CN102906601B - 重力梯度仪 - Google Patents

Abstract

主要(不仅仅)在自然资源勘探领域，需要测量重力在给定点和区域梯度的绝对值和变化，从而检测地下异常的存在，这种地下异常会产生被测重力值的变化。为了提供一种便携、精确、高效和有成本效益的测量方法，可以将一种重力传感装置(ABCD)配置于各种交通工具，例如(用于示例而非限制为)飞机或直升机，由运动传感装置(EFGH)实施补偿以减小或消除振动和交通工具移动以及结构弯曲对重力和重力梯度测量数据的影响。

Description

重力梯度仪

背景技术

主要(不仅仅)在自然资源勘探领域，需要测量重力在给定点和区域梯度的绝对值和变化，从而检测地下异常的存在，这种地下异常会产生被测重力值的变化。为了提供一种便携、精确、高效和有成本效益的测量方法，可以将一种重力传感装置配置于各种交通工具，例如(用于示例而非限制为)飞机或直升机，由运动传感装置实施补偿以减小或消除振动和交通工具移动以及结构弯曲对重力和重力梯度测量数据的影响。

为了助于讨论本发明的背景技术，采用以下定义和运算：

一个标准重力定义为物体在平均海平面以及纬度为45.5°时的自由落体加速度，为9.80665m/s²。在国际标准单位中，一伽是加速度的单位，等于1厘米/秒平方。因而一毫伽(一伽的1/1000，写作mGal)是1cm/s²的1/1000。因而1mGal为1.0197μg，一个标准重力为980.665伽。

地球表面上方的垂直重力梯度(随高度变化)大约为每米高度3.1μGal，导致从珠穆朗玛峰顶端到海平面大约2伽的最大偏差。纬度和海拔的改变引起重力值(一般)从976到983伽的变化。

在地势为平均海平面以及纬度为时重力的测量

然而，重力传感器将在平均海平面上方(AMSL)(一般为)100米处飞行。对该公式的第一次校正因而为自由空间校正(FAC)，其缘于不同的海拔高度。重力随着高度的增加以一定的比率减小，即在地表附近为线性外推法，由此得出在高度为地球半径的一半处重力为零，即，该比率为9.80665m·s^-2每3086km。由此：

其中h＝平均海平面上方的高度(米)。

注意到，对于海拔高度平坦的地区，由于额外质量，要为重力增加第二条件。为此，额外质量可以近似为无限水平平板，每个单位面积得到2πG倍的质量，即4.2×10^-10m³·s^-2·kg^-1(0.042μGal·kg^-1·m²)(布格(Bouguer)校正)。

对于平均岩石密度(比如说)2.67g·cm^-3得出1.1×10^-6s^-2(0.11mGal·m^-1)。结合自由空间校正，这意味着地势每升高一米，表面处的重力就减小大约2μm·s^-2(0.20mGal)。(注意到，在表面岩石密度为整个地球平均密度的4/3倍时，这两个效果将相互抵消。)

对于地表以下的重力，我们必须采用自由空间校正和双倍布格校正。对于无限平板模型，这是由于在平板以下移动观察点会改变重力，因为它到达一个相反值。

采用地质学示例，密度差为300kgm^-3、尺寸为200米、埋在100米深度的矿体的重力异常大约为2*10^-6ms^-2，或者是正常地球重力场的0.00002％(0.2μg)。

注意到，重力梯度仪数据通常以厄缶(Eo)为标度表示，其中1Eo为0.1mGal/km。因此厄缶是重力梯度的单位，而1厄缶相当于10^-9s^-2。

现有技术中有很多例子采用机械结构测量重力(重力计)(即：拉科斯特&隆贝格-先达利公司(LaCoste&Romberg-Scintrex，Inc.)，空-海Ⅱ动力重力仪(AIR-SEAⅡDynamicGravity Meter))。在最简单的(以及可能是最老式的)结构中，可以使用附加在横梁或弹簧上的质量块，横梁或弹簧的自然(线性)挠曲与作用于横梁或弹簧以及关联质量块的重力场的值成比例。将阻尼度作用于横梁或弹簧，减小灵敏度和稳定时间。

