[发明专利]全张量重力梯度测量装置和测量方法

说明书

本发明涉及全张量重力梯度测量装置和测量方法，包括计算机、立方体框架和分别设置在立方体框架八个顶角处的敏感轴在水平面内的加速度计，处于立方体框架的同一水平面上的四个加速度计中，有一至三个加速度计的敏感轴沿西东方向，其余加速度计的敏感轴沿南北方向，位于立方体框架不同水平面上但敏感轴方向相同的加速度计中，有并且只有两个加速度计互为正上、下方，将上述装置放入直角坐标系，使立方体框架的棱边分别沿X、Y和Z方向，通过加速度计读数计算出重力梯度的XX、YY、XY、XZ、YZ分量和其余分量。本发明结构简单，可在常温和加速度计无需转动的静态下实现重力梯度测量，而且既可以在近地空间下工作、也可以在微重力环境下使用。

技术领域

本发明涉及地球重力场测量，具体而言是全张量重力梯度测量装置和测量方法。

背景技术

精确测量地球重力场可以反演估计出物质的分布和变化，在基础地质研究、区域重力调查、大地测量、油气田及固体矿产资源勘探、以及重力辅助导航等领域具有重要的应用前景。地球的重力梯度反映重力沿空间不同方向的变化率，任一点的重力梯度由张量来描述，而张量的大小为该位置重力加速度gi(i＝x,y,z)对空间的一阶导数，即

式中gx、gy和gz分别为该点重力加速度沿x、y和z方向的分量，X为水平方向由南指向北，Y为水平方向由西指向东，Z为竖直方向指向地心。

现有的重力梯度测量系统是基于旋转加速度计的重力梯度仪测量系统，如FALCON部分张量重力梯度测量系统(测量张量ΓXX-ΓYY的组合和ΓXY)和FTG全张量重力梯度测量系统，它们多采用力平衡摆式加速度计，由于需要感受竖直方向的重力加速度分量，因此，对加速度计不仅要求精度高，而且要求量程极大。同时，在通过多个加速度计的输出组合提取重力梯度信号前，需要对该多个加速度计的性能参数进行一致性动态匹配，信号处理流程及其复杂。另外，该类梯度仪通过稳定的旋转调制来实现对重力梯度信号的分离，系统结构复杂。

另一种正在研发和试验阶段的超导重力梯度测量系统，如英国ARKeX公司的EGG系统(测量ΓZZ)、加拿大的GEDEX公司HD-AGG系统(测量ΓXZ或者ΓYZ)、以及澳大利亚西澳大学的VK1重力梯度测量系统(测量ΓZZ-ΓXX或者ΓZZ-ΓXY)等，它们只能测量部分重力梯度分量，而且运行中需要将探头部分维持在4.2K的低温环境，系统结果复杂，环境适应性较差。

荷兰屯特大学(University of Twente)的J.Flokstra博士等人提出研制一种基于微机械加工技术的重力梯度仪，通过在一块硅片上刻蚀两个加速度计做差分输出，实现重力梯度测量。但其只能应用在空间微重力环境，而无法在近地空间使用。