自由落体式绝对重力仪(A1...测量关键技术与拉力调试方法_王林松.pdf

第 卷 第期 年月 ，中文引用格式：王林松，朱明涛，马险，等自由落体式绝对重力仪（型）测量关键技术与拉力调试方法工程地球物理学报，（）：英文引用格式：，（）：自由落体式绝对重力仪（A10 型）测量关键技术与拉力调试方法王林松，朱明涛，马险，彭桢燃，孙剑伟（中国地质大学 地球物理与空间信息学院，湖北 武汉 ；中国科学院 精密测量科学与技术创新研究院，湖北 武汉 ）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（，）；国家级大学生创新创业训练项目（编号：）第一作者：王林松（），博士，副教授，主要从事绝对重力、时变重力及大地测量方面的研究工作。：摘要：绝对重力仪是目前用于获得重力加速度，并服务于国家重力基准网建设的主要技术力量。综合考虑野外流动绝对重力测量环境和条件要求，型绝对重力仪正成为 型绝对重力仪由室内扩展室外观测的重要帮手；为保证仪器正常运行且观测数据可靠，开展 型绝对重力仪调试与维护关键技术研究十分必要。本文基于 型绝对重力仪与 型相对重力仪在三峡库区七个测点的联测段差对比、数据处理过程中固体潮与高度改正、计量参数激光频率变化、新旧测时卡替换中参数设置变化等重要环节，探讨了 型绝对重力仪野外观测效率、数据处理与仪器校准等关键问题，并且根据使用与测试经验，给出了由于使用年限增加而经常出现落体拉力的调试流程，以上技术总结能够对该仪器长期维护与准确测量等方面提供重要的保障。关键词：型绝对重力仪；观测效率；固体潮与高度改正；调试与维护关键技术中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：，（.，；.，）：第期王林松，等：自由落体式绝对重力仪（型）测量关键技术与拉力调试方法 ，：；引言准确的地球重力值可通过绝对重力仪测量获得，它不仅是大地测量、区域性乃至全球性地球重力场标定的基础，也被广泛地应用于地壳非潮汐形变监测、海平面变化、地震及震后效应、火山活动等现象的研究领域。现代绝对重力仪是一个由精密机械器件、光电元件、各种传感器、智能控制装置等构成的复杂系统，对工作环境有特殊的要求。目前，高精度的 型绝对重力仪已能达到 （即 ）的精度，是我国完成新一代重力基准网建设的主要技术力量。以往 型绝对重力仪应用的观测条件基本上是在室内环境完成，基准台站的稀疏分布限制了其观测的覆盖密度。型绝对重力仪是目前用于野外绝对重力测量的唯一投入商业生产的便携式仪器，自 世纪 年代初期引进国内以来，已成为了野外绝对重力仪测量行业的排头兵，使用单位涉及到地震局、中科院及高校等各个部门，且研究领域广泛。中国地质大学（武汉）是国内较早引进 型（编号 ）绝对重力仪的单位之一，在使用初期，由于仪器性能及相关技术特性尚在摸索之中，相应的技术规范还未制定等因素，出现了许多软硬件上的问题，极大地影响了测量工作。对 这样精度高、机动性强的先进仪器设备，开展其性能特征、野外流动观测技术以及观测数据分析方法的实验与研究，使其能在绝对重力测量中发挥长期有效的作用，不仅十分必要，而且有重要的理论与实际意义。同时，精密重力仪器属于高精端设备且价格昂贵，其硬件保养与维护是保证测量稳定与数据可靠的基本前提，也是延长使用寿命使其能够长期发挥作用的基本保障。鉴于全国拥有绝对重力仪的单位众多，设备类型相对接近，观测者在测量过程中时常会出现硬件与软件的各种问题，甚至会因操作不当、维护不力与认识不深，导致仪器不能正常工作或观测数据存在较大误差，急需相关测量与调试技术支撑，给与从业者关键技术上的支持。本文根据多年来在 型绝对重力仪使用过程中的经验，结合专业领域发表的相关文章，以及在解决各类问题成功与失败的体会，力求从仪器观测与维护的角度，着重描述 型绝对重力仪实际操作和日常维护的关键技术。