重力測(cè)量領(lǐng)域發(fā)展方向及重力傳感器高分辨率測(cè)試方法綜述*

田 興，朱嘉婧，李 威，朱劍威

(北京航天控制儀器研究所，北京 100039)

1 概述

勘探和利用地下資源(包括燃料和礦石)是人類賴以生存的行為，但是由于地下資源總量稀少且分布隨機(jī)，必須采用能夠探測(cè)地下資源的儀器設(shè)備以提升找礦效率。因此，20世紀(jì)30年代，為滿足地球物理勘探、礦產(chǎn)資源勘查以及地質(zhì)科學(xué)研究等領(lǐng)域的需求，重力儀成為重要的探測(cè)設(shè)備。在此后的30年里，面向重力本身的測(cè)量技術(shù)得到高速發(fā)展。然而，在應(yīng)用重力儀輔助探測(cè)地下礦藏過(guò)程中，重力儀始終面臨著2個(gè)問(wèn)題：1)如何從重力儀敏感的信息中有效地剔除運(yùn)動(dòng)加速度信息從而獲取準(zhǔn)確的重力信息；2)重力信息對(duì)地下礦藏的空間分辨力較有限[1]。20世紀(jì)60年代，人類對(duì)地下礦藏的需求爆發(fā)式增長(zhǎng)，獲取準(zhǔn)確的重力信息成為提高找礦效率的重中之重；同時(shí)，高精度導(dǎo)航和導(dǎo)彈發(fā)射也迫切需要高精度的重力信息，但是必須單獨(dú)計(jì)算運(yùn)動(dòng)加速度，而且空間分辨力不高的重力儀已然不能滿足實(shí)際的應(yīng)用需求。考慮到重力場(chǎng)的空間變化(重力梯度)是重力信息的一種固有屬性，具有更優(yōu)的空間分辨力，受載體運(yùn)動(dòng)加速度影響較小，能夠用來(lái)描述環(huán)境重力信息，因此，在高精度導(dǎo)航定位和高效找礦的雙重推動(dòng)下，美國(guó)軍方于20世紀(jì)70年代初期正式提出研制面向移動(dòng)平臺(tái)的重力梯度測(cè)量系統(tǒng)。

綜上所述，在油氣田勘探、環(huán)境科學(xué)、導(dǎo)航制導(dǎo)等領(lǐng)域，重力梯度測(cè)量的應(yīng)用十分廣泛，基于現(xiàn)實(shí)使用需求，對(duì)實(shí)際重力場(chǎng)的測(cè)量迫在眉睫。

目前，通用方法是通過(guò)高分辨率高精度的重力梯度儀實(shí)現(xiàn)對(duì)重立場(chǎng)的測(cè)量(見(jiàn)圖1)。因?yàn)榭臻g中的重力加速度具有梯度，而載體加速度并不具備梯度，若能夠?qū)⑤d體上兩點(diǎn)間的加速度差量計(jì)算出來(lái)，即可計(jì)算出不受飛行器加速度影響的重力梯度信息。重力梯度以厄缶(1 E=10-9/s2)為單位，假設(shè)在旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀上的轉(zhuǎn)臺(tái)上，加速度計(jì)以10 cm為半徑均布，分辨率為8 E的旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀則要求使用的加速度計(jì)的分辨率達(dá)到8×10-11g。而現(xiàn)在國(guó)內(nèi)通用石英撓性加速度計(jì)分辨率只達(dá)到0.1 μg，無(wú)法滿足重力測(cè)量和重力梯度測(cè)量等微小加速度信號(hào)測(cè)量領(lǐng)域的使用要求，我國(guó)仍處于重力梯度儀研制的初級(jí)階段，必須對(duì)現(xiàn)有的石英撓性加速度計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，以滿足重力梯度儀在分辨率方面的使用要求。同時(shí)，必須開(kāi)展測(cè)試方法研究以實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度計(jì)超高分辨率的測(cè)量標(biāo)定。