在更近的时期，MEMS(微电子机械系统)加速度计和关联的电子接口提供了一种测量以上讨论级别的小加速度的方法。

当重力计用于空中测量时，由于随着飞机在地域上方移动造成的重力的任何改变，飞机的多轴移动和结构弯曲将修改自然加速度，当处理重力数据时，必须补偿这些修改。例如，由空气扰动引起的垂直“反弹”产生的加速度将比由重力值的变化引起的那些加速度大很多倍。空气扰动和导致的机身移动也会引起飞机结构(主要为机翼相对于机身)的弯曲，从而引入垂直加速度，而该垂直加速度将修改重力传感器读取的重力值。对于任何特定的飞行员，飞机将沿着其飞行路径以机身飞行特征和采用的人类控制延迟确定的频率以循环方式旋进。飞机姿态的变化将改变通过飞机地板感知到的“向下”方向，由此，重力计传感器必须进行某种形式的姿态稳定以保持真垂直参考。

在实践中，飞机通常以固定模式的已知位置和方向的飞行线路用于勘探预定区域。在每条线路终点，飞机执行转弯飞行动作来为下一条线路定位自身。可取的是，为每条线路加入定位稳定传感器，由此(取决于采用的传感器阻尼)，飞机将进场航线延伸到线路起点。这可能导致(对于相对小的勘探区域)线路长度的大幅增加，从而增加了成本并降低了给定燃料负载的勘探能力，因而理想的是，使得飞机飞行动作之后稳定时间的影响缩减到最小。

对于重力梯度的测量(重力梯度仪)，采用的传感器与那些仅用于重力测量的传感器具有相似特性，但通常更灵敏，并且通常成对使用，以规定距离分开安装，从而可以测量重力梯度。

此外在现有技术中存在重力梯度仪的例子(来自贝尔地球空间公司(BellGeospace Ltd)的空中-对战(Air-FTG)，来自辉固AS(Fugro AS)的猎鹰(Falcon))，其采用以(小的)固定距离分开安装(并且在温度和姿态控制的外壳内)在缓慢旋转的圆盘上的成对的加速度计，从而辅助噪声消除的处理并抵消加速度计灵敏度中的任何偏差。两个系统都采用三个共同定位的圆盘，在单个(大且重的)姿态和温度稳定组件中具有总共12个加速度计(每个圆盘间隔10cm安装4个)。对这两个系统的公开比较结果(ASEG-PESA航空重力工作组2004，澳大利亚政府，ISBN：1920871136)显示，两个系统都能在高达70Eo的梯度范围的测试区域报告具有700m中断的7Eo级别的梯度(空中-对战)和具有400m中断的8Eo级别的梯度(猎鹰)。

美国专利5357802(Hoffmeyer)描述了一种重力梯度仪，采用一对加速度计在圆盘上以大约每分钟转数为15的速度旋转，并且建议旋转速度的增加将改善噪声性能。美国专利申请20040211255(Leeuwen H.等，2004年10月)描述了一种类似系统，采用单个较大圆盘(直径0.6米)，具有多达72个加速度计以大约每分钟转数为15的速度旋转，从而相对于较小的圆盘改善了噪声性能，并且建议在10Eo级别可以获得灵敏度。已经提出利用原子共振技术的低温重力梯度仪，也安装在姿态稳定平台(ArKex公司，EGG系统)上。

最新提出的重力和重力梯度测量系统的共同特征是，大多数装置的尺寸和重量相对地比通常用于配置它们的典型的(小的)地球物理勘探飞机的尺寸大。通常为2平方米的地板面积，包括传感器、热量和姿态管理系统以及处理电子设备的联合重量接近或通常超过200kg。相对于被测地质特征的规模，都是单点测量系统。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种重力梯度仪，包括：

第一加速度计，设置来产生第一加速度信号；

第二加速度计，与第一加速度计分隔，并设置来产生第二加速度信号；

第一监控装置，与第一加速度计具有已知的空间关系并且设置来检测第二加速度计的运动并产生代表被测运动的第一校正信号；

控制器，设置来基于第一校正信号修正第二加速度信号以提供修正的第二加速度信号，由此，可以利用第一加速度信号或第一加速度信号的修正版本以及修正的第二加速度信号测量重力梯度。第一监控装置可与第一加速度计具有基本固定的空间关系。

重力梯度仪可以包括：

第三加速度计，与第一和第二加速度计分隔，并设置来产生第三加速度信号；

第二监控装置，与第一或第二加速度计具有已知的空间关系并且设置来检测第三加速度计的运动并产生代表被测运动的第二校正信号；

其中，控制器设置来基于第二校正信号修正第三加速度信号以提供修正的第三加速度信号，由此可以利用第一加速度信号、修正的第二加速度信号以及修正的第三加速度信号测量重力梯度和角度。

