白 磊，張為民*，邢樂(lè)林，李建國(guó)，何志堂

（1.中國(guó)科學(xué)院 測(cè)量與地球物理研究所 大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430077；2.中國(guó)地震局 地震研究所 地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071；3. 61365部隊(duì)，天津 300140；4.國(guó)家測(cè)繪地理信息局 第一大地測(cè)量隊(duì)，陜西 西安 710054）

FG5x-246與FG5絕對(duì)重力儀比對(duì)測(cè)量實(shí)驗(yàn)

白 磊1，張為民1*，邢樂(lè)林2，李建國(guó)3，何志堂4

（1.中國(guó)科學(xué)院 測(cè)量與地球物理研究所 大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430077；2.中國(guó)地震局 地震研究所 地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071；3. 61365部隊(duì)，天津 300140；4.國(guó)家測(cè)繪地理信息局 第一大地測(cè)量隊(duì)，陜西 西安 710054）

介紹了FG5x在FG5絕對(duì)重力儀基礎(chǔ)上的改進(jìn)，以及FG5x-246與FG5絕對(duì)重力儀比對(duì)測(cè)量實(shí)驗(yàn)的情況，并分析了測(cè)量結(jié)果。研究結(jié)果顯示，F(xiàn)G5x-246與FG5絕對(duì)重力儀的觀測(cè)結(jié)果沒(méi)有明顯差異，二者一致性較好；FG5x-246抗干擾能力較強(qiáng)，觀測(cè)重復(fù)性較好，離散度優(yōu)于±1×10-8ms-2，其測(cè)量性能較FG5有所提升。

FG5x-246；FG5；比對(duì)；絕對(duì)重力測(cè)量；測(cè)量精度；離散度；標(biāo)準(zhǔn)差

絕對(duì)重力測(cè)量不僅可獲得地面觀測(cè)點(diǎn)上的絕對(duì)重力值，而且可以它為基準(zhǔn)，進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)以監(jiān)測(cè)重力場(chǎng)的變化，從而進(jìn)一步獲得與地球內(nèi)部物質(zhì)遷移、地殼運(yùn)動(dòng)等有關(guān)的變化特征，為大地測(cè)量、地球物理、地球內(nèi)部動(dòng)力學(xué)機(jī)制、環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)提供重要依據(jù)[1,2]。目前國(guó)內(nèi)外用于絕對(duì)重力測(cè)量的絕對(duì)重力儀主要有FG5型和A10型。這兩種型號(hào)的絕對(duì)重力儀均由美國(guó)Micro-g LaCoste公司研制生產(chǎn)，而FG5x型絕對(duì)重力儀（簡(jiǎn)稱(chēng)FG5x）是FG5的最新型號(hào)。FG5x標(biāo)稱(chēng)精度為±2×10-8ms-2[3]。

2013年6月中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所引進(jìn)了FG5x-246絕對(duì)重力儀。為確保該儀器實(shí)測(cè)成果的可靠性，2013年6月16日～7月8日，F(xiàn)G5x-246與多臺(tái)FG5分別在多個(gè)點(diǎn)位上進(jìn)行比對(duì)測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

1 FG5x與FG5的比較

1.1 基本原理

FG5x是FG5的改進(jìn)型，其工作原理一致，即在真空狀態(tài)下，通過(guò)激光干涉條紋和銣原子頻標(biāo)分別精確測(cè)定落體塊自由下落運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的位置與時(shí)刻，再根據(jù)自由落體運(yùn)動(dòng)方程式求得測(cè)試點(diǎn)的重力值。計(jì)算公式為：

圖1 FG5絕對(duì)重力儀基本原理

1.2 FG5x在FG5基礎(chǔ)上的主要改進(jìn)

1）自由落體距離增加：FG5x落體塊的自由落體長(zhǎng)度比FG5長(zhǎng)，距離約增加65%（約13 cm），時(shí)間約增加30%（約60 ms）。

2）落體塊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改進(jìn)：將原有的單軌升降系統(tǒng)改進(jìn)為雙軌平衡升降系統(tǒng)，以減小機(jī)械反沖力和空氣對(duì)自由落體的影響，且因?yàn)樯迪到y(tǒng)自平衡，儀器運(yùn)輸時(shí)無(wú)需鎖擺；加大了伺服馬達(dá)的動(dòng)力；采用直插式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)減小了落體塊的水平位移；重新設(shè)計(jì)的落體塊減小了磁場(chǎng)對(duì)加速度的影響。

3）電子控制系統(tǒng)改進(jìn)：減小了電子控制箱的體積；改進(jìn)了伺服控制器的微處理器；采用了新的數(shù)據(jù)采集和處理軟件g9；增加了網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制端口。

2 比對(duì)測(cè)量實(shí)驗(yàn)介紹

2013年6月16日～7月8日，F(xiàn)G5x-246與4臺(tái)FG5（儀器號(hào)分別為112、214、232、240）分別在4個(gè)不同點(diǎn)位（見(jiàn)表1）進(jìn)行了絕對(duì)重力測(cè)量。測(cè)量參數(shù)設(shè)置統(tǒng)一為：總組數(shù)不少于24組，組間時(shí)間間隔30 min，每組落體個(gè)數(shù)100個(gè)，落體間隔時(shí)間10 s。

