a t i o nc o m p u t e r 。 t h ew o r ki n t h i s p a p e rc a n b e n e f i ti n e r t i a l n a v i g a t i o n g r a v i t y i n t e g r a t e dn a v i g a t i o ns y s t e m k e y w or d ：o c e a n g r a v i m e t e r ；g r a v i t ym e a s u r e m e n t ；g r a v i t y n a v i g a t i o n ；d i g i t a ls i g n a lp f 。e e s s o f ( d s p ) 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：查趁拯 日期：砷牛年2 月2 目 哈尔滨i 群人学硕十学位论文 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 潜艇通常分为常规潜艇和核潜艇，它们肩负着对敌封锁、攻击敌舰、发射巡 航导弹和弹道导弹、对敌战略目标和重要设旌进行突然打击的重要使命。要达到 这些目的，就必须保证潜艇航行的隐蔽性，以提高自身的生存能力，确保作战任 务的完成。目前，反潜艇手段已经十分先进，卫星侦察、反潜飞机、声呐探测埘 潜艇的安全构成了很大的威胁。因此潜艇的隐蔽航行对潜艇的安全和作战十分重 要。 目前核潜艇长期水下航行时几乎完全依赖于惯性导航系统定位。而由于惯导 的误差随时间积累，因此常常利用外部信息，例如接收卫星、无线电、天文等其 它导航定位信息，对惯性导航系统进行重调和校正。为此潜艇需要定时上浮接收 卫星、无线电、天文等其它导航定位信息，这样就增加了暴露的可能性。目前， 为提商潜艇水下长期生存能力，在定位方面主要着眼于提裔顷性器件精度和采用 静电陀螺监控器等手段提高惯导系统总体精度。如美国“俄亥俄”级潜艇上的 m k 2 9 m d 7 型惯导系统和静电陀螺监控器重调时间较其代替的旧型号延长了3 1 0 倍，大大减少了潜艇的上浮次数。但静电陀螺监控器也需定时利用外部信息进行 校正，潜艇仍不可避免地需上浮接收外部信息。因此，寻求利用某种信息号l ：8 j 导 组合，解决潜艇在水下长期隐蔽航行状态的定位问题具有极为重要的意义。 地球重力场是地球自身特性的一种反映和描述。重力场强度取决于诸多的因 素，如地下岩石密度、成份、地形等。地球表面( 包括水下) 任何一点的重力场 信息都是不同的，有的地方只不过是差别很小而己。通过测量水下重力场信息作 为惯导系统的外部信息源，构成重力与惯导的组合系统，可实现对惯导的重调或校 正。但因测量仪器的精度和对运动载体的机动的适应问题，使其应用受到限制， 哈尔滨j ：程大学硕士学位论文 难以用于舰船导航定位。随着动态重力仪研究的突破性进展，把重力信息和惯导 结合，实现惯导水下重调校正成为可能。 重力仪与惯导的组合系统是一种完全自主的导航方式，能够满足核潜艇长期 水下隐蔽航行的导航要求，其军事意义非常重大。尤其是在g p s 被干扰或被破坏 时，该系统利于提高许多武器( 例如，战略导弹、巡航导弹等) 导航的隐蔽性和 精确性。 目前，海洋重力测量在测量方法和测量仪器两方面都得到了长足的发展，为 发展重力导航创造了较好的外部条件。现代的重力仪具有动态测量范围宽、测量 精度较高的特点。但是海洋重力测量用的重力仪与导航用的重力仪有着重要差别， 主要表现在海洋重力测量用的重力仪要求在实施测量时，测量船的航速、航向基 本保持恒定，船舶导航定位系统提供航行时间、航向、航速，其扰动加速度修正 是采用针对不同海况设计的数字滤波器进行，测量值采用数字存贮设备保存，数 据的处理如航迹拟合、e 6 t v 6 s 修f 等是离线进行，也就是说，测量的结果要在返 航以后的一段时间给出，而且，在每次测量6 u 后的一段时阳j 内，要对重力仪实施 一系列复杂的检定工作，由此可以看出，这种重力仪是不能直接用于导航的，必 须改进或重新设计，以满足导航系统数据实时测量与处理的要求。 本论文就是要进行导航用高精度重力仪中传感器信号检测和数据处理的研 究，并为高精度重力仪逐步用于水下辅助导航定位奠定一定的基础。 