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1、华中科技大学 硕士学位论文 旋转加速度计重力梯度仪 姓名：罗嗣成 申请学位级别：硕士 专业：理论物理 指导教师：罗俊 20070607 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘 要摘 要 我们知道重力测量在国防、地球物理、地下资源勘探、空间技术、军事应用和 环境科学等领域具有重大意义，但目前重力测量仍很难达到很高精度，究其原因那 是因为地球上不同点的重力变化非常微小， 大约几十到几千个 Etvos （重力梯度单位， 1Etvos10 -9/s2,简写为 E）, 所以重力梯度的精确测量仍是一个很有意义的、挑战 性的工作。 旋转加速度计重力梯度仪是一个全张量重力梯度仪，工作在常温下，
2、非常适合 地下资源勘探、海洋技术以及惯性导航等领域中应用；美国的 Bell 公司从上个世纪 70 年代就开始研究，至今已达到 5-10E 精度，并开发了相关产品应用于实际中。我 国在此领域目前落后很多，特别是工程技术上。 本文首先简要概述了重力梯度精确测量的意义和目前国际上研究中的几种重力 梯度仪，接着详细阐明了旋转加速度计重力梯度仪的基本原理；然后从理论上分析 了加速度计间匹配问题以及安装误差问题，最后进行了相关实验测试来对理论进行 验证及实验探索。 通过理论计算与实验分析，我们最后给出了一些想法和下一步的一些建议。 关键词：关键词：重力梯度、加速度计、加速度计间匹配 安装误差 华 中 科
3、技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract As we know, the measurement of gravity is so important and significant in the areas of national defence 、 exploration 、 space technique 、 military application and environment ,etc. Because the change of gravity among two points on the earth is so tiny, the high precisio
4、n measurement of gravity is a very difficult and challenged work. Rotating accelerometer gravity gradiometer is a full-tensor gravity gradiometer, which works in the normal temperature and is particularly applicable to the areas of exploration、space and navigation. The Bell Company of America starte
5、d the research of rotating accelerometer gravity gradiometer in the 1970s, and has a 5 to 10E precision now, which is applied to many related areas. This thesis firstly introduces the background and significance of this area, and then lists the key gravity gradiometers studied in world. And next det
6、ailedly calculate and analyze the principle of rotating accelerometer gravity gradiometer, on the base of which, we also discuss the matching problems among accelerometers and the setting errors of accelerometers. At last we build some experiment to confirm the theory and some other researches, and
7、give some advices to the next step of research. Key words: Gravity gradiometer、 Accelerometer、 Matching among accelerometers、 Setting errors of accelerometers 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 近 我所知， 除文中已标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究 成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，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
8、果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：2007 年 6 月 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密，在_年解密后适用本授权数。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期：2007 年 6 月 7 日 日期：2007 年 6 月 7 日 华 中 科 技 大 学