室外便携式特性 型与 型绝对重力仪是在 基础上的研制升级（主要参数对比见表），两者基本工作原理均采用激光干涉测距、铷钟测时来准确测定真空室内的自由落体运动，利用最小二乘 工 程 地 球 物 理 学 报（）第 卷法对测量得到的多组距离时间数据对进行统计分析，求得重力加速度。型绝对重力仪落体下落距 离 约为 ，相 比 型 绝 对 重 力 仪 的下落距离更短，但同时也限制了 在一次下落过程中采集到距离时间对相对偏少，也使得其观测精度与重复性与 型绝对重力仪存在一定差距（表）。型绝对重力仪采用碘稳态 激光峰波长值完成所有数据采集，而 采用 型偏振稳定氦氖激光器，基于两种波长的激光（红蓝）交替测量完成数据采集，两种激光模式测量均值作为最终结果，可有效消除环境温度变化引起的结果误差。表常用绝对重力仪性能对比 类型原理准确度 精确度 环境温度范围激光器重量 电源 自由落体激光干涉 室外室内 偏振氦氖 交流直流 自由落体激光干涉 室内 碘稳频氦氖 交流但是，型绝对重力仪对于点位环境要求较高，需满足稳定交流电源、环境温度适中且变化小 的 要 求，但 仪 器 质 量 较 大，拆 装 运 输 不便，野外使用受到一定的限制。通过室内的比对结果可以发现，在同样的室内环境下，型绝对重力仪仪器的观测精度与准确度要提高一倍（）。相比而言，型绝对重力仪性能特点主要体现在室外复杂环境下的便捷式运输、安装与现场易测等方面的优势（如重量，用电需求等，见表）。虽然以往也有将 型绝对重力仪应用于室外观测点的事例试验，但需要配备相应的临时移动板房或较大的帐篷等设施，极大地降低了观测效率。测量技术支撑3.1观测效率通过长期的实验研究，王林松等，着重讨论了适合于 型绝对重力仪测量特点的各项测量技术。在采集参数的选择问题上，通过对比认为每个观测点的测量时间控制在 分钟以内即可满足精度要求；应针对观测条件及测点精度要求，合理地选择下落时间、数组及组间间隔时间。型绝对重力仪具有较大的工作环境温度范围，但 型偏振激光器采用的红蓝两个波长容易受到仪器内外温差波动的影响，在较长的观测时间内，由于噪声与干扰因素多，温度变化大，极有可能引起红蓝偏差的动态变化，继而增加最终组间离散度（）。另一方面，以往讨论 型绝对重力仪的观测效率问题仅从仪器本身的安装时间、下落时间、落体组数等角度出发，由于目前实际应用中还未有同等类型绝对重力仪参与到室外环境下的效率对比，因此本文结合 型相对重力仪在三峡库图三峡库区（秭归县内）型绝对重力仪与 型相对重力仪测点分布 （）区个点位（图）的三重小循环联测实验，并计算 型绝对重力仪在同一测段的观测值，对比两种类型仪器的观测效率与段差（表）。结果表明，型绝对重力仪值得到的段差结果与 型相对重力仪相对重力联测互差在 以内，最大为 。考虑到利用 型相对重力仪此次进行单次小循环测量段差精度问题，若要达到更高的精度要求，可能需要多次往返第期王林松，等：自由落体式绝对重力仪（型）测量关键技术与拉力调试方法观测，这就使得利用 型相对重力仪相对重力的观测效率大大降低。此外，型绝对重力仪的观测精度是有保障的，王林松等将 型绝对重力仪段差与台 型相对重力仪的平均段差进行对比，进一步证实了 型绝对重力仪观测精度的可靠性。表 与 重力仪测点段差观测结果对比 段差 段差 观测时间 测点间距离 单边时间 基站 （步行）注：绝对重力值转换至 型相对重力仪弹簧距地面高度 （三脚架 弹簧 ）处；：观测时间包括到达测点后 的安装及观测时间；：除 基站间步行外，其他测点间均使用汽车作为通行方式。3.2关键改正 型绝对重力仪观测数据会受到固体潮、海潮、重力梯度、极移、大气压力变化、光速有限等因素的影响，要获得高精度的观测数据，必须准确地对这些干扰因素进行校正。其中气压校正、极移校正是仪器内部处理软件根据输入参数自行计算校正；光速有限校正采用厂家提供的仪器的标定数值。前人研究工作表明，在远离沿海地区的绝对重力观测，用不同的海潮模型计算得到的海潮重力影响无明显实质性差别，因此本文重点讨论固体潮及重力梯度的影响。固体潮由于理论潮汐所参考的地球模型与实际地球存在差异，所以在改正过程中采用理论固体潮代替实测潮 汐会 带来误 差。