1 2 国内外研究现状 1 9 2 3 年，荷兰科学家费宁一梅内斯( v e n i n g - m e i n e s z ) 首次成功地在潜艇上 用摆仪进行了海洋重力观测。摆仪经历了三摆仪和六摆仪，是海洋重力仪发展的 第一阶段，初期精度很低，布朗( b r o w n ) 于1 9 3 7 年改进了海洋摆仪，消除t - 阶水平加速度和垂直加速度的影响，使测量精度达到了5 1 5 m g a l ，摆仪重力测 量从2 0 年代一直延续到5 0 年代末期，后来被船载走航式海洋重力仪所取代。 摆杆型重力仪完成了由离散点测量到连续线测量的历史性演变，是海洋重力 晗容滨立：骥大学硬士学谴论文 仪发展的第二阶段，代表性仪器是德国的g s s 一2 型重力仪和美国的l r 型重力仪。 其发展经历了由初步到完善的两个阶段，5 0 年代中鲻到6 0 年代中餐楚初步定垒 阶段，这时期主鼹是在原有的陆地重力仪上增加阻尼，并安装在普通船的稳定 平台或常平架上，形成走航式海洋渣力仪。这种仪器只能在较好的海况下工作。 年找中期，主要对重力仪的弹性蔟统在缝构上进行了剐牲强化，避一步增大阻 尼，建立了反馈回路和滤波系统，从而将惫航式摆杆型重力仪进行了完善，仍然 安装在怼螺稳定平台上工佟，撬辨器于魏力大大热滏，可在中缀海况下工 謦， 测量精度达到l m g a l ，平静海况下测量精度可达到0 7 r e g a l 。 对援释壅重力役来说，交叉藕合效应( c c 效应) g | 莛匏谖差可这5 4 0 m g a l ， 阻此这类骥力仪要采用附加装置测量扰动加速度的瓣直分量和水平分量，计算c c 效应改正馕，朝搜躲诧，既效应谦差仍然楚箕主要瓣误差潦。因瑟，不受c c 效 应影响的轴对称型海洋重力仪应运而生。 轴对称垄海洋重力仪不受水平加速度的影响，觚瑾论上 箨消除了交叉藕合效 应误差，能在较恶劣的海况下工作，这是海洋重力仪的一大进步，此类仪器被视 为第三代海洋重力仅。e e 较脊代表饿的辅对称型海洋蓬力仪怒德国的k s s - 3 0 越和 荧固b g m 一3 型两葶申海洋重力仪。k s s 一3 0 重力仪在垂随加速度介于8 0 2 0 0 g a 的 非常恶劣海况下工作的精度为0 8 2 0 g a l ，在垂直加速度介于1 5 8 0 g a l 的恶劣 海提下，工 乍的精度为0 4 l ，o m g a l ，在熏蹇加速度，、于1 5 m g a l 的平静海况下， 工作的精度为0 2 o 5 r e g a l 。b g i - 3 型重力传感器的静态分辨率可达1 0 “g a l ， 平静海况下工 乍的髓度为0 3 8 m g a l ，在远海测量工作中的糍度为0 7 m o a l ，上述 两种重力仪均可实时进行数据处理和各种误差改正，并可在船舶转弯时连续观测。 饿罗裁国家秘攀中心惫气坟表援疆割懿勰麓重力溪l 量系绞( m g s ) ，藏理上落也 属于摆杆溅重力仪，其重力传感器采用对称双摆结构，能够克服交叉耦合效殿， 暴爰疆特戆光学读数系绞，系统爨骞较毫黪分辨率耱精度。 除以上所述的摆杆型熏力仪和轴对称型麓力仪外，还有一种振弦型重力仪，是 遴过测量弦的谮掇频率获镄重力交佬懿海洋重力仪，豢具代表牲款楚瓣本糸塞大 学地球物理研究所研制的东京海耐船载重力仪( t s s 6 ) 。 3 哈尔滨丁稃人学硕士学位论文 目前，圈外超导重力仪也f 在实验室研制之中，预计第四代重力仪很有可能 采用超导技术，同时卫星测高技术获得的海洋重力资料的精度和分辨率也越来越 高。 国内海洋重力仪的研制始于2 0 世纪6 0 年代初期。1 9 6 5 年中国科学院测量 与地球物理研究所研制成h s z 一2 型海洋重力仪；1 9 7 5 年北京地质仪器厂研制成功 z y 一1 型振弦式海洋重力仪；1 9 7 7 年武汉地震大队( 中国科学院测量与地球物理研 究所为主) 研制成功z y z y 型海洋重力仪：1 9 8 4 年国家地震局地震研究所研制成 功d z y 一2 型海洋重力仪，并于次年安装于南极考察船“向阳红1 0 号”上，取得了 3 万海罩的记录，技术鉴定性能良好；1 9 8 5 年，中国科学院测量与地球物理研究 所研制成功的c h z 型海洋重力仪是国内技术思想较为先进的轴对称型海洋重力 仪，与德国k s s 一3 0 型海洋重力仪水平相当。