2 國(guó)外技術(shù)發(fā)展情況

近一個(gè)世紀(jì)之內(nèi)，重力梯度測(cè)量方式隨著傳感器的發(fā)展也發(fā)生了諸多變化。最早的為扭秤式，之后伴隨著加速度計(jì)的逐步成熟，先后出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)式、超導(dǎo)式以及原子干涉式，其中后兩者可被統(tǒng)稱為差分加速度計(jì)式[2]。

2.1 厄特弗斯扭秤式重力梯度儀

18世紀(jì)末，匈牙利科學(xué)家為了測(cè)量重力的變化率，制造出扭秤并用于勘探油氣田及礦產(chǎn)資源。其中懸絲懸掛擺桿構(gòu)成扭秤(見(jiàn)圖2)，擺桿兩端各安置一個(gè)敏感質(zhì)量，在重力梯度的作用下，2個(gè)敏感質(zhì)量會(huì)受到不同的水平作用力，由此產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩會(huì)導(dǎo)致懸絲發(fā)生扭轉(zhuǎn)，通過(guò)測(cè)量扭秤懸絲的扭轉(zhuǎn)角度即可實(shí)現(xiàn)對(duì)重力梯度的測(cè)量。

這類重力梯度儀的穩(wěn)定性差，讀數(shù)時(shí)間間隔長(zhǎng)(約45 min)，無(wú)法測(cè)試重力梯度的垂直張量，且動(dòng)態(tài)性能較差，扭秤式重力梯度儀現(xiàn)已不是主流。但其具有很高的扭轉(zhuǎn)靈敏度及較高的測(cè)量精度(1 E)，在對(duì)動(dòng)態(tài)性要求不高的油氣田勘探中依然占有一席之地。

2.2 旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)式重力梯度儀

傳統(tǒng)扭秤式重力梯度儀的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且只能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)條件下的測(cè)量，不滿足工程應(yīng)用中對(duì)動(dòng)態(tài)梯度測(cè)量的需求。1970年，為響應(yīng)美國(guó)軍方的號(hào)召，3家公司參與了研發(fā)動(dòng)態(tài)重力梯度儀的競(jìng)標(biāo)：其一為Hughes實(shí)驗(yàn)室研制的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量塊型重力梯度儀(精度為1 E)，但由于其零漂大，對(duì)材料性能要求高等因素，該研究于1976年擱淺；其二為Draper實(shí)驗(yàn)室研制的液浮式重力梯度儀，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且對(duì)溫度控制具有很高的要求，該研究于1978年擱淺；其三是Bell宇航公司(現(xiàn)并入Lockheed Martin公司)提出的旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)式重力梯度儀(精度為3～10 E)，該設(shè)想結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單且對(duì)材料的穩(wěn)定性和耐受性要求不高，依靠4個(gè)加速度計(jì)以及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，將重力梯度調(diào)制到旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速的二倍頻上，再通過(guò)解調(diào)技術(shù)即可測(cè)得重力梯度。正因?yàn)槿绱耍绹?guó)空軍戰(zhàn)略導(dǎo)彈局和Bell宇航公司在1974年簽署協(xié)議，要求設(shè)計(jì)制造一套旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀可行性原理樣機(jī)。在隨后的30年里，基于旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)的重力梯度儀得到大力發(fā)展。1982年，一套旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)式重力梯度儀由美國(guó)Bell宇航公司交付給美國(guó)海軍，并在先鋒號(hào)潛艇上及油氣田普查船上成功應(yīng)用。1997年，澳大利亞BHP公司引進(jìn)Bell宇航公司的技術(shù)，成功研發(fā)出世界首套航空重力梯度部分張量測(cè)量系統(tǒng)FalconTM。AGG(最高精度為1.4 E)經(jīng)過(guò)2年的飛行測(cè)試和改進(jìn)之后，于1999年投入商業(yè)航空地球物理勘探。2002年，Lockheed Martin公司將Bell宇航公司的3D-FTG升級(jí)為全張量航空重力梯度測(cè)量系統(tǒng)，命名為Air-FTG(精度約為5 E)，并于2003年初用于商業(yè)勘探。2005年，英國(guó)ARKex公司從Lockheed Martin公司獲得了FTG技術(shù)，研制優(yōu)化出FTGeXTM系統(tǒng)(靈敏度約為10 E/Hz1/2)。

