航空静电重力梯度仪的低噪声高压控制关键技术研究

The technology of space electrostatic gravity gradiometer matures, and a new type of airborne gravity gradiometer, which is composed of four electrostatic accelerometers based on high-voltage suspension principle, is investigated. It is shown that this type of airborne gravity gradiometer has great development potential, to improve the precision of the Earth's gravity field in medium-short waves. The electrostatic force produced by a high-voltage drive amplifier in vertical direction is used to compensate the gravity acceleration g on earth. The results of preliminary experiments show that the equivalent acceleration spectral density for vertical high-voltage servo control loop is around 10^(-4)m/s^2/Hz^(1/2), to limit the resolution of the new airborne gravity gradiometer. The objective of this project is to develop the critical technique of the low-noise high-voltage suspension servo control to suppress the acceleration noise as low as 10^(-5)m/s^2/Hz^(1/2), to improve the resolution of the gravity gradiometer. It includes the noise suppression of the high-voltage servo control and the crosstalk suppression for high-voltage feedback actuation to sensing. The technique will accelerate the progress of electrostatic airborne gravity gradiometer, and also would be a good basis for the development of electrostatic airborne gravimeter.

空间静电重力梯度仪日渐成熟，基于高压悬浮的航空静电重力梯度仪也得到初步研究，研究表明该新型仪器发展潜力良好，能提高重力场中短波段测量精度。航空静电重力梯度仪由四个基于高压悬浮原理的静电加速度计构成，在竖直方向采用高压驱动电路产生静电力来克服检验质量受到的重力加速度g。初步试验表明，高压伺服控制环路的等效加速度噪声仅为10^(-4)m/s^2/Hz^(1/2)，限制了航空静电重力梯度仪的分辨率。本课题在详细论证的基础上，对低噪声高压悬浮控制关键技术展开深入研究，主要包括抑制高压悬浮控制环路噪声和减小高压反馈执行机对传感输出的耦合，达到降低等效加速度噪声至10^(-5)m/s^2/Hz^(1/2)的科学目标，最终提升仪器的分辨率。该技术的发展不仅可促进航空静电重力梯度仪的进步，还可为航空静电重力仪提供技术基础。

基于高压悬浮的航空静电重力梯度仪具有良好的发展潜力，其在竖直方向采用高压驱动电路产生静电力来克服检验质量受到的重力加速度g。高压伺服控制环路的噪声直接影响到航空静电重力梯度仪的性能，因此如何抑制高压悬浮控制环路噪声和减小高压反馈执行机对传感输出的耦合是航空静电重力梯度仪的关键技术之一。.本项目首先对航空静电重力梯度仪的基本工作原理进行了分析，并建立了竖直高压悬浮控制环路的仿真模型。其次，项目组设计了高压驱动放大电路，并对高压驱动电路的各个组成部分如MOSFET、BJT、运放等进行了建模仿真，给出了高压驱动放大电路的传递函数及电源波动对输出电压的影响。再次，本项目对高压驱动放大电路进行了噪声建模，理论分析和实验测试了运算放大器en和in、MOS管噪声、BJT噪声与电阻热噪声对高压放大电路的影响；根据分析与测试结果，最终采取改善反馈电阻稳定性的措施后，将高压放大电路在0.1Hz处的噪声降低了约4~5倍，由3×10-6/Hz1/2降低至7×10-7/Hz1/2。最后，本项目对比了不同反馈电压施加方式的优缺点，并给出了高压反馈对传感输出耦合效应的抑制方案：通过选择合适的电阻、电容可在维持反馈执行机带宽时，抑制反馈电压对传感电压的影响。.本项目对高压驱动放大电路进行优化，其噪声可降至约7×10-7/Hz1/2@0.1Hz，同时抑制了高压反馈对传感输出的耦合；为航空静电重力梯度仪的发展提供了技术基础。