基于激光干涉的新型高精度绝对重力仪

本文介绍了一种自主研发的新型高精度绝对重力仪样机,它利用激光干涉原理测量落体自由下落时相对于参考棱镜的时间位移信息,通过振动误差补偿算法提取落体下落轨迹上的时间位移坐标,然后基于最小二乘拟合法计算测点的重力加速度.在白家疃国家地球物理观象台国家重力基准点进行的对比观测试验结果与误差分析确定,样机经误差修正后的系统偏差为(-27.46～-30.59)±3.06×10-8 ms-2,2小时测量精度优于10×10-8 ms-2.

激光干涉绝对重力仪干涉信号处理算法的动态适应性及其船载应用评估

激光干涉绝对重力仪干涉信号处理算法的动态适应性研究是进行动态绝对重力测量的基本前提。本文基于希尔伯特变换、直接正交法、过零点法三种瞬时相位处理算法,提出了基于背景振动物理量的合理动态约束条件,即反向的振动速度不能超过落体的下落速度。构建的单频振动信号仿真实验表明:在满足约束条件时,采样频率为60 MHz,希尔伯特变换算法的精度优于10−13 m/s^(2),过零点算法的精度优于10−9 m/s^(2),直接正交算法的精度为(−7.9±2.0)×10−8 m/s^(2)。基于海浪模拟平台的实测试验表明:满足约束条件时,这三类瞬时相位处理算法均适用于动态环境,并获得了标准差为4.6×10^(−5)m/s^(2)的绝对重力测量值。更进一步,基于本文动态适应性结论对系泊和海面船载动态环境进行评估,结果表明:测量船在3级以下海况可以进行10^(−5)m/s^(2)量级绝对重力的测量;在3—4级海况下,需根据振动信号对测量结果进行筛选以获得10^(−5)m/s^(2)量级绝对重力测量结果;4级以上海况则不适宜进行动态绝对重力测量。

ML-1激光器在FG5-X型绝对重力仪中的应用分析

为了验证ML-1型稳频激光器在绝对重力测量应用中的性能和可用性,简要描述了FG5-X型绝对重力仪的工作原理,重点对其选配的ML-1型稳频激光器进行了介绍,使用ML-1型稳频激光器和FG5-X中原装的WEO100型碘稳频激光器进行测量实验,并对测量结果进行对比分析。结果表明,ML-1型稳频激光器可以在FG5-X型绝对重力仪测量过程中正常工作,其测量精度满足实际需求。

新型绝对重力仪在海洋重力基点测量中的应用

利用自主研发的激光干涉绝对重力仪对广州海洋地质调查局海洋地质码头的三个重力基点进行绝对重力测量。通过对测量结果的分析处理和筛选,确定了各个基点的绝对重力值。测量结果表明,该方法具有快捷、高效和测量精度高的显著优势,是一次非常有意义的技术方法探索。可认为通过进一步的技术性能完善和方法改进,绝对重力测量技术将成为海洋重力测量中一种常规的基点测量手段。

T-1型绝对重力仪的系统原理与测试结果

高精度绝对重力仪用于测量地球表面的重力加速度(g,常用值9.81 m/s2),已经广泛用于计量、测绘、地质、地震与资源勘探等领域。本文将简要介绍T-1型高精度绝对重力仪的系统原理和测试结果。经过进一步改进与工程化设计,T-1型高精度绝对重力仪有望在国内多个领域发挥重要应用。特别是在力学领域,高精度绝对重力仪能够满足国内测力、测压、扭矩等元器件及仪器仪表生产商对精确重力测量的要求。

自振效应对平台式绝对重力仪影响的研究

绝对重力仪是用来精密测量重力加速度的仪器,在计量学、地球物理、地质勘探、辅助导航等诸多领域中有着广泛应用。目前分体式绝对重力仪的测量精度已达到微伽(μGal)量级,而平台式绝对重力仪受自身振动影响较大,精度通常只能达到毫伽(m Gal)量级。基于NIM-3C型绝对重力仪搭建一套振动测量系统,分别对分体式及平台式NIM-3C的振动数据进行采集。通过对振动传递函数的分析找到降低自振的关键环节,取得阶段性研究成果。通过改进,有望将平台式绝对重力仪的测量精度提高到百微伽量级。

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。

事件时间测量系统及其在绝对重力仪中的应用

绝对重力仪通常采用真空腔中自由落体的方法,通过测量激光干涉条纹信号的过零时间来计算绝对重力加速度(g)。针对绝对重力仪的使用,依托电子计数法的基本原理,基于数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)设计实现了事件时间测量系统,精确测量干涉条纹过零时间。首先介绍了事件时间测量的基本原理,然后具体介绍在以DSP为核心的硬件上的实现方法。根据理论计算和MATLAB~?数值仿真实验,评价系统测时误差以及对重力加速度测值的影响。最后分别通过硬件模拟实验和FG5X型高精度绝对重力仪上的对比实验进行验证。实验证明,该系统对重力加速度测量真值影响小于1μGal(1μGal=1×10^(-8) m/s^2),标准差影响小于5μGal。该系统体积小、成本低,尤其对于小型化、野外使用的绝对重力仪,完全符合其使用需求。