到21世紀(jì)初，旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)航空重力梯度測(cè)量系統(tǒng)基本定型(見(jiàn)圖3)。雖然測(cè)量精度的技術(shù)改進(jìn)仍在繼續(xù)，但總體框架結(jié)構(gòu)基本不變。旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)式重力梯度儀具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、理論成熟以及易于工程實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，其能夠測(cè)量重力梯度的全部信息，是國(guó)際上唯一存在于商用產(chǎn)品中的一種重力梯度儀[3]。

2.3 超導(dǎo)重力梯度儀

超導(dǎo)重力梯度儀的研制始于20世紀(jì)七、八十年代，該梯度儀首先需要利用超導(dǎo)檢測(cè)技術(shù)制造超導(dǎo)加速度計(jì)，再根據(jù)加速度差分原理實(shí)現(xiàn)重力梯度測(cè)量。

在超導(dǎo)重力梯度儀領(lǐng)域，美國(guó)馬里蘭大學(xué)代表了國(guó)際最高水平。1980年，美國(guó)馬里蘭大學(xué)研制出單軸超導(dǎo)重力梯度儀實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，測(cè)量精度已經(jīng)優(yōu)于0.05 E，2002年實(shí)驗(yàn)室新樣機(jī)靈敏度已經(jīng)達(dá)到0.02 E/Hz1/2。2000年以來(lái)，瞄準(zhǔn)1 E精度的產(chǎn)品級(jí)超導(dǎo)航空重力梯度測(cè)量系統(tǒng)逐步成為各國(guó)重力測(cè)量有關(guān)機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)處于試飛階段的超導(dǎo)重力梯度儀主要有3種：1)英國(guó)ARKeX公司研制的EGG重力梯度系統(tǒng)(靈敏度為1 E/Hz1/2)；2)美國(guó)GEDEX公司和馬里蘭大學(xué)聯(lián)合研制的HD-AGGTM重力梯度系統(tǒng)；3)全球最大礦產(chǎn)資源開(kāi)采及供應(yīng)商Rio-Tino公司和澳洲的西澳大學(xué)聯(lián)合研制的VK-1重力梯度儀(靈敏度為1 E/Hz1/2)。

超導(dǎo)重力梯度儀(見(jiàn)圖4)以超導(dǎo)檢測(cè)技術(shù)為核心，具有噪聲低、靈敏度高以及測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)，但作為其敏感核心的超導(dǎo)加速度計(jì)需要封裝在液態(tài)氮中，這極大地限制了該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用。

2.4 原子干涉式重力梯度儀

原子干涉式重力梯度儀應(yīng)用了目前物理學(xué)領(lǐng)域的最新技術(shù)，包含了量子光學(xué)近20年來(lái)的最新進(jìn)展，屬于最前沿且極具潛力的技術(shù)。原子干涉式重力梯度儀一般采用2臺(tái)原子干涉儀敏感2個(gè)位置上的絕對(duì)重力加速度，再通過(guò)差分及微分實(shí)現(xiàn)重力梯度的測(cè)量。斯坦福大學(xué)在原子干涉式重力梯度儀的研究方面處于國(guó)際領(lǐng)先地位。2002年，斯坦福大學(xué)的Kasevich課題組用2個(gè)豎直方向相距1.4 m的冷原子干涉重力儀組成垂向重力梯度儀，其重力梯度測(cè)量靈敏度已經(jīng)達(dá)到30 E/Hz1/2，是公開(kāi)的靈敏度最高的冷原子重力梯度儀。2009年，Kasevich課題組針對(duì)工程便捷化應(yīng)用需求，研制了基線僅為0.7 m的便攜原子干涉重力梯度儀，其測(cè)量靈敏度為60 E/Hz1/2，精度為7 E。武漢數(shù)物所在2010—2015年期間，研制了精度優(yōu)于8 E的原子干涉重力梯度儀實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)[4]。

