一种便携式重力梯度测量单元及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种便携式重力梯度仪，特别涉及一种基于光纤传感的具有便携性的重力梯度测量单元及其测量方法，可用于空间、航空、陆地、水下的地球重力梯度场测量，也适用于石油和天然气勘探、矿产勘探、地图制图、环境监测、军事等应用领域和构造地质学、水文地质学、地震学、大地测量学、空间科学等研究。

背景技术

重力梯度是重力加速度在空间中的变化率，可以用来描述重力场的强度和方向的变化。一般来说，重力场是由附近的物体在空间中形成的，重力场的强度和方向受到地球形状、物质分布及其运动状态等因素的影响。在地球物理勘探、地质灾害预警、地球圈层反演、地球动力学研究等领域中，通过测量重力梯度变化，可以得到地下和地表物质密度、构造特征等信息，对于认识地球物理规律、预测地质灾害、勘探矿产资源等具有重要的意义。

在地球物理勘探、地震勘探、资源勘探等领域中，经常需要对较为复杂、不确定的地质结构进行探测，这些地质结构往往不在易于测量的区域内。因此，重力梯度仪的便携性是非常重要的优势之一。

目前，重力梯度仪的实现方法主要包括：基于旋转加速度计的重力梯度仪、基于自由落体的重力梯度仪和基于角加速度计的重力梯度仪。

基于旋转加速度计的重力梯度仪是目前唯一商用的重力梯度仪。这一类重力梯度仪需要通过多个加速度计完成测量，且需要一个转台给置于同一平面内成对的加速度计施加匀速转动调制，因而难以方便地用于野外勘探中。此外，基于旋转加速度计的重力梯度仪由于需要使用八个乃至十二个加速度计，存在较明显的加速度计一致性问题，阻碍了其精度的进一步发展。

基于自由落体的重力梯度仪采用一种朴素的思想：测量两点处的重力加速度后，除以两点之间的距离获得重力加速度在空间上的变化率，即重力梯度。目前，基于该原理所研制的重力梯度仪主要采用的技术手段包括激光干涉和原子干涉两大类。在激光干涉和原子干涉重力梯度仪的研制过程中，需要真空设备实现真空环境，且需要额外的隔震装置以降低地面振动的影响，因而难以小型化。

基于角加速度计的重力梯度仪采用超导量子干涉器件感知由测试质量位移引起的超导电流变化。美国马里兰大学Moody等人设计了由六个线性加速度计和三个角加速度计组成的三轴超导重力梯度仪，利用量子化通量和迈斯纳效应提供稳定的测试质量悬浮和信号耦合，超导量子干涉装置提供信号的极低噪声放大。然而，国内外仍未研制出实际性能可与旋转加速度计式重力梯度仪相匹敌的实用超导重力梯度仪，且由于需要低温环境控制设备实现超导环境，小型化仍然面临着许多至关重要的技术瓶颈。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种便携式重力梯度测量单元及其测量方法。本发明是一种基于弹性片-质量块结构的重力梯度仪，其原理如图1所示。弹性片的法线方向与待测重力梯度方向平行。在弹性片中心嵌一质量块，使其在弹性片两侧的质量相同，在弹性片区域用粘合剂固定光纤。质量块受到地球重力场作用产生重力加速度，对弹性片产生应力作用，该应力作用传导至光纤上使得光纤产生拉伸和折射率变化，从而导致其中的光信号产生相位变化。通过检测这一相位变化即可得到该点的重力加速度。

具体地，在弹性片的正面和反面上分别沿圆周长、从圆心向外缠绕传感光纤，形成两个独立的传感光纤环，不同层(不同周长上)的光纤与光纤间紧密临近。质量块对弹性片的应变传导到光纤上。传感光纤被粘合剂固定于弹性片上。设弹性片上粘合的两段传感光纤长为L，光纤折射率为n，光在光纤中的传播系数为

φ＝nkL(1)

对该式进行全微分，可得：

其中，第一项为光纤轴向伸长带来的相移，第二项为应力应变效应(应力导致光纤折射率变化)带来的相移，第三项为泊松效应(光纤直径变化)带来的相移。由于泊松效应相较于前两种效应可忽略，从而有

