重力测量的历史、现状与展望

随着基础研究和空间技术对地球动力学和地球内部精细结构的需求日增。利用重力场数据研究相关问题显得愈来愈重要。地球表面重力加速度是最重要、最常见的物理量。几百年来，已有许多科学家在理论和实验上做出了努力．力图不断提高其测量准确度。

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。

CCM.G-K2国际比对和NIM-3A型绝对重力仪

基于激光干涉法的自由落体原理,中国计量科学研究院研制了最新的NIM-3A型绝对重力仪。该仪器参加了第9届全球绝对重力仪国际比对CCM.G-K2,根据公布的国际比对结果,NIM-3A型绝对重力仪的测量结果与参比各仪器的测量结果达到了等效一致,测量结果的合成标准不确定度为5.3μGal。

超小型绝对重力仪主机系统设计

为了解决NIM-3A和NIM-3C绝对重力仪传动方式在车载、共基座上使用时会产生自振及磁性材料对重力数据准确度和稳定性影响的问题,设计了一套超小型绝对重力仪主机系统,通过传动托盘的伺服跟踪运动改为托盘先行下落的落体测量过程无其他内部机械运动的测量方式等新设计,消除自振及磁性材料的影响。在主机系统重质量减小至30 kg的情况下,测量速度较NIM-3A绝对重力仪的3次/min提高到6次/min,预估测量不确定度由NIM-3C重力仪的30μGal提高到10μGal。

绝对重力仪国际比对现状

当前负责重力测量的国际组织CCM-WGG和SGCAG决定今后将举办绝对重力仪区域性国际比对,并开始着手在世界范围内选择区域性国际比对点.CCM-WGG和SGCAG制定了国际比对的技术规范,讨论了绝对重力仪比对申请为关键性国际比对的议案.本文将介绍相关的国际情况以及中国计量科学研究院在这方面所做的工作.本文还将介绍2005年第七次国际绝对重力仪比对的情况和初步结果.

光干涉绝对重力仪衍射修正

针对绝对重力仪的衍射修正进行研究计算。在光干涉绝对重力仪测量原理基础上,分析并得到激光的高斯特性给重力加速度测量带来的影响。利用90/10刀口法测算激光特性参数(束腰半径),推算得到光衍射(激光的高斯特性)引入的重力加速度值相对修正量。结果表明:激光束腰半径为1.1586mm,使用该高斯激光束给重力加速度值引入的偏差,其相对修正量为7.56×10^(-9)。该方法适用于光干涉绝对重力衍射修正量的计算。

绝对重力仪国际比对新动态

全球绝对重力仪国际比对活动从1981年起每隔4年在法国国际计量局举办。近两年来，该比对活动发生了一些变化，同时，区域性绝对重力仪国际比对活动日益兴起。中国计量科学研究院代表我国参与了这方面的工作，并介绍了中国计量科学研究自主研制的NIM—Ⅱ型绝对重力仪参加2009年第8届全球绝对重力仪国际比对的情况和结果。

光干涉绝对重力仪测量A类不确定度优化

光干涉绝对重力仪采用迈克尔逊干涉仪监测被测落体的下落位移。干涉仪的参考棱镜需相对于地球中心静止,然而置于地面上的参考棱镜会随着地面振动,这将使干涉法所测的落体相对于地球的位移变化有偏差,直接影响重力仪单次测量数据的准确性,同时增大了多次测量数据的分散性。因此,针对NIM-3A型绝对重力仪提出了全新的测振补偿法,利用高精度测振传感器监测地面振动,并将它补偿到干涉法监测的被测落体下落位移上。实验结果表明:测量结果的A类不确定度优化了7.8倍,且未出现系统偏差。该方法在未出现系统偏差的情况下,有效提高了单次测量数据的准确性,减小了多次测量数据的分散性,优化了测量结果的A类不确定度。

重力测量国际进展

在大地测量、地球物理学、地质学、计量领域中,对精确且可溯源的绝对重力测量的需求不断增加.重力测量的国际组织相继建立,组织国际绝对重力仪比对和区域性比对,推动重力测量的不断发展.本文介绍了历届国际组织的联席会议和国际绝对重力仪比对情况.

绝对重力仪国际比对方法

重力计量的主要任务之一是确保全球重力测量活动的国际互认和量值统一,以及确保各行各业重力测量结果的溯源性和准确性.中国计量科学研究院先后主办了第一届亚太区域绝对重力仪国际比对和第十届全球绝对重力仪国际比对(ICAG-2017),本文结合主导国际比对活动的经验,首先介绍了国际比对的准备和组织工作,包括比对前的垂直重力梯度和潮汐模型的观测、比对期间开展的衍射光束修正量测量和测量点位安排等.其次,基于数据预处理、观测模型、约束方程等进行比对数据处理,通过符合性检验验证仪器不确定度的评估是否合理,最终可以计算得到仪器的等效度及短期复现性.最后结合对历次比对结果的比较,分析了国际比对对大地测量研究及应用中提升观测数据准确性的重要意义,提出现阶段重力计量工作面临的一些问题.

