高精度绝对重力关键技术研究
摘要
重力场是反映地球内部物质结构及其变迁的地球物理基本场,高精度绝对重力观测资料是地震监测预报、地球科学研究、资源勘探等领域研究的基础。国际上虽然很多国家开展了对绝对重力观测技术的探索,但实际上仅有美国Micro-G公司生产的FG5和A10两种类型的绝对重力仪实现了实用化,而且对我国施行出口管制,价格昂贵,维修周期长。我国虽然在20世纪七八十年代由中国计量科学研究院的专家推出了与国际测量精度水平相当的NIM-I和NIM-II两种绝对重力仪,但仅停留在实验样机阶段,未能形成产品。同时,随着近年来我国在时间基准、长度基准、高精度数字化采集与控制、宽频带高精度振动测量技术等领域的飞速发展,使得研究具有自主知识产权的高精度绝对重力仪成为可能。本文首先对绝对重力仪研究的国内外发展动态做了综合性描述,然后针对设计中可能出现的误差源及其影响水平进行量化估计,主要集中对以下3个关键技术进行研究。(1)落体伺服控制技术研究。利用数字控制技术,实现了对落体控制的精确度和稳定性的要求。通过对同轴齿轮系统、拖架理论运动曲线的设计,确定了电机的动作过程。通过对落体控制机构的理论计算,确定了伺服电机的容量。从而在最小化系统自振的前提下,解决了落体的伺服跟踪技术。(2)落体轨迹重建算法与振动干扰抑制技术研究。利用经过外部铷原子钟同步的高速数字化仪对光电接收器输出的干涉带信号进行采样,得到了数字化的干涉带信号。利用数字信号处理技术,提取干涉带上包含的落体相对于参考棱镜的位置和时间信息。这部分经过误差模拟计算表明,其平均误差为0.000 52微伽。同时利用与干涉带信号同步采集的高精度、宽频带参考棱镜的振动信号,开发了一套振动干扰的抑制算法。实验证明,该算法可以补偿地面振动带来的系统偏差和测量精度。通过本部分的研究,解决了高精度重力加速度的计算方法问题。(3)干涉测量的误差补偿技术研究。通过对理想平面上反射镜对光线平行性的影响、分光镜第一面分光比的确定、光线垂直性调节技术分析以及高精度落体的有限元法设计等方面的理论分析,确定了干涉测量系统中的误差源及其对测量结果的影响水平。在实际设计中根据这部分的分析,确定了整套干涉测量系统的测量光路,解决了绝对重力仪中的高精度干涉测量问题。通过对以上3个关键技术的分析研究,笔者所属的研究团队实现了实验样机的构建,通过在白家疃国家重力基准点的误差实验,确定其测量系统偏差为-55微伽(未经误差修正),2小时测量精度优于10微伽。基本实现了高精度绝对重力观测的设计目标,同时也为下一步进行更高精度的绝对重力仪的设计和实验样机的产品化定型准备了相关的关键技术。
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