胡華，伍康，李剛，李哲，王力軍

(中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院－清華大學(xué)精密測(cè)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(duì)重力值(g，常用值9.81 ms2)對(duì)大地測(cè)量、地球物理和精密計(jì)量具有十分重要的意義。通過(guò)重復(fù)觀測(cè)絕對(duì)重力值以監(jiān)測(cè)重力場(chǎng)的變化，可以為大地測(cè)量、地球物理、環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)提供重要依據(jù)。近年來(lái)，重力測(cè)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(cè)定萬(wàn)有引力常數(shù)等。目前，由美國(guó)Micro －g 公司研制的一系列絕對(duì)重力儀在國(guó)際上占主導(dǎo)地位，其中性能水平最高的是FG5 型絕對(duì)重力儀［1－2］，測(cè)量不確定度達(dá)到微伽量級(jí)(1μGal = 10－8ms2)。

近年來(lái)，隨著全球各國(guó)日益重視地學(xué)觀測(cè)研究，許多國(guó)家的測(cè)繪、計(jì)量部門(mén)已采購(gòu)FG5 型絕對(duì)重力儀，并將其作為絕對(duì)重力測(cè)量的“標(biāo)準(zhǔn)”儀器。2009 年9月，國(guó)際計(jì)量局在巴黎舉辦了第8 屆國(guó)際絕對(duì)重力儀比對(duì)(該比對(duì)活動(dòng)每4 年舉行一次，主要目的在于確立國(guó)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(cè)量?jī)x器之間是否存在較大的系統(tǒng)偏差)，共有來(lái)自全球各國(guó)的30 余臺(tái)絕對(duì)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(tái)是自主研發(fā)的儀器，包括德國(guó)的MPG －2 型絕對(duì)重力儀［3］，意大利的IMGC－2 型絕對(duì)重力儀［4］，以及法國(guó)的原子干涉重力儀［5］。由于參加比對(duì)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(guó)際計(jì)量局明確表態(tài)，鼓勵(lì)更多的基于不同原理和技術(shù)方案的新型絕對(duì)重力儀參加國(guó)際比對(duì)，以利于探索當(dāng)前絕對(duì)重力測(cè)量領(lǐng)域尚未明確的系統(tǒng)測(cè)量誤差［6－7］。

由于高精度絕對(duì)重力儀綜合了精密機(jī)械、激光測(cè)量、時(shí)頻測(cè)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(guó)內(nèi)已有若干單位開(kāi)展相關(guān)研究工作，但仍有一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)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(guó)內(nèi)也開(kāi)展了基于原子干涉的絕對(duì)重力測(cè)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(zhǎng)的時(shí)間。

1995 年以來(lái)，國(guó)家測(cè)繪局、中國(guó)地震局、中科院測(cè)地所等單位先后引進(jìn)了若干臺(tái)FG5 型絕對(duì)重力儀，用于開(kāi)展各自領(lǐng)域的高精度絕對(duì)重力測(cè)量任務(wù)［13－15］。然而，購(gòu)買FG5 型絕對(duì)重力儀不僅價(jià)格昂貴(一臺(tái)儀器約450 萬(wàn)人民幣)，在儀器維修等方面存在許多問(wèn)題和不便，重力測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性和溯源問(wèn)題也無(wú)法保障。隨著我國(guó)的“2000 國(guó)家重力基本網(wǎng)”和“中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)”的建成，對(duì)高精度絕對(duì)重力測(cè)量的需求日益增加［16］，全國(guó)只有數(shù)臺(tái)FG5 型絕對(duì)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(duì)重力儀，解決該類儀器只能高價(jià)進(jìn)口導(dǎo)致的諸多問(wèn)題。

近年來(lái)，清華大學(xué)在絕對(duì)重力測(cè)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(duì)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(duì)重力觀測(cè)。2011 年以來(lái)，T－1 型絕對(duì)重力儀在國(guó)內(nèi)若干重力測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，均取得了微伽量級(jí)的高精度觀測(cè)結(jié)果［17］。本文將簡(jiǎn)要介紹該儀器的系統(tǒng)原理和測(cè)試結(jié)果。