原子干涉型重力梯度系統(tǒng)儀器龐大，而且對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用而言，其距離實(shí)用化還有較大差距，但作為一項(xiàng)前沿技術(shù)，非常值得關(guān)注。原子干涉式重力梯度儀原理示意圖如圖5所示。

3 國(guó)內(nèi)技術(shù)發(fā)展情況

國(guó)內(nèi)對(duì)航空重力梯度測(cè)量技術(shù)的關(guān)注主要始于21世紀(jì)初。2003年前后，中國(guó)航天時(shí)代電子公司第十六研究所(西安)基于旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)式重力梯度測(cè)量原理制成單轉(zhuǎn)盤(pán)原理性樣機(jī)，但未測(cè)出重力梯度信號(hào)。2006年起，我國(guó)針對(duì)航空重力梯度測(cè)量技術(shù)開(kāi)展了實(shí)質(zhì)意義上的研究和探索，主要在“十一五”“十二五”國(guó)家863計(jì)劃支持下開(kāi)展研究工作?！笆濉逼陂g，科技部國(guó)家研發(fā)計(jì)劃繼續(xù)推動(dòng)航空重力梯度測(cè)量技術(shù)研究，力爭(zhēng)在“十三五”將部分技術(shù)達(dá)到實(shí)用化。

3.1 “十一五”期間

“十一五”期間，國(guó)家863計(jì)劃將“旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)航空重力梯度關(guān)鍵技術(shù)研究”作為航空重力梯度測(cè)量技術(shù)的預(yù)研項(xiàng)目。項(xiàng)目由中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心、中船七〇七所、東南大學(xué)及中國(guó)地質(zhì)大學(xué)聯(lián)合開(kāi)展。主要取得如下成果：1)研制出分辨率為1×10-7g的加速度計(jì)；2)完成旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀原理樣機(jī)的研制；3)建立了旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀誤差模型和指標(biāo)體系。

3.2 “十二五”期間

“十二五”期間，國(guó)家863計(jì)劃設(shè)置了“高精度重力測(cè)量技術(shù)”專項(xiàng)，包括“基于石英撓性加速度計(jì)的旋轉(zhuǎn)重力梯度儀”“超導(dǎo)重力梯度儀”及"移動(dòng)式超冷原子干涉型重力梯度儀”等。其中，第一項(xiàng)由中船七〇七研究所、國(guó)土資源航空物探遙感中心和東南大學(xué)聯(lián)合研究，第二項(xiàng)由華中科技大學(xué)負(fù)責(zé)，第三項(xiàng)由浙江工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)以及中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所聯(lián)合承擔(dān)。經(jīng)過(guò)5年的研發(fā)，各項(xiàng)目取得的主要成果如下：1)基于石英撓性加速度計(jì)的旋轉(zhuǎn)重力梯度儀實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)測(cè)量精度優(yōu)于70 E；2)超導(dǎo)重力梯度儀實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)測(cè)量分辦率達(dá)到7.2 E/Hz1/2；3)冷原子干涉型重力梯度儀實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)精度優(yōu)于8 E。

