基于冷原子干涉原理的机载绝对重力测量

重力场测量在地质勘查、灾害预报、测绘与导航等领域均具有重要的意义,其中,航空重力测量因全地域、快速、成本低等优势而被广泛应用[1-8]。目前,航空重力测量所采用的仪器均属于相对式重力仪[4,6-7],而冷原子航空绝对重力仪具有无漂移、高精度等优势[9-11],因此成为未来航空重力测量的重要发展方向,受到国际资源勘查与自主导航领域的高度关注。在国际上,目前只有法国实现了基于冷原子干涉的机载重力测量实验验证,国内尚未有相关实验研究报道[12-17]。

基于冷原子重力仪的轨道移动绝对重力测量

绝对重力测量在铁路路基探测等领域发挥着重要作用,但大多数室外移动重力仪结构复杂或精度一般,可使用的范围有限。研制了一套轨道移动绝对重力测量系统,实现了高集成的系统结构设计、自动化的测试流程,开展了实验室及轨道环境下的绝对重力测量,测量结果可靠。首先,在实验室环境下重力测量灵敏度达到了440μGal⋅Hz^(-1/2),测量300 s的误差小于30μGal。其次,在炎热、嘈杂的室外轨道移动条件下,绝对重力测量不确定度优于15μGal,与相对重力仪(LG-1)的测量偏差优于40μGal。最后,轨道环境下的重力测量灵敏度达到707.9μGal⋅Hz^(-1/2)。所提出的轨道移动绝对重力测量系统可以在室外条件下进行快速重力测量,为铁路路基探测提供了新的仪器与解决方案。

重复绝对重力测量观测的滇西地区和拉萨点的重力变化及其意义

根据近年来在滇西地区和西藏拉萨绝对重力点上的一些新的绝对重力重复观测结果 ,对 1990年以来在这些点上绝对重力重复观测结果进行了分析 .滇西地区的 5个绝对重力观测点的近 10年的重复观测结果表明 ,大部分观测时段没有出现与地球动力学事件有关的重力变化 ,只有丽江和洱源 2个绝对重力观测点的观测结果显示丽江地震前后有变化 .为了研究该重力变化的原因 ,本文正演模拟了出现重力变化期间丽江地震同震位错引起的重力变化 ,模拟结果与实际观测结果有较好的一致性 .西藏拉萨近 10年以来的重复观测结果给出了拉萨点的绝对重力值以 - 1.82± 0 .9× 10 - 8m·s- 2 ·a- 1 速率下降 ,这从重力学的角度反映出青藏高原的隆升 .对拉萨点的重力变化机制进行了探讨 ,根据印度板块与欧亚大陆俯冲模型计算的拉萨点重力变化速率与观测到的重力变化速率较一致 ,表明现今拉萨地区重力变化是由于印度板块与欧亚大陆俯冲所引起 .根据印度板块向欧亚大陆俯冲的位错模型计算的拉萨点的重力变化与地表垂直位移的关系 ,将重力变化转换为拉萨点的隆升速率为 8.7mm a .

基于双干涉仪的自由落体绝对重力测量

为了避免用光学干涉法测量自由落体绝对重力过程中落体旋转对测量结果准确度的影响,提出了基于双干涉仪的绝对重力测量方法。介绍了落体旋转影响绝对重力测量结果的机理,提出了对同时测量的两组干涉仪数据进行融合处理的方法。根据预先设定的重力值,双干涉仪中落体上、下反射棱镜光心与质心垂直方向的初始高度差,以及随机生成的每次测量对应的角速度序列和振动引起的上、下干涉仪重力测量偏差序列,进行了仿真计算。结果表明:光心-质心的距离为2.5mm的双干涉仪通过数据融合处理得到的重力测量结果的偏差约为0.5μGal,标准偏差约为0.3μGal,与现有调校落体光心-质心的方法得到的结果相当。选择合适的上、下棱镜光心-质心距离可以更好地消减落体旋转对测量结果的影响,将其分别设计为±3mm时,用双干涉法数据融合得到的重力值偏差小于1μGal,满足相关领域对精密重力测量的需求。

基于原子重力仪的车载静态绝对重力测量

目前大多数原子重力仪的装置复杂、体积庞大、环境适应性差,不能应用于野外进行绝对重力测量,这限制了原子重力仪的应用领域.本文利用自研的小型化原子重力仪,集成了一套车载绝对重力测量系统.该系统主要由原子重力仪、被动平台隔震系统、位姿平台调平系统、差分GPS测高系统、不间断电源供电系统及车载空调温控系统等组成.首先,本文对该测量系统的车载环境适应性进行了评估,发现在野外40℃高温、8°大倾角普通路面的环境下,该系统仍然能够正常工作;其次,介绍了车载绝对重力测量的实验步骤及数据处理方法,并测量了车头朝向对绝对重力测量的影响.最后,在野外平坦路面上进行了重复测线工作,评估了系统的内符合绝对重力测量精度,结果约为30μGal;在野外大倾角山体路面,通过测量不同海拔高度点的绝对重力值,得到了地球的垂直重力梯度值,约为-231(36)μGal/m.本文结果为野外绝对重力勘测提供了依据.