其中：

其中：ε为光纤应变，v

根据应变的定义，当ΔL很小时，有

记

当光纤粘合于弹性片的应力线性区时，ΔL与重力加速度g呈正比，即：

ΔL＝Sg(7)

其中，S表示重力加速度与光纤应变之间的线性比例因子。

从而：

在标准振动台上可实现对因子

设目前需要测量方向z上的重力梯度，在z方向的坐标z

由于本发明提出的新型光纤重力梯度仪主要由光纤光路、弹性片等轻量化部件组成，重量较轻，具有便携性。相比于传统体积较大的重力梯度仪，可以方便地搭载在各种平台上，如飞机、卫星、无人机等载体上。其次，该重力梯度仪采用光纤传输和微弱光信号检测技术，功耗较低，可以使用电池供电或太阳能供电，不需要大功率电源。综上所述，本发明提出的光纤重力梯度仪便携性较好，可以适用于不同场合的重力梯度测量需求，具有重要的应用价值。

本发明的技术方案为：

一种便携式重力梯度测量单元，其特征在于，包括一光学探测结构，一弹性片及其支撑结构；

所述光学探测结构包括两个长度为L的光纤环，记为第一传感光纤环和第二传感光纤环；

所述弹性片的正面、反面上分别设有一所述光纤环，正面上的光纤环与反面上的光纤环同心；所述弹性片中心嵌有一质量块，所述质量块在正面一侧的质量与在反面一侧的质量相同；

所述质量块，用于在受到地球重力场作用时产生重力加速度，对所述弹性片产生应力；

所述光纤环，用于接收所述光学探测结构的光源输入的同频光信号，以及在受所述弹性片传导过来的应力作用下产生拉伸和折射率变化，从而使两所述光纤环中的光信号产生相位变化并产生干涉信号输出到所述光学探测结构的光电探测器；所述光电探测器用于将收到的光信号转换为电信号并发送给总控单元，用于根据所述电信号中解算出重力梯度Γ。

进一步的，所述总控单元首先根据所述电信号计算得到重力加速度

进一步的，所述光学探测结构为基于迈克尔逊干涉仪的光学探测结构，包括光源1、第一耦合单元2、第二耦合单元3、第一传感光纤环4、第一法拉第旋镜5、第二传感光纤环6、第二法拉第旋镜7和第一光电探测器8；所述光源1发出的光依次通过第一耦合单元2、第二耦合单元3后分为两束：一束经第一传感光纤环4后输入第一法拉第旋镜5，经第一法拉第旋镜5反射回第一传感光纤环4并返回第二耦合单元3；另一束经第二传感光纤环6输入第二法拉第旋镜7，经第二法拉第旋镜7反射回到第二传感光纤环6并返回第二耦合单元3；返回到第二耦合单元3的两束光发生干涉经第一耦合单元2后进入第一光电探测器8。

进一步的，所述光学探测结构为基于双波长补偿的迈克尔逊干涉仪光学探测结构，包括光源1、第一耦合单元2、第二耦合单元3、第一传感光纤环4、第一法拉第旋镜5、第二传感光纤环6、第二法拉第旋镜7、第一光电探测器8、偏振分束/合束器9、第二光电探测器10；所述光源1发出的双波长光依次通过第一耦合单元2、第二耦合单元3后分为两束：一束经第一传感光纤环4入射第一法拉第旋镜5后反射回第一传感光纤环4并返回第二耦合单元3；另一束经第二传感光纤环6入射第二法拉第旋镜7后反射回第二传感光纤环6并返回第二耦合单元3；返回第二耦合单元3的两束光发生干涉后经第一耦合单元2后进入偏振分束/合束器9，分为快轴光和慢轴光，分别输入到第一光电探测器8、第二光电探测器10。

进一步的，所述光学探测结构为基于马赫-曾德尔干涉仪的光学探测结构，包括光源1、第一耦合单元2、第二耦合单元3、第一传感光纤环4、第二传感光纤环6、第一光电探测器8；所述光源1发出的光通过第一耦合单元2分为两束：一束经第一传感光纤环4输入第二耦合单元3，另一束经第二传感光纤环6输入第二耦合单元3；两束光在第二耦合单元3会合并发生干涉后进入第一光电探测器8。