第二监控装置可与第一或第二加速度计具有基本固定的空间关系。

第一、第二和第三加速度计可定位为形成大致的等边三角形。

第一和/或第二监控装置可以包括激光模块，激光模块设置来将激光束指向各自的位置传感器，其中一个激光模块和位置传感器与第一或第二加速度计中的一个具有已知的空间关系，另一个激光模块和位置传感器与其运动被检测的加速度计具有已知的空间关系。

重力梯度仪可以包括：

第四加速度计，与第一、第二和第三加速度计分隔，与第一加速度计具有已知的空间关系并设置来产生第四加速度信号。

第四加速度计可与第一加速度计具有基本固定的空间关系。

加速度计中的一个或多个可以是基于半导体的加速度计。

重力梯度仪可以包括：

GPS驱动的惯性参照测量系统，其与加速度计共同定位。

加速度计中的一个或多个可各自安装在姿态稳定平台上。

来自GPS驱动的惯性参照测量系统的信号可提供给每个姿态稳定平台。

加速度计中的一个或多个可各自安装在温度稳定外壳中。

根据本发明的第二方面，提供一种包括根据第一方面的重力梯度仪的交通工具。第四加速度计可以安装在交通工具的大致重心位置。

根据本发明的第三方面，提供一种包括根据第一方面的重力梯度仪的飞机。第二加速度计可以安装在第一机翼上，第三加速度计可以安装在第二机翼上，每个加速度计或者安装在各自机翼的机架内，或者安装在气动舱内。

根据本发明的第四方面，提供一种测量重力梯度的方法，该方法包括以下步骤：

提供第一加速度信号，其代表位于第一位置的传感器经受的加速度；

提供第二加速度信号，其代表位于与第一位置分隔的第二位置的第二传感器经受的加速度；

检测第二传感器的运动以确定代表被测运动的第一校正信号；

基于第一校正信号修正第二加速度信号，以提供修正的第二加速度信号；以及

利用第一加速度信号或第一加速度信号的修正版本以及修正的第二加速度信号测量重力梯度。

该方法可以包括以下步骤：

提供第三加速度信号，其代表位于与第一和第二位置分隔的第二位置的第三传感器经受的加速度；

检测第三传感器的运动以确定代表被测运动的第二校正信号；

基于第二校正信号修正第三加速度信号，以提供修正的第三加速度信号；以及

利用第一加速度信号和修正的第二和第三加速度信号测量重力梯度和角度。

根据本发明的第五方面，为根据第一方面的重力梯度仪提供一种重力计，该重力计包括：

设置来产生加速度信号的加速度计；

监控装置，与参照平面具有已知的空间关系，并设置来检测加速度计的运动以及产生代表被测运动的校正信号；

控制器，设置来基于校正信号修正加速度信号，以提供修正的加速度信号。

附图说明

本发明可以以各种方式实施，现在将以示例方式、连同变形、并参照附图来描述一个实施例，其中

图1是采用根据本发明装置的飞机的概略顶部立面图。

图2是采用根据本发明装置的飞机的概略前部立面图。

图3是采用根据本发明装置的飞机的概略顶部立面图，并图示出由装置元件构成的传感器三角关系。

具体实施方式

为了提供一种便携、精确、高效和有成本效益的测量方法，可以将一种重力传感装置(ABCD)配置于各种交通工具，例如(用于示例而非限制为)飞机或直升机，由运动传感装置(EFGH)实施补偿以减小或消除振动和交通工具移动以及结构弯曲对重力和重力梯度测量数据的影响。

为了正确地测量重力梯度，有两个需求——在自由空间中以给定罗盘方向限定一个梯度，以及在那个梯度的极点测量重力值。目前的方法关注于创建具有超高灵敏度和低噪声的稳定的传感器，有效地在单点运行，并且在相对小的距离范围应用它们，考虑到支撑传感器所需的设备的总体尺寸施加的物理限制，主要设置采样率和在地域上的行进速率。

本发明采用的可选方法是显著增加被测梯度的物理基线，并且从而(对于相同的传感器规格)允许测量更小的梯度。该基线的增加还允许传感器规格的降低，但保持与短基线系统获得的结果相同的(或更好的)整体结果。

考虑两个梯度，第一个长度为10厘米，第二个长度为10米，在第一种情况下，传感器在每个端点测量的重力值具有0.1mGal的峰到峰噪声水平。没有平滑处理，可被精确测量的最小梯度(忽略符号)是0.2mGal每10厘米，或2mGal/米。对10米基线采用相同的传感器，最小梯度减小为0.2/10＝0.02mGal/米，大约小了100倍。

