吳 瓊

（中國地震局地球物理研究所，北京100081）

高精度絕對重力關(guān)鍵技術(shù)研究

吳 瓊

（中國地震局地球物理研究所，北京100081）

重力場是反映地球內(nèi)部物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其變遷的地球物理基本場，高精度絕對重力觀測資料是地震監(jiān)測預(yù)報、地球科學(xué)研究、資源勘探等領(lǐng)域研究的基礎(chǔ)。國際上雖然很多國家開展了對絕對重力觀測技術(shù)的探索，但實際上僅有美國Micro-G公司生產(chǎn)的FG5和A10兩種類型的絕對重力儀實現(xiàn)了實用化，而且對我國施行出口管制，價格昂貴，維修周期長。我國雖然在20世紀(jì)七八十年代由中國計量科學(xué)研究院的專家推出了與國際測量精度水平相當(dāng)?shù)腘IM-I和NIM-II兩種絕對重力儀，但僅停留在實驗樣機(jī)階段，未能形成產(chǎn)品。同時，隨著近年來我國在時間基準(zhǔn)、長度基準(zhǔn)、高精度數(shù)字化采集與控制、寬頻帶高精度振動測量技術(shù)等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，使得研究具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高精度絕對重力儀成為可能。

本文首先對絕對重力儀研究的國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)做了綜合性描述，然后針對設(shè)計中可能出現(xiàn)的誤差源及其影響水平進(jìn)行量化估計，主要集中對以下3個關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

（1）落體伺服控制技術(shù)研究。利用數(shù)字控制技術(shù)，實現(xiàn)了對落體控制的精確度和穩(wěn)定性的要求。通過對同軸齒輪系統(tǒng)、拖架理論運動曲線的設(shè)計，確定了電機(jī)的動作過程。通過對落體控制機(jī)構(gòu)的理論計算，確定了伺服電機(jī)的容量。從而在最小化系統(tǒng)自振的前提下，解決了落體的伺服跟蹤技術(shù)。

（2）落體軌跡重建算法與振動干擾抑制技術(shù)研究。利用經(jīng)過外部銣原子鐘同步的高速數(shù)字化儀對光電接收器輸出的干涉帶信號進(jìn)行采樣，得到了數(shù)字化的干涉帶信號。利用數(shù)字信號處理技術(shù)，提取干涉帶上包含的落體相對于參考棱鏡的位置和時間信息。這部分經(jīng)過誤差模擬計算表明，其平均誤差為0.000 52微伽。同時利用與干涉帶信號同步采集的高精度、寬頻帶參考棱鏡的振動信號，開發(fā)了一套振動干擾的抑制算法。實驗證明，該算法可以補(bǔ)償?shù)孛嬲駝訋淼南到y(tǒng)偏差和測量精度。通過本部分的研究，解決了高精度重力加速度的計算方法問題。

（3）干涉測量的誤差補(bǔ)償技術(shù)研究。通過對理想平面上反射鏡對光線平行性的影響、分光鏡第一面分光比的確定、光線垂直性調(diào)節(jié)技術(shù)分析以及高精度落體的有限元法設(shè)計等方面的理論分析，確定了干涉測量系統(tǒng)中的誤差源及其對測量結(jié)果的影響水平。在實際設(shè)計中根據(jù)這部分的分析，確定了整套干涉測量系統(tǒng)的測量光路，解決了絕對重力儀中的高精度干涉測量問題。

通過對以上3個關(guān)鍵技術(shù)的分析研究，筆者所屬的研究團(tuán)隊實現(xiàn)了實驗樣機(jī)的構(gòu)建，通過在白家疃國家重力基準(zhǔn)點的誤差實驗，確定其測量系統(tǒng)偏差為－55微伽（未經(jīng)誤差修正），2小時測量精度優(yōu)于10微伽?；緦崿F(xiàn)了高精度絕對重力觀測的設(shè)計目標(biāo)，同時也為下一步進(jìn)行更高精度的絕對重力儀的設(shè)計和實驗樣機(jī)的產(chǎn)品化定型準(zhǔn)備了相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。

絕對重力儀；自由落體；軌跡重建；振動處理；過零檢測

（作者電子信箱，吳瓊：wuqiong＿cea＠hotmail.com）

P315.62；

A；

10.3969/j.issn.0235-4975.2012.01.013