冷原子重力仪超低频主动隔振控制技术研究

发布时间：2020-08-06 23:51

【摘要】：重力加速度g的准确测量具有特别重要的实用价值和科学意义。高精度原子重力仪可用于矿产资源勘探、地质构造研究、油气普查、科学领域普识性常量确定、物质间引力等精密工程测量领域。高精度冷原子重力仪的特点为可以长时间的连续高精度测量,但是要提高测量重力加速度的实验精度,需要解决一系列复杂的技术问题。在实际测量中原子重力测量的精度受到如地面振动噪声、拉曼光相位噪声和探测噪声等影响。其中地面振动噪声是影响原子重力仪最重要的因素。冷原子重力仪利用在重力场中自由下落的冷原子团作为检测的质量,通过测量冷原子相对于拉曼光反射镜的加速度来获取当地的重力加速度。但是由于外界的影响反射镜本身存在竖直方向上的振动加速度,反射镜是惯性加速度为a的非惯性系,在实际的操作中无法区分反射镜的振动加速度和测量信号中的重力加速度。在冷原子重力仪的工作过程中,因地面振动引起拉曼反射镜的振动会影响激光与原子相互作用的相位大小,因而地面振动噪声极大限制了原子重力仪精度的进一步提高。原子重力仪的一个关键技术和难点是对地面振动噪声的有效隔离。本论文以降低地面振动对原子重力仪测量影响为目标,设计了主动隔振的机械装置,并设计了相关电路,采用频率响应等实验方法验证系统的数学模型,设计超前滞后算法、滑模控制算法、线性自抗扰控制算法,实现超低频主动隔振实验系统的性能,并且通过测量振动噪声功率谱检验隔振效果。本论文主要的研究内容和创新点为以下几个方面:(1)设计并实现原子重力仪的主动隔振系统,详细阐述了主动隔振的原理和设计方法,包括主动隔振系统的数学模型、机械结构设计、电路设计和音圈电机线圈磁场对地震仪影响测试等。系统包括被动隔振平台、控制器平台和振动数据处理平台等。对主动隔振平台进行了仿真和实验测试,将其运用到原子重力仪测量中,改善了测量精度。(2)将超前滞后控制算法应用到原子重力仪超低频隔振系统,目的是降低地面振动对拉曼光反射镜的影响。超前滞后控制算法设计的难点在于设计的控制器可以让隔振系统在一定的相位裕度的前提下,让系统的增益或带宽达到最大。在该算法中先设计反馈滤波器参数,然后输入到FPGA的反馈执行程序,主动隔振控制系统闭环后,分析残余振动噪声功率谱密度,这样可以直观看到主动反馈的效果。与单纯被动隔振平台相比,在0.8 Hz频段的振动噪声抑制100倍以上,1-2 Hz频段的振动噪声抑制3倍以上,0.3-0.6 Hz频段的振动噪声抑制大约6倍。与被动隔振效果相比,超前滞后补偿主动隔振性能更加优越。(3)设计与实现基于滑模鲁棒控制的原子重力仪超低频主动隔振系统。控制结构由保证系统在有限时间内到达滑模面的指数趋近律和保证系统状态在滑模面上的等效控制项构成,为了减少系统的抖振,用饱和函数代替符号函数。通过仿真和实验,结果表明该算法对振动具有较好的控制效果。与被动隔振平台相比,系统在共振频率点0.8 Hz能达到1000倍的振动抑制水平,在0.4-0.6 Hz范围内能达到50倍的振动抑制水平,在2-3 Hz范围内能达到10倍的振动抑制水平,与在本文的隔振平台上实施的超前滞后补偿控制方法相比振动噪声功率谱密度最大降低了6倍。滑模鲁棒控制算法还具有整定参数少,抗干扰能力强等特点。(4)设计与实现基于线性自抗扰控制的原子重力仪超低频主动隔振系统。基于对线性自抗扰技术的研究,通过扩张状态观测器对地面随机扰动进行估计,并且在控制器设计中通过线性化的方法,有效降低控制器的复杂程度,方便工程实现。当反馈闭合后,竖直方向的等效共振周期为66 s。与平台上实施的超前滞后补偿控制方法相比,在0.1-0.3 Hz频段内振动噪声功率谱最大下降了7倍,与在平台上实施的滑模鲁棒控制方法相比,在4-6 Hz频段内振动噪声功率谱最大下降了2倍。最后对原子重力仪主动隔振技术作了总结,指出目前隔振系统不完善之处,并对未来若干改进的方向作了展望。
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH761.5;TB535
【图文】：

条纹,绝对重力仪,相对重力

需要在重力的测量过程中通过绝对重力仪修正和校正，因此相对重力仪的测量精度依赖于绝对重力仪的精度。相对重力仪和绝对重力仪如图 1-1 所示。图1-1 （a）相对重力仪及（b）绝对重力仪Figure 1-1. (a) Relative Gravimeter, and (b) Absolute gravimeter十九世纪末期的单摆实验测量的是重力加速度绝对值，可以看成最早的绝对重力测量，由于当时实验设备限制该实验重力测量精度只能达到-510 g 的水准，1960年第一台激光器面世，逐渐成熟的激光干涉技术促进了 FG-5 重力仪和国产的 NIM型重力仪的迅速发展，两种重力仪测量的精度为-910 g ，但是长时间观测的稳定性不好。二十世纪九十年代新一代采用物质波干涉技术的绝对重力仪开始出现[13]，该重力仪优点为灵敏度高和长时间连续测量。Borde[10]采用四束行波激光操作原子内态得到 Ramsey 条纹

原子重力仪,小组,重力测量,进度

国内外重力测量方法和进度对比如表 1-1 所示。图1-2 我们小组设计的第二套原子重力仪Figure 1-2. The second atomic gravimeter designed by our group

主动隔振,平台

图1-3 Stewart主动隔振平台[36]Figure 1-3. Stewart active vibration isolation platform[36]一步提高隔振性能，特别是低频(0-10 Hz)隔振性能，更好隔振技术被应用，它是解决此类振动控制问题的必要手段隔振要求越来越高，主动隔振方法得到越来越大学者关注示，Nashawati[36]利用 Stewart 平台的 RUS 结构(回转关节、行了主动隔振研究。与 PSS（棱柱节点、球形节点、球形结构造价低、施工方便，在该领域得到了广泛的应用。S目标多层次优化方法来设计主动振动隔离系统，如图 1-4 所技术，采用统一公式设计了连续介质（即支撑结构）的布个该模型同时考虑了静、动、振动的隔离特性。由于它们处理作为不同目标的不同子问题的连续体布局，将隔振器提出并实现了将支撑结构和隔振器轨迹的优化结合到闭环而完成了该系统的优化设计。Zhou[38]设计了新的主动振动，如图 1-5 所示，它可以克服了传统被动隔振系统在低频率

【参考文献】