【摘要】：重力加速度g的準(zhǔn)確測(cè)量具有特別重要的實(shí)用價(jià)值和科學(xué)意義。高精度原子重力儀可用于礦產(chǎn)資源勘探、地質(zhì)構(gòu)造研究、油氣普查、科學(xué)領(lǐng)域普識(shí)性常量確定、物質(zhì)間引力等精密工程測(cè)量領(lǐng)域。高精度冷原子重力儀的特點(diǎn)為可以長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)高精度測(cè)量,但是要提高測(cè)量重力加速度的實(shí)驗(yàn)精度,需要解決一系列復(fù)雜的技術(shù)問題。在實(shí)際測(cè)量中原子重力測(cè)量的精度受到如地面振動(dòng)噪聲、拉曼光相位噪聲和探測(cè)噪聲等影響。其中地面振動(dòng)噪聲是影響原子重力儀最重要的因素。冷原子重力儀利用在重力場(chǎng)中自由下落的冷原子團(tuán)作為檢測(cè)的質(zhì)量,通過測(cè)量冷原子相對(duì)于拉曼光反射鏡的加速度來獲取當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣�。但是由于外界的影響反射鏡本身存在豎直方向上的振動(dòng)加速度,反射鏡是慣性加速度為a的非慣性系,在實(shí)際的操作中無法區(qū)分反射鏡的振動(dòng)加速度和測(cè)量信號(hào)中的重力加速度。在冷原子重力儀的工作過程中,因地面振動(dòng)引起拉曼反射鏡的振動(dòng)會(huì)影響激光與原子相互作用的相位大小,因而地面振動(dòng)噪聲極大限制了原子重力儀精度的進(jìn)一步提高。原子重力儀的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)是對(duì)地面振動(dòng)噪聲的有效隔離。本論文以降低地面振動(dòng)對(duì)原子重力儀測(cè)量影響為目標(biāo),設(shè)計(jì)了主動(dòng)隔振的機(jī)械裝置,并設(shè)計(jì)了相關(guān)電路,采用頻率響應(yīng)等實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,設(shè)計(jì)超前滯后算法、滑�？刂扑惴�、線性自抗擾控制算法,實(shí)現(xiàn)超低頻主動(dòng)隔振實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的性能,并且通過測(cè)量振動(dòng)噪聲功率譜檢驗(yàn)隔振效果。本論文主要的研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)為以下幾個(gè)方面:(1)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)原子重力儀的主動(dòng)隔振系統(tǒng),詳細(xì)闡述了主動(dòng)隔振的原理和設(shè)計(jì)方法,包括主動(dòng)隔振系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)和音圈電機(jī)線圈磁場(chǎng)對(duì)地震儀影響測(cè)試等。系統(tǒng)包括被動(dòng)隔振平臺(tái)、控制器平臺(tái)和振動(dòng)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)等。對(duì)主動(dòng)隔振平臺(tái)進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試,將其運(yùn)用到原子重力儀測(cè)量中,改善了測(cè)量精度。(2)將超前滯后控制算法應(yīng)用到原子重力儀超低頻隔振系統(tǒng),目的是降低地面振動(dòng)對(duì)拉曼光反射鏡的影響。超前滯后控制算法設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于設(shè)計(jì)的控制器可以讓隔振系統(tǒng)在一定的相位裕度的前提下,讓系統(tǒng)的增益或帶寬達(dá)到最大。在該算法中先設(shè)計(jì)反饋濾波器參數(shù),然后輸入到FPGA的反饋執(zhí)行程序,主動(dòng)隔振控制系統(tǒng)閉環(huán)后,分析殘余振動(dòng)噪聲功率譜密度,這樣可以直觀看到主動(dòng)反饋的效果。與單純被動(dòng)隔振平臺(tái)相比,在0.8 Hz頻段的振動(dòng)噪聲抑制100倍以上,1-2 Hz頻段的振動(dòng)噪聲抑制3倍以上,0.3-0.6 Hz頻段的振動(dòng)噪聲抑制大約6倍。與被動(dòng)隔振效果相比,超前滯后補(bǔ)償主動(dòng)隔振性能更加優(yōu)越。(3)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于滑模魯棒控制的原子重力儀超低頻主動(dòng)隔振系統(tǒng)�？刂平Y(jié)構(gòu)由保證系統(tǒng)在有限時(shí)間內(nèi)到達(dá)滑模面的指數(shù)趨近律和保證系統(tǒng)狀態(tài)在滑模面上的等效控制項(xiàng)構(gòu)成,為了減少系統(tǒng)的抖振,用飽和函數(shù)代替符號(hào)函數(shù)。通過仿真和實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明該算法對(duì)振動(dòng)具有較好的控制效果。與被動(dòng)隔振平臺(tái)相比,系統(tǒng)在共振頻率點(diǎn)0.8 Hz能達(dá)到1000倍的振動(dòng)抑制水平,在0.4-0.6 Hz范圍內(nèi)能達(dá)到50倍的振動(dòng)抑制水平,在2-3 Hz范圍內(nèi)能達(dá)到10倍的振動(dòng)抑制水平,與在本文的隔振平臺(tái)上實(shí)施的超前滯后補(bǔ)償控制方法相比振動(dòng)噪聲功率譜密度最大降低了6倍�；ｔ敯艨刂扑惴ㄟ�具有整定參數(shù)少,抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。(4)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于線性自抗擾控制的原子重力儀超低頻主動(dòng)隔振系統(tǒng)�；趯�(duì)線性自抗擾技術(shù)的研究,通過擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)地面隨機(jī)擾動(dòng)進(jìn)行估計(jì),并且在控制器設(shè)計(jì)中通過線性化的方法,有效降低控制器的復(fù)雜程度,方便工程實(shí)現(xiàn)。當(dāng)反饋閉合后,豎直方向的等效共振周期為66 s。與平臺(tái)上實(shí)施的超前滯后補(bǔ)償控制方法相比,在0.1-0.3 Hz頻段內(nèi)振動(dòng)噪聲功率譜最大下降了7倍,與在平臺(tái)上實(shí)施的滑模魯棒控制方法相比,在4-6 Hz頻段內(nèi)振動(dòng)噪聲功率譜最大下降了2倍。最后對(duì)原子重力儀主動(dòng)隔振技術(shù)作了總結(jié),指出目前隔振系統(tǒng)不完善之處,并對(duì)未來若干改進(jìn)的方向作了展望。
【學(xué)位授予單位】：浙江工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TH761.5;TB535
【圖文】：