1 系統(tǒng)原理

T－1 型絕對(duì)重力儀采用自由落體方案，其基本原理是通過(guò)激光干涉測(cè)量技術(shù)，精確測(cè)量某物體在高真空度環(huán)境下的自由落體運(yùn)動(dòng)軌跡，根據(jù)測(cè)量所得的時(shí)間和位移數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)學(xué)多項(xiàng)式擬合的方法，計(jì)算下落物體的運(yùn)動(dòng)加速度，即絕對(duì)重力加速度值。與現(xiàn)有的絕對(duì)重力儀相比，T －1 型絕對(duì)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(dòng)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(dòng)。在現(xiàn)有的絕對(duì)重力儀中，真空腔內(nèi)的下落物體被放置在一個(gè)支撐托盤(pán)上，支撐托盤(pán)固定在豎直方向安裝的直線導(dǎo)軌的滑塊上，支撐托盤(pán)和滑塊可以沿導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng)。支撐托盤(pán)通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，與真空腔外的馬達(dá)傳動(dòng)系統(tǒng)連接。為了實(shí)現(xiàn)下落物體的自由落體運(yùn)動(dòng)，首先通過(guò)控制馬達(dá)傳動(dòng)系統(tǒng)，將支撐托盤(pán)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(dòng)馬達(dá)傳動(dòng)系統(tǒng)，使支撐托盤(pán)開(kāi)始加速往下運(yùn)動(dòng)，其加速度略大于重力加速度，此時(shí)下落物體與支撐托盤(pán)分離，從而實(shí)現(xiàn)下落物體的自由落體運(yùn)動(dòng)。在真空腔的底部位置，通過(guò)控制馬達(dá)傳動(dòng)系統(tǒng)，使支撐托盤(pán)減速運(yùn)動(dòng)，直至下落物體與支撐托盤(pán)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(dòng)系統(tǒng)可以重復(fù)實(shí)現(xiàn)下落物體的自由落體運(yùn)動(dòng)。

但是，現(xiàn)有的自由落體裝置通過(guò)馬達(dá)的高速轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)下落物體的自由落體運(yùn)動(dòng)，馬達(dá)傳動(dòng)系統(tǒng)一直處于工作狀態(tài)，導(dǎo)致自由落體裝置在測(cè)量進(jìn)行期間產(chǎn)生較強(qiáng)的振動(dòng)，由于重力測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于裝置本身的振動(dòng)非常敏感，因此這種系統(tǒng)會(huì)影響到重力測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。

2)激光干涉測(cè)量技術(shù)，用于精密測(cè)量下落物體的自由落體運(yùn)動(dòng)軌跡。通常采用改進(jìn)型的馬赫－澤德?tīng)柤す飧缮鏈y(cè)量裝置，激光束進(jìn)入干涉測(cè)量裝置后通過(guò)分光鏡，一部分激光作為測(cè)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(cè)量光束反射回來(lái);另一部分激光作為參考光束，射向一個(gè)放置在隔振平臺(tái)上的回射棱鏡，將參考光束反射回來(lái)。反射回來(lái)的測(cè)量光束和參考光束通過(guò)另一個(gè)分光鏡實(shí)現(xiàn)合光，即可實(shí)現(xiàn)激光干涉測(cè)量，干涉條紋的數(shù)量與下落物體運(yùn)動(dòng)的位移成正比。在激光干涉測(cè)量裝置中，需要精確調(diào)整測(cè)量光束的方向，使其與重力加速度方向即絕對(duì)豎直方向平行。

現(xiàn)有的激光干涉測(cè)量裝置中，通常采用望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)的方法來(lái)調(diào)整測(cè)量光束的豎直方向。但是，該方法需要使用多個(gè)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(hào)采集與數(shù)據(jù)處理技術(shù)，用于處理激光干涉測(cè)量信號(hào)，通過(guò)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(guò)零檢測(cè)器和時(shí)間間隔分析儀獲取激光干涉條紋信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)特征。為了獲取下落物體的自由落體運(yùn)動(dòng)特征，首先將激光干涉條紋信號(hào)通過(guò)一個(gè)過(guò)零檢測(cè)器，檢測(cè)干涉條紋信號(hào)的過(guò)零點(diǎn);然后將過(guò)零點(diǎn)信號(hào)輸入時(shí)間間隔分析儀，測(cè)量過(guò)零點(diǎn)之間的時(shí)間間隔。根據(jù)激光干涉測(cè)量原理，干涉條紋信號(hào)的兩個(gè)相鄰過(guò)零點(diǎn)對(duì)應(yīng)著四分之一激光波長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)位移，因此可以得到自由落體運(yùn)動(dòng)軌跡的時(shí)間和位移數(shù)據(jù)，通過(guò)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(guò)零檢測(cè)器和時(shí)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(hào)的過(guò)零點(diǎn)特征，可能引入非線性的相位噪聲，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定的偏差。

T－1 型絕對(duì)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(duì)重力儀中，通過(guò)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(dòng)，從而降低馬達(dá)傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)自由落體裝置的振動(dòng)影響，提高重力測(cè)量的準(zhǔn)確度。

