T－1 型絕對重力儀的系統(tǒng)原理與測試結果

胡華，伍康，李剛，李哲，王力軍

(中國計量科學研究院－清華大學精密測量聯合實驗室，清華大學精密儀器系，北京100084)

0 引言

精確的絕對重力值(g，常用值9.81 ms2)對大地測量、地球物理和精密計量具有十分重要的意義。通過重復觀測絕對重力值以監(jiān)測重力場的變化，可以為大地測量、地球物理、環(huán)境與災害監(jiān)測提供重要依據。近年來，重力測量在現代精密計量領域的地位日益突出，例如用于重新定義“千克”的瓦特功率天平實驗，以及測定萬有引力常數等。目前，由美國Micro －g 公司研制的一系列絕對重力儀在國際上占主導地位，其中性能水平最高的是FG5 型絕對重力儀［1－2］，測量不確定度達到微伽量級(1μGal = 10－8ms2)。

近年來，隨著全球各國日益重視地學觀測研究，許多國家的測繪、計量部門已采購FG5 型絕對重力儀，并將其作為絕對重力測量的“標準”儀器。2009 年9月，國際計量局在巴黎舉辦了第8 屆國際絕對重力儀比對(該比對活動每4 年舉行一次，主要目的在于確立國際重力計量的基標準和溯源體系，并檢驗不同的測量儀器之間是否存在較大的系統(tǒng)偏差)，共有來自全球各國的30 余臺絕對重力儀參加，其中絕大部分是Micro－g 公司的系列產品，只有三臺是自主研發(fā)的儀器，包括德國的MPG －2 型絕對重力儀［3］，意大利的IMGC－2 型絕對重力儀［4］，以及法國的原子干涉重力儀［5］。由于參加比對的儀器類型比較單一，使得潛在的系統(tǒng)誤差難以被發(fā)現。因此，國際計量局明確表態(tài)，鼓勵更多的基于不同原理和技術方案的新型絕對重力儀參加國際比對，以利于探索當前絕對重力測量領域尚未明確的系統(tǒng)測量誤差［6－7］。

由于高精度絕對重力儀綜合了精密機械、激光測量、時頻測量、真空技術、隔振控制等多學科技術，自主研發(fā)難度較大。國內已有若干單位開展相關研究工作，但仍有一些關鍵技術問題較難突破，原理樣機的總體性能水平不高［8－10］。除了采用經典的自由落體方案，國內也開展了基于原子干涉的絕對重力測量研究［11－12］，主要側重于基礎物理理論分析與實驗驗證，且原子干涉重力儀的系統(tǒng)復雜，體積龐大，距離實際應用還有較長的時間。

1995 年以來，國家測繪局、中國地震局、中科院測地所等單位先后引進了若干臺FG5 型絕對重力儀，用于開展各自領域的高精度絕對重力測量任務［13－15］。然而，購買FG5 型絕對重力儀不僅價格昂貴(一臺儀器約450 萬人民幣)，在儀器維修等方面存在許多問題和不便，重力測量數據的可靠性和溯源問題也無法保障。隨著我國的“2000 國家重力基本網”和“中國地殼運動觀測網絡”的建成，對高精度絕對重力測量的需求日益增加［16］，全國只有數臺FG5 型絕對重力儀遠不能滿足實際應用需求，迫切需要自主研制面向實際應用的高精度絕對重力儀，解決該類儀器只能高價進口導致的諸多問題。

近年來，清華大學在絕對重力測量的關鍵技術研究方面取得突破，自主研制完成T －1 型高精度絕對重力儀原理樣機，主要面向實驗室環(huán)境下的高精度絕對重力觀測。2011 年以來，T－1 型絕對重力儀在國內若干重力測點進行了實驗測試，均取得了微伽量級的高精度觀測結果［17］。本文將簡要介紹該儀器的系統(tǒng)原理和測試結果。

1 系統(tǒng)原理

T－1 型絕對重力儀采用自由落體方案，其基本原理是通過激光干涉測量技術，精確測量某物體在高真空度環(huán)境下的自由落體運動軌跡，根據測量所得的時間和位移數據，通過數學多項式擬合的方法，計算下落物體的運動加速度，即絕對重力加速度值。與現有的絕對重力儀相比，T －1 型絕對重力儀在多項關鍵技術方面進行了重大改進和創(chuàng)新。現有技術方案主要存在以下三方面的不足:

