胡華，伍康，李剛，李哲，王力軍

(中國計(jì)量科學(xué)研究院－清華大學(xué)精密測量聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，清華大學(xué)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(jì)量具有十分重要的意義。通過重復(fù)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(zāi)害監(jiān)測提供重要依據(jù)。近年來，重力測量在現(xiàn)代精密計(jì)量領(lǐng)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(shí)驗(yàn)，以及測定萬有引力常數(shù)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(dǎo)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(dá)到微伽量級(1μGal = 10－8ms2)。

近年來，隨著全球各國日益重視地學(xué)觀測研究，許多國家的測繪、計(jì)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(biāo)準(zhǔn)”儀器。2009 年9月，國際計(jì)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(jì)量的基標(biāo)準(zhǔn)和溯源體系，并檢驗(yàn)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(chǎn)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(xiàn)。因此，國際計(jì)量局明確表態(tài)，鼓勵更多的基于不同原理和技術(shù)方案的新型絕對重力儀參加國際比對，以利于探索當(dāng)前絕對重力測量領(lǐng)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(jī)械、激光測量、時頻測量、真空技術(shù)、隔振控制等多學(xué)科技術(shù)，自主研發(fā)難度較大。國內(nèi)已有若干單位開展相關(guān)研究工作，但仍有一些關(guān)鍵技術(shù)問題較難突破，原理樣機(jī)的總體性能水平不高［8－10］。除了采用經(jīng)典的自由落體方案，國內(nèi)也開展了基于原子干涉的絕對重力測量研究［11－12］，主要側(cè)重于基礎(chǔ)物理理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，且原子干涉重力儀的系統(tǒng)復(fù)雜，體積龐大，距離實(shí)際應(yīng)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(jìn)了若干臺FG5 型絕對重力儀，用于開展各自領(lǐng)域的高精度絕對重力測量任務(wù)［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(shù)據(jù)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(wǎng)”和“中國地殼運(yùn)動觀測網(wǎng)絡(luò)”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(shù)臺FG5 型絕對重力儀遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際應(yīng)用需求，迫切需要自主研制面向?qū)嶋H應(yīng)用的高精度絕對重力儀，解決該類儀器只能高價進(jìn)口導(dǎo)致的諸多問題。

近年來，清華大學(xué)在絕對重力測量的關(guān)鍵技術(shù)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(jī)，主要面向?qū)嶒?yàn)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(nèi)若干重力測點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，均取得了微伽量級的高精度觀測結(jié)果［17］。本文將簡要介紹該儀器的系統(tǒng)原理和測試結(jié)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(shù)，精確測量某物體在高真空度環(huán)境下的自由落體運(yùn)動軌跡，根據(jù)測量所得的時間和位移數(shù)據(jù)，通過數(shù)學(xué)多項(xiàng)式擬合的方法，計(jì)算下落物體的運(yùn)動加速度，即絕對重力加速度值。與現(xiàn)有的絕對重力儀相比，T －1 型絕對重力儀在多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)方面進(jìn)行了重大改進(jìn)和創(chuàng)新?，F(xiàn)有技術(shù)方案主要存在以下三方面的不足:

1)精密機(jī)械設(shè)計(jì)與運(yùn)動控制技術(shù)，用于實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的、穩(wěn)定的自由落體運(yùn)動。在現(xiàn)有的絕對重力儀中，真空腔內(nèi)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(dǎo)軌的滑塊上，支撐托盤和滑塊可以沿導(dǎo)軌上下運(yùn)動。支撐托盤通過機(jī)械傳動系統(tǒng)，與真空腔外的馬達(dá)傳動系統(tǒng)連接。為了實(shí)現(xiàn)下落物體的自由落體運(yùn)動，首先通過控制馬達(dá)傳動系統(tǒng)，將支撐托盤和放置在其上面的下落物體運(yùn)送到真空腔的頂部位置;然后反向轉(zhuǎn)動馬達(dá)傳動系統(tǒng)，使支撐托盤開始加速往下運(yùn)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(shí)現(xiàn)下落物體的自由落體運(yùn)動。在真空腔的底部位置，通過控制馬達(dá)傳動系統(tǒng)，使支撐托盤減速運(yùn)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(dá)傳動系統(tǒng)可以重復(fù)實(shí)現(xiàn)下落物體的自由落體運(yùn)動。

但是，現(xiàn)有的自由落體裝置通過馬達(dá)的高速轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)下落物體的自由落體運(yùn)動，馬達(dá)傳動系統(tǒng)一直處于工作狀態(tài)，導(dǎo)致自由落體裝置在測量進(jìn)行期間產(chǎn)生較強(qiáng)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(jié)果的準(zhǔn)確度。

2)激光干涉測量技術(shù)，用于精密測量下落物體的自由落體運(yùn)動軌跡。通常采用改進(jìn)型的馬赫－澤德爾激光干涉測量裝置，激光束進(jìn)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(nèi)的下落物體，下落物體內(nèi)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(shí)現(xiàn)合光，即可實(shí)現(xiàn)激光干涉測量，干涉條紋的數(shù)量與下落物體運(yùn)動的位移成正比。在激光干涉測量裝置中，需要精確調(diào)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(xiàn)有的激光干涉測量裝置中，通常采用望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)的方法來調(diào)整測量光束的豎直方向。但是，該方法需要使用多個光學(xué)器件和復(fù)雜的光路設(shè)計(jì)，這導(dǎo)致增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，并且容易產(chǎn)生操作誤差。