北京奥地探测仪器有限公司移动式绝对重力仪和ZSM-6数字重力仪

1移动式绝对重力仪该仪器是基于自由下落原理,即一个高精度的角隅棱镜,在真空室内自由下落,下落的距离用激光干涉仪精确测定。一台高稳定激光用作干涉仪的光源,测量下落距离的精确度与国际长度基准相关,不会因时间和外部环境条件的变化而改变。落体下落距离所用时间,由铷原子钟测定。测量的准确度,也可溯源到国际时间基准保证使用该仪器在地球上任何地方测量重力值准确可靠。由于该仪器测量地球重力场的重力值,

绝对重力仪的技术发展:光学干涉和原子干涉

绝对重力仪是直接开展绝对重力测量的精密计量仪器。绝对重力测量是指对地球表面重力加速度值的直接测量,其在地球科学和计量科学等领域都有十分重要的应用。历史上最早的绝对重力测量约在1590年。1590~1960年,主要利用摆仪的摆长和自由摆周期来开展绝对重力测量。自1960年起,随着激光技术的发明,高精度绝对重力测量有了新的发展,人们开始利用宏观物体自由运动(自由下落或上抛)的方法开展绝对重力测量,形成了激光干涉绝对重力仪。1991年,美国斯坦福大学朱棣文教授小组首次利用冷原子团的自由运动进行绝对重力测量,实现了第一台原子干涉绝对重力仪。中国计量科学研究院是我国最早开展绝对重力仪研制的单位,本文结合中国计量科学研究院绝对重力仪研制经验,综述了激光干涉绝对重力仪和原子干涉绝对重力仪的技术发展,尤其是激光技术的发明对绝对重力仪的技术发展带来的革命性技术变革。

T-1A型高精度绝对重力仪

高精度绝对重力仪用于测量地球表面的重力加速度(g,常用值9.81 m/s^2),在精密计量、大地测量、地球物理、资源勘探等领域具有广泛应用。近年来,清华大学自主研制完成T-1与T-1A型高精度绝对重力仪,采用新型的自由落体装置、激光干涉测量技术和信号处理方法,可实现微伽量级不确定度的精密重力测量。本文主要介绍T-1A型高精度绝对重力仪的系统技术和测试结果,经过进一步工程化改进,该仪器有望实际应用于重力计量、地震研究等领域。

基于系数搜索的振动补偿在平台重力测量中的应用研究

平台式绝对重力仪在测量过程中受振动干扰的影响较大,主要采用振动补偿的方法处理振动干扰,提高测量精度。基于自主研制的激光干涉式绝对重力仪搭建了一套模拟车载平台绝对重力测量系统,利用基于系数搜索的振动补偿方法来减小振动干扰对重力测量的影响,在三种不同地面环境进行试验并对振动情况进行了评估。试验结果表明,经过振动补偿,室内地面环境重力值标准差减小83%,室外方砖地面环境重力值标准差减小41%,室外柏油地面环境重力值标准差减小60%,三种工况下重力值测量准确度均优于2 mgal。基于系数搜索的振动补偿方法可为平台式绝对重力仪的重力测量提供参考。

小型绝对重力仪IGG-03B各组件系统测试

过去十几年,我国高精度绝对重力仪发展迅速,但是仪器的稳定性、可靠性等问题仍须大量的测试和实验数据进行验证.这里介绍了小型绝对重力仪IGG-03B研制过程中,各核心部组件通过商用FG5型绝对重力仪进行替换试验,独立验证了其功能性能参数.在此基础上,整机在绝对重力基准点上进行比对测试,结果表明小型绝对重力仪IGG-03B观测精度优于20μGal.

绝对重力仪研制中仪器测量高度的计算

在激光干涉绝对重力仪的研制中,每次测量落体都要自由下落7~20cm的距离,在此过程中地表重力垂直梯度引入的误差最高可达60×10-8 m/s2。因此,需要计算出每次测量值对应的测量高度,即在该位置时,落体运动的距离内重力垂直梯度对绝对重力测量值的综合误差为零。基于对落体下落运动方程的分析,提出一了种新的绝对重力仪测量高度的计算方法。对比发现,当起始计算时间较小并接近于0(小于0.015s)时,该算法与已有的算法结果具有较好的一致性,最大偏差不大于3 mm,梯度归算误差不大于1×10-8 m/s2(μGal)。在仪器自主研发的过程中,当起始计算时间较长(大于0.015s)时,该算法可以更合理地计算绝对重力测量值对应的测量高度。

原子干涉仪热起来

今天,对于高精度测量,原子干涉是最先进的技术。它的应用包括：构建绝对重力仪,研究精细结构常数的变化,测量旋转角速度,以及测试等效原理等。其敏感性源于：低温下粒子的行为可以像相干波,粒子的动量决定相干波波长。为了实现和保持干涉测量所需的相干条件,