3.3 “十三五”期間

“十三五”期間，科技部設(shè)立“航空重力梯度儀研制”專項(xiàng)，項(xiàng)目由吉林大學(xué)牽頭，其子課題主要包括“基于石英撓性加速度計(jì)的旋轉(zhuǎn)式航空重力梯度儀實(shí)用化技術(shù)研究”“基于冷原子干涉測(cè)量技術(shù)的可移動(dòng)式垂直和水平重力梯度儀工程樣機(jī)研制”以及“基于低溫超導(dǎo)測(cè)量技術(shù)的航空重力梯度儀工程樣機(jī)研制”，各子課題保持了“十二五”研究團(tuán)隊(duì)，同時(shí)根據(jù)研制進(jìn)度增加了實(shí)用化相關(guān)的方法技術(shù)研究、軟件開(kāi)發(fā)及飛行測(cè)試等內(nèi)容。各課題主要目標(biāo)如下：1)旋轉(zhuǎn)式航空重力梯度儀瞄準(zhǔn)航空工程應(yīng)用，設(shè)計(jì)精度指標(biāo)為40 E；2)冷原子干涉型梯度儀和低溫超導(dǎo)型梯度儀完成小型化和集成化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)工程化樣機(jī)研制和車載定點(diǎn)測(cè)量。

對(duì)國(guó)內(nèi)外重力梯度儀發(fā)展歷程總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)，從19世紀(jì)末開(kāi)始，主流的重力梯度測(cè)量方式包括三種設(shè)計(jì)思路：基于扭矩、基于旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)和基于差分加速度計(jì)(包括超導(dǎo)式和原子干涉式)。第一類重力梯度儀因動(dòng)態(tài)性能差且測(cè)試效率低已逐步被淘汰；第二類重力梯度儀已經(jīng)具有成熟的產(chǎn)品，于20世紀(jì)80年代提交美國(guó)軍方使用，于20世紀(jì)90年代投入商業(yè)勘探；第三類重力梯度儀處于試驗(yàn)測(cè)試及優(yōu)化階段，屬于研究熱點(diǎn)，還未有公開(kāi)的重大突破。

由于受限于核心傳感器件(石英撓性加速度計(jì)如圖6所示)的分辨率指標(biāo)，我國(guó)仍處于旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀研制的初級(jí)階段。因此，開(kāi)展高分辨率石英加速度計(jì)的研制是我國(guó)在高精度重力測(cè)量領(lǐng)域邁出的極其重要的一步。

4 高分辨率石英撓性加速度計(jì)技術(shù)發(fā)展情況

4.1 研制現(xiàn)狀

在高分辨率加速度計(jì)研制方面，航天九院13所、707所、國(guó)科大從2018年開(kāi)始分別研制了原理樣機(jī)。在通用加速度計(jì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)增大檢測(cè)質(zhì)量與擺距、優(yōu)化擺片力學(xué)特性、優(yōu)化電容傳感器特性、增大反饋電流等方式，將石英撓性加速度計(jì)的理論分辨率提高了1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。該樣機(jī)相對(duì)于傳統(tǒng)加速度計(jì)來(lái)說(shuō)，尺寸更大，敏感部件更薄，檢測(cè)量程只有1～2 g[5]。

4.2 發(fā)展方向分析

盡管目前各單位已經(jīng)研制出高分辨率加速度計(jì)的原理樣機(jī)，但初代樣機(jī)功耗大、發(fā)熱嚴(yán)重、儀表漂移量較大。同時(shí)，由于加速度計(jì)的標(biāo)度因數(shù)由儀表磁性能、線圈長(zhǎng)度等儀表結(jié)構(gòu)參數(shù)以及伺服電路共同決定，加上生產(chǎn)水平的限制，每一只石英撓性加速度計(jì)的標(biāo)度因數(shù)都不完全相同，而旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀需要4只標(biāo)度因數(shù)盡量一致、穩(wěn)定性好的加速度計(jì)作為核心檢測(cè)器件，因此，接下來(lái)應(yīng)在如下幾個(gè)方面進(jìn)行加速度計(jì)的改進(jìn)研究。