第10届全球绝对重力仪关键比对相对重力测量

2017年10月至12月,中国计量科学研究院作为主导实验室,组织全球14个国家的计量院或其指定实验室进行了第10届全球绝对重力仪关键比对(CCM. G-K2. 2017)。由于不同类型绝对重力仪参考高度不一样,此次比对相对重力测量主要实现将不同参考高度测得的绝对重力值归算到同一高度进行比较。根据比对初步结果,相对重力测量结果的合成标准不确定度优于4μGal,确保了此次比对最终结果的准确有效。

面向绝对重力仪的光束垂直性快速调节

为了减小自由落体式光学干涉型绝对重力仪中光束垂直度对重力测量准确度的影响,提出了一种基于双层液体光楔对光束的可变偏折实现光束垂直性自校正的快速调节方法。当光束偏离铅锤方向时,利用液面天然水平的特性,使液体在重力的作用下形成可变液体光楔,自上而下的光束经双层液体光楔时光束传播方向发生偏转,合理地匹配双层液体的折射率,使它偏离铅锤方向的夹角得到实时修正。搭建光束垂直性自校正装置并进行实验验证,结果表明,装置的角度抑制比优于18.0,当装置倾斜角度不大于2.7′时,出射光束偏离铅锤方向不超过9.0″,对应于重力加速度的测量误差小于1μGal(1μGal=10-8 m/s2)。将本方案用于自由落体式的重力加速度测量,仅通过条式水平仪调平便可实现光束垂直性的快速准确调节,同时还能抑制测量过程中光束垂直性缓变带来的影响。

利用NIM-3C型绝对重力仪进行西藏地区重力校准

为贯彻落实市场监管总局和中国计量科学研究院援藏工作的具体安排和部署,在“国家市场监督管理总局科技计划项目”支持下,由西藏自治区计量测试所牵头,联合中国计量科学研究院共同实施了“西藏高海拔地区重力加速度多站点测量研究”项目。项目组在2023年5月至2023年6月期间,携带国产NIM-3C型绝对重力仪,远赴西藏自治区拉萨市、日喀则市、珠峰、阿里等地区,给当地计量机构和珠峰地区准确传递了重力加速度量值,确保了当地重力加速度量值的有效性、可靠性、溯源性,顺利完成了项目工作目标,获得了世界海拔最高的绝对重力测量成果,取得了较好的社会效益。同时,验证了NIM-3C型绝对重力仪在高海拔地区良好的环境适应性和可靠性。

国家重力计量参考网的初步建立研究

重力加速度的计量有着非常重要的作用,不仅体现在计量科学和防震减灾等基础研究领域,还体现在压力、测力、衡器和大地测量等专业的实际应用领域。2016—2020年,中国计量科学研究院承担并实施了"重力计量专题服务"项目,项目组远赴西藏、新疆和香港等地区,顺利完成了50余个站点重力加速度的量值传递,初步建立了国家重力计量参考网。以后将进一步完善国家重力计量参考网。

利用国产绝对重力仪进行南极中山站重力校准

2019-2020年南极夏季期间,中国第36次南极科学考察队利用中国计量科学研究院自主研发的国产NIM-3C型绝对重力仪在南极中山站进行了绝对重力测量,给极区海洋重力提供了计量校准点,并进行了30天以上的连续观测研究。该计量校准点的绝对重力校准值的标准不确定度优于3×10^(-7)m·s^(-2),填补了我国目前极区海洋重力量值无法溯源到国家计量基准的空白,建立了自主可控的可溯源至国际单位制的极区海洋重力溯源体系。

西藏自治区计量部门的绝对重力测量

为了贯彻落实国家质检总局和我院援藏工作的具体安排和部署，由“国家计量基标准资源共享平台项目”支持，中国计量科学研究院与西藏自治区计量测试所共同承担并实施了“西藏重力计量专题服务”项目。项目组在2016年7月18日至2016年8月23日期间，远赴西藏自治区，行程上万里，给西藏自治区七个计量机构准确传递了重力加速度量值，确保了西藏自治区力值和压力量值的测量准确，顺利的完成了既定工作任务，取得了较大的社会效益。

新疆维吾尔自治区计量部门的重力计量

为了贯彻落实国家有关部门和我院援疆工作的具体安排和部署,由“国家计量基标准资源共享平台项目”支持,中国计量科学研究院承担并与新疆维吾尔自治区计量测试研究院合作实施了“重力计量专题服务”项目。项目组在2019年6月26日至2019年7月12日期间,用实验室自主研发的NIM3A绝对重力仪给新疆维吾尔自治区四个计量机构准确传递了重力加速度量值,确保了新疆这四个计量机构所在地区力值和压力量值的准确可靠。

绝对重力仪的发展现状及重力计量体系介绍

重力测量在国防军事、地质研究、资源勘探、地球物理、地震预报及计量科学等领域有着广泛的应用。在惯性导航系统中对惯性加速度和重力加速度进行分离,可以提高惯性导航的精度。重力加速度测量的准确性需要通过量值溯源来保证,而用于直接测量重力加速度值的绝对重力仪是重力测量量值溯源和传递的主要工具和载体。以此为背景,介绍了绝对重力仪的主要技术和发展现状,从而引出绝对重力测量和重力计量体系是整个重力测量溯源到SI国际单位制,确保其测量量值准确可靠的唯一途径。最后,简单介绍了重力计量体系以及中国计量科学研究院的相关工作。

CCM.G-K2.2017关键比对报告

2017年10月,第十届全球绝对重力仪(关键)比对活动在中国计量科学研究院昌平院区举行。来自全球的30台绝对重力仪参与了此次比对,其中有13台为关键比对(KC)仪器。介绍了此次关键比对的参与者,阐述了比对活动的具体流程以及数据处理方法,并给出了所有KC的测量及计算结果。此次比对是全球绝对重力仪关键比对第一次在欧洲之外的国家举办,依托于此次活动的成功举办,中国计量科学研究院成功建立了全球目前唯一在用的重力计量原点。

高精度重磁计量标准装置研发

重力、磁性测量在资源探测、科学考察、导航、生物医学、信息技术等现代高科技研究和产业化方面具有重要的基础性作用。高精度的重力、磁性计量标准装置更是对上述领域的科学研究、先进技术开发和产业化推广具有重要的保障作用。我国在微弱磁场、材料磁性测量方面自主计量保障能力不足,在极区重力溯源方面还缺乏完善的校准方法。