3 比對(duì)測(cè)量過(guò)程及結(jié)果分析

比對(duì)測(cè)量過(guò)程如表2所示。比對(duì)測(cè)量結(jié)束后，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了整理和分析。

表3為統(tǒng)一用g9數(shù)據(jù)采集和處理軟件對(duì)絕對(duì)重力比對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣壓、固體潮、海潮、參考高度、極移、重力梯度等改正后[9]，各臺(tái)儀器在各點(diǎn)的獨(dú)立結(jié)果（基于保密等級(jí)，重力值只顯示最后3位）。

表1 觀測(cè)點(diǎn)位信息

表2 各臺(tái)儀器在各點(diǎn)測(cè)量時(shí)間（2013年）

表3 比對(duì)測(cè)量獨(dú)立結(jié)果/10-8ms-2

其中，測(cè)量精度、離散度由g9軟件給出。標(biāo)準(zhǔn)差由式（2）計(jì)算得出：

式中，σ為標(biāo)準(zhǔn)差； N為每點(diǎn)總組數(shù)；xi為每組測(cè)量值；μ為組算術(shù)平均值。

通過(guò)分析表3數(shù)據(jù)可得到5臺(tái)儀器在各測(cè)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果指標(biāo)對(duì)比，如表4所示。

由表4可以看出，F(xiàn)G5x-246在本次比對(duì)測(cè)量結(jié)果中，各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于4臺(tái)FG5。尤其在同等測(cè)量條件下，F(xiàn)G5x-246測(cè)量結(jié)果的離散度明顯優(yōu)于FG5，且在4個(gè)測(cè)點(diǎn)的離散度浮動(dòng)范圍最?。ā?.62×10-8ms-2～ 0.93×10-8ms-2），這說(shuō)明FG5x-246比FG5有更好的抗干擾性。結(jié)合FG5x在FG5基礎(chǔ)上的改進(jìn)，比對(duì)測(cè)量結(jié)果的成因?yàn)椋?/p>

表4 各臺(tái)儀器測(cè)量結(jié)果指標(biāo)對(duì)比/10-8ms-2

1）自由落體距離增加，采樣點(diǎn)數(shù)增多。由前文所述FG5和FG5x的工作原理和式（1）可知，在同等測(cè)量條件下（相同的激光干涉、銣原子頻標(biāo)和測(cè)量環(huán)境），每一次自由落體采集的xi和ti越多，則計(jì)算出的g0越精確。

將一對(duì)xi和ti稱(chēng)為一個(gè)采樣點(diǎn)。FG5-112的采樣點(diǎn)數(shù)為每次落體512個(gè)，F(xiàn)G5-214為每次落體601個(gè)，F(xiàn)G5-232為每次落體610個(gè)，F(xiàn)G5-240為每次落體601 個(gè)。由于FG5x-246比FG5的自由落體距離增加了約13 cm，時(shí)間增加了約60 ms，其采樣點(diǎn)數(shù)為每次落體1 212個(gè)。

2）采用雙軌自平衡升降系統(tǒng)。在FG5上采用的是單軌升降系統(tǒng)，即只有一組滑輪組和導(dǎo)軌控制落體塊的升降。而在FG5x上采用的是雙軌自平衡升降系統(tǒng)，即兩組對(duì)稱(chēng)的滑輪組和導(dǎo)軌控制落體塊的升降，且這套系統(tǒng)即便是在沒(méi)有動(dòng)力的情況下也能保持自平衡。伺服馬達(dá)的振動(dòng)在兩條導(dǎo)軌上相互抵消，極大程度上減小了伺服馬達(dá)的自振干擾，能更好地控制落體塊的升降。

3）更大動(dòng)力的伺服馬達(dá)。FG5x增加了伺服馬達(dá)的功率，使其能更自如的控制落體塊。

4）重新設(shè)計(jì)的落體塊。Micro-g LaCoste公司在FG5x上重新設(shè)計(jì)了落體塊，使落體塊對(duì)外部磁場(chǎng)的敏感性明顯小于FG5[10]。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）FG5x-246與4臺(tái)FG5的實(shí)測(cè)結(jié)果一致性很好，不存在明顯的系統(tǒng)偏差，且在各測(cè)點(diǎn)FG5x-246測(cè)量結(jié)果與平均結(jié)果差距很小（最大為-1.94×10-8ms-2），說(shuō)明該儀器準(zhǔn)確度較好。

2）在測(cè)量環(huán)境穩(wěn)定的情況下FG5x-246的離散度優(yōu)于±1×10-8ms-2，明顯優(yōu)于FG5，具有良好的穩(wěn)定性，可滿足絕對(duì)重力測(cè)定技術(shù)要求。

3）FG5x-246在各點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果指標(biāo)均明顯優(yōu)于FG5，說(shuō)明在相同測(cè)量環(huán)境下FG5x相對(duì)于FG5在測(cè)量性能上有一定提升。

[1] 王勇,張為民.FG5絕對(duì)重力儀[J]. 地殼形變與地震, 1996, 16(2):94-97

[2] 張為民,王勇,周旭華.我國(guó)絕對(duì)重力觀測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究與展望[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2008,28(1):69-72

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P223.1

B

1672-4623（2016）03-0104-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.03.034

白磊，碩士，工程師，主要從事絕對(duì)重力測(cè)量及研究工作。

2015-03-31。

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)資助項(xiàng)目。（*為通訊作者）