我國高精度絕對重力儀研制現(xiàn)狀

【摘 要】介紹了國內(nèi)研制高精度絕對重力儀的進展情況，并對現(xiàn)階段進行了分析，對后續(xù)發(fā)展提出了一些思考和想法，可為高精度絕對重力儀的國產(chǎn)化提供參考。

【關(guān)鍵詞】絕對重力儀；國產(chǎn)化；冷原子干涉；自由落體式

高精度重力成果作為一種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，一直是地球物理力學(xué)、大地測量學(xué)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地殼運動等學(xué)科的重要依據(jù)，其廣泛地應(yīng)用于大地測量、地球物理、航空航天、地震研究、物探等行業(yè)和領(lǐng)域[1，2，3，4，5，6，7，8]。國內(nèi)外獲得高精度重力數(shù)據(jù)及成果（微伽級）的手段主要依靠高精度絕對重力儀的實測。

本文主要闡述了目前我國高精度絕對重力儀研制情況，從整體現(xiàn)狀、關(guān)鍵環(huán)節(jié)的進展、技術(shù)難點、突破性進展等進行了總結(jié)和回顧，并對今后一段時間國內(nèi)研制的發(fā)展提出一些自己的思考。

一、歷史回顧

我國對于高精度絕對重力儀的研制基本從上世紀(jì)六十年代已經(jīng)開始。開始階段，我國從事高精度絕對重力儀研制的機構(gòu)主要集中在研究所、院校及相關(guān)事業(yè)單位，以中國計量科學(xué)研究院為代表[9，10]。

從研究的進程來看，到上世紀(jì)末，我國基本實現(xiàn)了理論研究、實驗裝置、裝置模塊、樣機實現(xiàn)、樣機改進等一系列的復(fù)雜工作。主要的成果以中國計量科學(xué)研究院實現(xiàn)了三代樣機（NIM型系列樣機）為典型。該機型采用的技術(shù)路線和方案依據(jù)經(jīng)典自由落體運動原理。根據(jù)資料[10，11]，NIM-Ⅱ型絕對重力儀參加國際比對時，該儀器的測量成果達到了一定的高水平，甚至可以說在當(dāng)時處于世界一流水平（不確定度為5μGal，對平均值差1μGal。）該樣機獲得了國家科技進步二等獎[11]。

二、研究現(xiàn)狀

進入二十一世紀(jì)后，前十年時間，我國在高精度絕對重力儀研制方向上相對而言有些停滯。一方面，對已有的研制成果進行后續(xù)改進和提高需要更深層次的理論深入研究和突破，同時在精密加工工藝、材料上需要更精密的基礎(chǔ)設(shè)施，還要有相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗累積。這些因素在前十年左右還都不是很具備，特別是材料和精密加工工藝方面。

近幾年，隨著國內(nèi)對高精度重力成果使用在理論和技術(shù)上的突破和實踐，重力相關(guān)項目得到具體實施，高精度重力成果得到廣泛應(yīng)用，在不同領(lǐng)域重力成果發(fā)揮了積極的作用，在某些行業(yè)或領(lǐng)域重力成果的作用尤為明顯[12，13，14]。這些都促進了我國絕對重力儀研制的快速發(fā)展。

三、主要成果

3.1理論研究

因為高精度絕對重力儀是一種集光、機、電、自動控制于一體的精密設(shè)備，同時對加工工藝、材料都要求較高。因此高精度絕對重力儀研制涉及的理論研究必須是多領(lǐng)域?qū)I(yè)的，同時原子干涉絕對重力儀又涉及原子干涉、“冷原子”等物理前沿技術(shù)理論領(lǐng)域，具有較高的前沿性。

從目前國際上高精度絕對重力儀研制以及商品化的儀器類型來看，基本上分為兩類。第一類以機械為技術(shù)工藝方案[15]；第二類以“冷原子”為技術(shù)工藝方案[16，17，18，19]。這兩類儀器都是因自由落體運動為基本理論。通過精密測量“落體”自由落體運動過程中下落距離與對應(yīng)時間，根據(jù)自由落體運動方程計算得到高精度重力成果。

根據(jù)公開的資料，國內(nèi)在兩類儀器研制的理論上都比較完備。機械式的理論研究國內(nèi)表現(xiàn)出多樣性，主要成果主要集中在各自研究團體在各自技術(shù)路線上的部件涉及的理論上有深入的研究，并取得了獨立的成果?！袄湓印笔降睦碚撗芯恐饕憩F(xiàn)出與國際同步的特點。對于原子的冷卻理論、原子干涉以的理論、 “原子自由落體運動”理論都有涉及，而且有一定的高度，從現(xiàn)有公開發(fā)表的資料來看，基本與國際水平一致，部分細(xì)節(jié)國內(nèi)研究的更深入[16，17，18，19]。

3.2實驗裝置

在具體實現(xiàn)上，國內(nèi)的成果相對于國際上的成果還有相當(dāng)?shù)木嚯x。主要表現(xiàn)在兩個方面。

一是國內(nèi)目前的儀器主要還集中在實驗裝置或者工程樣機的階段。機械式的研制基本可以實現(xiàn)工程樣機，而且相應(yīng)的軟、硬件已經(jīng)得到驗證，具備了產(chǎn)業(yè)化的可能性?！袄湓印笔降难兄苹具€處于實驗裝置或向工程樣機過度階段[16，17，18，19]，技術(shù)方案得到驗證，實驗測試基本完成，實驗效果達到預(yù)期，具備了工程樣機實現(xiàn)的基礎(chǔ)。