3)高速信號采集與數(shù)據(jù)處理技術(shù)，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(xiàn)有的技術(shù)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(diǎn)特征。為了獲取下落物體的自由落體運(yùn)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(diǎn);然后將過零點(diǎn)信號輸入時間間隔分析儀，測量過零點(diǎn)之間的時間間隔。根據(jù)激光干涉測量原理，干涉條紋信號的兩個相鄰過零點(diǎn)對應(yīng)著四分之一激光波長的運(yùn)動位移，因此可以得到自由落體運(yùn)動軌跡的時間和位移數(shù)據(jù)，通過進(jìn)一步的數(shù)學(xué)多項(xiàng)式擬合，即可計(jì)算重力加速度的數(shù)值。

但是，現(xiàn)有技術(shù)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(diǎn)特征，可能引入非線性的相位噪聲，導(dǎo)致測量結(jié)果產(chǎn)生一定的偏差。

T－1 型絕對重力儀的設(shè)計(jì)綜合考慮了以上現(xiàn)有技術(shù)方案的不足，提出并實(shí)現(xiàn)了若干關(guān)鍵技術(shù)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(gòu)件懸掛方法，代替馬達(dá)快速運(yùn)轉(zhuǎn)的傳統(tǒng)方法，實(shí)現(xiàn)下落物體的自由落體運(yùn)動，從而降低馬達(dá)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(zhǔn)確度。

2)在T－1 型絕對重力儀中，采用了新設(shè)計(jì)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(diào)節(jié)功能，使得測量光束的校準(zhǔn)更加簡單精確，從而提高絕對重力測量的準(zhǔn)確度，同時簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及操作步驟。

3)采用了新型的信號采集與處理技術(shù)，通過高速數(shù)據(jù)采集卡將激光干涉測量信號傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字化處理，精確計(jì)算重力加速度數(shù)值，避免采用復(fù)雜的硬件電路進(jìn)行信號處理，提高重力測量的準(zhǔn)確度，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)圖

自由落體裝置用于實(shí)現(xiàn)物體的自由落體運(yùn)動，其主要包括下述部件:真空腔;設(shè)置在真空腔內(nèi)部的一系列機(jī)械運(yùn)動裝置，用于可重復(fù)的、穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)下落物體的自由落體運(yùn)動。在下落物體內(nèi)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(nèi)的高真空度，離子泵與真空腔之間通過標(biāo)準(zhǔn)的真空法蘭連接，以保證連接的密封性。真空腔還設(shè)置有真空旋轉(zhuǎn)密封件，其用于密封連接真空腔內(nèi)的自由落體運(yùn)動裝置和真空腔外的馬達(dá)。馬達(dá)在外部計(jì)算機(jī)的控制下按一定的速度和方向轉(zhuǎn)動，以控制下落物體的自由落體運(yùn)動。

激光干涉測量裝置用于測量下落物體作自由落體運(yùn)動的位移，以計(jì)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(zhuǎn)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(yùn)動的位移、速度特征，該信號經(jīng)過計(jì)算機(jī)軟件算法處理，即可得到重力加速度的數(shù)值。激光干涉測量裝置連接到一數(shù)據(jù)采集卡，其獲取所述激光干涉條紋信號并傳輸給外部計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)采集卡連接到銣原子鐘，其為數(shù)據(jù)采集提供標(biāo)準(zhǔn)的時鐘參考信號。

隔振平臺設(shè)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(jī)械彈簧和精密控制系統(tǒng)。隔振平臺通?？梢詫?shí)現(xiàn)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(jié)果

2011 年至今，T－1 型絕對重力儀在清華大學(xué)和中國計(jì)量科學(xué)研究院昌平重力精測實(shí)驗(yàn)室進(jìn)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(jié)果。

圖3 是2012 年11 月T－1 型絕對重力儀在中國計(jì)量科學(xué)研究院昌平重力精測實(shí)驗(yàn)室的測量結(jié)果，測量結(jié)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(biāo)記為重力測量數(shù)據(jù)，實(shí)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(nèi)g 值測量結(jié)果均值的標(biāo)準(zhǔn)差，根據(jù)公式(1)計(jì)算。

式中:n 為組內(nèi)的g 值測量次數(shù);gi為第i 次自由落體對應(yīng)的g 值測量結(jié)果;gj為組內(nèi)g 值測量結(jié)果均值(即組內(nèi)所有g(shù)i的平均值)。

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

圖3 測量結(jié)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(wù)，取得良好觀測結(jié)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(jié)果與參考值相吻合，兩者相差量在系統(tǒng)自評估的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度范圍內(nèi)(6μCal)，實(shí)際檢驗(yàn)了儀器系統(tǒng)的可靠性和測量準(zhǔn)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(dá)到10μCal以上(FG5 －233 與FG5 －102)，這表明現(xiàn)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(jìn)一步研究分析。

圖4 2011 年歐洲絕對重力儀比對結(jié)果

3 結(jié)論與展望

T－1 型絕對重力儀為自主研制的高精度、可搬運(yùn)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(shù)和信號處理技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)微伽量級不確定度的精密重力測量。經(jīng)過進(jìn)一步改進(jìn)與工程化設(shè)計(jì)，該儀器有望在國內(nèi)多個領(lǐng)域發(fā)揮重要應(yīng)用。特別是在力學(xué)領(lǐng)域，高精度絕對重力儀能夠滿足國內(nèi)測力、測壓、扭矩等元器件及儀器儀表生產(chǎn)商對精確重力測量的要求。

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