9 0 年代以后由于多种原因，国内相 关研究基本停止。近几年来，国内正在兴起对无源导航技术的研究，重力仪的研 究也被众多学者提到了重要的位置。 1 3 论文的主要研究内容 本论文以惯性重力组合导航为应用背景，对海洋重力传感器的工作原理进行 分析，并对其信号检测及数据处理方法进行研究。 论文以中国科学院研制成功的c h z 型海洋重力传感器为对象，对电子控制 及数据处理部分进行研究，提出先进的电子控制方案、数据处理及实现方法，以 满足用于导航的海洋重力仪的实时性和小型化要求。 论文首先对海洋重力测量的一系列理论及特殊性进行分析，讨论各种现有的 海洋重力仪的工作原理及各自的优缺点。 然后对c h z 型海洋重力传感器的工作原理及结构进行分析，通过分析其中 的重力敏感系统的力学模型，建立其数学模型，在此基础上，设计出基于微机的 c h z 型海洋重力传感器的模拟器。 最后，针对实现的海洋重力传感器模拟器，设计出用于检测模拟器信号的基 4 埝嚣滨：翻氅赶学硕士学位论文 于d s p 的电子控制部分，并利用d s p 的高速运算性能，对所检测的蓬力传感器 信号进行实时处理，并和导航计算梳实现实嚏数据通信，扶丽为漤憎萱力匹t 打 下基础，这对于研制出适合导航用海洋重力仪具有煎要的意义。 5 哈尔滨r 群人学硕十学位论文 第2 章海洋重力测量理论分析 2 1 重力测量概述 重力测量实质是测定重力加速度值。重力测量结果广泛的用于测绘、地质勘 探、地球物理研究、导航以及空间科学技术等方面。 作用在地球表丽任质点的重力是引力和惯性离心力的合力。根据牛顿万柯 引力定律，整个地球质量产生引力，地球自转! j ! | j 产生惯性离心力。g i 力的方向指 向地球质心惯性离心力的方向垂直y - 地球自转轴向外，而重力的方向则为两者 合力的方向，即垂线的方向。惯性离心力最大约为重力的1 _ 3 0 0 ，因此地球的引力 方向和重力方向非常接近。作用在单位质点上的重力称为该点的重力场强度，它同 蘑力加速度在数值巴相等。在熏力测量中，重力加速度是实际所要测定的基本物 理量，通常又将重力加速度简称为重力。 在m k $ 制中，重力的单位为米秒2 ：在c g s 制中，则为厘米秒2 。为了纪念世界 上第4 个测定重力的意大利物理学家伽l 利略( g g a l i l e i ) ，将重力的单位厘米 秒2 称为伽( g a ) ，千分之一伽称为毫伽( m g a ) ，干分之一毫伽称为微伽( ug a ) 。 出于地球表面形状不规则和地球内部质量分布不均匀，地球表面各点的引力 是1 i 嗣的。惯性离心力的火小又与作用点至地球白转轴的距离有关，散在地球 赤道l 惯性离心力最大，在地球两极惯性离心力最小，所以，地球表而卜各点的 重力不是一个常数，它的数值变化约从9 7 伽到9 8 3 伽，由赤道向两极增大。熏 力还随时间变化，这主要是由于日、月对地球的引力变化和地球内部物理过程引 起的。此外，地球周围的大气层质量同样产生引力作用，在高精度重力测量中， 应当考虑这些因素。 鼋力值的大小可通过熏力测量方法求得，而其方向则需通过天文测量方法确 定。重力测量分绝对重力测量和相对重力测量。测定重力值司以利用与重力有关 的许多物理现象，例如在重力作用下的自由落体、摆的摆动、弹簧伸缩、弦振动， 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 等等。由此，重力测景方法分为两类：一类足动力法，它足根据物体受力后的运 动状态测定重力；男一类是静力法，它是根据物体受力后的。乎衡状态测定重力。 2 2 海洋重力测量理论基础 海洋重力仪指的是安装在舰船巴，在舰船航行中连续观钡4 重力相对变化的仪 器。海洋重力仪工作原理雷同于陆用重力仪，但结构复杂得多。主要表现在两个 方面，其一，海洋重力仪弹性系统的敏感元件对重力变化引起的微小线位移或角 位移的信号转换与传送的设计与制造工艺；其二，必须配有保持重力仪灵敏轴稳 定取向( 垂向稳定) 的装胃，如陀螺稳定平台，它的设计和工艺之难度不弧于熏力 仪本体。 