进一步的，所述光学探测结构为基于双波长光源补偿的马赫-曾德尔干涉仪光学探测结构，包括光源1、第一耦合单元2、第二耦合单元3、第一传感光纤环4、第二传感光纤环6、第一光电探测器8、偏振分束/合束器9、第二光电探测器10；所述光源1发出的双波长光通过第一耦合单元2分为两束：一束经第一传感光纤环4输入第二耦合单元3，另一束经第二传感光纤环6输入第二耦合单元3；两束光在第二耦合单元3会合并发生干涉后进入偏振分束/合束器9，分为快轴光和慢轴光，分别由第一光电探测器8、第二光电探测器10检测。

进一步的，所述第一传感光纤环4采用长波长光纤光栅，第二传感光纤环6采用短波长光纤光栅；或第一传感光纤环4采用短波长光纤光栅，第二传感光纤环6采用长波长光纤光栅。

一种基于所述便携式重力梯度测量单元的重力梯度测量方法，其步骤包括：

1)在测量方向z方向上的坐标z

2)利用坐标z

3)根据公式

本发明提出的新型重力梯度仪具有便携性的特点，通过利用多台重力梯度仪组成阵列可有效提高重力梯度探测的准确性。具体地，由于根据具体的测量区域，确定重力梯度仪放置的位置和配置方式。阵列可以采用线性排列、网格状布置或其他合适的形式。附图2展示了网格状布置的重力梯度仪阵列示意图，其中的立方体代表一台重力梯度仪。将各个重力梯度仪按照阵列配置进行安装，启动重力梯度仪并开始数据采集。在阵列区域内按照预定的阵列配置，分别记录每个位置上的重力梯度数值。多台重力梯度仪的数据传输至总控，总控处将采集到的重力梯度数据进行处理和分析，以获得地下密度变化的信息。

本发明的优点如下：

本发明提出一种新型重力梯度仪。相比于现有商用的旋转加速度计式重力梯度仪，本发明无需转台等难以小型化的外设，具有小型化的优势；同时，无需八个乃至十二个加速度计作为测量单元，降低了多测量单元因实际加工误差等原因造成的不一致的误差。相比于基于自由落体的重力梯度仪和基于角加速度计的重力梯度仪，由于采用光纤传感方案，具有尺寸小、重量轻、抗电磁干扰、化学性质稳定等特点，具有小型化优势和更好的环境适应性，无需大型的环境控制外设，也不需要配套大型的供电设备以保证环境控制外设的运行，因而具有便携性的特点。

附图说明

图1为基于弹性片-质量块结构的重力梯度仪原理流程图。

图2为重力梯度仪组阵示意图，其中的立方体代表一台重力梯度仪，多台重力梯度仪的数据传输至总控。

图3为便携式重力梯度仪结构图，由质量块、光纤、弹性片和外周的支撑结构组成；其中，外周的支撑结构未显示。

图4为便携式重力梯度仪俯视图。

图5为便携式重力梯度仪正视图；其中，外周的支撑结构未显示。

图6为便携式重力梯度仪侧视图；其中，外周的支撑结构未显示。

图7为基于迈克尔逊干涉仪的光学探测结构。

图8为基于双波长光源补偿的迈克尔逊干涉仪光学探测结构。

图9为基于马赫-曾德尔干涉仪的光学探测结构。

图10为基于双波长光源补偿的马赫-曾德尔干涉仪光学探测结构。

其中，1-光源，2-第一耦合单元，3-第二耦合单元，4-第一传感光纤环，5-第一法拉第旋镜，6-第二传感光纤环，7-第二法拉第旋镜，8-第一光电探测器，9-偏振分束/合束器，10-第二光电探测器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如附图3至附图6所示，在以铍铜为材料的弹性片的正面和反面上沿圆周长、从圆心向外缠绕保偏光纤，不同层(不同周长上)的光纤与光纤间紧密临近。在弹性片中心嵌一高密度质量块(如钨镍铜合金)，使其在弹性片正面、反面两侧的质量相同，在弹性片区域用紫外光纤胶等粘合剂固定光纤。弹性片用一圆柱筒状结构支撑。为增加敏感度，可将保偏光纤换为光纤光栅。