1)精密機械設計與運動控制技術，用于實現可重復的、穩(wěn)定的自由落體運動。在現有的絕對重力儀中，真空腔內的下落物體被放置在一個支撐托盤上，支撐托盤固定在豎直方向安裝的直線導軌的滑塊上，支撐托盤和滑塊可以沿導軌上下運動。支撐托盤通過機械傳動系統(tǒng)，與真空腔外的馬達傳動系統(tǒng)連接。為了實現下落物體的自由落體運動，首先通過控制馬達傳動系統(tǒng)，將支撐托盤和放置在其上面的下落物體運送到真空腔的頂部位置;然后反向轉動馬達傳動系統(tǒng)，使支撐托盤開始加速往下運動，其加速度略大于重力加速度，此時下落物體與支撐托盤分離，從而實現下落物體的自由落體運動。在真空腔的底部位置，通過控制馬達傳動系統(tǒng)，使支撐托盤減速運動，直至下落物體與支撐托盤接觸，最后一起停留在真空腔的底部位置。因此，該馬達傳動系統(tǒng)可以重復實現下落物體的自由落體運動。

但是，現有的自由落體裝置通過馬達的高速轉動來實現下落物體的自由落體運動，馬達傳動系統(tǒng)一直處于工作狀態(tài)，導致自由落體裝置在測量進行期間產生較強的振動，由于重力測量系統(tǒng)對于裝置本身的振動非常敏感，因此這種系統(tǒng)會影響到重力測量結果的準確度。

2)激光干涉測量技術，用于精密測量下落物體的自由落體運動軌跡。通常采用改進型的馬赫－澤德爾激光干涉測量裝置，激光束進入干涉測量裝置后通過分光鏡，一部分激光作為測量光束，射向真空腔內的下落物體，下落物體內安裝了回射棱鏡，將測量光束反射回來;另一部分激光作為參考光束，射向一個放置在隔振平臺上的回射棱鏡，將參考光束反射回來。反射回來的測量光束和參考光束通過另一個分光鏡實現合光，即可實現激光干涉測量，干涉條紋的數量與下落物體運動的位移成正比。在激光干涉測量裝置中，需要精確調整測量光束的方向，使其與重力加速度方向即絕對豎直方向平行。

現有的激光干涉測量裝置中，通常采用望遠鏡瞄準的方法來調整測量光束的豎直方向。但是，該方法需要使用多個光學器件和復雜的光路設計，這導致增加了系統(tǒng)的復雜度，并且容易產生操作誤差。

3)高速信號采集與數據處理技術，用于處理激光干涉測量信號，通過特定算法得到重力加速度值。在現有的技術方案中，通常采用過零檢測器和時間間隔分析儀獲取激光干涉條紋信號的過零點特征。為了獲取下落物體的自由落體運動特征，首先將激光干涉條紋信號通過一個過零檢測器，檢測干涉條紋信號的過零點;然后將過零點信號輸入時間間隔分析儀，測量過零點之間的時間間隔。根據激光干涉測量原理，干涉條紋信號的兩個相鄰過零點對應著四分之一激光波長的運動位移，因此可以得到自由落體運動軌跡的時間和位移數據，通過進一步的數學多項式擬合，即可計算重力加速度的數值。

但是，現有技術方案中的過零檢測器和時間間隔分析儀的電路系統(tǒng)可能引入非線性的相位噪聲，這種利用硬件電路的方法獲取激光干涉條紋信號的過零點特征，可能引入非線性的相位噪聲，導致測量結果產生一定的偏差。

T－1 型絕對重力儀的設計綜合考慮了以上現有技術方案的不足，提出并實現了若干關鍵技術的創(chuàng)新:

1)在T－1 型絕對重力儀中，通過采用彈性的下落構件懸掛方法，代替馬達快速運轉的傳統(tǒng)方法，實現下落物體的自由落體運動，從而降低馬達傳動系統(tǒng)對自由落體裝置的振動影響，提高重力測量的準確度。

2)在T－1 型絕對重力儀中，采用了新設計的小型化激光干涉測量裝置，帶有集成的光束垂直度精確調節(jié)功能，使得測量光束的校準更加簡單精確，從而提高絕對重力測量的準確度，同時簡化了系統(tǒng)結構以及操作步驟。

3)采用了新型的信號采集與處理技術，通過高速數據采集卡將激光干涉測量信號傳輸到計算機進行數字化處理，精確計算重力加速度數值，避免采用復雜的硬件電路進行信號處理，提高重力測量的準確度，簡化了系統(tǒng)結構。

T－1 型絕對重力儀的主要組成部分如圖1 所示，主要包括自由落體裝置、激光干涉測量裝置、隔振平臺、信號采集與處理裝置等。圖2 中顯示了絕對重力測量系統(tǒng)的具體結構圖。

