复外差法处理绝对重力仪数字干涉信号.pdf

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1、第35卷第2期大地测量与地球动力学Vo1．35NO．22015年4月JournalofGeodesyandGeodynamicsApr．，2015文章编号：16715942(2015)02—034603复外差法处理绝对重力仪数字干涉信号杨厚丽。邹彤。郭唐永刘延飞1中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，武汉市洪山侧路40号，4360712中国地震局地壳应力研究所武汉科技创新基地，武汉市洪山侧路40号，430071摘要：使用复外差方法分析绝对重力仪中自由下落过程产生的激光干涉信号。对采样的扫频信号进行一系列复外差处理，迭代地缩窄其频带至接近零频的位置，估算落体初始速度及加速度，并用

2、非线性拟舍得到重力加速度值g。仿真结果表明，该方法的拟合精度可达1O～FGal，满足精确测量要求。关键词：绝对重力仪；数字干涉信号；高速扫频；复外差；非线性拟合中图分类号：P244文献标识码：A绝对重力仪是精确测量重力加速度绝对值光电接收器检测该信号并输出扫频的正弦信号，的仪器，测量精度要求至少应达到tLGal。一般测其数学表达式为：量绝对重力加速度值g的方法是基于落体每下(￡)===Asin[(z。+。￡+)](1)^厶落半个波长距离产生一个干涉条纹的规律，获得其中，为所使用的激光波长(0．633Fro)，。是物体下落的位移信息，对比下落的时间，可以得到初始位置，。是初始速度，g是自由

3、落体运动的重“落体时间一位置”信息对，从而重建真空腔内自由力加速度值。为方便分析，给出信号形式：下落物体的运动轨迹。实现落体轨迹重建有硬件1电路的过零检测_】和对信号进行数字处理两种方s(￡)一Acos(妄a0t。)(2)厶式。硬件方式基于过零触发法，过零检测器在干这里，OL。表示扫频信号频率变化的快慢，该信号涉带的每个过零点产生脉冲，每N个过零点生成的频率与落体的下落速度成正比。在0．2S内，一个脉冲送入时间间隔分析仪，由外部铷原子钟假设g一9．81m／s。，该信号频带约为0～6．2提供时间基准，从而形成自由落体完整的位置一时MHz。采用20MHz采样率，其功率谱如图1问信息。数字处理

4、方式基于信号的高速采样，一所示。种硬件过零触发法的数字化实现是双样本过零检测法2]，对过零点前后的两个相邻采样点进行线性插值，获得过零点的时间，从而重建落体轨迹。本文基于复外差方法处理数字干涉信号，对高速采样的信号迭代地进行复外差。为了使非线性拟合收敛，得到高精度的g值。对落体初始运动信息的估计必须逼近真实值，构造的复外差信号须逼近原始信号，即将信号频带移到零频附近(0～5频率／10HzHz)。这种缩窄频带的处理虽然会导致信号丧失图1扫频信号功率谱大部分信息，但保留了我们需要的g值的完整信Fig．1Powerspectrumofchirpedsinusoid息。因此，该方法可处理欠采样信

5、号，且鲁棒性好。可用欧拉公式表示该扫频信号：1复外差算法原理S()一(e‘+eip~‘)／2(3)真空腔中自由落体的运动产生激光干涉，由其中，。()===1a2。。外差信号为：收稿日期：2014—06一O4项目来源：国家科技部高精度绝对重力仪研制与产业化示范项目(2o12YQlOO225)。第一作者简介：杨厚丽，硕士生，主要从事观测技术研究，E—mail：yanghouli53@163．corn。通讯作者：郭唐永，研究员，主要从事卫星激光测距研究，E—mail：guoty9@gmail．corn。第35卷第2期杨厚丽等：复外差法处理绝对重力仪数字干涉信号347h(t)一e％“’(4)进行

6、15次迭代复外差后，信号功率谱如图3。1可以看出，信号带宽为0～5Hz，已经达到准确估()一÷aht。复外差后的信号可由D(t)表计g值的要求。MATLAB对采样数据进行1O次示：非线性拟合]，平均残差为3．7685×10～ftGal。D(￡)一S()h()(5)对激光干涉信号的了解程度决定了选取的指数相乘只在相位上进行叠加，信号的能量h()信号参数与真实值逼近的程度，与真实值越不会发生变化，因此可实现移动信号频带到任意逼近，迭代次数越少，如当a。与a相差10数量位置的目的。D(￡)信号初始频率距离零频的偏级时，通过15～18次迭代复外差，非线性拟合即差等于s()信号和h(￡)信号的初始

7、频率之差，也收敛；当a。与a相差1O数量级，则12～14次迭就是与假定的初始速度和实际初始速度的偏差有代即可使非线性拟合收敛。如果对信号充分了关。其带宽仅取决于两信号的参数a。与a的差解，可以选择低采样率，用更少的点达到较高的测异，而参数a。可以表示为关于绝对重力加速度g量精度，提高测算速度，降低内存需求。的线性函数a。一4丌g。因此，D(t)信号带宽最终反映为假定的g值与实际g值的差。基于上述描述，迭代地外差一个合适的h()=信号