为了完全把梯度指定为斜度和角度，必须测量平面上的至少三个固定点，从而形成三角形(图1，ABC)，其平均斜度和方向可以根据点值计算。在优选实施例中，三角形(ABC)是等边的。

理论上，可选择三个(现有技术)单点重力计并把它们附加于(比如说)飞机的机翼尖和尾部，从而形成传感器三角形，并因此允许在飞行中的任何给定点测量重力梯度。实际上，这是不可能的，因为在每个建议点处的200kg的质量块将致使飞机不能飞行。然而，可能的是，采用三个小型、低噪声基于半导体的MEMS加速度计，各自安装在温度稳定外壳内的高速姿态稳定平台上。该解决方法依赖于对传感器任何垂直位移的精确补偿，该位移由于空气扰动由机翼“摆动”引起。

图1示出安装在固定机翼飞机内的重力梯度仪的提议配置。注意到，采用直升机或其他空中或地面交通工具并利用有线吊杆以彼此相似的距离支撑传感器可以得到相同的几何配置。在讨论的飞机实施例中，传感器(A)和(B)安装在附加于飞机机翼的气动舱中，尾部延伸“刺”(S)安装在飞机后部以保持用于其他地球物理技术(即航磁传感)的传感器，传感器(C)安装在刺中。第四传感器(D)安装在飞机的大致飞行重心。由机身和刺形成的管的纵向刚度将传感器(C)和(D)之间的相对运动限制到可接受的最小值，因而传感器(C)和(D)将相对于机身的中心线保持在固定位置。然而，传感器(A)和(B)将(独立地)在径向路径垂直运动(即摆动)，该径向路径的中心临近机身的纵向中心线，该运动与机翼刚度成反比并且主要源于部分地由机翼尖涡旋脱落导致的空气扰动。通过增加向上倾斜的机翼尖(T)以破坏涡旋的形成，可以减小这种影响，但是由于机翼摆动产生的加速度仍然比正常重力值的变化产生的加速度大很多倍。

为了实现所提议的重力梯度仪系统，要么必须采用一种高度精确的测量机翼摆动的方法，结果数据用于补偿传感器(A)和(B)的输出以消除摆动引起的误差，要么必须在传感器(A)和(B)处采用3轴稳定平台以消除由机翼摆动引起的不需要的垂直加速度。由于这种平台的尺寸、重量和复杂度，并且垂直轴补偿需要非常快速和精确才能完全消除传感器本身的垂直反弹，后者被认为不实用。

图2示出飞机前视图，其已经装配有机翼舱以容纳重力传感器(A)和(B)。舱之间的距离将取决于采用的飞机，但在所示例子中，其大约为10米。在机翼和机翼舱下方的机身侧面之间具有一条清楚的视线。为了提供一种精确测量机翼摆动的方法，在优选实施例中，一对激光发射器模块(E)和(F)安装在机身的任一侧，激光束(L)指向安装在机翼舱中的束流位置传感器(G)和(H)。

随着每个机翼关于机身轴垂直偏斜，激光系统高度精确地(微米)测量机翼(舱)偏斜。偏斜信号用于修正传感器(A)和(B)的输出，从而大大减小或消除机翼摆动对传感器输出的影响。激光系统的响应速度远远快于3轴平台的响应时间，该平台被临近(A)和(B)传感器的加速度计驱动并测量机翼摆动的影响，因而补偿显然更精确，因为3轴加速度计还必须响应于重力信号。而且，激光传感器记录导致加速的运动。使用其作为补偿不会改变缘于重力的任何变化的加速度。而且，与运动引起的传感器绝对高度的变化相比，垂直重力梯度(3.1μGal/米)并不明显，因而该方法计算能力强大，为机翼摆动提供完全的补偿。

除了重力传感器(D)，GPS驱动的惯性参照测量系统(J)与传感器(D)共同定位以通过飞机地板提供真正的向下参照方向。该数据也可以反馈给每个姿态稳定平台以便传感器(A)到(D)补偿任何的机械变形，否则这可能改变每个传感器的向下参照方向(例如，补偿主机翼任何的纵向扭曲，否则可能在每个传感器位置引入节距误差)。

实施了所有的运动补偿之后，对于平均海平面上方的传感器高度，可以校正来自每个传感器的数据，并且如果需要，可以实施布格校正。源自传感器(ABC)的重力梯度数据可以叠加在源自传感器(D)的重力数据上，从而在整个地域勘探中提供绝对重力参考。