圖1 絕對重力測量系統(tǒng)的主要組成部分

圖2 絕對重力測量系統(tǒng)的具體結構圖

自由落體裝置用于實現物體的自由落體運動，其主要包括下述部件:真空腔;設置在真空腔內部的一系列機械運動裝置，用于可重復的、穩(wěn)定的實現下落物體的自由落體運動。在下落物體內部安裝有回射棱鏡，用于將來自激光干涉測量裝置的測量光束反射回去。真空腔連接到離子泵，其用于保持真空腔內的高真空度，離子泵與真空腔之間通過標準的真空法蘭連接，以保證連接的密封性。真空腔還設置有真空旋轉密封件，其用于密封連接真空腔內的自由落體運動裝置和真空腔外的馬達。馬達在外部計算機的控制下按一定的速度和方向轉動，以控制下落物體的自由落體運動。

激光干涉測量裝置用于測量下落物體作自由落體運動的位移，以計算其重力加速度值。該裝置包括反射鏡、分光鏡、透鏡和將激光干涉條紋轉換為電信號的光電探測器等器件。激光干涉條紋信號反映了自由落體運動的位移、速度特征，該信號經過計算機軟件算法處理，即可得到重力加速度的數值。激光干涉測量裝置連接到一數據采集卡，其獲取所述激光干涉條紋信號并傳輸給外部計算機進行處理。數據采集卡連接到銣原子鐘，其為數據采集提供標準的時鐘參考信號。

隔振平臺設置在所述激光干涉測量裝置和地之間，其用于隔離地面振動對測量的影響。如圖2 所示，隔振平臺中懸掛有參考回射棱鏡，用于與激光干涉測量裝置配合組成光路，將下落物體的回射棱鏡反射的測量激光反射到激光干涉測量裝置。此外，隔振平臺還包括機械彈簧和精密控制系統(tǒng)。隔振平臺通?？梢詫崿F超過20 s 的本征振蕩周期，具有較好的隔離地面振動的效果。

2 測試結果

2011 年至今，T－1 型絕對重力儀在清華大學和中國計量科學研究院昌平重力精測實驗室進行了多次重力觀測，并參加了2011 年在盧森堡舉行的歐洲絕對重力儀比對，均取得了微伽量級的高精度測量結果。

圖3 是2012 年11 月T－1 型絕對重力儀在中國計量科學研究院昌平重力精測實驗室的測量結果，測量結果的均值方差為0.4μCal。圖中所示重力值已減去均值。采用分組測量，每組16 次下落，各組間隔30 min。圖中的誤差圖標記為重力測量數據，實線為地球固體潮汐引起的重力變化理論曲線。誤差圖的高度為組內g 值測量結果均值的標準差，根據公式(1)計算。

式中:n 為組內的g 值測量次數;gi為第i 次自由落體對應的g 值測量結果;gj為組內g 值測量結果均值(即組內所有gi的平均值)。

從圖3 可以看出，各組內g 值測量結果的離散度極小，并且各組的測量結果與固體潮理論曲線具有很好的一致性。經固體潮修正后的g 值測量結果均值的標準差為0.4 μGal，已經達到優(yōu)于微伽量級的精度。

圖3 測量結果

2011 年11 月，T －1 型絕對重力儀前往盧森堡參加歐洲絕對重力儀比對任務，取得良好觀測結果。共有來自全球各國的二十多臺絕對重力儀參加此次比對，其中只有3 臺儀器是自主研制的，包括T －1 型絕對重力儀，法國天文臺的原子干涉重力儀CAG －01，以及意大利的上拋－下落式絕對重力儀IMGC －02。如圖4所示，T－1 型絕對重力儀的測量結果與參考值相吻合，兩者相差量在系統(tǒng)自評估的合成標準不確定度范圍內(6μCal)，實際檢驗了儀器系統(tǒng)的可靠性和測量準確度［18］。值得注意的是，在本次比對中，不同的FG5 型絕對重力儀之間的測值差異最大可達到10μCal以上(FG5 －233 與FG5 －102)，這表明現有的重力測量儀器可能存在較大的尚未探明的系統(tǒng)誤差，仍需進一步研究分析。

圖4 2011 年歐洲絕對重力儀比對結果

3 結論與展望

T－1 型絕對重力儀為自主研制的高精度、可搬運式絕對重力測量裝置，采用新型的自由落體裝置、激光干涉測量技術和信號處理技術，可實現微伽量級不確定度的精密重力測量。經過進一步改進與工程化設計，該儀器有望在國內多個領域發(fā)揮重要應用。特別是在力學領域，高精度絕對重力儀能夠滿足國內測力、測壓、扭矩等元器件及儀器儀表生產商對精確重力測量的要求。

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