FG5绝对重力仪及测点3053的绝对重力测量

介绍了FG5型绝对重力仪的历史、设计特点及其重力确定与改正方法,对测点3053进行了绝对重力测量,分析了观测数据和结果,给出了几点实用的建议。

绝对重力测量在云南和北京观测到的重力时间变化

中国地震局地震研究所与德国汉诺威大学大地测量研究所于１９９０、１９９２和１９９５年共同在滇西地震预报实验场和昆明进行了３次绝对重力测量。此外，１９９０、１９９２年在北京，１９９０年在武汉也进行了绝对重力测量。通过对各次绝对测量的结果进行比较，并与其它重力仪获得的数据的对比估算了它们的可靠性，进而详细地讨论了各个测点的重力变化。研究发现：在香山、黑龙潭、下关和保山观测到了－０１０μｍｓ－２以上的重力变化，其中前两个点是地下水位变化引起的，后两个点是地震活动引起的。此外，在北京的白家疃和昆明的野毛山不同时间的测量结果差异更大。

大倾斜角度下基于冷原子重力仪的绝对重力测量

冷原子重力仪的倾斜角会对绝对重力测量产生显著的影响.高精度的绝对重力测量需要对重力仪的倾斜角进行精确的测量、控制及校正.本文从理论上分析了四种不同情况下倾斜对绝对重力测量的影响规律,并在实验上对得到的理论进行了实验验证.基于此,设计了一种基于双倾斜计的绝对重力测量方案,主要是为了解决恶劣测量环境下的冷原子重力仪倾斜漂移问题.此方案利用高精度倾斜计记录放置在被动隔振平台上的拉曼反射镜的倾斜角度,并使用另外一个倾斜计监控真空系统的倾斜,以实现振动噪声的抑制和倾斜的高精度测量.基于自研的小型化冷原子重力仪,对该方案进行了实验验证,并最终实现了车间复杂环境下的高精度绝对重力测量.由于倾斜得到精确测量和补偿,冷原子重力仪的测量精度达到了12.3μGal.本文为复杂环境下的高精度绝对重力测量提供了一种可行的方案,为冷原子重力仪的实用化提供了参考数据.

绝对重力测量值的改正

从实用角度出发 ,研究了在中国重力基本网 2 0 0 0 (CGBN2 0 0 0 )精度要求下 ,仪器误差、潮汐引力、气压、极移和地下水变化等影响因素的计算公式和存在的问题 ,给出了一组便于实际测量应用的计算公式 ;同时对潮汐因子的取值、海潮模型的选取、非构造因素中地下水活动等问题进行了讨论。

高精度绝对重力测量在地壳垂直运动研究中的作用和应用前景

对现代高精度绝对重力仪器的发展作了回顾，着重就高精度绝对重力测量在地壳垂直运动监测及其力学机制研究中的能力和作用等进行了分析，总结了我国目前绝对重力测量研究现状，并讨论了高精度绝对重力测量在我国地壳运动监测和研究中的应用前景。

绝对重力测量异常值的局部异常因子检测算法

自主研发绝对重力仪的测量结果中出现的离群程度不同的异常值会直接影响测量结果的准确度和测量精度。目前一般采用的一元正态分布异常值检测算法漏检率高,容易造成测量结果的偏差和测量精度的下降。利用人工智能算法中的局部异常因子异常值检测算法,可以在线、快速、高效地完成自主研发绝对重力测量数据的异常值检测。首先,根据实测数据构建测试数据集,利用数值模拟确定局部异常因子算法邻域宽度参数的取值;然后,基于实测数据进行异常值检测并进行结果评估。评估结果表明,局部异常因子异常值检测算法对离群程度不同、连续出现异常值等情况检测效果明显优于一元正态分布异常值检测算法,组测量精度平均提高9.37μGal,可以作为自主研发绝对重力仪异常值检测的通用算法完成组测量结果的异常值检测。

1990年中、芬两国在中国境内的绝对重力测量

本文叙述了中国８个点（其中包括北京和南宁两个国际绝对重力基本网点）上的绝对重力测量．重力值的不确定度（２σ）为１０×１０－８ｍ·ｓ－２．并将这些点的测量结果与同一点上的其他仪器的测量结果作了比较．