安装在潜艇、水面船只和飞机上的重力仪系统，在船、机载体相对地球坐标 系作相对运动时进行的重力观测，称为动基座测量。 海洋重力仪工作时，外部环境的变化对感测结果的影响，是海洋重力测量的 主要误差源。在实施海洋重力测量时，载体在六个自由度上都有可能产生运动， 进而产生扰动加速度，这些干扰加速度归结到底都可以分解到三个方向上，即两 个水平干扰加速度和一个垂直方向干扰加速度，这些扰动加速度和需要测量的重 力加速度混杂在一起，三个方向上的惯性干扰加速度都是由于重力仪所在的载体 运动所引起的，要在重力传感器设计和数据处理中将各种干扰加速度剔除，首先 必须对各种干扰加速度进行分析。 潜器在水面或水下航行时，总会受到波浪，海流和各种机器等的影响，产生 摆幅运动和震动。潜器的摇摆主要有以下几种形式 】： 1 受涌浪影响而垂直升沉运动； 2 受浪涌影响而水平方向摆动； 3 艇身横摇： 4 艇身纵摇； 5船身艏摇。 实际上在航行中舰艇的摇摆都是以上几种运动形式的合成。舰艇的摇摆 哈尔滨工程大学硕士学位论文 主要由波浪引起的。舰艇在波浪作用下的摇摆周期，并不取决于艇的固有周期， 而是随风浪周期在摇摆。摇摆的幅度取决于波浪的汹涌程度和两个周期间的差异 程度。摇摆中以横浪作用产生的横摇为主。纵摇的强弱决定定于艇长和波长之比。 舰艇在海上的状态与海况密切相关。横、纵摇强度由波浪性质、航向与风向、波 浪传播方向的关系及航行速度等所决定。总之，舰艇在波浪里所作的绕纵轴的旋 转运动和艇重心前进的轨道运动，对安装在舰艇上的海洋重力仪将产生垂直的和 水平的干扰加速度。人们长期以来致力于研究削弱、压制以至消除干扰加速度影 响的技术方法，以期使海洋重力仪观测精度达到期望的水平。这也是研制适用于 导航用的海洋重力仪的关键技术之一。 基座运动情况下，重力仪的弹性系统的摆( 或称质量、重荷) 受到的作用力为 静止时的重力引起基座运动的惯性力之合力，力的合成见图2 1 所示。 g m 爿 图2 1 动基座测量重力的合力示意图 对单位质量( 设定i l r l = 1 ) 来说，重力和惯性力合力矢量西的瞬时值等于： g = ( g + 2 ) 2 + 戈2 + p 2 ( 2 一1 ) 式中： r 重力加速度； 戈、p 一暇性加速度的水平分量 之一| 1 8 j 性加速度的垂直分量 惯性加速度是基座相对运动而产生的附加加速度。对重力测量来说它是干扰 8 哈尔滨i 群入学硕十学位论文 项，其中，分量掌、p 称为水平干扰加速度，之称为垂直干扰加速度。在设计海 洋重力传感器及其数据处理时应该将其剔除。这也是海洋重力测量的关键技术和 难点所在。 由( 2 1 ) 式展开有以下形式： 一i j 一2 i j ：2 g = ( g + 2 ) 2 + 贾2 + f2 g + 宝+ 丢一+ 妻一十- - ( 2 2 ) z gz g 在( 2 2 ) 式的右端第三、第四两项是水平干扰加速度的二次项。实践证明， 它们的影响不能通过长时间内取平均值的方法来消除，只能采取采用其他措施， 如设计合理的传感器敏感元件和采用高精度的陀螺平台使传感器尽可能只敏感垂 直方向上的加速度，对于垂直方向上的干扰加速度，主要是由海浪和海流引起的， 而波浪运动所引起的舰艇垂直附加加速度的周期一般为5 1 0 秒，其中以6 秒左 右为最多，相对于缓变的重力值来说，该干扰信号属于高频振动，而实时所测的 重力值在测量时变化是非常缓慢的，故垂直方向上的干扰加速度的低率振幅特征 与重力加速度、重力异常的高频振幅特征有着显著差异。干扰加速度呈现出高频 率、强振幅、动态范围宽的特征。与此相反，有意义的重力异常之幅度平均为几 十毫伽，周期达几分钟甚至十几分钟。相比之下，干扰幅度比有效成分大几千乃 至上万倍a 幸好，两者的领率成分差别甚大，实践证明，可采用低通滤波方法分 离开。 除了以上所述的各种干扰加速度之外，由于重力是地球引力和惯性离心力的 合力。当测量船相对于地球运动时，地球本身也在转动。这使得作用在重力传感 器上的离心力就是地球自转惯性力和测量船速形成的离心力的合力，这就使得重 力传感器敏感的重力值并非实际重力值，这种现象称为厄特弗斯效应( e 6 t v j s 效 应) 。厄特弗斯效应对海洋重力狈0 量的影响与上述几个方面的影响不同，它不能通 过改进传感器和增加附加设备来消除，它必定会和有用的重力值一起被敏感出来 也会被记录反映，所以对特弗斯效应对海洋重力测量所产生的影响只能在数据处 理过程中，通过计算来加以消除。 