二是實驗裝置或工程樣機的實驗結(jié)果精度還有待提高。機械式的樣機測試結(jié)果一般在10個微伽左右，單次實驗結(jié)果較理想的可以達到5個微伽。與國際上同級別的商品化高精度絕對重力儀器在測量成果精度（優(yōu)于5微伽）方面還有一定的距離?！袄湓印笔降膶嶒炑b置測試結(jié)果一般在50微伽左右。雖然與國際上該類儀器精度基本一致，但用于高精度（微伽級）的應(yīng)用需求來說，還有待進一步研究。

四、后續(xù)研制關(guān)鍵問題

從上述情況國內(nèi)與國際的結(jié)果分析來看，作者對國內(nèi)后續(xù)高精度絕對重力儀研制的關(guān)鍵問題提出以下的看法。

4.1加快商品化

目前國內(nèi)使用的高精度絕對重力儀大部分都是進口儀器。無論是維修、價格都不利于實際應(yīng)用。維修周期長、價格昂貴，都增加的維修成本；儀器本身購置價格較高，動輒六七百萬。這些都不利于高精度重力成果的實際應(yīng)用。而目前相關(guān)項目又急需此類高精度重力成果。

另外，高精度絕對重力儀研制本身的目標(biāo)就是產(chǎn)品化?，F(xiàn)階段的實驗裝置或者工程樣機還是一個過程階段，后續(xù)產(chǎn)品化、商品化是一個必然目的。而且，國內(nèi)高精度絕對重力儀的商品化可以打破國外在該領(lǐng)域的壟斷局面。

加快商品化是實現(xiàn)國內(nèi)在該領(lǐng)域從無到有的突破性進步。目前國內(nèi)已經(jīng)具備了商品化的基礎(chǔ)。因此加快商品化是目前最為關(guān)鍵的一點。

4.2深入關(guān)鍵技術(shù)研究

國內(nèi)在高精度絕對重力儀基本原理方面的研究已經(jīng)比較完善，但是在外圍干擾減弱的相關(guān)理論上的突破還應(yīng)繼續(xù)深入。從目前實踐來看，特別是地面震動的干擾減弱急需深入。在微伽級精度的水平上，地面震動已經(jīng)成為一個重要考慮的因素，只有從理論上取得突破，才可能知道后續(xù)加工工藝的實現(xiàn)，從而實現(xiàn)真正的微伽級精度的工程樣機。

4.3加快工藝、材料試驗

后續(xù)工作中，加工和材料是實現(xiàn)商品化的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。從目前國內(nèi)的加工過程來看，相對加工還多集中于非高端機構(gòu)，采用的材料對于儀器測試結(jié)果的影響還沒有充分試驗，這兩點對于工程樣機的試驗精度在微伽級的影響不容忽略。不過，目前國內(nèi)有些研究團體已經(jīng)主要到這一點，也正在采取措施加大在加工工藝專業(yè)化、材料試驗化的進度和力度。

4.4加快相關(guān)規(guī)程研究

目前國內(nèi)相關(guān)規(guī)程主要是基于國外儀器的指標(biāo)情況制定的。針對目前國內(nèi)儀器設(shè)備研制的現(xiàn)狀，主要是針對軟件、基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置、測試結(jié)果精度等實際情況開展綜合研究，從而制定符合實際需要、國內(nèi)儀器又能滿足的技術(shù)規(guī)程，從而從法律層面促進國內(nèi)擁有知識產(chǎn)權(quán)的設(shè)備在國家重力測量領(lǐng)域具有進入權(quán)利。

從目前來看，國內(nèi)高精度絕對重力儀研制已經(jīng)取得了從無到有的突破，相關(guān)理論、技術(shù)、裝置、工程樣機也取得了一定的階段性成果。后續(xù)再一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)還應(yīng)加大力度，開展深入研發(fā)，才能使高精度絕對重力儀的國產(chǎn)化可以預(yù)期。

參考文獻：

[1] 邢樂林，李輝，李建國，等. 陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)絕對重力基準(zhǔn)的建立及應(yīng)用[J].測繪學(xué)報，2016，45（5）：538-543.

[2] 邢樂林，王林海，胡敏章，等. 時變重力測量確定青藏高原地殼隆升與增厚速率[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報· 信息科學(xué)版，42（5）： 569-573.

[3] 何志堂，等.中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)FG5/214結(jié)果分析. 地理信息空間. 2013， 11（4）：125-128.

[4] 王勇，等. 重復(fù)絕對重力測量觀測的滇西地區(qū)和拉薩點的重力變化及其意義[J]. 地球物理學(xué)報，2004， 47（1）：95-100.

[5] 邢樂林，等. 用拉薩點大地測量資料檢測青藏高原地殼的增厚[J]. 測繪學(xué)報，2011，40（1）：41-44.

[6] 張為民，等. 用FG5絕對重力儀檢測青藏高原拉薩點的隆升[J]. 科學(xué)通報，2000，25（20）：2213-2216.

[7] 祝意青， 徐云馬， 呂弋培 等 .2009.龍門山斷裂帶重力變化與汶川8.0級地震關(guān)系研究[J].地球物理學(xué)報，2009，52（10）： 2538-2546..

[8] 祝意青， 梁偉鋒， 湛飛并，等 .中國大陸重力場動態(tài)變化研究[J].地球物理學(xué)報， 2012，55（3）： 804-813.

[9] 劉達倫，吳書清，徐進義，等.絕對重力儀研究的最新進展[J]. 地球物理學(xué)進展，2004，19（4）： 739-742.

[10] 胡華，李哲，李剛，等. T-1A型高精度絕對重力儀[J].導(dǎo)航與控制，2015， 14（2）： 17-22.

[11] 吳瓊. 2011高精度絕對重力儀關(guān)鍵技術(shù)研究. 博士學(xué)位論文 （北京： 中國地震局地球物理研究所）