对于光学探测结构，可采用如下几个方案之一：

1、采用附图7的基于迈克尔逊干涉仪的光学探测结构。从光源1发出的光依次通过第一耦合单元2、第二耦合单元3，而后分为两束：一束经过粘合于弹性片一侧的第一传感光纤环4，而后在第一法拉第旋镜5处反射，回到第一传感光纤环4并返回第二耦合单元3；另一束经过粘合于弹性片另一侧的第二传感光纤环6，而后在第二法拉第旋镜7处反射，回到第二传感光纤环6并返回第二耦合单元3。返回第二耦合单元3的两束光发生干涉，干涉光到达第一耦合单元2后进入第一光电探测器8。其中，第一耦合单元2可使用环行器或耦合器实现，第二耦合单元3可使用Y波导或耦合器实现，第一光电探测器8可用平衡探测器实现。

2、采用附图8的基于双波长补偿的迈克尔逊干涉仪光学探测结构。从光源1发出的两个波长的光依次通过第一耦合单元2、第二耦合单元3，而后分为两束：一束经过粘合于弹性片一侧的第一传感光纤环4，而后在第一法拉第旋镜5处反射，回到第一传感光纤环4并返回第二耦合单元3；另一束经过粘合于弹性片另一侧的第二传感光纤环6，而后在第二法拉第旋镜7处反射，回到第二传感光纤环6并返回第二耦合单元3。返回第二耦合单元3的两束光发生干涉，干涉光到达第一耦合单元2后进入偏振分束/合束器9，分为快轴光和慢轴光，最后分别由第一光电探测器8、第二光电探测器10检测。相比于附图3所示的结构，该结构通过两个波长经过相同的光路可以补偿共模环境噪声产生的影响，从而提升信噪比。其中，第一耦合单元2可使用环行器或耦合器实现，第二耦合单元3可使用Y波导或耦合器实现，光源1可用可调激光器实现。

3、采用附图9的基于马赫-曾德尔干涉仪的光学探测结构。从光源1发出的光通过第一耦合单元2，而后分为两束：一束经过粘合于弹性片一侧的第一传感光纤环4，另一束经过粘合于弹性片另一侧的第二传感光纤环6；两束光在第二耦合单元3会合并发生干涉，干涉光到达第二耦合单元3后进入第一光电探测器8。其中，第一耦合单元2可使用Y波导或耦合器实现，第二耦合单元3可使用耦合器实现，第一光电探测器8可用平衡探测器实现。

4、采用附图10的基于双波长光源补偿的马赫-曾德尔干涉仪光学探测结构。从光源1发出的光通过第一耦合单元2，而后分为两束：一束经过粘合于弹性片一侧的第一传感光纤环4，另一束经过粘合于弹性片另一侧的第二传感光纤环6；两束光在第二耦合单元3会合并发生干涉，而后进入偏振分束/合束器9，分为快轴光和慢轴光，最后分别由第一光电探测器8、第二光电探测器10检测。相比于附图5所示的结构，该结构通过两个波长经过相同的光路可以补偿共模环境噪声产生的影响，从而提升信噪比。第一耦合单元2可使用Y波导或耦合器实现，第二耦合单元3可使用耦合器实现，光源1可用可调激光器实现。

对于方案2和方案4，为补偿温度漂移，可在弹性片的一侧使用长波长光纤光栅，在另一侧使用短波长光纤光栅。此时，两侧的光纤光栅受温度所产生的波长偏移量相反，由于空间的临近性，温度对上下表面光栅的影响一致，通过该对偶结构即可消除温度产生的波长漂移，从而抑制温度环境影响。

对于返回第一光电探测器8或第二光电探测器10的光信号，可先使用模数转换器将模拟电信号转换为数字电信号，输入计算机，而后采用相位生成载波算法进行解调，得到Δφ，通过公式(8)即可得到对应位置的重力加速度。或上述功能直接集成于一块电路板上完成，其中模数转换器使用ADC芯片，算法在ARM或FPGA芯片上完成。

通过在标准振动台上可实现对因子

设目前需要测量方向z上的重力梯度，在z方向的坐标z

尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。