1)開(kāi)展加速度計(jì)標(biāo)度因數(shù)精確調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及標(biāo)度因數(shù)在線自動(dòng)調(diào)整軟件攻關(guān)。

2)開(kāi)展高功耗條件下石英撓性加速度計(jì)穩(wěn)定性提升技術(shù)研究。

3)針對(duì)高分辨率電容信號(hào)檢測(cè)問(wèn)題，進(jìn)行低噪聲伺服電路研究，重點(diǎn)攻關(guān)儀表放大器部分的降噪方法。

4)為消除機(jī)械熱噪聲，開(kāi)展高分辨率加速度計(jì)真空保持結(jié)構(gòu)研究。

5 分辨率測(cè)試方法綜述

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)高分辨率加速度計(jì)的測(cè)量，必須開(kāi)展高分辨率測(cè)量方法研究，測(cè)試方法應(yīng)至少比加速度計(jì)待測(cè)分辨率高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，并形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。目前，常用的測(cè)試方法是基于擺式加速度計(jì)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)GJB 1037A—2004規(guī)定的利用分度頭進(jìn)行細(xì)分重力場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。下述將對(duì)多種加速度計(jì)分辨率測(cè)試方法進(jìn)行簡(jiǎn)述。

5.1 采用光學(xué)分度頭細(xì)分重力場(chǎng)

利用專用的高精度夾具把石英撓性加速度計(jì)固定于光學(xué)分度頭(見(jiàn)圖7)，并緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)分度頭，直至加速度計(jì)的重力輸入為0 g時(shí)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)分度頭，這時(shí)，分度頭安裝面豎直，加速度計(jì)的活動(dòng)質(zhì)量敏感不到重力信息輸入，儀表輸出就是0 g偏值。繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)分度頭，角度增量為0.1″，從石英撓性加速度計(jì)的輸出模型得到，當(dāng)石英撓性加速度計(jì)在分度頭上偏轉(zhuǎn)一定角度時(shí)，其理論輸出增量和加速度信號(hào)增量之間的關(guān)系是：ΔE=K1×Δai。其中K1，即石英撓性加速度計(jì)的標(biāo)度系數(shù)。若50%<ΔEp/ΔE×100%<150%，則儀表分辨率是分度頭偏轉(zhuǎn)0.1″時(shí)檢測(cè)質(zhì)量所敏感到的重力信號(hào)值，即Δθ=0.1″時(shí)的加速度信號(hào)增量。由于光學(xué)分度頭最小標(biāo)度為0.1″，因此，所能測(cè)量的加速度計(jì)最高分辨率為0.5 μg[6]。

5.2 基于勻速旋轉(zhuǎn)調(diào)制的分辨率測(cè)試方法

該測(cè)試方法是將加速度安裝在可偏轉(zhuǎn)的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)面上，轉(zhuǎn)臺(tái)如圖8所示，采取旋轉(zhuǎn)調(diào)制的方式，對(duì)加速度計(jì)分辨率進(jìn)行動(dòng)態(tài)估算[7]。

相對(duì)于光學(xué)分度頭來(lái)說(shuō)，利用雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)(見(jiàn)圖8)，可以對(duì)重力加速度信號(hào)進(jìn)行更微小的劃分，將小于5×10-7g量級(jí)的加速度信號(hào)輸入到石英撓性加速度計(jì)，并對(duì)加速度計(jì)的輸出進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)制。最終采集儀表輸出，通過(guò)理論計(jì)算得出加速度計(jì)的分辨率。目前得到的測(cè)試結(jié)果顯示，該測(cè)試方法可測(cè)得0.1 μg的分辨率指標(biāo)。