9 哈尔滨工程火学硕士学位论文 2 3 本章小结 本章主要介绍了重力的基本概念以及重力测量的基本方法和理论，着重分析 了基座运动情况下，利用海洋重力仪进行海洋重力测量的理论基础以及海洋重力 测量的特殊性及基本方法。 l o 哈尔滨i 一程人学硕士学位论文 ；i i i ；i i ；i ；# z # ；i ；l ；i i i i i ；i i i i i i i i i i ；i i i i i ；i i i i i i i i i i i 第3 章g h z 海洋重力传感器分析 3 。1 c h z 海洋重力仪系统分析 c h z 型海洋重力仪是中国科学院测量与地球物研究所于2 1 世纪8 0 年代末研 制成功的一种新型海洋重力仪，它主要包括三个部分：重力传感器、电子控制部 分和数据采集部分i i “。 其中传感器部分它采用柏对称型弹性系统敏感重力变化，并q 用电容钡微器检 测微小位移，从而燎重力变化量转化为可检测的电压傻；电子控制部分负责对电 压信号采集并以此为依据，控带l 传感器的力反馈线圈，实现“零位检测”；数据采 集部分对重力传惑器信号进行数据采集和数字滤波，并对数据进行打印和存储， 系统框图见图3 1 所示。 嘉一 叱割、|惮 = 区丑产南一 踹。上 1 。儡阐l 己：i j l 线圈亡三兰蜀 4 习 i 一 圈3 ，1c h z 海洋重力仪系统框图 c h z 海洋重力仪有两层恒温，以保证弹性系统的工l 乍稳定。外恒瀑桶的温度 稳定在4 5 c 0 a4 c ，虑篱的漏度稳定在5 0 c + - o 0 1 4 c ，并有温度 偿装置消除 哈尔滨工程大学硕士学位论文 剩余温度对重力读数的影响。 c h z 型海洋重力仪由于受当时硬件电路器件的限制，其电路影响了检测精 度，而更重要的是使整个仪器数据处理部分机柜体积很大，这是很大的一个缺点， 而其重力传感器和电容测微器部分相对比较成熟，也是当今海洋重力传感器的主 流发展方向，故在研究适合导航用的海洋重力仪时，可以借鉴其重力传感器和电 容测微部分，在电子控制部分和数据处理部分进行改进并增加和导航计算机的通 信功能，从而满足实现无源导航的要求。 c t t z 型海洋重力仪的传感器部分，采用的是直立螺旋弹簧悬挂的质量系统， 结构简单，重力变化改变着弹簧的张力，弹簧的伸缩量同重力变化成正比。 图3 2 所示为弹性系统结构示意图，图中的中一t b 部分为管状质量，外径和长 度同一支钢笔相仿，它又分为三部分：中间是只直管，顶部为金属薄片，作为电 容测微器的动片，下端为状似瓶盖的非金属骨架，架上绕了三组线圈。整个质量 重约3 0 克。主弹簧上端固定在基座上，下端固定在管状质量的底部。为严格保持 管状质量只能在垂向运动，管壁上的上、中、下三处沿切线方向拉了5 条细钨丝 和2 条细弹簧。适当地调节拉丝张力，使管状质量只有垂向一个自由度，而不受 水平力的影响。同时几条细丝还是导电引线。 图3 2 c h z 海洋重力仪内部结构图 1 2 哈尔滨：r 程大学硕士学位论文 质量顶部的薄片，制作得很精密，光洁度很高。它与固定在基座上的两固定 片构成可变电容器，称电容位移传感器( 电容测微器) ，用来指示重力的变化。电 容测微器具有灵敏度高、精确度高和漂移小、稳定等特点。电容器极板间隙为 l m m ，灵敏度为o 1 v l u r i 。 外界重力变化导致主弹簧发生线位移，电容测微器将线位移转化为电量变 化。电容测微器与另一对云母电容器组成差动电容电桥。电容桥路作为1 0k h z 载频振荡器的振荡回路。振荡信号用于质量位移相对应的电压调幅。此调制的载 频经前置放大器和选频放大器放大，振荡器另一路将正弦波送到移相器整形后作 为相敏检波器参考信号。在相敏检波器中参考信号与选频放大器输出的被测信号 进行相位锁定，从而可进行信号的幅度检波，获得一缓变的直流信号，该信号包 括海浪扰动和待测重力的变化量。 海洋重力仪在工作时不可避免地受到由海浪引起的垂直和水平加速度的干 扰，其幅值可达到待测量的数万至数十万倍。对于垂直扰动加速度，由于海浪的 周期性并且其周期远短于重力变化的周期，仪器通过强阻尼、伺服回路的积分反 馈和对输出数据进行数字滤波来加以抑制。