需要在重力的測(cè)量過程中通過絕對(duì)重力儀修正和校正，因此相對(duì)重力儀的測(cè)量精度依賴于絕對(duì)重力儀的精度。相對(duì)重力儀和絕對(duì)重力儀如圖 1-1 所示。圖1-1 （a）相對(duì)重力儀及（b）絕對(duì)重力儀Figure 1-1. (a) Relative Gravimeter, and (b) Absolute gravimeter十九世紀(jì)末期的單擺實(shí)驗(yàn)測(cè)量的是重力加速度絕對(duì)值，可以看成最早的絕對(duì)重力測(cè)量，由于當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備限制該實(shí)驗(yàn)重力測(cè)量精度只能達(dá)到-510 g 的水準(zhǔn)，1960年第一臺(tái)激光器面世，逐漸成熟的激光干涉技術(shù)促進(jìn)了 FG-5 重力儀和國(guó)產(chǎn)的 NIM型重力儀的迅速發(fā)展，兩種重力儀測(cè)量的精度為-910 g ，但是長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)的穩(wěn)定性不好。二十世紀(jì)九十年代新一代采用物質(zhì)波干涉技術(shù)的絕對(duì)重力儀開始出現(xiàn)[13]，該重力儀優(yōu)點(diǎn)為靈敏度高和長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)測(cè)量。Borde[10]采用四束行波激光操作原子內(nèi)態(tài)得到 Ramsey 條紋

國(guó)內(nèi)外重力測(cè)量方法和進(jìn)度對(duì)比如表 1-1 所示。圖1-2 我們小組設(shè)計(jì)的第二套原子重力儀Figure 1-2. The second atomic gravimeter designed by our group

圖1-3 Stewart主動(dòng)隔振平臺(tái)[36]Figure 1-3. Stewart active vibration isolation platform[36]一步提高隔振性能，特別是低頻(0-10 Hz)隔振性能，更好隔振技術(shù)被應(yīng)用，它是解決此類振動(dòng)控制問題的必要手段隔振要求越來越高，主動(dòng)隔振方法得到越來越大學(xué)者關(guān)注示，Nashawati[36]利用 Stewart 平臺(tái)的 RUS 結(jié)構(gòu)(回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、行了主動(dòng)隔振研究。與 PSS（棱柱節(jié)點(diǎn)、球形節(jié)點(diǎn)、球形 結(jié)構(gòu)造價(jià)低、施工方便，在該領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。S目標(biāo)多層次優(yōu)化方法來設(shè)計(jì)主動(dòng)振動(dòng)隔離系統(tǒng)，如圖 1-4 所技術(shù)，采用統(tǒng)一公式設(shè)計(jì)了連續(xù)介質(zhì)（即支撐結(jié)構(gòu)）的布個(gè)該模型同時(shí)考慮了靜、動(dòng)、振動(dòng)的隔離特性。由于它們處理作為不同目標(biāo)的不同子問題的連續(xù)體布局，將隔振器提出并實(shí)現(xiàn)了將支撐結(jié)構(gòu)和隔振器軌跡的優(yōu)化結(jié)合到閉環(huán)而完成了該系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。Zhou[38]設(shè)計(jì)了新的主動(dòng)振動(dòng)，如圖 1-5 所示，它可以克服了傳統(tǒng)被動(dòng)隔振系統(tǒng)在低頻率

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2783141