5.3 基于引力梯度的分辨率測(cè)試方法

構(gòu)建基于引力梯度的分辨率測(cè)試系統(tǒng)，采取高比重材料產(chǎn)生引力梯度的方法，給石英撓性加速度計(jì)輸入更加微弱的加速度信號(hào)。將4只石英撓性加速度計(jì)安裝在以角速度勻速旋轉(zhuǎn)的雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)上，加速度計(jì)間隔90°均勻布置，敏感軸方向?yàn)樾D(zhuǎn)角速度切向方向。由系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一供電，移動(dòng)鉛球產(chǎn)生不同大小的引力，采集4只石英撓性加速度計(jì)的輸出并進(jìn)行信號(hào)處理與數(shù)據(jù)采集。目前基于此方法可得到的最高分辨率為0.01 μg[8]。

5.4 在1 g激勵(lì)下分辨率測(cè)試方法

該測(cè)試方法將精密單軸旋轉(zhuǎn)裝置安裝在基座上，同時(shí)將被測(cè)加速度計(jì)安裝在精密軸旋轉(zhuǎn)裝置上且在基座上安裝參考加速度計(jì)，被測(cè)加速度計(jì)和參考加速度計(jì)的力反饋回路連接采樣電阻后接地；記錄初始時(shí)精密單軸旋轉(zhuǎn)裝置角位置，依次旋轉(zhuǎn)分度頭，使得被測(cè)加速度計(jì)依次減少或增加；計(jì)算每一步的輸出增量并與被測(cè)加速度計(jì)輸入加速度變化量比較求差，判斷被測(cè)加速度計(jì)是否具備1×10-8g量級(jí)分辨率。該方法通過(guò)加入?yún)⒖技铀俣扔?jì)完成被測(cè)加速度計(jì)的微小分辨率測(cè)試，有效抑制了由環(huán)境噪聲引起的基座振動(dòng)，抵消作為2個(gè)加速度計(jì)共模輸入的垂向基座振動(dòng)，從而有效抑制環(huán)境振動(dòng)噪聲的影響。

5.5 一種加速度計(jì)敏感度測(cè)量裝置

該方法是采用質(zhì)量引力的方式，將重物安裝在擺桿末端并將被測(cè)加速度計(jì)的敏感軸水平地指向擺桿懸掛重物的質(zhì)心位置，通過(guò)擺動(dòng)裝置產(chǎn)生的機(jī)械運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)重物進(jìn)行往復(fù)擺動(dòng)，在加速度計(jì)輸入敏感軸上產(chǎn)生與擺動(dòng)質(zhì)量運(yùn)動(dòng)周期相同的加速度計(jì)輸入信號(hào)，同時(shí)根據(jù)擺體位置檢拾線圈獲得擺動(dòng)裝置所給出的位置參考信號(hào)，并通過(guò)加速計(jì)敏感度測(cè)量電路得出被測(cè)加速度計(jì)的敏感度數(shù)值，可以檢測(cè)出僅與擺動(dòng)周期、相位相關(guān)的信號(hào)，去除環(huán)境干擾和噪聲的影響，提高了測(cè)試精度，可用于重力梯度儀所使用的高靈敏度加速度計(jì)的敏感度測(cè)試領(lǐng)域。但由于受到轉(zhuǎn)動(dòng)角度測(cè)量和控制精度的限制，目前該測(cè)試方法只能提供約為1 μg量級(jí)的輸入加速度給定數(shù)值[9]。單擺示意圖如圖9所示。

5.6 基于壓電偏擺臺(tái)的石英加速度計(jì)高分辨率測(cè)試方法

該測(cè)試方法是將高精度加速度計(jì)安裝在壓電偏擺臺(tái)(見(jiàn)圖10)上，使壓電偏擺臺(tái)以固定頻率f在毫弧度量級(jí)上進(jìn)行微角度擺動(dòng)，對(duì)加速度計(jì)產(chǎn)生頻率為f的小信號(hào)輸入激勵(lì)，并使用鎖相放大器對(duì)加速度計(jì)輸出信號(hào)在頻率f上進(jìn)行解調(diào)放大，以提高測(cè)量信噪比。由于測(cè)試技術(shù)尚未形成測(cè)試規(guī)范，測(cè)試數(shù)據(jù)存在不準(zhǔn)確性，預(yù)估測(cè)試分辨率可達(dá)到1×10-9g[10]。

