FG5x-246與FG5絕對重力儀比對測量實驗

白 磊，張為民*，邢樂林，李建國，何志堂

（1.中國科學(xué)院 測量與地球物理研究所 大地測量與地球動力學(xué)國家重點實驗室，湖北 武漢 430077；2.中國地震局 地震研究所 地震大地測量重點實驗室，湖北 武漢 430071；3. 61365部隊，天津 300140；4.國家測繪地理信息局 第一大地測量隊，陜西 西安 710054）

FG5x-246與FG5絕對重力儀比對測量實驗

白 磊1，張為民1*，邢樂林2，李建國3，何志堂4

（1.中國科學(xué)院 測量與地球物理研究所 大地測量與地球動力學(xué)國家重點實驗室，湖北 武漢 430077；2.中國地震局 地震研究所 地震大地測量重點實驗室，湖北 武漢 430071；3. 61365部隊，天津 300140；4.國家測繪地理信息局 第一大地測量隊，陜西 西安 710054）

介紹了FG5x在FG5絕對重力儀基礎(chǔ)上的改進，以及FG5x-246與FG5絕對重力儀比對測量實驗的情況，并分析了測量結(jié)果。研究結(jié)果顯示，F(xiàn)G5x-246與FG5絕對重力儀的觀測結(jié)果沒有明顯差異，二者一致性較好；FG5x-246抗干擾能力較強，觀測重復(fù)性較好，離散度優(yōu)于±1×10-8ms-2，其測量性能較FG5有所提升。

FG5x-246；FG5；比對；絕對重力測量；測量精度；離散度；標(biāo)準(zhǔn)差

絕對重力測量不僅可獲得地面觀測點上的絕對重力值，而且可以它為基準(zhǔn)，進行重復(fù)觀測以監(jiān)測重力場的變化，從而進一步獲得與地球內(nèi)部物質(zhì)遷移、地殼運動等有關(guān)的變化特征，為大地測量、地球物理、地球內(nèi)部動力學(xué)機制、環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測提供重要依據(jù)[1,2]。目前國內(nèi)外用于絕對重力測量的絕對重力儀主要有FG5型和A10型。這兩種型號的絕對重力儀均由美國Micro-g LaCoste公司研制生產(chǎn)，而FG5x型絕對重力儀（簡稱FG5x）是FG5的最新型號。FG5x標(biāo)稱精度為±2×10-8ms-2[3]。

2013年6月中國科學(xué)院測量與地球物理研究所引進了FG5x-246絕對重力儀。為確保該儀器實測成果的可靠性，2013年6月16日～7月8日，F(xiàn)G5x-246與多臺FG5分別在多個點位上進行比對測量實驗。

1 FG5x與FG5的比較

1.1 基本原理

FG5x是FG5的改進型，其工作原理一致，即在真空狀態(tài)下，通過激光干涉條紋和銣原子頻標(biāo)分別精確測定落體塊自由下落運動過程中的位置與時刻，再根據(jù)自由落體運動方程式求得測試點的重力值。計算公式為：

圖1 FG5絕對重力儀基本原理

1.2 FG5x在FG5基礎(chǔ)上的主要改進

1）自由落體距離增加：FG5x落體塊的自由落體長度比FG5長，距離約增加65%（約13 cm），時間約增加30%（約60 ms）。

2）落體塊驅(qū)動系統(tǒng)改進：將原有的單軌升降系統(tǒng)改進為雙軌平衡升降系統(tǒng)，以減小機械反沖力和空氣對自由落體的影響，且因為升降系統(tǒng)自平衡，儀器運輸時無需鎖擺；加大了伺服馬達(dá)的動力；采用直插式驅(qū)動系統(tǒng)減小了落體塊的水平位移；重新設(shè)計的落體塊減小了磁場對加速度的影響。

3）電子控制系統(tǒng)改進：減小了電子控制箱的體積；改進了伺服控制器的微處理器；采用了新的數(shù)據(jù)采集和處理軟件g9；增加了網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制端口。

2 比對測量實驗介紹

2013年6月16日～7月8日，F(xiàn)G5x-246與4臺FG5（儀器號分別為112、214、232、240）分別在4個不同點位（見表1）進行了絕對重力測量。測量參數(shù)設(shè)置統(tǒng)一為：總組數(shù)不少于24組，組間時間間隔30 min，每組落體個數(shù)100個，落體間隔時間10 s。

3 比對測量過程及結(jié)果分析

比對測量過程如表2所示。比對測量結(jié)束后，對測量結(jié)果進行了整理和分析。

表3為統(tǒng)一用g9數(shù)據(jù)采集和處理軟件對絕對重力比對測量數(shù)據(jù)進行大氣壓、固體潮、海潮、參考高度、極移、重力梯度等改正后[9]，各臺儀器在各點的獨立結(jié)果（基于保密等級，重力值只顯示最后3位）。