北京和南宁国际绝对重力基本点上首批绝对重力测量结果

本文简要介绍了北京和南宁两个国际绝对重力基本网（IAGBN）点的点位和环境条件，列出了这些点上的首批绝对重力测量结果及所使用的仪器。在北京点的测量结果表明，不同仪器的测量结果间差异很小。将IAGBN点的1990年观测值通过换算后求得了同一城市的我国1985重力基本网（85网）点的重力值，与1981年意大利绝对重力仪IMGC的测量结果和85网的平差值作了比较。

绝对重力测量的成果分析

影响高精度绝对重力测量的因素很多,其中数据采样的多少是一个直接的因素。合理数据采样量的设置既可以保证数据精度,又可以减少对仪器的损耗,从而达到科学地利用仪器的目的。

船载系泊状态下基于原子重力仪的绝对重力测量

重力场是反映地球质量分布及变化的重要参数,动态重力测量在地质调查、地球物理、资源勘探等领域有着重要应用.目前动态重力测量均基于相对测量原理,动态相对重力仪存在零点漂移问题,影响其测量性能.动态绝对重力仪可以为相对重力仪提供同步同址校准,解决其长漂问题,因此备受关注.本文基于原子重力仪和惯性稳定平台,搭建了一套船载绝对重力动态测量系统,并在船载系泊状态下开展了绝对重力动态测量实验.经评估,船载系泊环境下的重力测量灵敏度为16.6 mGal/Hz^-1/2,1000 s积分时间内重力测量的分辨率可达0.7 mGal.通过两周的绝对重力测量,评估了系统的稳定性.为了评估绝对重力的动态测量精度,将船上测量点与码头高精度绝对重力基准点的绝对重力值进行了比较,两点之间的绝对重力值差及其不确定度评估结果为(–0.072±0.134)mGal.本文结果为海洋相对重力仪的同时同船校准提供了一种新方案.

基于扩展卡尔曼滤波算法的船载绝对重力测量数据处理

基于冷原子干涉仪的高精度绝对重力动态测量为海洋重力测量提供新的手段,因而备受关注.利用自己搭建的船载冷原子干涉式绝对重力测量系统,在中国南海某海域开展了一系列测量实验.在动态条件下,测量噪声的抑制对测量性能的提升至关重要.本文根据船载绝对重力动态测量系统的物理模型,提出了一种基于扩展卡尔曼滤波算法的动态绝对重力数据处理方法,对观测的原子干涉条纹数据进行了时域滤波处理,获得了绝对重力值的最优估计.基于该处理方法将航速小于2.1 km/h条件下的绝对重力测量灵敏度从300.2 mGal/Hz^(1/2)提升至136.8 mGal/Hz^(1/2)(T=4 ms).此外,将处理后的数据与利用地球重力模型(XGM2019)计算的数据进行了比对,发现两者符合度较好.这些结果证实了本文提出的数据处理方法的有效性,并为船载冷原子干涉式绝对重力测量系统的测量噪声的抑制提供了一种新的处理方法.

绝对重力测量中振动传感器振动补偿性能的分析

绝对重力测量的精度主要受振动噪声的限制.振动补偿是一种简单可行的振动噪声处理方法,它通过传感器探测振动噪声来对测量结果进行修正.现阶段对于不同传感器的振动补偿性能缺乏系统的分析与评估,仅停留在应用阶段.本文从理论出发分析了传感器性能对补偿效果的影响,并通过实验评估了不同振动环境下不同传感器的振动补偿性能.实验结果显示,采用低噪声地震计的振动补偿效果主要受带宽和量程的限制,在安静环境下可实现优于百微伽的单次测量标准差,但补偿效果随振动噪声高频成分的增强而降低,在动态环境下地震计则受量程限制而无法工作.采用加速度计的振动补偿效果主要受分辨率的限制,在复杂和动态环境下均可实现毫伽量级的单次测量标准差.本文为振动补偿技术应用于绝对重力测量提供了振动传感器选型的理论和实践依据,有望为振动补偿技术的进一步发展提供技术支撑.

2000国家重力基本网部分站的最新绝对重力测量

为分析部分2000国家重力基本网点的长期稳定性,应用FG5/240绝对重力仪在该网的永兴岛和郑州站进行了绝对测量。对观测结果的处理表明,观测精度优于5×10-8ms-2;同时对观测值及其对应的2000国家重力基本网点的重力值进行了比较,得出两者之间重力值差异变化。

绝对重力测量的进展及其研究动向

本文介绍了绝对重力仪和绝对重力测量的进展,提供了最近十几年来国际上绝对重力测量进行比对的结果。根据有关先进国家的研究计划,分析和讨论了绝对重力测量的发展趋势。