9、硕 士 学 位 论 文 - 1 - 1 引言 1 引言 1.1 选题背景、意义及国内外的发展现状 选题背景、意义及国内外的发展现状 全球重力场的测量在国防和民用航天、地球物理、地下资源勘探、海洋、空间 技术、军事应用和环境科学等领域具有重大作用，而重力梯度仪又是探测地球重力 场信息的重要手段，是人类社会认识地球不可缺少的一个方面，它在物理探矿、地 震与海平面监测、大地水准面的精确测定、地壳垂直形变等方面将发挥越来越多的 作用；卫星重力及其梯度测量作为新世纪重力探测技术，对精化地球重力场、提高 惯性导航的精度以及地球动力学、地球物理、海洋学、空间技术和军事技术的研究 以及国民经济建设也具有广泛的
10、应用前景。 由于全球重力场测量具有重大的战略和科学意义， 地球重力卫星测量自从上世 纪 70 年代就得到西方国家的极大关注和巨大投入。最近几年，为了改善和提高现有 地球重力场测量的精度，国际上提出了一系列小卫星发展计划。目前国际上采用的 地球重力场空间精密测量技术主要包括三方面，即高轨卫星追踪低轨卫星技术 SST-HL； 低轨卫星追踪低轨卫星技术SST-LL 和卫星重力梯度测量技术SGG。 国 际上众多科研机构已投入大量的人力、 物力和财力进行大规模生产性科学实验。 2000 年 7 月德国发射的高低卫跟踪模式的 CHAMP 卫星、2002 年 3 月德美合作发射升空 的低低卫跟踪组合模式的
11、GRACE 卫星，以及欧空局拟将于 2007 年发射的重力梯度 GOCE 卫星，更是掀起地球重力场卫星测量的热潮。随着这些计划的实施，也打破 各国对全球重力场参数掌握程度的平衡。因此，有更多国家都正在或者拟将开展重 力卫星测量计划。GOCE 卫星将是人类第一颗重力梯度探测卫星，GOCE 卫星若成功发 射和运行，将可以前所未有地精确测量地球重力场的中短波分量，对地球的位系数 测量可达到 250 阶。 国内相关方面的应用基础研究和重力仪的研制虽有一定基础，但相关技术尤其 是工程性研究仍处于未起步阶段。国内从 70 年代开始，一些研究院所及地质仪器厂 先后研制过石英型海洋重力仪及非轴对称型金属助动弹
12、簧重力仪。石英型重力仪虽 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 2 - 几何尺寸受温度影响小，但弹性模量不甚理想而被弃置。非轴对称结构海洋重力仪 则因为受海洋正交耦合效应影响，其测量精度不高。1987 年中国科学院测量与地球 物理研究所成功研制出 CHZ 高精度海洋重力仪，该仪器为轴对称型垂直悬挂金属弹 簧重力仪。CHZ 海洋重力仪成果获中国科学院科技进步一等奖。CHZ 海洋重力仪经多 次海洋重力测量，与德国 KSS-30 海洋重力仪对比测量验证，其动态测量精度已达 1mGal，是用于潜艇导航重力匹配方法较为理想的仪器。哈尔滨工程大学、西北工业 大学、东南大学和北京大学曾进行过匹
13、配导航理论方面的研究，发表了相关的论文， 但不足的是国内在工程技术上还没有重大突破，目前未研发出比较高精度的样机。 1.2 重力梯度仪的种类 1.2 重力梯度仪的种类 重力梯度测量的原理有两类，即差分加速度测量和扭力测量，前者是作用于检 测质量（或加速度计）的引力差为基本观测量，通过两加速度计测量的加速度之差 来获取引力梯度张量的各分量；后者的基本观测量为作用于检测质量的力矩，从而 间接获取引力梯度张量的各分量。目前重力梯度测量技术主要是基于差分加速度测 量原理， 通过加速度计之间观测量的不同组合能够获取引力梯度张量的所有分量 （如 全张量重力梯度仪）或部分分量（如 Aristoteles 平
14、面型重力梯度仪） 。 目前国际上比较有名的并正在研发和不断改进的动基座重力梯度仪有：美国 Bell 公司的旋转加速度计重力梯度仪、法国 ONERA 的静电加速度计重力梯度仪、美 国马里兰大学的 SQUID 超导重力梯度仪和美籍华裔物理学家、1997 年诺贝尔物理学 奖获得者朱棣文(Steven Chu)教授领导的小组的原子重力梯度仪。 法国的 ONERA 组研制的静电重力梯度仪是目前国际上最好的，它也主要是基于 其研制的加速度计，其中 GRADIO 是目前灵敏度最高的加速度计， 11996 年它研制出 了在加速度小于 10 4m/s2时，分辨率达 10-14ms-2Hz-1/2的静电加速度计。
15、根据同样的工 作原理和类似技术， ONERA 研制成功 STAR 和 Super-STAR 加速度计， 二者分别于 2000 年搭载德国重力卫星 CHAMP 和 2002 年搭载美德（NASADLR）合作的重力卫星 GRACE 升空，其空间长期运行结果表明，该加速度计的分辨率优于 410 -10g/Hz1/2。静电重 力梯度仪主要用于轨道卫星上， 工作在室温、 零重力下， 目前分辨率已达到 3mE/Hz 1/2。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 3 - 2Maryland 大学研制的超导重力梯度仪是基于其研制的超导加速度计，超导重 力梯度仪是一对超导加速度计输出的差，包括两
16、个超导加速度转换器和一个连接超 导量子干涉仪的超导感应负载。超导加速度计传感检测部分主要由放置在低温环境 中的超导惯性检测质量 SPM（Superconducting Proof Mass） 、超导感应线圈 SSC （Superconducting Sensing Coil）和超导量子干涉探测器 SQUID（Superconducting Quantum Interference Device）三部分组成。目前马里兰大学研制的三轴超导重力 梯度仪的原理样机在 0.1Hz 频带以上分辨率达到 3.610 -3E Hz-1/2，在 1Hz 带宽内的 分辨率为 0.02E Hz -1/2。超导加速度计的潜在分辨率和稳定性还更高，但它需要低温
