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

【關(guān)鍵詞】絕對(duì)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(cè)量學(xué)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地殼運(yùn)動(dòng)等學(xué)科的重要依據(jù)，其廣泛地應(yīng)用于大地測(cè)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(jí)）的手段主要依靠高精度絕對(duì)重力儀的實(shí)測(cè)。

本文主要闡述了目前我國高精度絕對(duì)重力儀研制情況，從整體現(xiàn)狀、關(guān)鍵環(huán)節(jié)的進(jìn)展、技術(shù)難點(diǎn)、突破性進(jìn)展等進(jìn)行了總結(jié)和回顧，并對(duì)今后一段時(shí)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(duì)于高精度絕對(duì)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(duì)重力儀研制的機(jī)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(jì)量科學(xué)研究院為代表[9，10]。

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

二、研究現(xiàn)狀

進(jìn)入二十一世紀(jì)后，前十年時(shí)間，我國在高精度絕對(duì)重力儀研制方向上相對(duì)而言有些停滯。一方面，對(duì)已有的研制成果進(jìn)行后續(xù)改進(jìn)和提高需要更深層次的理論深入研究和突破，同時(shí)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(yàn)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(duì)高精度重力成果使用在理論和技術(shù)上的突破和實(shí)踐，重力相關(guān)項(xiàng)目得到具體實(shí)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(jìn)了我國絕對(duì)重力儀研制的快速發(fā)展。

三、主要成果

3.1理論研究

因?yàn)楦呔冉^對(duì)重力儀是一種集光、機(jī)、電、自動(dòng)控制于一體的精密設(shè)備，同時(shí)對(duì)加工工藝、材料都要求較高。因此高精度絕對(duì)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(shí)原子干涉絕對(duì)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(duì)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(jī)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(yùn)動(dòng)為基本理論。通過精密測(cè)量“落體”自由落體運(yùn)動(dòng)過程中下落距離與對(duì)應(yīng)時(shí)間，根據(jù)自由落體運(yùn)動(dòng)方程計(jì)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(jī)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(tuán)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(dú)立的成果。“冷原子”式的理論研究主要表現(xiàn)出與國際同步的特點(diǎn)。對(duì)于原子的冷卻理論、原子干涉以的理論、 “原子自由落體運(yùn)動(dòng)”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(shí)驗(yàn)裝置

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

一是國內(nèi)目前的儀器主要還集中在實(shí)驗(yàn)裝置或者工程樣機(jī)的階段。機(jī)械式的研制基本可以實(shí)現(xiàn)工程樣機(jī)，而且相應(yīng)的軟、硬件已經(jīng)得到驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置或向工程樣機(jī)過度階段[16，17，18，19]，技術(shù)方案得到驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)測(cè)試基本完成，實(shí)驗(yàn)效果達(dá)到預(yù)期，具備了工程樣機(jī)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

二是實(shí)驗(yàn)裝置或工程樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果精度還有待提高。機(jī)械式的樣機(jī)測(cè)試結(jié)果一般在10個(gè)微伽左右，單次實(shí)驗(yàn)結(jié)果較理想的可以達(dá)到5個(gè)微伽。與國際上同級(jí)別的商品化高精度絕對(duì)重力儀器在測(cè)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?shí)驗(yàn)裝置測(cè)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(jí)）的應(yīng)用需求來說，還有待進(jìn)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(duì)國內(nèi)后續(xù)高精度絕對(duì)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(duì)重力儀大部分都是進(jìn)口儀器。無論是維修、價(jià)格都不利于實(shí)際應(yīng)用。維修周期長、價(jià)格昂貴，都增加的維修成本；儀器本身購置價(jià)格較高，動(dòng)輒六七百萬。這些都不利于高精度重力成果的實(shí)際應(yīng)用。而目前相關(guān)項(xiàng)目又急需此類高精度重力成果。

另外，高精度絕對(duì)重力儀研制本身的目標(biāo)就是產(chǎn)品化?，F(xiàn)階段的實(shí)驗(yàn)裝置或者工程樣機(jī)還是一個(gè)過程階段，后續(xù)產(chǎn)品化、商品化是一個(gè)必然目的。而且，國內(nèi)高精度絕對(duì)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(shí)現(xiàn)國內(nèi)在該領(lǐng)域從無到有的突破性進(jìn)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(diǎn)。

4.2深入關(guān)鍵技術(shù)研究

國內(nèi)在高精度絕對(duì)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(shí)踐來看，特別是地面震動(dòng)的干擾減弱急需深入。在微伽級(jí)精度的水平上，地面震動(dòng)已經(jīng)成為一個(gè)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(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)真正的微伽級(jí)精度的工程樣機(jī)。

4.3加快工藝、材料試驗(yàn)

后續(xù)工作中，加工和材料是實(shí)現(xiàn)商品化的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。從目前國內(nèi)的加工過程來看，相對(duì)加工還多集中于非高端機(jī)構(gòu)，采用的材料對(duì)于儀器測(cè)試結(jié)果的影響還沒有充分試驗(yàn)，這兩點(diǎn)對(duì)于工程樣機(jī)的試驗(yàn)精度在微伽級(jí)的影響不容忽略。不過，目前國內(nèi)有些研究團(tuán)體已經(jīng)主要到這一點(diǎn)，也正在采取措施加大在加工工藝專業(yè)化、材料試驗(yàn)化的進(jìn)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(duì)目前國內(nèi)儀器設(shè)備研制的現(xiàn)狀，主要是針對(duì)軟件、基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置、測(cè)試結(jié)果精度等實(shí)際情況開展綜合研究，從而制定符合實(shí)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(jìn)國內(nèi)擁有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的設(shè)備在國家重力測(cè)量領(lǐng)域具有進(jìn)入權(quán)利。

從目前來看，國內(nèi)高精度絕對(duì)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(jī)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(duì)重力儀的國產(chǎn)化可以預(yù)期。

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