6 后續(xù)發(fā)展建議

我國(guó)仍處于重力梯度測(cè)量領(lǐng)域的初級(jí)階段，為進(jìn)行更準(zhǔn)確大面積的大地測(cè)量、礦產(chǎn)資源勘測(cè)、油氣田勘探、海底地貌探測(cè)，應(yīng)保證和提高重力梯度儀的精度。

目前和今后一段時(shí)間內(nèi)應(yīng)在如下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：1)由材料的性能、溫度和壓力變化引起的加速度計(jì)非校準(zhǔn)性和尺度因子不匹配的連續(xù)補(bǔ)償；2)在慣性參考系中幾乎絕對(duì)的平臺(tái)穩(wěn)定性；3)自身梯度補(bǔ)償；4)許多未被論述的熱噪聲的識(shí)別和補(bǔ)償；5)減少重力梯度儀對(duì)方向誤差的敏感性；6)同步檢測(cè)、力反饋和懸浮在低溫重力梯度儀中的應(yīng)用。

應(yīng)著重提高旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀核心部件(石英撓性加速度計(jì))的分辨率：1)減小撓性梁剛度，增加擺片以及骨架質(zhì)量，減少線圈匝數(shù)，減小磁感應(yīng)強(qiáng)度等；2)加速度信號(hào)和噪聲信號(hào)會(huì)同時(shí)作用在石英撓性擺片上被活動(dòng)質(zhì)量所敏感，必須進(jìn)行噪聲的抑制，提高信噪比，以免有用信號(hào)被噪聲淹沒(méi)，噪聲有多種存在形式，可以對(duì)主要噪聲來(lái)源進(jìn)行研究確認(rèn)，從根源上進(jìn)行消除，對(duì)于無(wú)法徹底消除的噪聲信號(hào)則只能采取可行方案減弱噪聲[11]；3)目前，由于裝配工藝、材料缺陷、制造水平的限制，零件會(huì)有裝配殘余應(yīng)力、隨溫度變化產(chǎn)生形變應(yīng)力等，裝配出來(lái)的石英撓性加速度計(jì)參數(shù)會(huì)隨時(shí)間漂移，儀表的長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差，當(dāng)工作時(shí)間比較長(zhǎng)時(shí)，精度會(huì)損失嚴(yán)重，因此，需要對(duì)如何提高儀表的穩(wěn)定性開(kāi)展理論研究和試驗(yàn)驗(yàn)證[12]。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上可以看出，基于機(jī)械結(jié)構(gòu)細(xì)分重力場(chǎng)的測(cè)試方法已經(jīng)無(wú)法滿足高分辨率測(cè)試的需要，類似于旋轉(zhuǎn)調(diào)制測(cè)試、引力梯度測(cè)試等越來(lái)越多的測(cè)試方法正在被開(kāi)發(fā)出來(lái)，但受限于缺乏高穩(wěn)定性、高分辨率的加速度計(jì)數(shù)據(jù)支持，測(cè)試方法未被廣泛接受認(rèn)可。下一步應(yīng)在研制出高分辨率加速度計(jì)的基礎(chǔ)上，開(kāi)展針對(duì)高分辨率的測(cè)試方法研究以及穩(wěn)定性提高方法研究，尤其是高分辨率檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)改進(jìn)，結(jié)合新興測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試評(píng)估，早日形成行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的高分辨率測(cè)試規(guī)范，以便在地質(zhì)勘探、尋找油氣田、探測(cè)礦產(chǎn)、大地測(cè)繪、海洋資源勘探等方面作出重要貢獻(xiàn)。