四个加速度计间标度因子一致性的动态匹配方法实验研究

旋转加速度计重力梯度仪是目前唯一投入使用并在资源勘探和辅助导航等方面取得巨大成功的梯度仪，由于西方国家的技术封锁，我国必须自主研制。其基本原理是将四个高精度加速度计对称地放置在一个转盘上，通过转动转盘进行调制，加速度计输出的组合能够有效抑制源于平台运动加速度等外界噪声的影响，并将待测的重力梯度信号调制到转动频率的倍频上，实现对微弱重力梯度信号的测量。其核心技术之一就是对四个高精度加速度计标度因子进行实时的匹配调节，提高对外界噪声的共模抑制能力。本项目拟开展四个加速度计的标度因子一致性匹配方法的实验研究，通过对现有的挠性加速度计进行改进，并引入灵敏度微调力矩线圈，实现加速度计标度因子的实时调节，目标是将目前加速度计间标度因子的一致性由10^(-4)提高到10^(-10)量级，加速度计组合输出对外界加速度具有九个量级的共模抑制能力，满足研制分辨率达到10E的水平部分张量重力梯度仪的需求。

本项目针对基于旋转加速度计的重力梯度仪中多四个加速度计间标度因子一致性的动态匹配方法开展实验研究，通过对常规的力平衡挠性加速度计进行改进，引入标度因子调节机构，实现多个加速度计间标度因子一致性的实时调节。在标度因子一致性匹配实验中，我们将一种商用的石英挠性加速度计中的磁反馈控制单元替换为高精度静电伺服控制的静电反馈单元。通过改变加载在电容位移传感中定极板上的偏置电压来实现加速度计标度因子的调节。相比通过反馈电流改变磁场进而改变标度因子的磁反馈调节方式，静电反馈调节标度因子无需增加额外的机械结构，从而避免了磁反馈中机械热噪声、磁场均匀性和稳定性不佳的影响。经过改进，石英挠性加速度计的本底热噪声为3×10^(-8) g/Hz^(1/2)。根据理论分析，机械热噪声对加速度计标度因子匹配的一致性量级的限制为5.7。.实现多个加速度计标度因子匹配实验的主要难点为高精度匹配控制电路的设计与制作，其中包括：信号采集与处理、解调与滤波、控制算法及高精度的静电执行机等。为此我们设计制作了高精度的匹配控制电路，并研究了相应的算法来实现加速度计标度因子的匹配，此后利用转台转速信号进行同步解调，实现了两个加速度计间标度因子的匹配，一致量级达到5.5，接近于该石英挠性加速度计及其电路系统的极限水平；利用转速信号中叠加高频小信号进行调制，并用FPGA产生同频信号进行解调，实现了四个加速度计间标度因子的一致性的匹配，一致性量级达到4.3。.此后针对石英挠性加速度计一致性匹配中的交叉轴影响问题，我们改进了一种基于电容传感电磁力反馈的金属挠性加速度计，用于并采用改进的匹配算法对四个加速度计进行匹配实验，该匹配算法的优点在于无需在加速度计中加入额外的标度因子调节线圈，只需要对加速度计的反馈电流信号进行调节即可实现多个加速度计之间的一致性匹配，在该匹配实验中，对匹配控制算法的改进，有效改善了加速度计的交叉轴输入对匹配效果的影响，匹配实验结果表明，多个加速度计的一致性同样达到该加速度计及其电路系统的极限水平。该项目中的一致性匹配技术已经满足后续研制旋转加速度计重力梯度测量系统对加速度计标度因子一致性动态匹配的要求。