重力敏感元件完全浸没在阻尼液中， 调节液体的粘度即可调节阻尼系统阻尼。对于水平干扰加速度，传感器在结构上 加以抑制，一是液体阻尼，同时还增强了仪器抵御水平扰动加速度的能力；二是 对敏感组件水平运动的约束使仪器的敏感轴不会偏离地垂线：三是主弹簧的“零 长”特性，使其不会在水平加速度的作用下改变垂直方向的长度。 3 2 0 h z 海洋重力传感器数学模型的建立 根据c h z 型海洋重力传感器的结构和工作原理可知，该传感器的重力敏感 部分是一弹簧质量块一阻尼器组成的机械平移系统，其简图可用图3 3 表示。 系统最初处于平衡状态，质量块静止不动，当外力妁作用于系统时，系统中 弹簧回复力和阻尼器阻力与f ( t ) 不能平衡，则质量块m 将有加速，并使速度和位 移发生变化，根据牛顿第二定律f ( t ) = m a ，则有如下平衡方程式， f ( t ) + f b ( t ) + f k ( t 同里；掣 ( 3 一1 ) d r 式中，f ( t ) 鼍n a ( t ) ，a ( t ) 即为输入加速度，包括重力加速度和各种干扰加速度；f b ( t ) 1 3 晗走；滨l ：程大学矮： ：学藏诠文 为硅油阻尼产生的阻力；f k ( t ) 为弹簧弹性力。 鬻3 ，3 重力传感嚣敏感元件簸瑾圈 出弹簧、i 飒尼器的特性可以写出下式， f b ( t ) ：一f d r ( t )( 3 2 ) f k ( t ) 2 - k x ( 0( 3 - 3 ) 式中：f 为阻尼系数，k 为弹簧刚度。 于是由以上几式可以得到弹簧一质量浃隘尼器系统即重力传感器的数学 横型m dz 磊x 广( t ) + f d l 西c ( t ) + 奴( | ) = l 嘲，将该微分方稷遴行拉菠交换，可以零至l 海 洋重力传感器重力敏感元件的传递函数， g i ( s ) 。器豕丽m 睁t ) 在海洋重力传感器内部，检测质量块的位移经麓动电容传感器检测和前鼹放 器放大，实现位移瓣毫压瓣转换。 转换原理如下r 设海洋重力传感器输出检测到的电压值为v ( t ) ，当没有外力 1 4 睦自 溪王稳大学硬士学霞谂爻 输入时，麓动电容动片与两定片间距相等且等于d 0 ，那么两麓动电容蓬相等，即 c s l = s 芝s o f 裙圆堪o 3 5 ) 式巾： 为囊空会电攀数； 8 0 为介质的相对介电常数； a 为彀餐极援憋专效露酸。 当外界输入外力f ( t ) 时，检测质量块偏离平衡位置，两燕动电容的间隙发生 变化。此时电容量也夔之发生变化，分别为： c s i = g g o a ( d o + x ( t ) ) ，c s 2 = e a v v ( d 0 一x ( t ) ) ( 3 6 ) 出于有力反馈线罄款反馈力作瘸，因此羧测囊璧块镳裹平筏位霞黔位移燮会 很小，当c s l 和c s 2 差动遴接时，可以得到电容变化量， a c = c s i - - c s 矿- - 2 c s 。叠盟 ( 3 7 ) d o 上式表明由于夕 力造成检测质量块微小位移x ( ) 变化可以转化为蔗动电容螅 变化，并髓两差动电容的变化量h c 和位移变化量x ( t ) 成r f 比，又易知电容和输 出电压之勰戏正比，故可以看出质撬块位移鄹动极板输出电压之间是线性关系， 缀过位移列电压的转换后，微弱信号经过放大即得至0 传感器输出电压值，可以设 放大倍数为k 2 ，则k 2 为位穆检测积放大环节的增益( v i tm ) 。可以得到传感嚣 的数学模墅可以写成下式： 瓤驴怒2 丽m k 2 3 3 本章小缩 本章奔绍了c h z 型海洋重力传感器的结构稻工作原理，并对信号检测和处 理方法进行了分析。同时，为了设计c h z 型海洋重力传感器的模拟器，通过分 轿c h z 羹海洋重力偿感器盼力学禳辫移工作原理，建立了该传感嚣的数学模警。 1 5 哈尔滨工程火学硕士学位论文 ；i ；j i i i i i i i ；i i i i ；i i i ；i ；i i ； 第4 章海洋重力传感器信号检测回路设计与分析 4 1 海洋重力传感器信号检测伺服回路设计概述 根据c i - i z n ：j j 传感器的参数1 2 1 ，m = o 0 3 0 k g ，f = 1 0 0 0 0 n ( ms 。