高精度絕對重力關鍵技術研究

吳 瓊

（中國地震局地球物理研究所，北京100081）

高精度絕對重力關鍵技術研究

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)測預報、地球科學研究、資源勘探等領域研究的基礎。國際上雖然很多國家開展了對絕對重力觀測技術的探索，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世紀七八十年代由中國計量科學研究院的專家推出了與國際測量精度水平相當?shù)腘IM-I和NIM-II兩種絕對重力儀，但僅停留在實驗樣機階段，未能形成產(chǎn)品。同時，隨著近年來我國在時間基準、長度基準、高精度數(shù)字化采集與控制、寬頻帶高精度振動測量技術等領域的飛速發(fā)展，使得研究具有自主知識產(chǎn)權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，然后針對設計中可能出現(xiàn)的誤差源及其影響水平進行量化估計，主要集中對以下3個關鍵技術進行研究。

（1）落體伺服控制技術研究。利用數(shù)字控制技術，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計，確定了電機的動作過程。通過對落體控制機構的理論計算，確定了伺服電機的容量。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。

（2）落體軌跡重建算法與振動干擾抑制技術研究。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，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）干涉測量的誤差補償技術研究。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)技術分析以及高精度落體的有限元法設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個關鍵技術的分析研究，筆者所屬的研究團隊實現(xiàn)了實驗樣機的構建，通過在白家疃國家重力基準點的誤差實驗，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計目標，同時也為下一步進行更高精度的絕對重力儀的設計和實驗樣機的產(chǎn)品化定型準備了相關的關鍵技術。

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