表1 觀測點位信息

表2 各臺儀器在各點測量時間（2013年）

表3 比對測量獨立結(jié)果/10-8ms-2

其中，測量精度、離散度由g9軟件給出。標(biāo)準(zhǔn)差由式（2）計算得出：

式中，σ為標(biāo)準(zhǔn)差； N為每點總組數(shù)；xi為每組測量值；μ為組算術(shù)平均值。

通過分析表3數(shù)據(jù)可得到5臺儀器在各測點的測量結(jié)果指標(biāo)對比，如表4所示。

由表4可以看出，F(xiàn)G5x-246在本次比對測量結(jié)果中，各項指標(biāo)均優(yōu)于4臺FG5。尤其在同等測量條件下，F(xiàn)G5x-246測量結(jié)果的離散度明顯優(yōu)于FG5，且在4個測點的離散度浮動范圍最?。ā?.62×10-8ms-2～ 0.93×10-8ms-2），這說明FG5x-246比FG5有更好的抗干擾性。結(jié)合FG5x在FG5基礎(chǔ)上的改進，比對測量結(jié)果的成因為：

表4 各臺儀器測量結(jié)果指標(biāo)對比/10-8ms-2

1）自由落體距離增加，采樣點數(shù)增多。由前文所述FG5和FG5x的工作原理和式（1）可知，在同等測量條件下（相同的激光干涉、銣原子頻標(biāo)和測量環(huán)境），每一次自由落體采集的xi和ti越多，則計算出的g0越精確。

將一對xi和ti稱為一個采樣點。FG5-112的采樣點數(shù)為每次落體512個，F(xiàn)G5-214為每次落體601個，F(xiàn)G5-232為每次落體610個，F(xiàn)G5-240為每次落體601 個。由于FG5x-246比FG5的自由落體距離增加了約13 cm，時間增加了約60 ms，其采樣點數(shù)為每次落體1 212個。

2）采用雙軌自平衡升降系統(tǒng)。在FG5上采用的是單軌升降系統(tǒng)，即只有一組滑輪組和導(dǎo)軌控制落體塊的升降。而在FG5x上采用的是雙軌自平衡升降系統(tǒng)，即兩組對稱的滑輪組和導(dǎo)軌控制落體塊的升降，且這套系統(tǒng)即便是在沒有動力的情況下也能保持自平衡。伺服馬達(dá)的振動在兩條導(dǎo)軌上相互抵消，極大程度上減小了伺服馬達(dá)的自振干擾，能更好地控制落體塊的升降。

3）更大動力的伺服馬達(dá)。FG5x增加了伺服馬達(dá)的功率，使其能更自如的控制落體塊。

4）重新設(shè)計的落體塊。Micro-g LaCoste公司在FG5x上重新設(shè)計了落體塊，使落體塊對外部磁場的敏感性明顯小于FG5[10]。

4 結(jié) 語

1）FG5x-246與4臺FG5的實測結(jié)果一致性很好，不存在明顯的系統(tǒng)偏差，且在各測點FG5x-246測量結(jié)果與平均結(jié)果差距很小（最大為-1.94×10-8ms-2），說明該儀器準(zhǔn)確度較好。

2）在測量環(huán)境穩(wěn)定的情況下FG5x-246的離散度優(yōu)于±1×10-8ms-2，明顯優(yōu)于FG5，具有良好的穩(wěn)定性，可滿足絕對重力測定技術(shù)要求。

3）FG5x-246在各點的測量結(jié)果指標(biāo)均明顯優(yōu)于FG5，說明在相同測量環(huán)境下FG5x相對于FG5在測量性能上有一定提升。

[1] 王勇,張為民.FG5絕對重力儀[J]. 地殼形變與地震, 1996, 16(2):94-97

[2] 張為民,王勇,周旭華.我國絕對重力觀測技術(shù)應(yīng)用研究與展望[J].地球物理學(xué)進展,2008,28(1):69-72

[3] Micro-g La Coste. FG5-x Absolute Gravimeter User's Manual[R]. Microg Lacoste Colorado, USA, 2013

[4] 劉冬至, 李輝, 邢樂林,等.中國地震重力網(wǎng)絕對重力觀測結(jié)果的分析[J].大地測量與地球動力學(xué),2007,27(5):88-93

[5] 王慶賓,吳曉平.絕對重力測量值的改正[J]. 測繪學(xué)院學(xué)報,2001,18(3):160-163

[6] 邢樂林,劉冬至,李輝,等.FG5絕對重力儀及測點3053的絕對重力測量[J].測繪信息與工程,2007,32(2):27-29

[7] Francis O. Indication of Uplift of Ardenne in Long Term Gravity Variations in Membach(Belgium)[J]. Geophys J Int,2004,158:346-352

[8] Jacob T. Absolute Gravity Monitoring of Water Storage Variation in Karst Aquifer on Larzac Plateau(Southern France)[J]. J Hydrology,2008,359:105-117

[9] Micro-g LaCoste. g9 User’s Manual[R]. Microg Lacoste Colorado, USA,2012

[10] Micro-g LaCoste. FG5x Brochure[R]. Microg Lacoste Colorado, USA,2012

P223.1

B

1672-4623（2016）03-0104-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.03.034

白磊，碩士，工程師，主要從事絕對重力測量及研究工作。

2015-03-31。

項目來源：國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)資助項目。（*為通訊作者）