1 ) ，k = 3 2 3 n m ， 代入第3 章所建立的重力传感器的数学模型并作拉氏变换，则可得如f 传递函 数： g ( s ) = 裟= 丽再0 丽0 3 0 ( 4 - 1 ) 、 爿f s lo 0 3 0 s2 + 1 0 0 0 0 s + 3 2 3 上式表明，由于强阻尼作用，可将该传感器模型看作惯性环节，有下式： o ( s 、；兰堕： ! ：! j 1 7 4 ( s ) 1 0 0 0 0 s + 3 2 3 r r d m s _ 2 = 旦坐一哪加g a l ：l ( 4 2 ) 3 l o s + 1 。 7 7 , s + 1 其中，k 】：o 0 1 p m m g a l 为系统的增益，t l = 3 1 0 为其时间常数。 可以看出，海洋重力传感器的数学模型是一大时间常数的惯性环节，采用比 例积分控制即可获得理想的性能。其中比例控制增加刚度，减少静差；积分控制 消除静差同时抑制高频分量，这对于消除部分海浪引起的垂直方向上的扰动加速 度非常有用。这是因为对于具有周期特征的海浪扰动加速度，积分反馈具有一定 的抑制能力。 检测质量块的位移经差动电容传感器转换和放大，从而实现位移到电压的转 换。按所设计的参数，敏感的加速度到电压的转换系数为k 】k 2 ，即为位移和放 大环节的增益( v m ) 。被放大的误差信号分别经比例和积分调节，由力反馈线圈 驱动检测质量块回复零位。 整个系统的框图如图4 1 所示，k 3 为比例反馈系数( n v ) ，等于电压电流变 换比例和比例反馈线圈系数之积。g ：( s ) 为积分器传递函数，设积分时间常数为t 。， 1 则该传递函数为g 2 ( 2 ) = ；与。比为积分增益，等于积分器输出电压值电流变换比 2 0 例和积分力反馈线圈系数之积。很容易知道，对于稳念的输入，该伺服回路是无 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 静差的，其中比例反馈量为零，输入的全部加速度由积分力反馈所平衡，因此重 力加速度以及一系列扰动加速度的变化信息完全反应在积分线圈的电流中。浚电 流值与积分器输出的电压值成比例，即线性关系，在分析中可通过分析此电压值 来获得重力仪所输出信号的情况。 图4 1 重力传感器信号检测回路组成框图 4 2 重力传感器信号检测伺服回路设计 为了便于合理确定各环节的参数，首先定性分析有关参数对回路性能的影 响。根据图4 i 所示，可以求得整个回路的闭环传递函数， g ( s ) 彪l k 2 世4 一瓦s2 + k 1 k 2 k 3 疋s + k l k 2 k 4 。k 。l k ，2 k 4 = 互互 s2 + k k 2 k 型s + 茎1 丝i 丝! i正五 从上式可以得到，回路的固有频率和阻尼比为 爵气i 簪k k 2 k 3 2 t 2 ( 4 3 ) ( 4 4 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 叩 在以上几式中，k l k 2 k 3 是比例反馈回路增益，1 3 ，_ 2 可以作为积分反馈环节的等效 d 时间常数，为了使系统的调整时间最短，即响应速度较快，并且振荡适度，令 为最佳二阶系统的阻尼比，即取普= o 7 0 7 ，该值是确定整个伺服回路参数的重要依 据，于是可求得下式， 7 1 t l = - 争k 1 k a k 3 2 ( 4 5 ) 二、d 下面讨论在典型信号输入情况下，各参数对该伺服回路的影响。 很容易知道，该伺服回路对常值输入是无静差的。对e 9 4 , 2 斜坡输入，根据终值 定理，该回路的静态误差为： ! 互 ( 4 6 ) k l 世2 k 3 从上式可以看出，在系统既定的条件下，为了快速跟踪，应增大比例反馈凹 路的回路增益，同时减小积分反馈环节的等效时间常数，以提高积分反馈的响应 速度。 比例反馈系数的大小首先要保证回路工作于线性范围。在可能出现的瞬间最 大输入作用下，积分反馈尚未建立，全部输入加速度由比例反馈所平衡。仪器最 大输入加速度主要包括两部分，一是重力加速度变化量，在全球范围内不会超过 6 0 0 0 m g a l ；二是海浪扰动加速度，在恶劣海况下可达5 0 0 9 a l ，通常情况下为3 0 5 0 m g a l ，但液体阻尼至少会将此值衰减4 0 d b 。