作 为一种固体潮汐重力仪，具有高精度的精度和分辨率，可以灵敏地监测到地球重力场在最小时间尺度上的微小变化，可有效观测地球固体潮信号。本次观测以 重力仪实测以及基于 理论固体潮模型（等提出的分层、自转、微椭、非弹性地球模型和非流体静力平衡的地球模型）得到的重力潮汐数据，分析了较短时间内 型绝对重力仪理论潮汐改正问题。结果表明（图），型绝对重力仪中使用的 理论固体潮与 潮汐重力仪观测及模拟的结果有很好的一致性；此外，未经固体潮改正的 型绝对重力仪观测值（图 黑色散点，设置组数 十组，每组 个 ，下落时间，观测结果去除了绝对值均值）的落体离散度远高于 观测的背景噪声，并且呈现出非线性增加的固体潮变化趋势。本文的对比结果显示，型绝对重力仪在较高观测效率前提下的理论固体潮改正能够满足观测精度要求。若进行室内基准站测量工作，可根据实际条件与精度要求考虑使用实测潮汐数据改正，或适当增加观测时间以保证理论模型的改正精度。重力垂直梯度高精度的垂直重力梯度测量在绝对重力观测中发挥着重要作用，有效地应用于自由落体运动获得重力加速度的最小二乘拟合过程中，特别是将仪器初始高度绝对重力值转换到地面或其他固定参考高度时，更加需要高精度的垂直重力梯度值。根据三峡库区所选的个室外测点观测的重力垂直梯度变化（图），发现最大年际变化值可达 ，若考虑将 型绝对重力仪观测值转换到地面处，其高度改正误差可达约 。因此，对于 型绝对重力仪给定的 的精度，因不同时期重力垂直梯度的影响带来的转换误差不可忽略。在实际观测中，应重视重力垂直梯度的空间与时间变化，并在充分了解各类重力仪感应器件高度的基础上，设计合适 工 程 地 球 物 理 学 报（）第 卷图 基准站（秭归台）型绝对重力仪与 重力仪同址观测 （）注：图（）中红线为利用 处理 连续重力数据得到的 固体潮模型理论值；图（）中绿色标记为 型绝对重力仪中“”绝对重力测量数据采集与处理软件的 固体潮模型理论值。图三峡库区个测点重力垂直梯度年变化 的重力垂直梯度观测的段差区间，以减少不同高度重力垂直梯度变化的影响。一般而言，基于地震重力规范重力垂直梯度要求为 ，以往主要利用 型相对重力仪在测点进行“下上下”多组往返测量，每组得到一个重力段差值，其观测精度的提升与观测次数成反比关系，但一昧地追求精度而做过多的往返测量会耗费过多时间。通过试验发现，利用 型相对重力仪并且选取 为标准观测重力垂直梯度时，若满足的精度要求为 ，所需的独立增量个数。考虑到场地环境特别是地形引起的重力垂直梯度在不同高度存在差异，且高度段差小于 ，为保证观测质量，一般 最 佳独 立 增量 个 数为 个能 够满 足规范要求。3.3计量参数目前检验绝对重力仪观测精度、稳定性及系统偏差的方法主要有两种：一是不同型号重力仪之间定期进行一致性比对，例如四年一届的国际绝对重力仪比对；二是定期对其主要第期王林松，等：自由落体式绝对重力仪（型）测量关键技术与拉力调试方法核心部件（激光和铷钟）进行标定 ，进而更新这些直接影响测量标准准确性的计量参数，对于 型绝对重力仪而言，定期的激光频率和铷钟标定则十分重要。型绝对重力仪采用偏正稳定的氦氖激光器，通过平衡两个 模式来获得平稳的频率，但两个激光频率会随时间发生漂移，温度变化也会对红蓝激光产生影响。图是 仪器六次激光标定变化，结果显示其中心频率有向上漂移趋势，此变化对最终观测重力值的影响是不能忽视的，所以要定期对激光进行校准。在 年四次标定中，铷钟的变化较小，对测量结果影响微弱。铷钟会以每年 的速率衰老，导致重力值每年 变化，所以铷钟校准周期可适当延长，并根据具体观测精度要求定期对其进行标定。由于仪器使用年限的问题，仪器内部电路板或元器件经常出现问题，造成观测任务无法顺利展开。以仪器测时单元为例，目前该核心部件厂家已对其进行了升级，且需要相应的软件与硬件接口配套。例如：采集处理软件由“”更新为“”，在 测 量时需 将 由 改 为 ，并在其 中修改 端口（若测时板驱动异常，在设备管理器中检查 数字是否与 端口匹配）。图 绝对重力仪红蓝激光频率变化 表 测试卡更换后新旧代表性参数设置对比 （