根据前面的描述可以理解的是，虽然在所示例子中，重力梯度仪包括传感器(A到D)，但在其他实施例中，重力梯度仪可以包括两个或更多传感器，至少一个传感器被监控装置监控，监控装置设置来检测传感器的运动并向控制器提供校正信号来根据检测的运动修正被监控传感器的信号。

Claims (19)

1.一种重力梯度仪，包括：

第一加速度计，设置来产生第一加速度信号；

第二加速度计，与第一加速度计分隔，并设置来产生第二加速度信号；

第一监控装置，与第一加速度计具有已知的空间关系并且设置来测量所述第二加速度计的位移以检测第二加速度计相对于第一加速度计的运动并产生代表被测运动的第一校正信号；以及

控制器，设置为基于第一校正信号修正第二加速度信号，由此，利用第一加速度信号和第二加速度信号测量重力梯度。

2.根据权利要求1所述的重力梯度仪，其中，第一监控装置与第一加速度计具有基本固定的空间关系。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的重力梯度仪，包括：

第三加速度计，与第一和第二加速度计分隔，并设置来产生第三加速度信号；

第二监控装置，与第一或第二加速度计具有已知的空间关系并且设置来检测第三加速度计的运动并产生代表被测运动的第二校正信号；

其中，控制器设置为基于第二校正信号修正第三加速度信号，由此利用第一、第二和第三加速度信号测量重力梯度和角度。

4.根据权利要求3所述的重力梯度仪，其中，第二监控装置与第一或第二加速度计具有基本固定的空间关系。

5.根据权利要求3所述的重力梯度仪，其中，第一、第二和第三加速度计定位为形成大致的等边三角形。

6.根据权利要求3所述的重力梯度仪，其中，第一监控装置包括激光模块，激光模块设置来将激光束指向位置传感器，其中激光模块和位置传感器与其运动被检测的加速度计具有已知的空间关系。

7.根据权利要求3所述的重力梯度仪，其中，第二监控装置包括激光模块，激光模块设置来将激光束指向位置传感器，其中激光模块和位置传感器与其运动被检测的加速度计具有已知的空间关系。

8.根据权利要求3所述的重力梯度仪，其中，第一和第二监控装置包括激光模块，激光模块设置来将激光束指向各自的位置传感器，其中一个激光模块和位置传感器与第一或第二加速度计具有已知的空间关系，另一个激光模块和位置传感器与其运动被检测的加速度计具有已知的空间关系。

9.根据权利要求3所述的重力梯度仪，包括：

第四加速度计，与第一、第二和第三加速度计分隔，与第一加速度计具有已知的空间关系并设置来产生第四加速度信号。

10.根据权利要求9所述的重力梯度仪，其中，第四加速度计与第一加速度计具有基本固定的空间关系。

11.根据权利要求3所述的重力梯度仪，其中，加速度计中的一个或多个是基于半导体的加速度计。

12.根据权利要求3所述的重力梯度仪，包括与加速度计共同定位的GPS驱动的惯性参照测量系统。

13.根据权利要求12所述的重力梯度仪，其中，加速度计中的一个或多个各自安装在姿态稳定平台上。

14.根据权利要求13所述的重力梯度仪，其中，来自GPS驱动的惯性参照测量系统的信号被提供给每个姿态稳定平台。

15.根据权利要求3所述的重力梯度仪，其中，加速度计中的一个或多个各自安装在温度稳定外壳中。

16.一种交通工具，包括权利要求9和10中任一项所述的重力梯度仪，其中，第四加速度计安装在交通工具的大致重心位置。

17.一种飞机，包括权利要求3至10中任一项所述的重力梯度仪，其中，第二加速度计安装在第一机翼上，第三加速度计安装在第二机翼上，每个加速度计或者安装在各自机翼的机架内，或者安装在气动舱内。

18.一种测量重力梯度的方法，该方法包括以下步骤：

提供第一加速度信号，其代表位于第一位置的第一传感器经受的加速度；

提供第二加速度信号，其代表位于与第一位置分隔的第二位置的第二传感器经受的加速度；

测量所述第二传感器的位移以检测第二传感器的运动以确定代表被测的第二传感器相对于第一传感器的运动的第一校正信号；

基于第一校正信号修正第二加速度信号；以及

利用第一和第二加速度信号测量重力梯度。

19.根据权利要求18所述的方法，包括以下步骤：

提供第三加速度信号，其代表位于与第一和第二位置分隔的第三位置的第三传感器经受的加速度；

检测第三传感器的运动以确定代表被测运动的第二校正信号；

基于第二校正信号修正第三加速度信号；以及

利用第一和第二加速度信号测量重力梯度和角度。