为方便起见，暂取实际作用于传感 器的最大扰动加速度为4 0 0 0 m g a l 。在积分反馈由于时间关系还没有起作用，而只 有比例反馈起作用的时候，为使传感器输出满足1 0 v 左右，比例反馈系数取 7 1 k 3 2 1 0 0 0 m g a l v ，出e = 0 7 0 7 中的t i 一世世2 k ，2 可以取积分反馈环节的等效时 z a d 问常数为t 2 k z = 4 1 m s 。 1 8 蹬自；滨1 ：疆丈学壤圭学整论文 4 3 海滞重力传感器信号检测饲服回路性能分析 为了分板伺服回路的性能，嗣对确患回路各褥关参数，在此对信号检测潮 路的关键节点的时域响应进行分析，并进行仿真，以分析和确定有关参数对 伺服麟鼹性能麴影响，从丽褥燃该信号检测饲服圆路有关参数的最扰设诗。 伺服回路的结构柢闰参见图4 1 ，藻中，a 点为前置放大器输出，该输出 嬗与捻淫l 震鼓块位移戒线蛙关系；8 点怒整个镧l 受强路熬竣窭篷，也藏是所嚣 检测的重力传感器所敏感的值，以此为依掘，经过一系列数据处理后即可得 至德溅点兹实瓣重力镶；c 点反映豹是获分反续簿鼓栗，在仪器稳定时，浚毽 是和传感器的输入值柑等的，它完全抵消了外界垂直方向上的各种加速度值， 篌传黪器兹蔟整块处予零住，凄魏“零位检测”。 按照上节所取的回路参数值对回路的时域响应进行仿真，可以得到a 点、8 点稳e 点静醣域桶应，仿奏结暴翔图4 2 、鋈4 3 帮图4 ，4 所示。 传 感 器 输 出 电 压 值 ，、 t ，s 图4 , 2 a 点在6 0 0 0 m g a l 阶跃输入时的时域响应 1 0 埝尔滨工程大学壤士学簸捻文 捻 测 回 路 出 输 出 0 t s 图4 3b 点在6 0 0 0 m g a l 阶跃输入时的时域响应 s 图4 。4c 点在6 0 0 0 m g 越赡跃输入时的时域昀应 为了考察所设计的伺服日路在肖扰动加速度时的时域响应，同时也为了分析 熬个回路对 乍为裹频分量鹣大幅度携动力g 速度的麴铡能力，理稷设有一螟馕为 6 0 0 0 m g a l 的阶跃信号，在此信号上叠加有周期为1 0 秒的、幅值为6 0 9 a l 的一弦 l ：挠信号，以此信号为整个传感器鞠信号捡镶嚣路戆泠灭基号送行傍粪，仿葵结 果如图4 5 所示。 及强4 5 可数麓遗峦予重力蕊感器本身憋强疆愿器矮，对于离频瓣大蘸茨扰 动加速度媳有很好的抑制作用，图4 6 则表明积分控制消除静差同时抑制高频分 嚣，这对于瀵除秘分海浪雩| 越豹垂纛方自上豹莸魂l 速度 豢有磊。这是霞为对 于具有周期特征的海浪扰动加速度，积分反馈具有一定的抑制能力。 捡溅蓟的薰力值fm精骛 哈尔滨工程大学硕士学位论文 传感器辅出值 传 感 器 碧 值 ( v ) 銎 碧 罱 图4 , 5a 点在6 0 0 0 m g a l 阶跃输入和6 0 9 a l 正弦干扰时的时域响应 积分器输出值 图4 6b 点在6 0 0 0 r e g a l 阶跃输入和6 0 9 a l 正弦干扰时的时域响应 为了考察整个系统的稳定性和稳定裕量，将积分反馈作为输出量，即图4 1 的c 点处，则该系统就是一个随动系统，开环的b o d e 图见图4 7 ，从图中可以得 出：剪切频率为w c = 0 0 2 7 ，相角裕量为7 4 度，幅值裕度也大于零，说明该系统是 足够稳定的。 2 1 哈尔滨一【：程人学硕士学位论文 ；i ；j i i i i i i i i i i i i ；i i i i i ；i i i i i ；i i i i i ；i i i 4 4 本章小结 图4 7 信号检测回路b o d e 图 本章主要介绍了海洋重力传感器信号检测伺服回路设计方法及其仿真研究。 以第3 章所取得的海洋重力传感器的数学模型为基础，结合海洋重力测量的特点， 设计了重力传感器信号的伺服检测回路，为了分析该检测回路的性能，对其在典 型信号输入的情况下的时域响应进行了仿真，同时，为检验所设计的回路对垂直 方向上的高频扰动加速度的抑制能力，以阶跃信号为整个传感器和信号检测回路 的输入信号进行仿真，得到了满意的结果。 2 2 哈尔滨