2)在T－1 型絕對(duì)重力儀中，采用了新設(shè)計(jì)的小型化激光干涉測(cè)量裝置，帶有集成的光束垂直度精確調(diào)節(jié)功能，使得測(cè)量光束的校準(zhǔn)更加簡(jiǎn)單精確，從而提高絕對(duì)重力測(cè)量的準(zhǔn)確度，同時(shí)簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及操作步驟。

3)采用了新型的信號(hào)采集與處理技術(shù)，通過(guò)高速數(shù)據(jù)采集卡將激光干涉測(cè)量信號(hào)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(hào)處理，提高重力測(cè)量的準(zhǔn)確度，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

T－1 型絕對(duì)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(cè)量裝置、隔振平臺(tái)、信號(hào)采集與處理裝置等。圖2 中顯示了絕對(duì)重力測(cè)量系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)圖。

圖1 絕對(duì)重力測(cè)量系統(tǒng)的主要組成部分

圖2 絕對(duì)重力測(cè)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(dòng)，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(dòng)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(dòng)。在下落物體內(nèi)部安裝有回射棱鏡，用于將來(lái)自激光干涉測(cè)量裝置的測(cè)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(guò)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(dòng)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(dòng)，以控制下落物體的自由落體運(yùn)動(dòng)。

激光干涉測(cè)量裝置用于測(cè)量下落物體作自由落體運(yùn)動(dòng)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(hào)的光電探測(cè)器等器件。激光干涉條紋信號(hào)反映了自由落體運(yùn)動(dòng)的位移、速度特征，該信號(hào)經(jīng)過(guò)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(cè)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(hào)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(shí)鐘參考信號(hào)。

隔振平臺(tái)設(shè)置在所述激光干涉測(cè)量裝置和地之間，其用于隔離地面振動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響。如圖2 所示，隔振平臺(tái)中懸掛有參考回射棱鏡，用于與激光干涉測(cè)量裝置配合組成光路，將下落物體的回射棱鏡反射的測(cè)量激光反射到激光干涉測(cè)量裝置。此外，隔振平臺(tái)還包括機(jī)械彈簧和精密控制系統(tǒng)。隔振平臺(tái)通常可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)20 s 的本征振蕩周期，具有較好的隔離地面振動(dòng)的效果。

2 測(cè)試結(jié)果

2011 年至今，T－1 型絕對(duì)重力儀在清華大學(xué)和中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院昌平重力精測(cè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了多次重力觀測(cè)，并參加了2011 年在盧森堡舉行的歐洲絕對(duì)重力儀比對(duì)，均取得了微伽量級(jí)的高精度測(cè)量結(jié)果。

圖3 是2012 年11 月T－1 型絕對(duì)重力儀在中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院昌平重力精測(cè)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量結(jié)果，測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量次數(shù);gi為第i 次自由落體對(duì)應(yīng)的g 值測(cè)量結(jié)果;gj為組內(nèi)g 值測(cè)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(cè)量結(jié)果的離散度極小，并且各組的測(cè)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(cè)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(jí)的精度。

圖3 測(cè)量結(jié)果

2011 年11 月，T －1 型絕對(duì)重力儀前往盧森堡參加歐洲絕對(duì)重力儀比對(duì)任務(wù)，取得良好觀測(cè)結(jié)果。共有來(lái)自全球各國(guó)的二十多臺(tái)絕對(duì)重力儀參加此次比對(duì)，其中只有3 臺(tái)儀器是自主研制的，包括T －1 型絕對(duì)重力儀，法國(guó)天文臺(tái)的原子干涉重力儀CAG －01，以及意大利的上拋－下落式絕對(duì)重力儀IMGC －02。如圖4所示，T－1 型絕對(duì)重力儀的測(cè)量結(jié)果與參考值相吻合，兩者相差量在系統(tǒng)自評(píng)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(cè)量準(zhǔn)確度［18］。值得注意的是，在本次比對(duì)中，不同的FG5 型絕對(duì)重力儀之間的測(cè)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(cè)量?jī)x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(duì)重力儀比對(duì)結(jié)果

3 結(jié)論與展望

T－1 型絕對(duì)重力儀為自主研制的高精度、可搬運(yùn)式絕對(duì)重力測(cè)量裝置，采用新型的自由落體裝置、激光干涉測(cè)量技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)微伽量級(jí)不確定度的精密重力測(cè)量。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)與工程化設(shè)計(jì)，該儀器有望在國(guó)內(nèi)多個(gè)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(duì)重力儀能夠滿足國(guó)內(nèi)測(cè)力、測(cè)壓、扭矩等元器件及儀器儀表生產(chǎn)商對(duì)精確重力測(cè)量的要求。

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