运动平台上超导重力梯度仪的反馈控制和外部噪声扣除

Superconducting gravity gradiometer (SGG) is recognized as one of the most potential candidates for the next generation of high resolution airborn gravity gradiometers. At present, the resolution of SGG is mainly limited by the cross-coupling noise from non-sensitive axes, so its suppression becomes the key to the practicality of SGG. This project is dedicated to the research on cross-coupling noise suppression of SGG on a moving platform. We will first build the model of coupled spring oscillators for non-sensitive axes of the SGG with the aim to obtain the motion information of the proof masses and platform. On the above basis, a multi-degree of freedom feedback control system will be designed and used to reduce the sensitive axis fluctuation of proof masses on a moving platform, then the sensitive axis of proof masses can be adjusted precisely for a first-stage depression of cross-coupling noise. Finally, we will establish the method of cross-coupling noise deduction in order to compensate the insufficiency of sensitive axis adjustment and obtain a second-stage depression of cross-coupling noise. This research will break through the key technology of suppressing cross-coupling noise of the SGG on a moving platform, accelerate the practical process of SGG and promote the development of deep resource exploration industry in our country.

超导重力梯度仪是下一代高分辨航空重力勘探仪器的最有力竞争者。目前超导重力梯度仪的测量分辨率受限于非敏感轴交叉耦合噪声，交叉耦合噪声的抑制成为超导重力梯度仪实用化的关键。本项目将围绕运动平台上超导重力梯度仪的交叉耦合噪声抑制方法开展研究，首先通过理论分析建立超导重力梯度仪检验质量非敏感轴耦合弹簧振子系统模型，得到检验质量和平台的各自由度运动信息。在此基础上采用检验质量非敏感轴多自由度反馈控制技术，减小动态环境下检验质量的敏感轴抖动，以保证敏感轴取向的调节精度。最后开展交叉耦合噪声扣除方法研究，弥补敏感轴取向调节精度的不足，实现超导重力梯度仪对交叉耦合噪声的有效抑制。本项目研究将突破动态环境下外部噪声抑制的关键技术，加快仪器实用化进程，推动我国深地资源勘探行业的快速发展。

超导重力梯度仪是重力梯度测量领域的研究热点，目前研究工作已深入至仪器的实用化环节。超导重力梯度仪动态环境下应用的关键在于抑制平台引入的非敏感轴交叉耦合噪声以及共模耦合噪声等外部噪声。本项目基于课题组在研的全磁悬浮型超导重力梯度仪，开展了运动环境下超导重力梯度仪中全磁悬浮检验质量的反馈控制与外部噪声的抑制方法研究，主要研究工作包括：第一，完成全磁悬浮型超导重力梯度仪中检验质量的运动建模以及非敏感轴运动的反馈控制；第二，在模拟动态环境下验证了非敏感轴交叉耦合噪声的抑制方法。. 本项目首先通过实验装置完成了超导重力梯度仪非敏感轴柱面超导线圈电感与检验质量位移之间的函数关系，并给出了两非敏感轴间超导线圈通过检验质量位移相互耦合的大小。其次，利用实测的柱面超导线圈电感与检验质量位移的关系，通过理论分析建立了超导重力梯度仪非敏感轴反馈控制的模型与仿真框图，仿真结果表明在柱面线圈电感耦合系数为0.1时，耦合不影响系统控制的稳定性。最后，设计并验证了独特的检验质量非敏感轴解耦电路，实现检验质量平动与转动信号的解耦，此解耦电路可将检验质量多自由度运动解耦为多个单自由度运动的叠加，在此基础上研制了基于DSP 的数字PID反馈控制系统，并与超导重力梯度仪相结合，完成了超导重力梯度仪两检验质量非敏感后轴向的多自由度稳定控制。测试结果表明，在平台施加1×10-4m/s2的非敏感轴激励加速度时，检验质量的位移可控制在nm水平，满足动态环境下超导重力梯度仪的应用需求。. 相较于反馈控制前，本项目提出的运动平台下超导重力梯度仪的反馈控制方法，可将检验质量非敏感轴运动等效刚度提高15倍，能够显著抑制超导重力梯度仪梯度信号探测中的非敏感轴交叉耦合噪声，为超导重力梯度仪在飞机等运动平台上的实际应用提供技术保障。